Théorie du traitement de l'information : Applications pédagogiques

Les principes de traitement de l'information sont de plus en plus appliqués aux contextes d'apprentissage scolaire. La pertinence de la théorie pour l'éducation continuera de s'étendre avec les recherches futures. Trois applications pédagogiques qui reflètent les principes du traitement de l'information sont les organisateurs préalables, les conditions d'apprentissage et la charge cognitive.

Les organisateurs préalables sont des énoncés généraux présentés au début des leçons qui aident à relier les nouvelles informations aux apprentissages antérieurs (Mayer, 1984). Les organisateurs dirigent l'attention des apprenants vers les concepts importants à apprendre, mettent en évidence les relations entre les idées et relient les nouvelles informations à ce que les élèves savent (Faw & Waller, 1976). Les organisateurs peuvent également être des cartes présentées avec un texte d'accompagnement (Verdi & Kulhavy, 2002). On suppose que les structures cognitives des apprenants sont organisées de manière hiérarchique, de sorte que les concepts inclusifs englobent les concepts subordonnés. Les organisateurs fournissent des informations à des niveaux élevés dans les hiérarchies.

La base conceptuelle des organisateurs découle de la théorie de l'apprentissage réceptif significatif d'Ausubel (1963, 1968, 1977, 1978 ; Ausubel & Robinson, 1969). L'apprentissage est significatif lorsque les nouvelles informations entretiennent une relation systématique avec les concepts pertinents en MLT ; c'est-à-dire que les nouvelles informations élargissent, modifient ou élaborent les informations en mémoire. Le caractère significatif dépend également de variables personnelles telles que l'âge, les expériences antérieures, le statut socio-économique et le niveau d'instruction. Les expériences antérieures déterminent si les élèves trouvent l'apprentissage significatif.

Ausubel préconisait l'enseignement déductif : les idées générales sont enseignées en premier, suivies des points spécifiques. Cela exige que les enseignants aident les élèves à diviser les idées en points plus petits et connexes et à relier les nouvelles idées à un contenu similaire en mémoire. En termes de traitement de l'information, les objectifs du modèle sont d'élargir les réseaux propositionnels en MLT en ajoutant des connaissances et d'établir des liens entre les réseaux. L'enseignement déductif fonctionne mieux avec les élèves plus âgés (Luiten, Ames, & Ackerson, 1980).

Les organisateurs préalables préparent le terrain pour un apprentissage réceptif significatif. Les organisateurs peuvent être expositoires ou comparatifs. Les organisateurs expositoires fournissent aux élèves les nouvelles connaissances nécessaires à la compréhension de la leçon. Les organisateurs expositoires comprennent des définitions de concepts et des généralisations. Les définitions de concepts énoncent le concept, un concept superordonné et les caractéristiques du concept. En présentant le concept d'« animal à sang chaud », un enseignant pourrait le définir (c'est-à-dire un animal dont la température interne du corps reste relativement constante), le relier à des concepts superordonnés (règne animal) et en donner les caractéristiques (oiseaux, mammifères). Les généralisations sont des énoncés généraux de principes généraux à partir desquels des hypothèses ou des idées spécifiques sont tirées. Une généralisation appropriée pour l'étude du terrain serait la suivante : « Moins de végétation pousse à des altitudes plus élevées. » Les enseignants peuvent présenter des exemples de généralisations et demander aux élèves d'en trouver d'autres.

Les organisateurs comparatifs introduisent de nouvelles informations en établissant des analogies avec des informations familières. Les organisateurs comparatifs activent et relient les réseaux en MLT. Si un enseignant donnait un cours sur le système circulatoire du corps à des élèves qui ont étudié les systèmes de communication, l'enseignant pourrait relier les systèmes circulatoire et de communication avec des concepts pertinents tels que la source, le support et la cible. Pour que les organisateurs comparatifs soient efficaces, les élèves doivent avoir une bonne compréhension des informations utilisées comme base de l'analogie. Les apprenants doivent également percevoir facilement l'analogie. La difficulté à percevoir les relations analogues entrave l'apprentissage.

Les preuves suggèrent que les organisateurs favorisent l'apprentissage et le transfert (Ausubel, 1978 ; Faw & Waller, 1976 ; Mautone & Mayer, 2007). Les cartes sont des organisateurs efficaces et se prêtent bien à l'intégration dans les leçons via la technologie (Verdi & Kulhavy, 2002). Mayer (1979) a fait état de recherches menées auprès d'étudiants qui n'avaient aucune expérience en programmation informatique. Les élèves ont reçu du matériel de programmation à étudier ; un groupe a reçu un modèle conceptuel comme organisateur, tandis que l'autre groupe a reçu le même matériel sans le modèle. Le groupe avec organisateur préalable a obtenu de meilleurs résultats aux questions du post-test nécessitant un transfert à des questions différentes de celles qui avaient été abordées dans le matériel pédagogique. Les organisateurs peuvent aider les élèves à relier les nouvelles informations à un ensemble plus large d'expériences, ce qui facilite le transfert.

Une des théories d'enseignement les plus connues, basée sur des principes cognitifs, a été formulée par Robert Gagné (1985). Cette théorie implique les conditions de l'apprentissage, ou les circonstances qui prévalent lorsque l'apprentissage se produit (Ertmer, Driscoll, & Wager, 2003). Deux étapes sont essentielles. La première consiste à spécifier le type de résultat d'apprentissage ; Gagné a identifié cinq types principaux (discutés plus loin). La seconde consiste à déterminer les événements de l'apprentissage, ou les facteurs qui font une différence dans l'enseignement.

Résultats d'apprentissage

Gagné (1984) a identifié cinq types de résultats d'apprentissage : les habiletés intellectuelles, l'information verbale, les stratégies cognitives, les habiletés motrices et les attitudes (Tableau « Résultats d'apprentissage dans la théorie de Gagné »).

Les habiletés intellectuelles comprennent les règles, les procédures et les concepts. Ce sont des formes de connaissance procédurale ou de productions. Ce type de connaissance est utilisé pour parler, écrire, lire, résoudre des problèmes mathématiques et appliquer des principes scientifiques à des problèmes.

L'information verbale, ou connaissance déclarative, est la connaissance que quelque chose est le cas. L'information verbale implique des faits ou une prose connectée de manière significative rappelée mot pour mot (par exemple, les mots d'un poème ou « La Bannière étoilée »). Les schémas sont des formes d'information verbale.

Les stratégies cognitives sont des processus de contrôle exécutif. Elles comprennent les compétences en traitement de l'information telles que l'attention aux nouvelles informations, la décision de répéter les informations, l'élaboration, l'utilisation de stratégies de récupération de la mémoire à long terme (MLT) et l'application de stratégies de résolution de problèmes.

Les habiletés motrices sont développées grâce à des améliorations progressives de la qualité (fluidité, synchronisation) des mouvements obtenus par la pratique. Alors que les habiletés intellectuelles peuvent être acquises brusquement, les habiletés motrices se développent progressivement avec une pratique continue et délibérée (Ericsson et al., 1993). Les conditions de pratique diffèrent : les habiletés intellectuelles sont pratiquées avec différents exemples ; la pratique des habiletés motrices implique la répétition des mêmes mouvements musculaires.

Les attitudes sont des croyances internes qui influent sur les actions et reflètent des caractéristiques telles que la générosité, l'honnêteté et l'engagement envers une vie saine. Les enseignants peuvent organiser les conditions d'apprentissage des habiletés intellectuelles, de l'information verbale, des stratégies cognitives et des habiletés motrices, mais les attitudes sont apprises indirectement par le biais d'expériences et d'expositions à des modèles vivants et symboliques (télévisés, enregistrés sur vidéo).

Événements d'apprentissage

Les cinq types de résultats d'apprentissage diffèrent dans leurs conditions. Les conditions internes sont les compétences préalables et les exigences de traitement cognitif ; les conditions externes sont les stimuli environnementaux qui soutiennent les processus cognitifs de l'apprenant. Il faut spécifier aussi complètement que possible les deux types de conditions lors de la conception de l'enseignement.

Les conditions internes sont les capacités actuelles des apprenants stockées dans la MLT sous forme de connaissances. Les indices d'enseignement des enseignants et du matériel activent les connaissances pertinentes de la MLT (Gagné & Glaser, 1987). Les conditions externes diffèrent en fonction du résultat d'apprentissage et des conditions internes. Pour enseigner une règle de classe aux élèves, un enseignant peut les informer de la règle et l'afficher visuellement. Pour enseigner aux élèves une stratégie pour vérifier leur compréhension, un enseignant peut démontrer la stratégie et donner aux élèves de la pratique et des commentaires sur son efficacité. Les lecteurs compétents sont instruits différemment de ceux qui ont des problèmes de décodage. Chaque phase de l'enseignement est sujette à modification en fonction des résultats d'apprentissage et des conditions internes.

Hiérarchies d'apprentissage

Les hiérarchies d'apprentissage sont des ensembles organisés d'habiletés intellectuelles. L'élément le plus élevé d'une hiérarchie est l'habileté cible. Pour concevoir une hiérarchie, on commence par le haut et on se demande quelles habiletés l'apprenant doit maîtriser avant d'apprendre l'habileté cible ou quelles habiletés sont des prérequis immédiats pour l'habileté cible. Ensuite, on pose la même question pour chaque habileté prérequise, en descendant la hiérarchie jusqu'à ce qu'on arrive aux habiletés que l'apprenant peut maîtriser maintenant (Dick & Carey, 1985 ; Merrill, 1987).

Les hiérarchies ne sont pas des ordonnancements linéaires d'habiletés. Il faut souvent appliquer deux ou plusieurs habiletés prérequises pour apprendre une habileté d'ordre supérieur sans qu'aucun des prérequis ne dépende de l'autre. De plus, les habiletés d'ordre supérieur ne sont pas nécessairement plus difficiles à apprendre que celles d'ordre inférieur. Certains prérequis peuvent être difficiles à acquérir ; une fois que les apprenants ont maîtrisé les habiletés d'ordre inférieur, l'apprentissage d'une habileté d'ordre supérieur peut sembler plus facile.

Phases d'apprentissage

L'enseignement est un ensemble d'événements externes conçus pour faciliter les processus d'apprentissage internes. Le Tableau « Phases d'apprentissage de Gagné » montre les neuf phases d'apprentissage regroupées en trois catégories (Gagné, 1985).

La préparation à l'apprentissage comprend les activités d'apprentissage introductives. Pendant l'attention, les apprenants se concentrent sur les stimuli pertinents pour le matériel à apprendre (audiovisuels, documents écrits, comportements modélisés par l'enseignant). L'attente de l'apprenant oriente l'apprenant vers le but (apprendre une habileté motrice, apprendre à réduire les fractions). Pendant la récupération d'informations pertinentes de la MLT, les apprenants activent les portions pertinentes pour le sujet étudié (Gagné & Dick, 1983).

Les principales phases de l'apprentissage sont l'acquisition et la performance. La perception sélective signifie que les registres sensoriels reconnaissent les caractéristiques pertinentes du stimulus et les transfèrent à la MT. L'encodage sémantique est le processus par lequel de nouvelles connaissances sont transférées à la MLT. Pendant la récupération et la réponse, les apprenants récupèrent de nouvelles informations de la mémoire et font une réponse démontrant l'apprentissage. Le renforcement fait référence à la rétroaction qui confirme l'exactitude de la réponse d'un étudiant et fournit des informations correctives au besoin.

Les phases de transfert de l'apprentissage comprennent la récupération de signaux et la généralisabilité. Dans la récupération de signaux, les apprenants reçoivent des signaux indiquant que les connaissances antérieures sont applicables dans cette situation. Lors de la résolution de problèmes de mots, par exemple, un professeur de mathématiques pourrait informer les apprenants que leur connaissance des triangles rectangles est applicable. La généralisabilité est améliorée en donnant aux apprenants la possibilité de pratiquer des habiletés avec un contenu différent et dans des circonstances différentes (par exemple, devoirs, séances de révision espacées).

Ces neuf phases sont également applicables aux cinq types de résultats d'apprentissage. Gagné et Briggs (1979) ont spécifié les types d'événements d'enseignement qui pourraient accompagner chaque phase (Tableau « Événements d'enseignement accompagnant les phases d'apprentissage (Gagné) »). Les événements d'enseignement améliorant chaque phase dépendent du type de résultat. L'enseignement se déroule différemment pour les habiletés intellectuelles que pour l'information verbale.

Un problème est que le développement de hiérarchies d'apprentissage peut être difficile et prendre du temps. Le processus exige une expertise dans le domaine du contenu pour déterminer les compétences prérequises successives : la portée et la séquence de l'enseignement. Même une habileté apparemment simple peut avoir une hiérarchie complexe si les apprenants doivent maîtriser plusieurs prérequis. Pour les habiletés dont les structures sont moins bien définies (p. ex., l'écriture créative), l'élaboration d'une hiérarchie peut être difficile. Un autre problème est que le système permet peu de contrôle de l'apprenant, car il prescrit la façon dont les apprenants doivent procéder. Malgré ces problèmes, la théorie offre des suggestions solides sur les façons d'appliquer les principes du traitement de l'information à la conception de l'enseignement (Ertmer et al., 2003).

Le système de traitement de l'information ne peut gérer qu'une quantité limitée de traitement à la fois. Si trop de stimuli agissent simultanément, les observateurs en manqueront beaucoup en raison de leur capacité attentionnelle limitée. La capacité de la MT est limitée. Parce que le traitement de l'information prend du temps et implique de multiples processus cognitifs, à un moment donné, seule une quantité limitée d'informations peut être conservée dans la MT, transférée dans la MLT, répétée, et ainsi de suite.

La théorie de la charge cognitive prend en compte ces limitations de traitement dans la conception de l'enseignement (DeLeeuw & Mayer, 2008; Schnotz & Kürschner, 2007; Sweller, van Merriënboer, & Pass, 1998). La charge cognitive, ou les exigences imposées au système de traitement de l'information, peut être de deux types. La charge cognitive intrinsèque dépend des propriétés inaltérables de l'information à apprendre et n'est allégée que lorsque les apprenants acquièrent un schéma cognitif efficace pour traiter l'information. La charge cognitive extrinsèque est causée par la manière dont le matériel est présenté ou les activités exigées de l'apprenant (Bruning et al., 2004). Par exemple, dans l'apprentissage des relations trigonométriques clés (par exemple, sinus, tangente), une certaine charge cognitive (intrinsèque) est inhérente au matériel à apprendre, à savoir, le développement de connaissances sur les rapports des côtés d'un triangle rectangle. La façon dont le matériel est enseigné influence la charge cognitive extrinsèque. Les enseignants qui font des présentations claires aident à minimiser la charge cognitive extrinsèque, tandis que ceux qui expliquent mal ces concepts augmentent la charge extrinsèque.

De même, Mayer et Moreno (2003) ont distingué trois types d'exigences cognitives. Le traitement essentiel se réfère aux processus cognitifs nécessaires pour comprendre le matériel (similaire à la charge intrinsèque). Le traitement accessoire se réfère au traitement qui n'est pas nécessaire à l'apprentissage mais qui peut aider à accroître la compréhension. La conservation représentationnelle désigne le maintien temporaire d'informations en mémoire pendant que d'autres informations sont traitées. Mayer et Moreno ont suggéré que l'apprentissage se déroule mieux lorsque les apprenants peuvent concentrer leurs ressources sur le traitement essentiel et peu ou pas de ressources sur les autres types.

Une idée clé est que les méthodes pédagogiques devraient diminuer la charge cognitive superflue afin que les ressources existantes puissent être consacrées à l'apprentissage (van Merriënboer & Sweller, 2005). L'utilisation de l'échafaudage devrait être bénéfique (van Merriënboer, Kirschner, & Kester, 2003). Initialement, l'échafaudage aide les apprenants à acquérir des compétences qu'ils ne pourraient probablement pas acquérir sans l'assistance. L'échafaudage aide à minimiser la charge extrinsèque afin que les apprenants puissent concentrer leurs ressources sur les exigences intrinsèques de l'apprentissage. Au fur et à mesure que les apprenants développent un schéma pour travailler avec l'information, l'assistance de l'échafaudage peut être progressivement supprimée.

Une autre suggestion est d'utiliser un séquençage du matériel du simple au complexe (van Merriënboer et al., 2003), conformément à la théorie de Gagné. L'apprentissage complexe est divisé en parties simples qui sont acquises et combinées en une séquence plus large. Cette procédure minimise la charge cognitive, afin que les apprenants puissent concentrer leurs ressources cognitives sur l'apprentissage à portée de main.

Une troisième suggestion est d'utiliser des tâches authentiques dans l'enseignement. La théorie de l'élaboration de Reigeluth (1999), par exemple, exige d'identifier les conditions qui simplifient l'exécution de la tâche et de commencer ensuite l'enseignement par un cas simple mais authentique (par exemple, un cas qui pourrait être rencontré dans le monde réel). Les tâches qui ont une signification dans le monde réel aident à minimiser la charge extrinsèque car elles n'exigent pas des apprenants qu'ils s'engagent dans un traitement superflu pour comprendre le contexte. Il est plus significatif, par exemple, pour les étudiants de déterminer le sinus de l'angle formé en reliant un point situé à 40 pieds du mât du drapeau de l'école au sommet du mât que de résoudre des problèmes trigonométriques comparables dans un manuel.

Ces considérations suggèrent également l'utilisation de l'apprentissage collaboratif. Lorsque la charge cognitive augmente, l'apprentissage par les individus devient moins efficace et efficient (Kirschner, Paas, & Kirschner, 2009). Avec une plus grande complexité de la tâche, la division des exigences de traitement cognitif entre les individus réduit la charge cognitive sur les étudiants individuels. Ces idées s'accordent bien avec l'accent mis par le constructivisme sur la collaboration entre pairs.

Les théories du traitement de l'information se concentrent sur l'attention, la perception, l'encodage, le stockage et la récupération des connaissances. Le traitement de l'information a été influencé par les progrès des communications, de la technologie informatique et des neurosciences.

La psychologie de la Gestalt et l'apprentissage verbal sont des influences historiques importantes sur les conceptions contemporaines du traitement de l'information. Les théoriciens de la Gestalt ont souligné le rôle de l'organisation dans la perception et l'apprentissage. Les chercheurs en apprentissage verbal ont utilisé l'apprentissage sériel, le rappel libre et les tâches d'association par paires. Un certain nombre de découvertes importantes ont été obtenues grâce à la recherche sur l'apprentissage verbal. Les études de rappel libre ont montré que l'organisation améliore le rappel et que les gens imposent leur propre organisation lorsqu'il n'y en a pas. L'une des principales contributions a été le travail sur l'interférence et l'oubli.

Un modèle de mémoire à deux niveaux (dual) a été largement appliqué. L'information entre par les registres sensoriels. Bien qu'il existe un registre pour chaque sens, la plupart des recherches ont été menées sur les registres visuels et auditifs. À un moment donné, seule une quantité limitée d'informations peut être prise en compte. L'attention peut agir comme un filtre ou une limitation générale de la capacité du système humain. Les entrées auxquelles on prête attention sont perçues en étant comparées aux informations contenues dans la MLT.

L'information entre dans la MCT (MT), où elle est conservée par la répétition et liée aux informations connexes dans la MLT. L'information peut être encodée pour être stockée dans la MLT. L'encodage est facilité par l'organisation, l'élaboration, la signification et les liens avec les schémas. La MLT est organisée par contenu, et l'information est référencée de manière croisée avec le contenu connexe. Les processus de contrôle surveillent et dirigent le flux d'informations dans le système.

Les conceptions alternatives de la mémoire la conçoivent en termes de niveaux de traitement, de niveau d'activation, de connexionnisme et de traitement parallèle distribué. Chacune de ces conceptions a des avantages et des inconvénients, et une certaine intégration des conceptions peut être la meilleure façon de caractériser la mémoire.

Les processus d'attention et de perception impliquent des caractéristiques critiques, des modèles et des prototypes. Alors que la MT est limitée en capacité et en durée, la MLT semble être très vaste. L'unité de base de la connaissance est la proposition, et les propositions sont organisées en réseaux. Les types de connaissances comprennent les connaissances déclaratives, procédurales et conditionnelles. De grandes quantités de connaissances procédurales peuvent être organisées en systèmes de production. Les réseaux sont en outre liés de manière connexionniste par l'activation de la propagation pour améliorer les références croisées et le transfert. La récupération des connaissances dépend de son accès dans la MLT. L'échec de la récupération peut résulter de la dégradation de l'information ou de l'interférence. L'information peut être mieux récupérée avec des indices présents lors de l'encodage (spécificité de l'encodage).

Un domaine qui illustre le stockage et la récupération de l'information dans la MLT est la compréhension du langage, qui implique la perception, l'analyse et l'utilisation. Les communications sont incomplètes ; les orateurs omettent des informations qu'ils s'attendent à ce que les auditeurs connaissent. Une compréhension efficace du langage exige que les auditeurs possèdent des connaissances propositionnelles et des schémas adéquats et qu'ils comprennent le contexte. Pour intégrer l'information dans la mémoire, les auditeurs identifient l'information donnée, y accèdent dans la MLT et relient les nouvelles informations à celle-ci. La compréhension du langage est un aspect central de l'alphabétisation et est fortement liée à la réussite scolaire, en particulier dans les matières qui exigent une lecture approfondie.

Bien qu'il existe de nombreuses preuves que l'information est stockée dans la mémoire sous forme verbale (significations), il existe également des preuves du stockage d'images. Les images sont des représentations analogiques : elles sont similaires mais non identiques à leurs référents. La théorie du double codage postule que le système imaginal stocke principalement des objets et des événements concrets et que le système verbal stocke des informations plus abstraites exprimées dans le langage. Inversement, les images peuvent être reconstruites dans la MT à partir de codes verbaux stockés dans la MLT. Les preuves développementales montrent que les enfants sont plus susceptibles que les adultes de représenter les connaissances sous forme d'images, mais la représentation imaginale peut être développée chez les personnes de tout âge.

Bien qu'une grande partie des premières recherches sur le traitement de l'information ait été de nature fondamentale et menée dans des laboratoires expérimentaux, les chercheurs mènent de plus en plus de recherches dans des contextes appliqués et en particulier sur l'apprentissage du contenu académique. Trois applications pédagogiques qui reflètent les principes du traitement de l'information impliquent les organisateurs préalables, les conditions d'apprentissage et la charge cognitive.