Nous devons en savoir plus que nos élèves sur les caractéristiques d’une conception pédagogique qui donnera les meilleures conditions d’apprentissage. Nous avons besoin de construire un modèle mental de l’apprentissage basé sur les apports de la recherche en sciences cognitives pertinents pour un cadre scolaire. La théorie de la charge cognitive est une contribution importante à ce niveau.
Comprendre l’objet de la théorie de la charge cognitive
Un principe fondateur de la théorie de la charge cognitive a été énoncé par Sweller, Merrienboer et Paas (2019). Ils précisent que le traitement cognitif humain est fortement contraint par notre mémoire de travail limitée qui ne peut traiter qu’un nombre limité d’éléments d’information à la fois.
Si cette limite n’est pas respectée, une surcharge cognitive se produit et elle inhibe l’apprentissage.
La théorie de la charge cognitive repose dès lors sur deux principes cruciaux pour les enseignants (CESE, 2017) :
- Il existe une limite à la quantité d’informations nouvelles que le cerveau humain peut traiter en même temps en mémoire de travail.
- Il n’y a pas de limites connues à la quantité d’informations stockées qui peuvent être traitées en même temps en mémoire à long terme.
L’objet de la théorie de la charge cognitive est par conséquent de gérer la charge cognitive en mémoire de travail pour soutenir l’apprentissage en mémoire à long terme.
S’il ne faut pas surcharger les capacités cognitives, il ne faut pas non plus les sous-utiliser. L’apprentissage demande de faire des efforts et d’utiliser les stratégies adéquates en fonction du contexte.
L’un des principes clés de la charge cognitive est de progresser du simple au complexe. Nous allégeons dans un premier temps les tâches de leurs éléments superflus (la charge extrinsèque) pour nous centrer sur les éléments indispensables à l’apprentissage (la charge intrinsèque).
La théorie de la charge cognitive a permis de mettre en évidence différents principes à suivre et à appliquer pour y parvenir mieux dans un contexte d’enseignement.
Des prérequis et des défis pour la mise en œuvre de la théorie de la charge cognitive
La théorie de la charge cognitive s’intéresse à une conception pédagogique qui permet d’optimiser l’apprentissage.
Elle n’aborde pas directement certaines autres dimensions elles-mêmes cruciales pour l’apprentissage, comme la motivation ou le comportement.
Il importe de répondre et de réfléchir parallèlement à ces autres défis :
- Le contenu peut ne pas intéresser les élèves.
- Les élèves peuvent être distraits par l’environnement, leurs camarades ou même l’enseignant.
- Les élèves peuvent oublier d’un cours à l’autre ce qui a été enseigné.
La science de la motivation, la science du comportement et la science de l’apprentissage continuent à devoir être mobilisées.
Plus globalement, les cinq défis persistants mis en évidence par Mary Kennedy (2015) doivent être adressés.
Le fait de relever les défis posés par la charge cognitive permet néanmoins :
- D’aller au cœur de la manière dont l’apprentissage se produit
- De savoir si l’apprentissage peut se produire en classe.
Planifier la charge intrinsèque
Maximiser la charge intrinsèque revient à permettre aux élèves de traiter les nouveaux contenus de manière privilégiée, approfondie et efficace.
Quatre éléments déterminent la charge intrinsèque :
- La quantité d’informations nouvelles à traiter
- La complexité de cette information, c’est-à-dire son degré d’interactivité des éléments
- La quantité de connaissances déjà acquises par l’apprenant qui peuvent faciliter le traitement et le regroupement des nouvelles informations (ses connaissances préalables)
- Les caractéristiques d’un élève en matière de capacité d’attention et de mémoire de travail.
La charge intrinsèque n’est pas une donnée propre à un sujet ou à une tâche donnée. Tous les élèves ne ressentent pas la charge intrinsèque de la même manière.
Nous pouvons agir à deux niveaux en ce qui concerne la charge intrinsèque :
- À long terme, nous pouvons accroître la capacité d’un élève à gérer des informations plus complexes en améliorant de manière ciblée l’expertise de l’apprenant, c’est-à-dire en augmentant ses connaissances dans le domaine.
- À court terme, nous pouvons changer « ce qui doit être appris au moment donné ». Grâce à la planification, nous pouvons nous concentrer sur les éléments spécifiques que les élèves doivent apprendre. Nous pouvons décomposer le contenu et les tâches pour rendre le processus d’apprentissage plus facile à gérer et performant.
L’objectif même de toute planification de cours dans le cadre de la théorie de la charge cognitive est de concentrer l’esprit des élèves sur ce que nous voulons qu’ils apprennent.
À chaque étape de la leçon, nous devons nous demander ce à quoi les élèves devront penser.
Gérer l’interactivité des éléments
La théorie de la charge cognitive repose sur l’idée selon laquelle les êtres humains éprouvent des difficultés à retenir plus de quatre nouveaux éléments d’information en même temps.
Involontairement, nous pouvons donner à nos élèves trop de nouveaux éléments d’information à gérer dans les tâches et les activités que nous planifions. Des contenus qui paraissent simples pour un enseignant (expert dans son domaine de matière) vont mettre à rude épreuve les limites de la mémoire de travail des élèves (novices dans ce domaine de matière).
Dans la perspective de la théorie de la charge cognitive, la mémoire de travail est tout simplement incapable de gérer des interactions très complexes faisant appel à des éléments nouveaux trop nombreux. L’enseignement qui nécessite la combinaison d’un grand nombre d’éléments inconnus est susceptible d’échouer. À côté du nombre d’éléments nouveaux, leur complexité et les liens entre eux constituent un autre facteur à prendre en compte.
L’interactivité des éléments est le terme utilisé pour décrire la manière dont les différentes connaissances, instructions et informations interagissent. L’interactivité des éléments peut être décrite comme élevée ou faible, en fonction de la conception d’une tâche ou du contenu à apprendre.
Dans l’apprentissage d’une langue, il peut être difficile d’apprendre des éléments de vocabulaire individuels, mais l’interactivité des éléments est faible. Un mot dans la langue cible interagit avec généralement un équivalent (ou parfois deux) dans la langue maternelle.
La grammaire d’une nouvelle langue présente une interactivité des éléments liée à la place des mots dans la phrase ou à leur terminaison. Les élèves deviennent plus capables d’aborder une grammaire complexe lorsque leur connaissance du vocabulaire aura été ancrée dans la mémoire à long terme, de même que certaines règles.
Lorsque nous planifions une tâche, il est utile d’envisager le processus sous l’angle de l’interactivité des éléments. Il s’agit d’évaluer la complexité de la tâche, ce qui nous amène à nous poser certaines questions liées à l’apprentissage des élèves :
- Combien de nouveaux éléments les élèves doivent-ils prendre en compte en même temps ?
- Dans quelle mesure les élèves devront-ils combiner ou utiliser les nouveaux éléments ensemble ?
- Quelles connaissances ou compétences les élèves ont-ils intégrées dans leur mémoire à long terme qu’ils peuvent utiliser pour favoriser le traitement des informations dans cette tâche ?
- Par quelles stratégies et actions puis-je amener mes élèves à s’engager efficacement dans leurs apprentissages ? Comment éviter toute surcharge cognitive ?
Une démarche utile est de se demander comment les élèves les plus faibles de la classe vont aborder ce défi, puis travailler à rebours à partir de cette hypothèse de départ.
Décomposer le contenu pour optimiser la charge intrinsèque
Une mauvaise tactique est de ne pas décomposer le contenu :
- Nous commençons par expliquer tout le contenu d’une leçon.
- Ensuite, nous proposons aux élèves un ensemble de questions, d’exercices ou d’activités en lien.
Une meilleure tactique est de décomposer le contenu. Nous enchainons alors un temps de modelage avec un temps de pratique guidée, ainsi de suite, le tout avec une vérification de la compréhension en continu. Cette segmentation permet de rendre les élèves plus attentifs.
L’attention des élèves est maintenant présente. Ils sont plus attentifs. Ils assimilent mieux. Le cours est plus rythmé.
Il est facile de dire qu’il faut décomposer le contenu, aller du simple au complexe, mais il est plus difficile de préciser dans quelle mesure et par quels types de segments. Il existe deux grandes approches pour décomposer un contenu en étapes gérables :
- L’approche de la partie vers le tout : les éléments individuels du contenu sont d’abord présentés à l’apprenant, un à la fois, avant que la tâche intégrée ne soit introduite.
- L’approche du tout vers la partie : la tâche est d’abord présentée aux élèves, mais l’enseignant la décompose alors en sous-tâches ou en éléments.
Même lorsque nous avons choisi une approche, la question de savoir jusqu’à quel point nous devons décomposer ce contenu se pose encore.
Le fait est que l’apprentissage se produit lorsque les élèves réfléchissent beaucoup. Pour atteindre cet objectif, nous devons guider leur réflexion.
Décider jusqu’à quel point il faut décomposer le contenu, demandera quelques essais et approximations et autant d’adaptations. Il est également important de se rappeler que nous pouvons à la fois décomposer :
- Le contenu : ce que nous enseignons
- Les tâches et leurs processus : la manière dont nous enseignons.
La décomposition de ces deux éléments aidera les élèves à gérer la charge cognitive.
Pour décomposer ce contenu, il faut d’abord le définir par le programme scolaire puis par un objectif pédagogique
Une fois le contenu défini au niveau de l’objectif pédagogique, nous pouvons commencer à voir ce qui est gérable ensemble et ce qui devrait être séparé éventuellement en plusieurs objectifs d’apprentissage. L’idée est de regrouper des contenus qui fonctionnent naturellement ensemble, en respectant les dépendances.
Pour décomposer les tâches et les processus, nous devons réfléchir non plus en matière de connaissances, mais de savoir-faire que les élèves doivent mettre en œuvre. Nous progressons par parties pour atteindre l’ensemble :
- Quel est l’objectif final que je poursuis en matière de savoirs et de procédures pour les élèves ?
- De quelles compétences et connaissances cet objectif est-il constitué ?
- Quelles composantes sont prioritaires et dans quel ordre doivent-elles être agencées ?
- Après avoir choisi une priorité sur laquelle se concentrer, comment puis-je amener les élèves à réfléchir ou à s’entraîner uniquement sur cette partie ?
- Quelles sont les activités qui créeront le mieux une charge intrinsèque axée sur l’élément en question ?
Minimiser les éléments superflus pour contrôler la charge extrinsèque
Certaines activités peuvent motiver les élèves, susciter des interactions autour de défis et de démarches de coopération, mais ne se traduire que par peu d’apprentissages utiles en lien avec les objectifs d’apprentissage visés.
Lancer les élèves dans des projets ouverts au cours de plusieurs leçons est une utilisation inefficace du temps et de l’expertise de l’enseignant dans une perspective d’atteinte d’objectifs d’apprentissage précis.
Du point de vue de la charge cognitive, le principal problème de ces approches est qu’elles ne parviennent pas à minimiser les éléments superflus. Au contraire, elles augmentent la charge extrinsèque — non liée aux apprentissages — au détriment de la charge intrinsèque — directement liée aux apprentissages.
La charge extrinsèque peut être trouvée dans la conception des tâches, dans les exemples, dans les explications et dans la présentation de nos ressources.
Les apports de la théorie de la charge cognitive nous amènent à réfléchir à nos décisions et à nos actions. Lorsque nous planifions des tâches ou concevons une ressource, nous devons réfléchir à la manière de minimiser la charge extrinsèque, car elle peut limiter les apprentissages. Tout ce qui est susceptible de distraire les élèves de leur réflexion sur ce que nous voulons qu’ils apprennent mérite d’être réduit.
Dans le cadre de la planification, il s’agit de considérer chaque moment de la leçon et de rechercher tout point où l’attention des élèves pourrait être attirée par quelque chose qui ne faciliterait pas l’apprentissage. Les ressources ne doivent pas contenir d’éléments superflus ou distrayants, que ce soit au niveau des images ou de l’écriture.
L’effet du problème résolu
Les problèmes résolus sont des exemples complets de problèmes, de tâches, d’exercices ou de questions avec leurs solutions détaillées.
Les problèmes résolus ne sont pas simplement des ressources à la disposition des élèves en difficulté. Ce sont des objets pour une étude approfondie :
- Les étapes sont révélées.
- Les stratégies sont mises en évidence.
Le problème résolu peut servir de modèle pour le modelage et la pratique guidée, puis d’étayage pour la pratique autonome.
Les problèmes résolus sont particulièrement utiles en mathématiques ou en sciences, où les tâches visent souvent une solution spécifique, mais nécessitent la maîtrise de plusieurs étapes. Cependant, les problèmes résolus peuvent être utilisés dans toutes les matières, lorsque des tâches ou des questions doivent être abordées d’une manière particulière.
Les problèmes résolus sont plus efficaces lorsque
- Ils indiquent clairement chaque étape que l’élève doit franchir.
- Ils sont le point de départ d’une discussion qui permet de clarifier un processus.
Certaines questions de discussion peuvent porter sur l’approche en général :
- Pourquoi cette stratégie est-elle opportune à cette étape ?
- Quelles sont les différences entre ces deux modes de résolution ?
La conception de problèmes résolus de haute qualité est un objet d’expertise. Il est peu probable que les premières tentatives d’enseignants novices produisent des problèmes résolus parfaits.
Les problèmes résolus doivent mettre en évidence les points sur lesquels les élèves pourraient avoir des difficultés et ceux pour lesquels nos exemples ou les explications tendent à manquer de clarté.
Lorsque nous commençons à trouver des problèmes résolus qui fonctionnent, nous pouvons les rassembler pour les utiliser ultérieurement. La recherche suggère également que deux ou plusieurs problèmes résolus valent mieux qu’un seul.
Étudier un problème résolu ne permettra pas à un élève d’accomplir la tâche. Nous devons transférer la responsabilité — parfois progressivement — à nos élèves. C’est là que doit intervenir la pratique des élèves par le biais d’une pratique au départ guidée par l’enseignement et ensuite autonome.
Les problèmes à compléter
Les élèves qui ne savent pas par où commencer pour résoudre une tâche après une modélisation peuvent s’engager dans des problèmes à compléter.
Le problème à compléter donne à l’élève l’aide dont il a besoin pour démarrer la tâche. Il s’agit de les guider alors à travers les étapes d’une tâche. Une partie de la solution ou du processus est révélée, laissant la fin à compléter par l’élève. Au fur et à mesure, une plus grande part est laissée à l’élève jusqu’à ce qu’il soit capable de résoudre lui-même une tâche en entier.
L’objectif est de transférer progressivement la responsabilité aux élèves afin qu’ils puissent accomplir de telles tâches sans qu’un problème résolu ou un problème à compléter soit nécessaire.
L’enjeu de la démarche est de mieux gérer la charge cognitive liée à la résolution de nouvelles tâches. Certains élèves peuvent éprouver des difficultés, car ils manquent de connaissances préalables ou n’ont pas retenu une partie de l’explication ou l’avoir mal comprise.
La charge cognitive peut être due aux multiples sources d’information à traiter, à leur ordre ou à la complexité des contenus eux-mêmes.
Un problème à compléter est une bonne étape intermédiaire entre un problème résolu et l’autonomie.
L’effet de partage de l’attention
La prise en compte de l’effet de partage de l’attention peut contribuer à mieux gérer la charge cognitive et à faciliter l’apprentissage des élèves.
Même dans des conditions exemptes de sources de distraction, les élèves doivent souvent partager leur attention entre deux sources d’information différentes : le tableau, l’écran, leurs notes et la personne qui leur explique.
L’effet de partage de l’attention fait spécifiquement référence à la tension qui existe entre les modes de communication utilisés pour expliquer et enseigner.
Un diagramme est souvent accompagné d’une légende écrite. Lorsque celle-ci est séparée
du diagramme, sous forme d’un texte à part ou d’un renvoi à des explications numérotées, l’effet de partage de l’attention se manifeste.
Lorsque les apprenants doivent intégrer mentalement les deux sources d’information afin de comprendre la solution, ce processus entraîne une charge cognitive extrinsèque plus élevée et entrave l’apprentissage. L’intégration de la légende aux endroits pertinents du diagramme réduit ce partage de l’attention.
L’effet de partage des canaux visuels et auditifs
Les implications de l’attention partagée vont au-delà de l’intégration d’une légende dans un schéma.
Dans le cadre d’une recherche, Mayer et Moreno (1998) ont demandé à des élèves de regarder une animation générée par ordinateur. Celle-ci décrivait le processus de formation de la foudre ou le fonctionnement du système de freinage d’une voiture.
Dans chaque expérience, les élèves ont reçu soit une narration simultanée décrivant les principales étapes (situation multimédia), soit un texte simultané à l’écran comportant les mêmes mots et le même timing de présentation (situation non multimédia).
Dans les deux expériences, les élèves du groupe avec narration ont obtenu de meilleurs résultats que les élèves du groupe avec texte en se rappelant les étapes du processus lors d’un test.
Les apprenants multimédias peuvent intégrer les mots et les images plus facilement lorsque les mots sont présentés de manière auditive plutôt que visuelle. Cet effet de partage de l’attention est compatible avec un modèle de mémoire de travail à double traitement, composé de canaux visuels et auditifs distincts.
Le canal visuel de la mémoire de travail reçoit et traite ce que nous avons vu, y compris ce que nous avons lu. Le canal auditif de la mémoire de travail fait de même avec ce que nous entendons.
L’intégration d’une légende dans un diagramme peut réduire le partage de l’attention, mais ils entrent tous deux dans le canal visuel de la mémoire de travail. Les élèves peuvent avoir besoin de combiner et de manipuler les informations d’un diagramme.
La mémoire de travail peut s’épuiser avant que les élèves ne réfléchissent de manière à favoriser l’apprentissage. Les élèves gèrent mieux la charge cognitive lorsque l’information est distribuée entre les canaux visuels et auditifs de la mémoire de travail. De plus, les élèves sont capables de se connecter et de réfléchir au contenu lorsque nous utilisons les deux canaux.
Les problèmes d’attention abondent lorsque les ressources, en particulier PowerPoint, regorgent d’informations concurrentes et sont différents des supports de cours des élèves.
Le principe de base et d’intégrer le texte et les diagrammes dans les ressources et d’éliminer tout ce qui est superflu. Ce qui sera expliqué oralement en détail doit tout au plus être synthétique sur ce qui est projeté. Nous devons tenir compte de l’équilibre entre la mémoire de travail auditive et visuelle dans les explications.
Les contenus du PowerPoint ne doivent pas être un aide-mémoire pour l’enseignant, d’autres supports non publics peuvent jouer ce rôle.
Intégrer les principes de la théorie de la charge cognitive
La théorie de la charge cognitive est un élément essentiel de notre modèle mental de la manière dont les élèves apprennent.
Notre compréhension de la théorie de la charge cognitive devrait nous aider à prévenir les pièges de la surcharge cognitive lors de la phase de planification des cours.
Nous devons les intégrer dans notre réflexion. Par exemple, il s’agit de prendre en compte les connaissances nécessaires pour relever les défis des nouveaux apprentissages à chacune des étapes.
- Les connaissances préalables liées à la matière sont l’élément principal de cette composante.
- Nous devons prendre en compte également les conceptions erronées, ainsi que les difficultés habituelles que rencontrent les élèves.
- Nous devons également ne pas progresser trop vite pour ne pas entraîner une surcharge cognitive.
Parfois, nous pouvons nous rendre compte qu’une tâche a amené les élèves à gérer trop d’éléments à la fois et décider de revenir sur ce sujet lors d’un cours ultérieur ou dans le cours lui-même.
Nous pouvons parfois nous rendre compte que nous attendons trop des élèves en une seule fois. Nous pouvons commencer au moins une partie de la tâche puis faire une pause. Nous pouvons décomposer les exigences sur le moment en diminuant par-là la charge cognitive qu’ils ressentent.
Nous devons évaluer le degré d’interactivité des éléments pour les élèves. Nous choisissons précautionneusement les problèmes résolus. Nous intégrons des problèmes à compléter. Nous réfléchissons au moment opportun ou leur transférer la responsabilité des apprentissages.
La connaissance de la charge cognitive ajoute une couche de réflexion à votre planification, la rendant plus riche. Elle la rendra plus efficace en nous évitant certains faux pas.
Son apport va également dépendre d’une bonne organisation de la classe et d’une bonne gestion de classe. La contrainte en temps va rester importante dans certains choix, car nous ne pourrons pas déployer tous les facteurs susceptibles d’avoir une valeur ajoutée autant que nous pourrions le souhaiter.
Tous les objectifs d’apprentissage ne peuvent pas inclure suffisamment d’exemples et de pratiques qu’il le faudrait pour tous les élèves. Il n’est pas toujours possible non plus de concentrer complètement l’attention de tous élèves. La théorie de la charge cognitive peut cependant nous aider à améliorer l’expérience d’apprentissage des élèves, même si elle peut paraitre par moments triviale ou abstraite.
Elle répète certaines évidences, comme le fait de décomposer le contenu pour les élèves et les amener progressivement à l’autonomie. Cependant, elle nous invite à les considérer avec un systématisme qui en optimise le bénéfice pour l’apprentissage. Elle nous invite également à abandonner certaines pratiques contre-productives qui surchargent la mémoire de travail des élèves où les laissent trop tôt avec trop peu de guidage.
Bibliographie
Peter Foster, What do new teachers need to know ?, David Fulton, 2023
Sweller, J., Merrienboer, J., and Paas, F. (2019). Cognitive architecture and instructional design: 20 years later. Educational Psychology Review, 31, 261–292.
Centre for Education, Statistics and Evaluation. (2017). Cognitive Load Theory : Research that Teachers Really Need to Understand. New South Wales Government.
Kennedy M. (2015) Parsing the practice of teaching. Journal of Teacher Education. 67(1): 6–17.
Mayer, R., and Moreno, R. (1998). A split attention effect in multimedia learning: Evidence for dual processing systems in working memory. Journal of Educational Psychology 90(2), 312–320.
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