Psychologie cognitive pour l'enseignant/Le changement conceptuel

Psychologie cognitive pour l'enseignant

• Introduction

Partie 1 : L'apprentissage conceptuel

• Aborder une notion : définitions et exemples
• L'élaboration : faire des liens
• L'effet de génération : application et controverses

Partie 2 : La théorie de la charge cognitive

• Réduire la charge cognitive intrinsèque
• Supports pédagogiques
• Exercices et exemples : comment rendre la pratique efficace ?

Partie 3 : Les révisions

• Les stratégies de répétition
• Les stratégies d'élaboration
• Développer sa méta-cognition

Partie 4 : Généralités

• Le changement conceptuel
• Le transfert d'apprentissages
• L'importance de la pratique
• Le mythe des styles d'apprentissage

Partie 5 : Apprentissages spécifiques

• L'apprentissage de la lecture

Cette maxime de maître Yoda peut sembler saugrenue. Après tout, pourquoi désapprendre ce qu'on a mis tant de temps à apprendre ? C'est d'autant plus étrange pour les professeurs et formateurs, qui n'aimeraient pas que leur travail n'ait servi à rien. Cependant, il est des situations où il faut désapprendre des informations erronées. Et cela est beaucoup plus dur qu'on ne pourrait le penser. Remplacer des connaissances inadaptées ou obsolètes par des connaissances plus appropriées est souvent un véritable calvaire qui demande beaucoup de temps. Dans de nombreuses situations, des connaissances antérieures inadaptées ne s'oublient pas, elles se cristallisent, et persistent. Pire : elles peuvent empêchent la compréhension de nouvelles idées. L'acquisition de connaissance étant fortement cumulative, toute conception erronée va faire office de grain de sable dans une machine bien huilée. Difficile de façonner un château sur des fondations branlantes. Mais qu'on se rassure : la recherche a étudié le remplacement de connaissances erronées par des connaissances plus adéquates.

« Tu dois désapprendre tout ce que tu as appris. »

Les conceptions erronées

Dans la littérature anglaise, les connaissances antérieures inadaptées sont appelés des misconceptions, ce que l'on peut traduire en français par conceptions erronées ou, plus simplement, par idées fausses. Elles sont très nombreuses et elles sont loin de toutes se ressembler. Chose intéressante, certaines idées fausses sont récurrentes, présentes chez un très grand nombre d'élèves. Par exemple, n'importe quel élève assez jeune croira que les corps tombent dans le vide à une vitesse qui dépend de leur poids (alors qu'en fait, tous les corps tombent à la même vitesse dans le vide). Connaître à l'avance ces conceptions est clairement un gros plus.

Le terme "idée fausse" regroupe des situations très différentes, allant de simples faits erronés faciles à corriger à des erreurs très élaborées, très difficiles à éradiquer. Pour simplifier, nous allons faire la distinction entre les conceptions simples et les conceptions élaborées. La différence est que les premières portent sur une connaissance isolée, alors que les secondes portent sur des connaissances centrales, fortement connectées à d'autres, qui sont la base d'un réseau de connaissances variées. Les conceptions simples peuvent se corriger simplement en corrigeant la connaissance erronée, alors que les conceptions complexes se corrigent lentement et assez mal.

Les conceptions simples

Les conceptions simples font que l'étudiant se trompe sur un détail ou un fait assez superficiel, sans grandes conséquences. L'exemple le plus classique : les faux amis en anglais ! Demandez ce que veut dire actually en anglais à un élève qui ne connaît pas ce mot : il vous répondra actuellement, alors que actually veut dire en fait. Comme autres exemples, on pourrait citer les jeunes enfants qui croient que le jour et la nuit sont causés par la rotation de la Terre autour du Soleil (pour les moins jeunes), que les quatre saisons proviennent de l'éloignement de la terre par rapport au soleil, ou que les premiers humains ont cohabité avec les dinosaures. De telles erreurs se corrigent assez facilement, de simples explications orales et un peu d'entrainement suffisant à résoudre le problème.

Basiquement, les conceptions simples peuvent approximativement se classer en trois types : les conceptions vernaculaires, factuelles et conceptuelles. Une classification plus détaillée ne serait pas vraiment utile, aussi nous allons nous contenter de ces trois types superficiels. Voici la classification en détail :

• Avec les erreurs vernaculaires, la conception est liée au fait qu'un mot a des sens différents, qui peuvent porter à confusion. Le cas le plus évident est celui où un terme n'a pas le même sens dans le langage courant et dans les matières scientifiques. Un exemple classique serait les termes de "chaleur", "force", "puissance" : leur sens en physique n'est pas le même que celui du langage courant. Pour un élève, accélérer signifie "gagner de la vitesse", alors que cela veut dire "changer de vitesse, aussi bien en gagner qu'en perdre" pour le physicien. Pour le second exemple, prenons un débutant en programmation qui aborde les notions de variable et de fonction : ces deux concepts sont très différents des concepts de variables et de fonction abordés en mathématique, mais l'étudiant aura tendance à faire la confusion. Un dernier exemple serait ceux qui pensent que "les schizophrènes ont une double personnalité", ce qui n'est pas du tout le cas et vient de l'utilisation du terme "schizophrène" dans le langage courant.
• Avec les erreurs factuelles, l'élève se trompe sur un fait précis, sans que cela ait des conséquences importantes. Le fait en question est isolé et n'est pas centrale dans la compréhension d'une discipline ou d'une théorie. Voici quelques exemples de conceptions de ce type : "les vikings portaient des casques à corne", "les vikings buvaient dans les crânes de leurs ennemis", "les vierges de fer et les ceintures de chasteté ont réellement été utilisées au Moyen Âge", "les humains n'utilisent que 10% de leur cerveau", "en été, le Soleil est plus près de la Terre qu'en hiver", "la mémoire d'un poisson rouge est de quelques secondes", "les souris adorent le fromage", etc.
• Avec les conceptions conceptuelles, l'élève a une compréhension incomplète d'un concept. Soit parce qu'il n'a pas vu assez d'exemples, soit qu'il n'a pas vu assez d'informations sur le concept. Un tel exemple serait le cas d'un élève qui penserait que tous les volcans sont de type effusif, à savoir qu'ils émettent tous des coulées de lave rouge/orange. Un tel élève aurait une compréhension partielle du concept de volcan, par ignorance de l'existence des volcans explosifs (ceux qui émettent des cendres ou de la lave très visqueuse, parfois quasi-solide). De telles conceptions se corrigent avec un peu plus d'explications que les précédentes et/ou en ajoutant de nombreux exemples.

Les conceptions de ce genre semblent certes assez simples, mais les corriger peut avoir une grande importance, pédagogique ou non. Par exemple, prenez les conceptions suivantes : "les dyslexiques sont moins intelligents que la moyenne", "les vaccins causent l'autisme", "les bébés ne ressentent pas la douleur". Il est évident que de telles conceptions ont fait et continuent de faire beaucoup de mal. Mais même en mettant de côté de tel extrêmes, des conceptions peuvent avoir des conséquences pédagogiques assez importantes. Par exemple, prenez la conception suivante : "le Moyen Âge était une période barbare, où l'ignorance et la superstition régnaient en maitre, ce qui s'est terminé à la renaissance". Les élèves qui croient à cette conception, et ils sont nombreux, risquent d'avoir du mal à suivre des cours d'histoire et à se faire une idée claire de ce qu'était le Moyen Âge. Notons que cette conception est reliée à quelques autres, comme le fait que "les paysans du Moyen Âge pensaient que la terre était plate", "les paysans du Moyen Âge mourraient tous avant 40 ans", mais ces conceptions peuvent se corriger indépendamment les unes des autres sans trop de problèmes.

Les conceptions de ce type peuvent avoir des origines assez variées. Mais dans la plupart des cas, elles proviennent d'un raisonnement par induction. Quelques idées fausses de ce type naissent à partir d'analogies trompeuses, comme le montre l'exemple du mot "actually". Un autre exemple serait le cas où un élève pense que les chauve-souris sont des oiseaux, car elles sont capables de voler et qu'elles ressemblent de loin à des oiseaux. D'autres proviennent de la généralisation abusive à partir d'exemples. Par exemple, beaucoup d'élèves de primaire pensent qu'une division entre deux nombres donne un résultat plus petit que le dividende, ou qu'une multiplication donne toujours un résultat plus grand que le multiplieur et multiplicande. Cette règle marche bien quand on utilise des nombres entiers naturels, mais elle ne marche plus quand on commence à manipuler des décimaux ou des fractions. Le problème est que les élèves ont acquis, consciemment ou non, cette règle en manipulant les nombres entiers et qu'ils vont la généraliser aux décimaux.

D'autres conceptions simples, plus rares, proviennent de déductions logiques, mais qui sont fausses à cause de l'ignorance d'un détail technique. Tel est le cas de la conception qui dit que "le Soleil est plus près de la Terre en été et plus loin en Hiver". Une telle conception est naturelle pour qui sait que l'orbite de la Terre autour du Soleil n'est pas exactement circulaire, mais elliptique. Le problème ici est que les élèves surestiment le caractère elliptique de l'orbite de la Terre, qui est en réalité très proche d'un cercle parfait. Surestimation qui est sans doute aggravée par les représentations utilisées pour illustrer l'orbite de la Terre.

Les conceptions élaborées

Les conceptions élaborées ne portent pas que sur une connaissance simple, factuelle, mais portent sur tout un ensemble de connaissances fortement reliées entre elles. Les connaissances en question forment un réseau de connaissances qui se soutiennent les unes les autres. Tenter de corriger une information appartenant à ce réseau ne marchera pas. L'information corrigée sera en effet incompatible avec toutes les autres informations du réseau, et l'élève sera perdu. La correction elle-même ne s'insérera pas bien dans le réseau de connaissances préalables, elle sera incompatible avec ce qui est déjà connu.

Une bonne partie des conceptions élaborées sont des connaissances naïves tirées de l'expérience, fortement consolidées par les années, qui sont très difficiles à corriger. Généralement, quand un élève arrive à l'école, il a derrière lui plusieurs années durant lesquelles il s'est construit des modèles implicites du monde, sur les quantités, le poids et la chute des corps, les nombres, etc. Cet apprentissage par découverte "naturel", dans lequel l'enfant apprend seul, entraine naturellement l'apparition d'idées fausses. Les conceptions erronées de ce genre sont très nombreuses dans l'enseignement de la physique : un kilo de plomb est plus lourd qu'un kilo de plume (confusion poids/densité), si une fusée spatiale dans le vide qui coupe ses moteurs va freiner (mauvaise compréhension du principe d’inertie), les corps tombent dans le vide à une vitesse qui dépend de leur poids, etc.

Autre exemple, un peu plus complexe : le courant électrique est souvent mal compris. Par exemple, si vous posez la question suivante aux élèves : "on branche une dizaine d'ampoules en série, et une autre dizaine en parallèle : quel est le montage qui éclaire le mieux ?", les élèves répondront souvent que ce sera le montage série : les élèves pensent que le courant ne se séparera pas en deux (ce qui arrive avec les bifurcations dans le montage parallèle), ce qui est faux. Le problème dans ce cas précis, provient de la conception erronée du courant électrique comme un ensemble matériel produit par la pile à débit constant.

Évidemment, il vaut mieux connaître ces idées reçues fréquentes pour prendre les devants. Mais se contenter de corriger ces conceptions erronées ne suffit pas à les faire disparaître. Les conceptions complexes sont extraordinairement résistantes à l'oubli et elles perdurent, même chez les élèves qui ont subi un enseignement correctif élaboré. Pour donner un exemple, je vais citer une expérience faite par Laurence Viennot sur des élèves de terminale S, de DEUG (oui, l’étude date...), et de maîtrise. Elle leur a posé la question suivante : "quand on lance une balle en l'air, quelles forces s’appliquent quand celle-ci monte et descend, frottements mis à part ?". Près de 55% des élèves de terminale et 33% des étudiants de DEUG pensaient qu'il y avait deux forces, une qui faisait tomber la balle (pesanteur), et une autre qui faisait se mouvoir la balle contre la gravité. Ils utilisaient un modèle de force naïf, qui relie fortement la force à la vitesse. En réalité, il n'y a qu'une seule force : la pesanteur... Pourtant, ces étudiants connaissaient la définition technique d'une force et savaient l'utiliser dans des exercices académiques. Mais dans la situation de l'interrogation, c'était l'idée reçue qui était la plus accessible et qui prenait le dessus.

Le processus du changement conceptuel

Les conceptions complexes peuvent cependant se corriger progressivement, par restructuration complète d'un réseau complexe de connaissances fortement interconnectées. Ce processus de correction est appelé le changement conceptuel par les chercheurs. Et le moins que l'on puisse dire est que ce processus est complexe et mal compris, les théories sur le sujet étant nombreuses. Un point important à comprendre est qu'expliquer le changement conceptuel demande de préciser la nature du réseau de connaissances incluant la conception élaborée. Et à ce petit jeu, deux visions assez opposées s'affrontent.

La première vision considère que ce réseau représente une véritable théorie. Par théorie, on veut dire qu'il forme un ensemble de connaissances cohérent, unifié autour de quelques principes basiques plus ou moins implicites, qui permet d'expliquer un grand nombre de situations, et qui permet de faire des déductions et des prédictions. Évidemment, ces théories ne sont pas aussi élaborées et formalisées que les théories scientifiques. Elles restent assez naïves, sont surtout basées sur des connaissances implicites, font souvent preuve d'une logique pas vraiment formalisée, etc. Mais ces théories naïves sont cependant basées sur une certaine forme de logique et un raisonnement causal. Cette vision, appelée la perspective knowledge-as-theory par les auteurs anglo-saxons, est opposée au paradigme knowledge-as-elements qui stipule que les connaissances des élèves ne sont pas aussi bien structurées. Sans forcément n'être qu'un amas de connaissances reliées n'importe comment, cette vision pense que les connaissances ne sont pas organisées de manière cohérente. Un élève peut très bien avoir des connaissances contradictoires sans s'en rendre compte.

Pour bien comprendre la différence, il faut regarder ce que les deux visions prédisent. La première prédiction tient à l'incohérence des constructions mentales. Avec la vision knowledge-as-theory, l'élève ne peut pas avoir de connaissances incohérentes, ou alors seulement à la marge. Après tout, les éléments d'une théorie se contredisent rarement entre eux, ou alors seulement d'une manière qui n'est pas du tout évidente. Si il y a incohérence dans une théorie naïve, elle n'est pas facile à déceler. À l'inverse, la vision knowledge-as-elements dit qu'il est possible que l'élève ait des connaissances ou des idées franchement incohérentes, sans s'en rendre compte, et qu'il utilise l'une ou l'autre suivant la situation.

Une prédiction liée à cette différence se voit quand un élève doit utiliser ses connaissances pour raisonner, réfléchir, résoudre des problèmes. Le cas à étudier est celui où on soumet l'élève à deux tâches conceptuellement similaires, qui utilisent toutes deux le même ensemble de connaissances et de méthodes. Si l'élève utilise une théorie naïve, il fournira des explications qui sont consistantes, à savoir qu'il n'y aura pas d'explications incohérentes entre les deux tâches. Mais si l'élève n'utilise pas une théorie, mais un réseau mal organisé, le résultat est tout autre. L'élève va alors construire des explications à la volée en utilisant les connaissances qui lui viennent à l'esprit, celles qui sont activées par la tâche demandée. Suivant la tâche, les connaissances activées seront différentes et il n'est pas impossible que l'élève utilise des connaissances incompatibles ou incohérente d'une tâche à l'autre.

Un autre point important est que le changement conceptuel n'a pas lieu de la même manière dans les deux visions. À l'heure actuelle, les chercheurs ne savent pas trop si le changement conceptuel est soudain, le réseau se réorganisant rapidement, ou progressif, par accumulation incrémentale de nouvelles connaissances qui remplacent les anciennes. Les premières théories sur le sujet (les théories de Piaget, notamment) penchaient plutôt du côté d'une réorganisation rapide et soudaine. Mais aujourd'hui, beaucoup de chercheurs pensent que le changement conceptuel peut se faire progressivement, lentement, par construction incrémentale d'un nouveau réseau alternatif du réseau initial. Ce débat est relié à la controverse sur la nature du réseau de connaissances. La première vision, à savoir celle des théories naïves, est plutôt compatible avec un changement brutal. Les théories naïves doivent être réfutées en bloc, avant d'être remplacées par une théorie alternative. La seconde vision, quant à elle, est plutôt compatible avec un changement conceptuel graduel. Les connaissances adéquates sont acquises progressivement, alors que les connaissances inadéquates sont progressivement enfouies dans les tréfonds de la mémoire.

Comparaison entre les approches knowledge-as-theory et knowledge-as-elements

knowledge-as-theory	knowledge-as-elements
Les deux visions s’accordent sur les points suivants : Les élèves acquièrent des connaissances naïves par induction, notamment lors de leur vie quotidienne. Les connaissances naïves influencent l'apprentissage formel, scolaire. Les connaissances naïves sont robustes et résistantes au changement.
Les connaissances naïves sont organisées en théorie cohérentes.	Les connaissances naïves forment un réseau peu organisé.
Les connaissances sont appliquées de manière consistante dans des contextes différents pour formuler des explications.	Les connaissances ne sont pas appliquées de manière consistante dans des contextes différents, mais elles le sont pour un même contexte.
Les explications sont des déductions de la théorie naïves, formulées à partir de modèles mentaux consistants.	Les explications sont construites à la volée à partir des connaissances activées par les éléments de la tâche.
Le changement conceptuel est soudain, basé sur une réorganisation catastrophique des théories naïves.	Le changement conceptuel est graduel, lent, basé sur une acquisition incrémentale de connaissances.

Les conceptions ne s'oublient pas et interférent avec l'activité mentale

Les conceptions simples et élaborées continuent à avoir des conséquences, même une fois qu'elles sont "corrigées" et que l'élève connaît les informations valides. Elles ont tendance à se manifester quand elles ne devraient pas. Évidemment, il faut de la répétition et de l’entraînement pour que la conception disparaisse et que l'élève cesse de faire des erreurs. Mais même après cela, il arrive que la conception ressorte dans des situations peu familières, si l'élève ne fait pas attention, ou dans des cas d'étude un peu particuliers. La raison à cela est que la conception erronée et l'information valide seront toutes deux en mémoire et le deux peuvent être rappelées. Elles vont entrer en compétition pour le rappel et un processus de sélection va choisir quelle est l'information pertinente. Suivant les indices de récupération activés par la tâche, la conception peut ressortir en priorité.

Cela a été plus ou moins montré dans l'étude d’Andrew Shtulman et Joshua, publiée dans le journal cognition. Dans leur étude, 200 cobayes devaient dire si des affirmations étaient vraies ou fausses le plus rapidement possible, les temps de réaction étant mesurés. Parmi ces affirmations, certaines étaient conçues de manière à évoquer des conceptions erronées : "la Lune produit de la lumière", "1/13 est plus petit qu'1/30", "les atomes sont principalement composés de vide", "un kilo de plomb pèse plus qu'un kilo de plumes", etc. Bilan : les temps de réaction et le taux d'erreur étaient plus élevés pour les affirmations qui évoquaient des conceptions erronées. La raison est que la sélection de l'information valide parmi plusieurs compétiteurs prend un peu de temps, qui se mesure assez bien dans les épreuves de chronométrie mentale.

Cet effet d'interférence est de plus confirmé par quelques rares observations d'imagerie cérébrale. Dans une étude, les chercheurs analysaient le cerveau de deux groupes de cobayes lors de la résolution d'exercices d’électricité : un groupe était constitué de novices, et un autre d'experts en électricité. Ces deux groupes devaient résoudre deux types d'exercices : certains étaient conçus de manière à forcer l'utilisation d'une conception erronée, et les autres non. Cette étude montre que chez le novice, les informations incohérentes avec la conception erronée sont d'abord interprétées par le cerveau comme des erreurs et sont passés sous le tapis : les zones du cerveau chargées de la détection de la surprise s'activent, avant de laisser la place aux zones du cerveau activés lors du désintérêt. En somme, notre esprit n'aime pas remettre en cause ce qu'il sait déjà. Par contre, les zones du cerveau qui s'activaient chez les experts étaient celles dévolues à l'inhibition, à savoir la capacité à empêcher le rappel d'une connaissance depuis la mémoire à long terme. En clair, la conception erronée était encore présente dans le cerveau, mais le cerveau se chargeait d’en empêcher le rappel et l'utilisation.

Les implications pédagogiques : provoquer le changement conceptuel

Première recommandation : il faut éviter l'apparition de conceptions erronées, et faire en sorte que les connaissances des élèves soient d'emblée les plus fiables possibles. Toute connaissance apprise à un niveau donné d'étude doit être conçue pour ne pas interférer avec des apprentissages ultérieurs. Les simplifications outrancières dans les premières années d'études sont en effet très préjudiciables pour la progression future. Les pédagogies actives sont aussi une catastrophe de ce point de vue : les élèves procèdent par séries d'essais et d'erreurs, il existe un risque que les erreurs soient mémorisées avec la connaissance correcte. La progression devient très lente si les élèves assimilent des connaissances boiteuses et des erreurs de compréhension.

Seconde recommandation : il ne faut pas laisser l'erreur s'installer. Les conceptions erronées que forme l'élève au cours de son apprentissage doivent être corrigées au plus vite, avant d'être inscrites dans la mémoire à long terme. Pour cela, le professeur doit réserver sur chaque cours une période de feedback, qui permet aux élèves d'identifier leurs erreurs de compréhension et de les corriger. Dans cette phase, le professeur va tester les élèves avec des questions de compréhension, voire par une série d'interrogations écrites. La solution privilégiée est l'utilisation massive d'interrogation écrites fréquentes.

Une autre recommandation tient dans la formulation des explications, de la correction. Quand on veut remplacer une conception par une information valide, il faut que cette dernière soit présentée d'une certaine manière pour être vraiment efficace. Déjà, il faut que l'élève soit en quelque sorte préparé à remettre en cause la conception. Il doit sentir que quelque chose ne va pas avoir la conception, qu'elle est incompatible avec certaines connaissances tenues pour certaines, certains résultats expérimentaux fiables, qu'elle mène à des incohérences. Il ne suffit pas de présenter une explication alternative, il faut que celle-ci soit justifiée et serve vraiment à répondre à des objections auxquelles la conception ne peut répondre. Présenter une explication alternative seule risque de na pas passer très bien si l'élève pense que la conception donne le même résultat. Ensuite, il faut que l'explication soit simple, claire, facile à mémoriser et à comprendre. Une explication incompréhensible ne donnera évidemment pas de bons résultats. Et il faut aussi qu'elle soit plausible. Par plausible, on veut dire qu'elle doit être intuitive (idéalement), mais aussi qu'elle doit répondre aux objections formulées envers la conception.