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Transcript

La théorie de la charge cognitive

Bref historique, quelques définitions, les implications pédagogiques et les buts de la théorie de la charge cognitive.

Introduction

L'apprentissage

Architecture cognitive

Types de charge Cognitive

LES EFFETS

Bibliographie

Distinction entre connaissances biologiques primaires et secondaires.

Architecture cognitive et analogie entre l’architecture cognitive humaine et l’évolution par la sélection naturelle.

Trois types de charge cognitive : intrinsèque, extrinsèque et pertinente.

Résultats applicables (procédures d'enseignement) issus d'expériences basées sur les principes de la théorie de la charge cognitive.

Par Josiane Dussault
ENseignante en mathématiques et Étudiante à la maîtrise en éducation
(avec mémoire - concentration en efficacité de l'enseignement et des écoles)

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Bref historique

La charge cognitive

Principaux buts de la théorie de la charge cognitive

La théorie de la charge cognitive

Vers la fin des années 80, Sweller s'intéresse à la stratégie de résolution de problèmes, appelée analyse moyens-fins, qui consiste à partir du but à atteindre et à revenir progressivement à l’état initial du problème en franchissant différentes étapes (les sous-buts).


Cette stratégie est très coûteuse cognitivement puisqu’elle implique qu'une grande charge cognitive est consacrée à la résolution du problème, la construction de schémas devient alors difficile et l’apprentissage est nécessairement compromis.

Bref historique

« La charge cognitive correspond à la quantité de ressources cognitives investies par un individu lors de la réalisation d’une tâche. Elle dépend :

Qu'est-ce que la charge cognitive ?

  • la complexité de la tâche (le nombre d’éléments à traiter et à mettre en relation)
  • des ressources de l’individu (ses connaissances à propos de cette tâche)
  • et de la manière dont la tâche est présentée. » (Qu'est ce que la charge cognitive ?, 2019)

la théorie de la charge cognitive

  • La théorie de la charge cognitive prend appui sur le modèle de Baddeley dans lequel l’architecture cognitive humaine est constituée d’une mémoire de travail, dont la capacité est limitée, et d’une mémoire à long terme à capacité illimitée.

  • Lors de l’apprentissage, l’information nouvelle est traitée par la mémoire de travail, qui la combine avec les connaissances antérieures de l’apprenant, puis la transfère dans la mémoire à long terme sous la forme d’un schéma qui pourra ultérieurement être récupéré par la mémoire de travail dans la réalisation d’une tâche.
  • Ce sont ces schémas qui permettent de demeurer dans la limite de capacité de la mémoire de travail puisque peu importe la complexité de ce dernier, il sera traité comme un seul élément par celle-ci.

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Principaux buts de la théorie de la charge cognitive

Cela nous mène aux principaux buts de la théorie de la charge cognitive :



  • identifier ce qui crée une surcharge cognitive et gêne la construction de nouveaux schémas et, par conséquent, l’apprentissage ;
  • concevoir les différentes techniques pour diminuer les charges cognitives intrinsèque et extrinsèque, tout en augmentant la charge cognitive pertinente puisqu’elle est utile à l’apprentissage.

Apprentissage

Distinction entre connaissances biologiques primaires et secondaires.

Pourquoi, malgré le fait que nous apprenions énormément de connaissances de façon «naturelle», ce n’est pas le cas en classe ?


Parce que les processus cognitifs requis pour l’acquisition d’une connaissance primaire ne sont pas les mêmes que pour une connaissance secondaire !

Il est donc essentiel que, pour apprendre des connaissances secondaires, l’apprenant bénéficie d’un enseignement structuré, clair, explicite et axé sur les processus cognitifs requis pour l'apprentissage.

Connaissances que l’on acquiert de façon naturelle : parler, marcher, reconnaître des expressions faciales, etc.

CONNAISSANCES PRIMAIRES

Connaissances qui nécessitent un enseignement, des efforts et de la motivation de la part de l’apprenant : lire, écrire, compter, etc.

CONNAISSANCES SECONDAIRES

Apprentissage

Distinction entre connaissances biologiques primaires et secondaires.

Pourquoi, malgré le fait que nous apprenions énormément de connaissances de façon «naturelle», ce n’est pas le cas en classe ?


Parce que les processus cognitifs requis pour l’acquisition d’une connaissance primaire ne sont pas les mêmes que pour une connaissance secondaire !

Il est donc essentiel que, pour apprendre des connaissances secondaires, l’apprenant bénéficie d’un enseignement structuré, clair, explicite et axé sur les processus cognitifs requis pour l'apprentissage.

Connaissances que l’on acquiert de façon naturelle : parler, marcher, reconnaître des expressions faciales, etc.

CONNAISSANCES PRIMAIRES

Connaissances qui nécessitent un enseignement, des efforts et de la motivation de la part de l’apprenant : lire, écrire, compter, etc.

CONNAISSANCES SECONDAIRES

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La théorie de la charge cognitive s'appuie sur la description classique de l'architecture cognitive partagée en trois systèmes de mémoire.

Sweller fait une analogie entre l’architecture cognitive humaine et l’évolution par la sélection naturelle.


Cinq principes fondamentaux en découlent et se retrouvent à la base de la théorie de la charge cognitive.

https://jenseigneadistance.teluq.ca/mod/page/view.php?id=190

https://blogs.miamioh.edu/edt431-531/2019/02/evolution-vs-natural-selection-why-are-the-misconceptions-important-to-correct/

Architecture cognitive

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La mémoire à long terme

La mémoire à long terme permet de retenir, de manière illimitée, sur de très longues périodes de temps. Elle repose sur trois processus de base : l'encodage, le stockage et la restitution des informations.

La mémoire de travail

Lors de l’apprentissage, la mémoire de travail traite les informations nouvelles, les combine avec les connaissances antérieures de l’apprenant, puis les encode dans la mémoire à long terme.


Ultérieurement, elle peut récupérer les informations encodées en mémoire à long terme lors de la réalisation d’une tâche.

LA mémoire sensorielle

La mémoire sensorielle collecte des informations de l’environnement à travers deux canaux ( verbal/auditif et visuel) puis, selon l’attention qui leur est accordée, les envoie dans la mémoire de travail.

L'ARCHITECTURE COGNITIVE HUMAINE

La mémoire de travail

  • La capacité de la mémoire de travail est limitée ; elle ne peut traiter qu'un nombre d'éléments limités à la fois.
  • Les ressources mentales mobilisées sont limitées à la capacité de la mémoire de travail. Si celles-ci sont trop nombreuses, la mémoire de travail est alors surchargée cognitivement, ce qui mène alors à l’échec de la tâche ou de l’apprentissage.

la mémoire à long terme

  • Lorsque la mémoire de travail encode les nouvelles informations, combinées avec les connaissances antérieures de l’apprenant, dans la mémoire à long terme, elle le fait sous la forme d’un schéma, une structure de connaissances organisées. Ce sont ces schémas qui permettent de demeurer dans la limite de capacité de la mémoire de travail puisque peu importe la complexité de ce dernier, il sera traité comme un seul élément par celle-ci.

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  • Une fois le schéma construit, il est important que l’apprenant pratique suffisamment afin d’automatiser le schéma dans le but de réduire la charge cognitive sur la mémoire de travail. En effet, l’automatisation permet d’exécuter presque qu’inconsciemment des tâches de façon précise et fluide.
  • À l’inverse, sans automatisation, la réalisation de la tâche sera plus lente et mobilisera plus de ressources en mémoire de travail, ce qui pourrait compromettre l’apprentissage de notions plus complexes.

La notion de schéma est primordiale puisque « ces structures de connaissance organisées constituent un mécanisme majeur pour extraire le sens des informations, acquérir et stocker des connaissances dans la mémoire à long terme, contourner les limites de la mémoire de travail, augmenter la force de la mémoire, guider la recherche et le rappel d'informations et fournir des liens avec les connaissances antérieures ».

Plass, J. L., Moreno, R., & Brünken, R. (2010)

Cinq principes fondamentaux

Le principe du stockage de l’information

Le principe d’emprunt et de réorganisation

Le hasard comme principe de genèse

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Les limites étroites du principe de changement

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Le principe environnemental d’organisation et de liaison.

  • La théorie de la charge cognitive s’intéresse principalement à la façon dont les connaissances secondaire sont acquises.
  • Celles-ci nécessite un enseignement structuré, clair, explicite et axé sur les processus cognitifs requis pour l'apprentissage
  • Ces connaissances sont donc traitées, stockées et utilisées selon une architecture cognitive spécifique.
  • Sweller fait une analogie entre l’architecture cognitive humaine et l’évolution par la sélection naturelle. Ce parallèle est très intéressant puisque l’évolution biologique et la cognition humaine utilisent les mêmes processus pour traiter les différentes informations.

De la même façon que le génome contient l’ensemble du matériel génétique permettant la création, le développement d’un organisme et l’évolution dans un environnement complexe, la mémoire à long terme est également très vaste et contient un très grand nombre d’informations.

Afin de faire face à un environnement complexe et en constante évolution, les êtres humains ont besoin d'une grande quantité de ressources facilement disponibles pour fonctionner efficacement. La mémoire à long terme fournit cette réserve. Pour fonctionner, les systèmes de traitement naturel de l'information ont besoin d'un énorme stock d'informations. La mémoire à long terme fournit ce stockage pour les connaissances primaires et secondaires dans le cas de la cognition humaine.


Un expert est quelqu'un qui dispose d'une grande quantité de ressources conservées dans la mémoire à long terme.

Le principe du stockage de l’information

La plupart des contenus de la mémoire à long terme sont empruntés, car nous apprenons des autres ; en les regardant, en les écoutant... Nous nous approprions ensuite ces apprentissages, nous les réorganisons en utilisant les schémas stockés dans notre mémoire à long terme.

La reproduction humaine est un excellent exemple du principe d’emprunt et de réorganisation : l’information est empruntée aux parents et réorganisée afin de créer un individu unique.


De la même façon, « les connaissances en mémoire à long terme sont stockées sous forme de schémas, schémas qui sont pour la plupart empruntés à d’autres individus. Or, l’acquisition de schémas implique presque invariablement un certain niveau de réorganisation (Chanquoy, Tricot et Sweller, 2007). Puisque les connaissances empruntées par un individu sont combinées avec les connaissances déjà contenues dans sa mémoire à long terme, de nouveaux schémas sont alors créés.

Le principe d’emprunt et de réorganisation

Bien que les systèmes naturels de traitement de l'information acquièrent la grande majorité de leurs informations par le biais du principe d'emprunt et de réorganisation, ces informations doivent être créées en premier lieu. Le principe de l'aléatoire comme genèse fournit le mécanisme nécessaire.


Il arrive qu’un organisme doive muter afin de s’adapter à un nouvel environnement, une nouvelle réalité. Ces mutations sont donc aléatoires puisqu’aucune information relative à cette nouveauté n’est emmagasinée dans le génome. Elles font donc l’objet d’un test d’efficacité et, si elles sont efficaces, elles sont alors conservées dans le génome pour une utilisation future.


De la même façon, lorsqu’un apprenant doit résoudre un problème pour lequel il n’a pas l’information relative en mémoire à long terme et qu’il ne peut l’emprunter à un autre individu, alors il n’a pas d’autre choix d’utiliser une méthode d’essais et erreurs qui lui permettra d’acquérir de nouvelles connaissances et ainsi de construire de nouveaux schémas.

Le hasard comme principe de genèse

Des mutations aléatoires doivent parfois se produire pour qu’un organisme s’adapte à un nouvel environnement ou une nouvelle réalité. Cependant, le nombre de ces mutations doit demeurer dans des proportions réalistes afin d’éviter des altérations trop grandes du génome.

Du côté du système cognitif humain, c’est la mémoire de travail à capacité limitée qui s'assure de ne jamais traiter une trop grande quantité d'informations nouvelles, cela diminue ainsi les risques de modifications importantes de la mémoire à long terme. Les risques de dommages aux structures de connaissances que l'apprenant a développées pendant de longues périodes sont ainsi amoindris.

Les limites étroites du principe de changement

Ce principe permet d’expliquer comment les gènes contenus l’ADN peuvent être activés en fonction des facteurs environnementaux, mais aussi comment une grande quantité d’informations stockées dans l’ADN peut être utilisée pour déterminer l’activité génétique appropriée en fonction de l’environnement.

De la même façon, la mémoire de travail reçoit les informations de l’environnement pour déterminer les schémas les plus pertinents à récupérer en mémoire à long terme. Alors que la mémoire de travail a une capacité limitée, aucune limite ne s'applique lorsqu'elle est utilisée pour récupérer des informations de la mémoire à long terme. En effet, une fois les informations organisées et stockées dans la mémoire à long terme sous la forme de schémas, peu importe la complexité de ce dernier, il sera traité comme un seul élément par la mémoire de travail.

Le principe environnemental d’organisation et de liaison

CHarge pertinente

La charge cognitive pertinente est directement liée aux ressources de la mémoire de travail que l’apprenant utilise pour acquérir les connaissances et construire des schémas. L'acquisition et l'automatisation de schémas nécessitent des ressources cognitives et imposent donc une charge cognitive. Dans ce cas, la charge cognitive est pertinente, dans le sens où elle est utile à l'apprentissage (Sweller, van Merriënboer & Paas, 1998). »

CHarge extrinsèque

La charge cognitive extrinsèque est liée à tous les processus cognitifs inutiles, à tous les éléments que l’élève doit traiter, mais qui ne sont pas nécessaires à la construction de schémas. Cette charge est souvent causée par des tâches d’apprentissages mal organisées, mal présentées ou encore qui contiennent des informations confuses ou superflues.

Charge intrinsèque

La charge cognitive intrinsèque concerne la complexité de l’information qui doit être apprise par l’apprenant et elle est déterminée par le degré d’interactivité entre les éléments qui doivent être traités en même temps par la mémoire de travail, mais aussi par le niveau de connaissances de l’apprenant.

LES TYPES DE CHARGE COGNITIVE

effets qui permettent de réduire les charges cognitives intrinsèque et extrinsèque tout en augmentant la charge cognitive pertinente.

L'effet de la non-spécification du but

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L'effet du problème résolu ou du problème à compléter

L'effet de l'attention partagée

L'effet de la modalité

L'effet de redondance

L'effet

d'interactivité

L’effet des éléments interactifs présentés isolément

L’effet de la variété des exemples

L’effet de l’auto-explication

L’effet d’imagination

L’effet de renversement dû à l’expertise

L’effet de la mémoire de travail collective

L’effet de l’information transitoire

L’effet du mouvement humain

L’effet de l’autogestion

Lorsque le but n’est pas spécifié, une stratégie moyens-fins ne peut alors être utilisée puisqu’il n’est pas possible de partir du but pour revenir à l’état initial. Cela permet donc de diminuer la charge cognitive de la mémoire de travail et dirige automatiquement l’apprenant vers les états du problème et les opérations pertinentes à effectuer, ce qui facilite l’apprentissage. En effet, la construction de schémas, qui nécessite une compréhension des états du problème et des opérations pertinentes, est alors favorisée.

L'effet de la non-spécification du but

L’effet du problème résolu ou du problème à compléter

Au lieu de diriger l’attention vers la résolution du problème, celle-ci est tournée vers les états du problème et les opérations pertinentes à réaliser. L'étude d'exemples concrets est l'un des meilleurs moyens, voire le meilleur, d'apprendre à résoudre des problèmes dans un nouveau domaine. Les exemples travaillés peuvent effectivement nous fournir des schémas de résolution de problèmes qui doivent être stockés dans la mémoire à long terme.

L’effet du problème résolu ou du problème à compléter

L’effet de l'attention partagée

Lorsque des informations sont présentées à l’apprenant séparément, sous forme écrite et sous forme graphique par exemple, l’attention est alors partagée et augmente la charge cognitive de la mémoire de travail. En intégrant toutes les informations (sous forme graphique par exemple), cela diminue la charge cognitive et, par le fait même, facilite la résolution de problème.

L’effet de l’attention partagée

L’effet de la modalité

Lorsque de multiples sources d’information doivent nécessairement être intégrées, les présenter dans des modalités différentes (écrites et orales par exemple) peut être bénéfique et amener une diminution de la charge cognitive.

L’effet de la modalité

L’effet de redndance

« Si une forme d'énoncé ou de consigne est intelligible et adéquate, fournir la même information sous deux formes différentes va imposer une charge cognitive supplémentaire. Les ressources de la mémoire de travail seront en effet utilisées pour traiter ce matériel supplémentaire et pour vérifier si celui-ci est éventuellement en lien avec l'information initiale ». (Chanquoy, Tricot et Sweller, 2007)

L’effet de redondance

L’effet d'interactivé

« La complexité ou l’interactivité des éléments dépend d’une combinaison entre la nature de l’information et les connaissances de la personne qui traite l’information. […] La charge intrinsèque est déterminée à la fois par l’interactivité de l’information et par les connaissances de la personne qui traite cette information.


Le nombre d’éléments à maintenir actifs en mémoire de travail n’est pas complètement fixé pour une tâche. Il dépend de l’expertise de l’individu considéré. La charge intrinsèque n’est pas fixée pour une tâche donnée, mais est plutôt fixée pour une tâche donnée pour un individu donné.

Les sujets qui sont difficiles à traiter pour un novice peuvent être très simples pour un expert. » (Théorie de la charge cognitive : notions de charge intrinsèque, extrinsèque et utile, 2019)

L’effet d’interactivité

L’effet des éléments interactifs présentés isolément

Apprendre les différents éléments isolément, sans considérer les interactions entre ceux-ci permet de réduire la charge cognitive de la mémoire de travail. « Une fois que des schémas suffisamment sophistiqués ont été construits, la compréhension sera possible parce que les éléments interactifs pourront alors être traités en mémoire de travail. D’après cette analyse, l’apprentissage doit précéder la compréhension.» (Chanquoy, Tricot et Sweller, 2007)

L’effet des éléments interactifs présentés isolément

L’effet de la variété des exemples

La présentation aux élèves d’exemples ayant de caractéristiques semblables facilite l’apprentissage, mais rend difficile le transfert vers d’autres contextes puisque les élèves n’ont pas à comparer les exemples ce qui permettrait de parfaire leur compréhension. Une solution à ce problème est d’augmenter graduellement la variabilité des exemples, ce qui permettra de garder la charge cognitive dans la limite de la mémoire de travail.

L’effet de la variété des exemples

L’effet de l'auto-explication

Les chercheurs ont démontré que lorsque les élèves s’expliquent eux-mêmes les étapes requises pour résoudre un problème, les ressources de la mémoire de travail sont principalement mobilisées vers les interactions entre les différents éléments ; cela a pour effet de réduire la charge cognitive extrinsèque et ainsi, l’apprentissage et la construction de schémas sont alors favorisés.


Lorsque des informations sont présentées à l’apprenant séparément, sous forme écrite et sous forme graphique par exemple, l’attention est alors partagée et augmente la charge cognitive de la mémoire de travail. En intégrant toutes les informations (sous forme graphique par exemple), cela diminue la charge cognitive et, par le fait même, facilite la résolution de problème.

L’effet de l’auto-explication

L’effet d'imagination

Cet effet se produit lorsque l’on demande aux élèves d’imaginer une procédure au lieu de l’étudier. Tout comme pour l’effet d’auto-explication, la mémoire de travail est tournée vers les éléments qui interagissent dans la procédure ; encore une fois, cela facilite la création de schémas. Il est important de mentionner que ces deux effets précédents sont principalement à privilégier pour des apprenants un peu plus expérimentés. En effet, pour les novices, s’expliquer soi-même une procédure, ou encore en imaginer une, implique davantage une charge cognitive extrinsèque que pertinente, alors que pour des experts, l’inverse se produit.

L’effet d’imagination

L’effet de renversement dû à l'expertise

Les résultats obtenus par les expérimentations « suggèrent qu’au fur et à mesure du cheminement vers l’expertise, les schémas servent de plus en plus de guides et, ainsi, l’aide apportée par les consignes peut progressivement être diminuée. En effet, les instructions inutiles n’ont pas simplement des effets neutres, mais aussi des effets négatifs » (Chanquoy, Tricot et Sweller, 2007) puisqu’elles augmentent la charge cognitive extrinsèque.

L’effet de renversement dû à l’expertise

L’effet de la mémoire de travail collective

Cet effet survient lorsque des tâches impliquant plusieurs éléments ayant une interactivité élevée (c’est une condition sine qua non) sont proposées à des apprenants travaillant en équipe ; puisque chaque membre n’a pas toutes les informations nécessaires stockées en mémoire à long terme, il est nécessaire pour eux de se partager leurs connaissances afin de réaliser la tâche demandée.

L’effet de la mémoire de travail collective

L’effet de l'information transitoire

Cet effet se produit lorsque de l’information est présentée à l’apprenant, mais qu’elle ne demeure pas disponible et qu’il doit alors la retenir en mémoire de travail, ce qui a pour effet d’augmenter la charge cognitive. Par exemple, lorsqu’un enseignant présente des informations sur un support numérique tel qu’une présentation PowerPoint et qu’en changeant de diapositive, une information n’est plus disponible visuellement pour l’apprenant, alors ce dernier doit la retenir.

L’effet de l’information transitoire

L’effet du mouvement humain

Cet effet survient lorsque l’on présente une procédure de façon dynamique aux apprenants. Par exemple, lorsque l’on explique aux élèves comment résoudre une équation du deuxième degré en faisant du modelage devant les élèves, en leur montrant comment faire. Cela découle du fait que les humains apprennent la plupart de leurs connaissances primaires en observant les autres et qu’ils ont développé une habileté pour l’observation.

L’effet du mouvement humain

L’effet de l'autogestion

Cet effet s’observe lorsque les élèves sont sensibilisés à la théorie de la charge cognitive et ses principes. Ceux-ci sont alors plus en mesure de gérer leur charge cognitive lors d’un apprentissage.

L’effet de l’autogestion

BIBLIOGRAPHie

Théorie de la charge cognitive : notions de charge intrinsèque, extrinsèque et utile. (2019). Par temps clair. Repéré à : https://par-temps-clair.blogspot.com/2019/08/theorie-de-la-charge-cognitive-notions.html

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Plass, J. L., Moreno, R., & Brünken, R. (2010). Cognitive load theory. Cambridge University Press.

Chanquoy, L., Tricot, A., & Sweller, J. (2007). La charge cognitive : Théorie et applications (Armand Colin).

Qu'est ce que la charge cognitive ? (2019). Repéré à : https://www.educavox.fr/accueil/interviews/interview-qu-est-ce-que-la-charge-cognitive

Tricot A. & Chanquoy L. (1996). « La charge mentale : "vertu dormitive" ou concept opérationnel ? », Psychologie française, 41.

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Tricot, A (1998). Charge cognitive et apprentissage. Une présentation des travaux de John Sweller. Revue de Psychologie de l’Éducation,1, 37-64.

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