ARTheque - STEF - ENS Cachan | Psychologie cognitive et didactique des sciences

ATELIER 5 PSYCHOLOGIE COGNITIVE ET DIDACTIQUE DES SCIENCES

Animation VINH BANG - Université de Genève E. CAUZINILLE - CNRS

M. CAILLOT - LIREPST, Université P.7

S. CARAVITA - Centre National de

Recherche, Rome

Une trentaine de personnes environ ont participé

a

cet .,telier et parmi elles, J. Mathieu, L. Resnick, N. Riche, L. Viennot, A Weil-Barais

On trouvera dans 1e texte qui suit une synthèse des princ; paux points qui ont été abordés dans l'atelier. Il s'agit le plus spuvent de questions qui n'ont pas encore reçu de réponses définitives ètant donné l'état actuel de la psychologie cognitive et de la didactique.

Quatre points seront successivement abordés

- la rencontre de deux problématiques

- les problèmes" abordés en psychologie cognitive et en didactique. les concepts util isés

- quelques-unes des recherches évoquées au cours de l'atel ier - quelques questions en suspens 1

La rencontre de deux problématiques

La oroblématique psychologique a beaucoup évolué ces dernipres années. La préoc-c"Dation première des psychologues consiste

a

s'int~resser aux proces~us les plus géné-,aux, à ceux qui sont les moins liés

a

un contenu particul ier. Ceci ;"stifie que les analyses aient porté principal8nent sur des tâches ne nécessitant nas de connaissances spécifiques: les tâches piagétiennes (de classification, de sériatio' ... l, les problè-mes dits de "transformation d'états" (la tour de Hanoï, les Missior,,-,aires et les Canni-bales ... ), des tâches logico-mathématiques (identification de concepts ... ), des tâches de mémorisation.... Dans ces situations l'accent est mis soit sur les structures défi-nissant les différents niveaux de développement, soit sur les processus caractérisant le fonctionnement du sujet dans une tâche particulière. Dans cette dernière optique, les recherches portent sur les heuristiques générales de résolution la stratégie des fins et des moyens, les méthodes d'analyse régressive (du but

a

atteindre vers les données), les méthodes d'analyse progressive (des données vers le but

a

atteindre) ... ,

les processus mné~oniqueset logiques.

Plus récemment, et même si la problématique psychologique met toujours! 'accent sur la recherche des processus les plus généraux, les tâches étudiées sont des tâches

"a

contenu" qui relèvent de champs conceptuel s particul iers les mathématiques, la ;èhysique, la biologie Les problémes principaux désormais abordés par la psychologie cognitive concernent la représentatior du problème oui est élaborée par le sujet en fonction des connaissances dont il dispose, et l'élaboration d'une procédure perICet-tant au sujet de parvenir 5 la solution.

L'une des questions ~osfes est celle de la pertinence, dans ces tâches nâ contenu". des méthodes générales de résolution révélées précédemment dans des tâches qui ne néces-sitent pas de recourir

a

des connaissances particulières.

Dans lE' champ de la didactique, la résolution de problèmes occupe depuis longtemps ',;ne place ce rt:ale, Le temps passé dans l'enseignement de la physique, ou des mathéma-tiques,

a

falre rèsoudre des problèmes aux enfants, aux étudiants, est considérable. Deux raisons "e; moins motivent ce choix pédagogique. D'un premier point de vue,

l'activi-té de résolut:n de problèmes doit permettre la construction des concepts: on apprend par la rtsolut',on de problème, D'un deuxième point de vue, l'accent est mis sur les pro-cédures de résJlut'on elles-mêmes: on cherche à ce que les étudiants apprennent de "jonnes" procédures de résolution, Même si, dans une problématique didactique, les re-cherches ont quelquefois porté sur les heuristiques générales de résolution (cf. Polya dans la résolution de problémes de mathématiques), elles ont porté, et portent le plus souvent, sur l'analyse des procédures liées à un domaine conceptuel spécifique. Actuel-lement, de très nombreuses recherches portent sur les représentations des élèves

a

pro-pos de divers concepts (la chaleur,la température, la force , .. ), et de plus en plus, sur la mise er. relation de l'organisation des connaissances dans la "tête de l'élève" avec les types de procédures élaborés pour résoudre les problèmes. On peut notamment signaler 1 es travaux viS'lnt à comparer les procédures de l "'expert" (celles de l'en-seignant Dar exemple)

a

celles de sujets "naïfs" (les étudiants débutants), la préoccupa-tion didactique sous-jacente étant bien sûr de faire passer l'élève du niveau "naïf" au

Cette rencontre de deux problématiques, psychologique et didactique, dans le domai-ne de la résolution de problèmes, débouche actuellement s~r une liste de questions com-~unes aux uns et aux autres, questions qui sont de plus en plus abordées avec les mêmes outils conceptuels,

2. Les problèmes abordés en psychologie cognitive et en didactique des sciences. Les concepts ut"!.2J.s_~

~~~_Q~Q~l~~~~_~~QCQ~~

On peut distinguer dans les recherches plusieurs niveaux d'interrogation, rares étant celles qui traitent simultanément de l'ensemble de ces niveaux, et ceci tient à l'état actuel de la ,-echerchc tant en psychologie cognit'ive qu'en didactique.

~e terme de 'J'~enrès>.?ntat-ion'l n'est pas sans ambigu.,.tp. Il peut slaoir des connais-r:cc's dont riiSiJ05E 1~' :.i)jet à propos d1un conceot donilé~ de la théorie qulq utilise ~x;:)( itel- :2S ,~cn~ees il peut s'agir 3ussi, et ctest l'acceDtiofi proDr'::>;lE'nt ç.::y:ho·~ 1;,'ci ,~2 -la re:J;"ésent2t.-;rjr, en mémoire des connaissar;ces~ le r::r"oblèfTic étant aloi~:: Je dÉfir:1 Y':~in ~:od~'1e dlo~''Jèr.·;s2ttion des conilaiss,)nces~ d'?n t~OUVE'r~ une fOY'fna: îsation.

ses connaissances. Le problème didactique est de définir quels sont les "bons" problè-"~,es

a

f,oser, c'est-à-dire ceux qui permettent la construction d'une bonne représentation. ~ne autre question théorique fondamentale est celle de la nature des reorésentations s'agit-il olutôt de connaissances déclaratives ou de connaissances orocédurales ? Les procédures stockées en mémoire sont-elles générales, plus ou moins indépendantes j'un contenu particul ier, ou au contraire très spécifiques? La réponse à ces questions n'est pas simple puisqu'il existe sans doute un continuum entre les connaissances décla-ratives et les connaissances procédurales (le lien entre les deux restant à préciser), et qu'il existe sans doute aussi un continuum entre les procédures les pl us spécifiques et les plus générales, leur mise en oeuvre dépendant du degré de familiarité du sujet avec le probléme posé.

~~~c!~ç~l~!i2~_~~!c~_l~_~!c~~!~c~!i2~_~~_~~~2i~~_~~~_~2~~~!~~~~~~~_g~_~~j~!2_~!_ 1~_~C2q~ç!iQ~_~~_C~gl~~_~~~~!!Q~_9~i_Q~C~~!!~~!_~~_~~j~!_g~_!~Q~~~~_~~~_~Q!~!iQ~_~~

QCQ~l~~~_9~~_!~!_~~!_~Q~~

La question théorique qui est posée là est celle de l'appréhension par les sujets d'un problème donnè, en fonction des connaissances dont il dispose. A ce niveau, l'ac-cent est mis sur la représentation que se fait le sujet du problème posé. Il s'agit de saisir par quels mécanismes le sujet parvient à cette reprèsentation, laquelle conduit au choix des procédures de résolution qui seront utilisées. L'importance qui est accor-dèe à cette notion de représentation tient à l'hypothèse frèquente en didactique que si le sujet se représente bien le problème qui lui est posé, alors celui-ci est quasiment résolu. Cette idée est pourtant rarement reprise explicitement au niveau de la pratique pédagogique puisqu'il s'agit plus souvent dans l'enseignement d'apprendre aux élèves des procédures que de leur apprendre à se faire une bonne représentation du problème posé: on n'apprend guère aux étudiants à discerner les traits pertinents des problèmes, à faire un codage correct de l'énoncé ...

k~_!C2i~i~~~_~!~~~~_q~!~!~~CQg~!!Q~_~2~Ç~~~~_!~~_~~~~~2~~~~

__

~~~~Q!~!iQ~

La question posée, aussi fondamentale en didactique qu'en psycholoqie, est celle de savoir par quels processus les sujets passent d'un certain état de connaissances à un autre état. Quels sont les processus qui permettent aux connaissances de se modifier? A quel niveau agir dans l 'apprentissaqe ? A l 'heure actuelle, ces questions restent assez largement sans réponses, mais commencent à être abordées a propos de situations particu-lières, encore l imitées. L'effort consiste à tenter de rendre compte de l'apprentissage sur un temps assez court quelques heures, quelques séances d'enseignement ou d'expéri-mentation. Et même dans ce cas, on est loin de pouvoir préciser comment se modifient les représentations des sujets, quels sont les mécanismes fondamentaux qui engendrent cette modification, quelles sont les situations qui permettent à l'élève de progresser (notam-ment quelles sont les questions qu'il faut poser à l'élève).

Le'. c()n(ç[l~~_':I!~li?€?

Les cher~~Eurs. pSjchologues ou didacticiens, se réf~rentde plus en plus à des con-cepts enDr'unL~;au domaine de l'intelligence artificielle. Pourquoi? En intelligence artificielle. il existe de nombreux systémes capables de résoudre des problèmes extrême-ment complexes Il existe aussi, et ceci est plus récent, des systèmes évolutifs, capa-bles d'apprendre. Il semble que les problèmes qui ont été posés dans ce cadre - la for-maîisation des connëissances, la formalisation des procédures, les régIes de gestion des connaissa·'Cés, Îes mécanismes permettant le codage de l'énoncé, l'appel à des pro-cédures, la production de régIes d'action ... - aient quelque pertinence en psychologie et en didactique, même s'il ne s'agit évidemment pas de transposer tels quels les con-cepts, élaborations théoriques, moyens de formalisation, construits en Intelligence artificielle. En Intelligence artificielle, il ne s'agit pas en effet de simuler le com-Dortement numain mais de construire des systèmes performants sur des tâches données. Sans vouloir faire de l'Homme une j·lachine, la question posée est de savoir dans que]]e c0sureil est possible de simuler le comportement de l'homme, c'est-à-dire d'étre prédic-tif. en cherchilnt néanmoins à n'introduire que des concepts Qui aient une certaine per-tinence DSjchologique (mais il n'est pas si simple de dire ce qui est ou non pertinent d'un "oint de vue psychologique). Parmi les concepts qui sont retenus par les psycholo-;ues et les didacticiens, une place importante est occupée par le concept de "schéma" ("frames", ";;cri pts") conçu comme une structure cognitive sur laquelle est fondé notre système de connaissances (cf. Norman et Rumelhart par exemple). L'idée est de repérer des "primitives" de la pensée, la structuration des connaissances envisagée étant for-~alisée en termes de réseaux sémantiques, constitués de noeuds, de relations, de rela-tions de relations Pour ce qui est de la formalisation du processus méme de réso-lution de problémes, c'est-,j-dire de l'articulation entre la base de connaissances du sujet, les heuristiques de recherche, les procédures spécifiques, et la situation

a

résou-dre, les formalisations utilisées par les chercheurs sont également souvent empruntées à l'Intelligence artificielle (les systémes de production par exemple).

Cette façon d'aborder les problèmes conduit naturellement à des collaborations de plus en plus étroites entre psychologues (psychologues cognitivistes), didacticiens. et. spécialistes de l'intelligence artificielle, pouvant donner naissance à une nouvelle science: la scien'c:e cognitive. La question reste posée de savoir dans quelle mesure chaque discipline perdrait ainsi de sa spécificité.

3. Ouelq~~~es des recberches gui ont été évoquées au cours de l 'atel ier

~~_~~y~ig~~

l.es rec:herches de L. /iennot "t de son équipe (LDPE), Pal'is 7) tentent, sur des pc,-oblèmes Darticuliers d'atteindre le "mot c2ur" du raisonnement de l'étudiant, d'en sai-SOI' les "points clés". L'optique est de parvenir à une description aussi puissante que

possible, de dégaoer des catégories permettant de décrire le raisonnement. en en

spéci-fiant le contexte d'ilPplication. Ces travaux doivent pC?rmettre de préciser les "points

sens ibles" sur lesquels il faut intervenir

au niveau de l'enseignement (cf.

communica-tion fai te en séance pl énière).

Les recherches d'A. Tiberghien et de M.G. Séré (LIRE5PT

Paris 7). Elles portent

sur l'étude des représentations de concepts tels chaleur, température ou pression des

gaz chez des enfants de 12-13 ans avant tout enseignement. Elles décrivent aussi

l'évolution de ces représentations après apprentissage.

Les recherches de M. Caillot (LIRESPT

Paris 7) portent sur la résolution de

problème en él ectricité. Elles mettent l'accent sur le rôle important joué par les

"schèmes" (ensemble. de connaissances

à

la fois déclaratives et procédural es) structurés

différemment chez le novice et chez l'expert. La phase de représentation du problème

est cruciale pour la résolution ultérieure. L'étude de la résolution des problèmes

accompagnés de dessins symboliques (circuits électriques) montre que le décodage de

l'information symbol ique présente des difficul tés chez l'élève ou l'étudiant.

Les recherches de M. Caillot, E. Cauzinille-Marmèche (Paris 8),

J.

Mathieu (Univ.

de Haute Normandie) qui ont pour objectif la construction d'un système simulant les

prOcessus de résolution d'étudiants débutants en physique dans des problèmes simples

d'èlectricité. L'accent est mis sur le rôle du raisonnement analoqique, étape

fondamen-tale qui consiste

à

assimiler le problème posé

à

un problème connu celui-ci pouvant

être stocké en mémoire sous forme de prototype (cf. la communication de

J.

Mathieu

en séance pl énière).

Les recherches de

L.

Resnick, centrées sur l'évolution de la représentation des

con-naissances en mémoire. Ces recherches précisent comment se modifient les concepts (tels

ceux d'addition, de soustraction ... ) et les relations entre eux, au cours de plusieurs

séances d'apprentissage. Les formal isations util isées sont cell es de "schéma", "réseaux

sémantiques", "systèmes de production" (cf. corrmunication faite en séanc!? fllénière).

~Q_~lQ1Q9i~_

Les recherches de 5. Caravita (Institut psychopédagogique du Conseil National

Ita-lien) sur les représentations cognitives des élèves

à

propos de certains concepts de

la biologie. L'accent est mis sur le contexte (y compris affectif) dans lequel ces

re-présentations se forment. Les études sont menées sur des enfants de l'école élémentaire.

Enseignants et chercheurs du laboratoire

tentent de mettre au point des "unités de

curriculum" dans le domaine de la biologie.

Les recherches de E. Cauzinille et

J.

Mathieu, dans des situations, numériques ou

non, qui ne font pas intervenir de connaissances très spécifiques (des situations de jeu

par exemple). L'accent est mis dans ces recherches sur l'élaboration par le sujet, dans

en teréPS l'elacivement court, d'une procédure optil'1ale de résolution reposant sur la mise en oeuvre de ~éthodes qénérales de résolution (anticipaton, test d'hyoothéses, analyse du problème e'j buts, sous-buts ... ).

En ce qui concerne les recherches faites à Genève, M. Vinh Bang a signalé la nouvel-le orientation rise depuls ces dernières années sur la signification et les procédures en situation <"9 résolution de problème. Quelques thèses publiées : ~. Blanchet, 1980, ~. Coder, 198:. De' contacts, des stages que certains collaborateurs ont entrepris dans les laboratoir'es (Carnegie-Mellon, M. I.T., Centre Mondial, Paris) Dour tenter de réaliser J.a sirrJ'latior-· de certains processus cognitifs révèlent l'existence des problèmes aussi Dien dans la maîtrise des questions techniques de programmation que dans la précision à 'pporter _{dans la dèfinition des concepts théoriques en psychologie génétique. L'intérèt}

qui réside dans une telle confrontation entre les deux approches génétique et cognitiviste est de cerner non seulen'ent la nature structurale des contenus et les mécanismes fonction-nels mais aussi de tenir compte de la dimension développementale en sciences cognitives. L'ouverture vers les études procêdurales pourrait fournir des données plus facilement transposaèles en didactique.

:2~~~~Q2_~~__!~1_~~e~~Q!_~~~_~Q~~~e~~_li~~_~_1~!~~~11i9~Q~~_0~~i!i~i~!1~_?

9~~~!1°0_~§_0~~~ ?

=1 ::?st clair que l'orientation des recherches ne relève nas seulement de 11évc~Lf~ion de, :')"C2~tS scientifiques. Les raisons d'ordre idéologique, politique., ont leur imoor-t.ance. l.',cvolution technoloqioue ne saurait non plus ètre neutre dans 'Ia dèfinitior des nouveaux courants de recherche. Si les travaux concernant le dialogue Homme-Machine sont rraintcnèf,t20 vogue, l'introduction des micro-ordinateurs et 1 'irlDortance du rrarché qu'ils représentent, ont sans doute pour quelque chose. ~i psycholoQues et didacticiens tentent d~sor"n:ais de simulel~ les ;;rocessus qui pennettent

a

·l'homme d10rganiser ses rèpQn~.. e::., ct tJui lrU~ Jerr;,cttent d'apprendre, sans doute ceci tient-il au fait ql/ii, ex~ >~ :J2S :':Oj/'~ns i:·;fo("-~'at~ques ap[)t~:)pîiés, et pas seulement au fait de llévoiution de

la prOD10rd~iq~e p5vc~ologiqueet didactique.

~a ~c~ence "

_.._---~_.

C:Jr:~'e~t pe'lv~rt être ~borGès par la psychologie cognitive et la d~~actique tiv~;; l~,s pr'c~!~t:r:'(s '~:e::onJmunicationj de relation ent'~e individust ~€'S aspe:ts

Il est clair que ce~ aspects sont fon(Ament~~~ r'our ce

élèVES. Il nôEn rest.e Da':· :110-ïns qu\actuellement ce que vise p'''ior'ita~l~enent:a

i)sycrrolo-gie et la didactique cognitives concerne la logique de :a résolution! en f~isant plus ou r'~io~n5 abstraction du cortpxte social de sa mise en oeuvre. I_a métr,odolo<]ie de reche(che

r~uiets (étll'Jidnt~ ou ~'nfant<;) rnotivés1 vo1ontairps, et insèrp.s dans une rel,jtion

C;)~-; \/i ~éai~2 ,c~vec un e\Dél"i!l:e'itateur "ttentif. ~es JbServFltions faites ne sont donc pas tr1r,sférables. ipso facto. dans un contexte scolaire réel~ maisl1hyoothè'se de base l'este quand méme qUI" les "faits" Dsycholoniques ou dldact.iques qui auront ainsi p~ être décelés gardeét quelque validité dans le contexte scolaire

~ne attitude Di"udente doit sans doute être observée. !l suffit de ra~l)eler le

fiasco constitué Dar' une application directe des théories S-R '" l'enseignement (l'enseigne' t p"ogr~mrIié classj;Jue en est un exemole). Sans doute faut-il éviter de êelles erreUI"S '2'r: ce "~lui Cj0.cerne ]'3pc,lication de ces nouvelles sciences coqnitives. Il n'emr:;êche (Jue

c0tecti,]n pi'Êcise des "pcints-clésil

du raisonnement du sujet neut permettre d'Etgir

lé fj()n Dl ;:__ff-ic?ce d2ns : 'ensei9nement, même si 1Caction ne trouvera véritablement fa~~2men~ ue lorsqu'une (ou plusieurs) théorie[s) ~e 1 'aoprentissage aura(ont)

La JSjchologie cognitive, la didactique et la(les) science(s) cognitive(s) sont des ôc,:éC.ces jeunes, et nous ne oouvons tenniner qu'en disant que de nombreuses recherches

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