Apprentissage de Concepts : Processus Cognitifs Clés

Dans de nombreux contextes différents, les étudiants apprennent des concepts. Les concepts sont des ensembles étiquetés d'objets, de symboles ou d'événements qui partagent des caractéristiques communes, ou attributs critiques. Un concept est une construction mentale ou une représentation d'une catégorie qui permet d'identifier les exemples et les non-exemples de la catégorie (Howard, 1987). Les concepts peuvent impliquer des objets concrets (par exemple, « table », « chaise », « chat ») ou des idées abstraites (par exemple, « amour », « démocratie », « totalité »). En fait, il existe de nombreux types de concepts (pour une revue détaillée, voir Medin, Lynch, & Solomon, 2000). L'apprentissage des concepts se réfère à la formation de représentations pour identifier les attributs, les généraliser à de nouveaux exemples et discriminer les exemples des non-exemples.

Les premières études de Bruner, Goodnow et Austin (1956) ont exploré la nature des concepts. Les apprenants étaient présentés avec des boîtes représentant des motifs géométriques. Chaque motif pouvait être classé en utilisant quatre attributs différents : nombre de stimuli (un, deux, trois) ; forme (cercle, carré, croix) ; couleur (rouge, vert, noir) ; et nombre de bordures sur la boîte (une, deux, trois). La tâche consistait à identifier le concept représenté dans différents sous-ensembles des boîtes.

La configuration des caractéristiques dans une tâche d'apprentissage de concepts peut être modifiée pour produire différents concepts. Un concept conjonctif est représenté par deux caractéristiques ou plus (par exemple, deux cercles rouges). D'autres caractéristiques (nombre de bordures) ne sont pas pertinentes. Un concept disjonctif est représenté par l'une de deux caractéristiques ou plus ; par exemple, deux cercles de n'importe quelle couleur ou un cercle rouge. Un concept relationnel spécifie une relation entre les caractéristiques qui doivent être présentes, comme le nombre d'objets dans la figure doit être supérieur au nombre de bordures (le type d'objet et la couleur ne sont pas importants).

Bruner et al. (1956) ont constaté que les apprenants formulaient une hypothèse sur la règle sous-jacente au concept. Les règles peuvent être exprimées sous la forme si-alors. Une règle classant un chat pourrait être : « S'il est domestiqué, a quatre pattes, de la fourrure, des moustaches, une queue, est relativement petit, ronronne et vocalise 'miaou', alors c'est un chat. » Bien que des exceptions existent, cette règle classera avec précision les chats la plupart du temps. La généralisation se produit lorsque la règle est appliquée à une variété de chats.

Les gens ont tendance à former des règles rapidement (Bruner et al., 1956). Pour tout concept donné, ils conservent la règle tant qu'elle identifie correctement les instances et les non-instances du concept et ils la modifient lorsqu'elle ne le fait pas. Les apprenants acquièrent mieux les concepts lorsqu'ils sont présentés avec des instances positives, ou des exemples du concept. L'apprentissage est beaucoup plus lent avec des instances négatives (non-instances). Lorsque l'on essaie de confirmer la règle sous-jacente au concept, les gens préfèrent recevoir des instances positives plutôt que négatives.

Depuis ces premiers travaux, d'autres points de vue ont émergé concernant la nature des concepts. La théorie de l'analyse des caractéristiques découle des travaux de Bruner et d'autres et postule que les concepts impliquent des règles qui définissent les caractéristiques critiques, ou les attributs intrinsèques (nécessaires), du concept (Gagné, 1985 ; Smith & Medin, 1981). Grâce aux expériences avec le concept, on formule une règle qui satisfait les conditions et on conserve la règle tant qu'elle fonctionne efficacement.

Ce point de vue prédit que différentes instances d'un concept devraient être reconnues aussi rapidement parce que chaque instance est jugée par rapport aux caractéristiques critiques ; mais ce n'est pas toujours le cas. La plupart des gens trouvent certaines instances d'une catégorie (par exemple, un dauphin est un mammifère) plus difficiles à vérifier que d'autres (par exemple, un chien est un mammifère). Cela souligne le problème que de nombreux concepts ne peuvent pas être définis précisément en termes d'un ensemble d'attributs critiques.

Une deuxième perspective est la théorie du prototype (Rosch, 1973, 1975, 1978). Un prototype est une image généralisée du concept, qui peut inclure seulement certains des attributs définissant le concept. Lorsqu'on est confronté à une instance, on rappelle le prototype le plus probable de la mémoire à long terme (MLT) et on le compare à l'instance pour voir s'ils correspondent. Les prototypes peuvent inclure certains attributs non définissants (optionnels). En psychologie cognitive, les prototypes sont souvent considérés comme des schémas (Andre, 1986), ou des formes organisées pour la connaissance que nous avons sur un concept particulier.

La recherche soutient la prédiction de la théorie du prototype que les instances plus proches du prototype (par exemple, prototype = « oiseau » ; instances = « rouge-gorge », « moineau ») sont reconnues plus rapidement que celles moins typiques (par exemple, « hibou », « autruche » ; Rosch, 1973). Une préoccupation est que la théorie du prototype implique que les gens stockeraient des milliers de prototypes dans la MLT, ce qui consommerait beaucoup plus d'espace que les règles. Une deuxième préoccupation est que les apprenants pourraient facilement former des prototypes incorrects s'ils sont autorisés à inclure certaines caractéristiques non définissantes et pas toutes les caractéristiques nécessaires.

Il est possible de combiner les positions de l'analyse des caractéristiques et du prototype. Étant donné que les prototypes incluent des caractéristiques critiques, nous pourrions employer des prototypes pour classer les instances de concepts qui sont assez typiques (Andre, 1986). Pour les instances qui sont ambiguës, nous pouvons employer l'analyse des caractéristiques critiques, qui pourrait modifier la liste des caractéristiques critiques pour incorporer les nouvelles caractéristiques.

La compréhension des concepts par les enfants change avec le développement et l'expérience. Les enfants en transition concernant la signification d'un concept peuvent simultanément garder à l'esprit une hypothèse antérieure tout en développant une hypothèse révisée (Goldin-Meadow, Alibali, & Church, 1993). Cette interprétation est cohérente avec la position de Klausmeier, qui est discutée ensuite.

La recherche indique qu'il existe de multiples façons d'apprendre et de modifier des concepts (Chinn & Samarapungavan, 2009). Une façon de développer des prototypes est d'être exposé à une instance typique du concept qui reflète les attributs classiques (Klausmeier, 1992). Une deuxième façon consiste à extraire des caractéristiques de deux exemples ou plus ; pour les oiseaux, les caractéristiques pourraient être « plumes », « deux pattes », « bec » et « vole », bien que toutes les caractéristiques ne s'appliquent pas à tous les membres de la classe. Les prototypes sont raffinés et élargis lorsqu'on est exposé à de nouveaux exemples du concept ; ainsi, « vit dans la jungle » (perroquet) et « vit au bord de l'océan » (goéland).

La théorie de Gagné (1985) inclut les concepts comme une forme centrale d'apprentissage. Les apprenants doivent initialement posséder des capacités préalables de base pour discriminer entre les caractéristiques des stimuli (c'est-à-dire, distinguer les caractéristiques pertinentes des caractéristiques non pertinentes).

Selon Gagné (1985), l'apprentissage des concepts implique une séquence en plusieurs étapes. Tout d'abord, la caractéristique du stimulus est présentée comme une instance du concept avec une non-instance. L'apprenant confirme sa capacité à faire la discrimination. Dans l'étape suivante (généralisation), l'apprenant identifie les instances et les non-instances. Troisièmement, la caractéristique du stimulus—qui doit devenir le concept—est variée et présentée avec des non-instances. L'acquisition du concept est vérifiée en demandant l'identification de plusieurs instances de la classe en utilisant des stimuli qui n'ont pas été utilisés précédemment dans l'apprentissage. Tout au long du processus, les réponses correctes sont renforcées et l'apprentissage par contiguïté se produit en présentant plusieurs instances du concept en association étroite.

Klausmeier (1990, 1992) a développé et testé un modèle d'acquisition de concepts. Ce modèle postule une séquence en quatre étapes : concrète, identité, classificatoire et formelle. La compétence à chaque niveau est nécessaire pour l'acquisition au niveau suivant. Le processus d'acquisition de concepts représente une interaction du développement, de l'expérience informelle et de l'éducation formelle.

Au niveau concret, les apprenants peuvent reconnaître un élément comme étant le même que celui rencontré précédemment lorsque le contexte ou l'orientation spatiale dans lequel il a été rencontré à l'origine reste le même. Ce niveau exige que les apprenants prêtent attention à l'élément, le discriminent comme étant différent de son environnement sur la base d'un ou plusieurs attributs déterminants, le représentent dans la MLT comme une image visuelle et le récupèrent de la MLT pour le comparer à une nouvelle image et déterminer qu'il s'agit du même élément. Ainsi, un apprenant pourrait apprendre à reconnaître un triangle équilatéral et à le discriminer d'un triangle rectangle ou isocèle.

Le niveau d'identité est caractérisé par la reconnaissance d'un élément comme étant le même que celui rencontré précédemment lorsque l'élément est observé d'une perspective différente ou dans une modalité différente. Cette étape implique les mêmes processus qu'au niveau concret ainsi que le processus de généralisation. Ainsi, l'apprenant sera en mesure de reconnaître des triangles équilatéraux dans différentes orientations ou positions sur une page.

Le niveau classificatoire exige que les apprenants reconnaissent au moins deux éléments comme étant équivalents. Une généralisation supplémentaire est impliquée ; dans le cas des triangles équilatéraux, cela implique la reconnaissance d'un triangle équilatéral plus petit et plus grand comme étant équivalents. Le processus se poursuit jusqu'à ce que l'apprenant puisse reconnaître des exemples et des non-exemples ; à ce stade, cependant, l'apprenant peut ne pas comprendre la base de la classification (par exemple, l'égalité de la longueur des côtés et des angles). Être capable de nommer le concept n'est pas nécessaire à ce niveau, mais, comme dans les étapes précédentes, cela peut faciliter l'acquisition du concept.

Enfin, le niveau formel exige que l'apprenant identifie des exemples et des non-exemples du concept, nomme le concept et ses attributs déterminants, donne une définition du concept et spécifie les attributs qui distinguent le concept des autres concepts étroitement liés (c'est-à-dire, trois côtés et angles égaux). La maîtrise de cette étape exige que l'apprenant mette en œuvre des processus cognitifs de niveau classificatoire et un ensemble de processus de pensée d'ordre supérieur impliquant l'élaboration d'hypothèses, l'évaluation et l'inférence.

Ce modèle d'étape a des implications pédagogiques pour les apprenants à différents moments du développement. L'enseignement peut être réparti sur plusieurs années scolaires au cours desquelles les concepts sont périodiquement revisités à des niveaux d'acquisition plus élevés. Les jeunes enfants reçoivent initialement des référents concrets et, avec le développement, deviennent capables d'opérer à des niveaux cognitifs plus abstraits. Par exemple, les jeunes enfants peuvent apprendre le concept d' « honnêteté » en voyant des exemples spécifiques (par exemple, ne pas voler, rendre quelque chose qui ne vous appartient pas) ; en vieillissant, ils peuvent comprendre le concept en termes plus abstraits et complexes (par exemple, reconnaître un feedback honnête d'un superviseur sur la performance d'un travailleur ; discuter des avantages de l'honnêteté).

Tennyson (1980, 1981; Tennyson, Steve, & Boutwell, 1975) a également développé un modèle d'enseignement des concepts basé sur la recherche empirique. Ce modèle comprend les étapes suivantes (Tennyson & Park, 1980) :

• Déterminer la structure du concept pour inclure les concepts superordonnés, coordonnés et subordonnés, et identifier les attributs critiques et variables (par exemple, les caractéristiques qui peuvent légitimement varier sans affecter le concept).
• Définir le concept en termes d'attributs critiques et préparer plusieurs exemples avec les attributs critiques et variables.
• Organiser les exemples en ensembles basés sur les attributs, et s'assurer que les exemples ont des attributs variables similaires dans tout ensemble contenant des exemples de chaque concept coordonné.
• Ordonner et présenter les ensembles en termes de divergence et de difficulté des exemples, et ordonner les exemples dans tout ensemble en fonction des connaissances actuelles de l'apprenant.

La plupart des concepts peuvent être représentés dans une hiérarchie avec des concepts superordonnés (supérieurs) et subordonnés (inférieurs). Pour un concept donné, des concepts similaires peuvent se trouver à peu près au même niveau dans la hiérarchie ; ceux-ci sont connus sous le nom de concepts coordonnés. Par exemple, le concept de « chat domestique » a « famille des chats » et « mammifère » comme concepts superordonnés, les diverses races (poil court, siamois) comme concepts subordonnés, et d'autres membres de la famille des chats (lion, jaguar) comme concepts coordonnés. Le concept a des attributs critiques (par exemple, les pattes, les dents) et des attributs variables (par exemple, la longueur des poils, la couleur des yeux). Un ensemble comprend des exemples et des contre-exemples (par exemple, chien, écureuil) du concept.

Bien que le concept doive être défini avec ses attributs critiques avant de donner des exemples et des contre-exemples, la présentation d'une définition ne garantit pas que les étudiants apprendront le concept. Les exemples doivent différer largement en termes d'attributs variables, et les contre-exemples doivent différer des exemples par un petit nombre d'attributs critiques à la fois. Ce mode de présentation empêche les étudiants de généraliser excessivement (classer les contre-exemples comme des exemples) et de sous-généraliser (classer les exemples comme des contre-exemples).

Souligner les relations entre les exemples est un moyen efficace de favoriser la généralisation. Un moyen consiste à utiliser des cartes conceptuelles (de connaissances), ou des diagrammes qui représentent les idées comme des assemblages nœud-lien (Nesbit & Adescope, 2006). O’Donnell et al. (2002) ont montré que l'apprentissage est facilité avec des cartes de connaissances où les idées sont interconnectées. Nesbit et Adescope ont constaté que les cartes conceptuelles amélioraient la rétention des connaissances des étudiants.

Le nombre optimal d'exemples à présenter dépend des caractéristiques du concept telles que le nombre d'attributs et le degré d'abstraction du concept. Les concepts abstraits ont généralement moins d'exemples tangibles que les concepts concrets, et les exemples des premiers peuvent être difficiles à saisir pour les apprenants. L'apprentissage des concepts dépend également des attributs de l'apprenant tels que l'âge et les connaissances antérieures (Tennyson & Park, 1980). Les élèves plus âgés apprennent mieux que les plus jeunes, et les élèves ayant plus de connaissances pertinentes surpassent ceux qui n'en ont pas.

Dans l'enseignement des concepts, il est utile de présenter des exemples qui diffèrent par des attributs optionnels mais qui ont des attributs pertinents en commun afin que ces derniers puissent être clairement mis en évidence, ainsi que les dimensions non pertinentes. Dans l'enseignement du concept de « triangle rectangle », par exemple, la taille n'est pas pertinente, tout comme la direction dans laquelle il est orienté. On pourrait présenter des triangles rectangles de différentes tailles pointant dans différentes directions. L'utilisation d'exemples résolus est une stratégie pédagogique cognitive efficace (Atkinson et al., 2000).

Non seulement les élèves doivent apprendre à généraliser les triangles rectangles, mais ils doivent également apprendre à les distinguer des autres triangles. Pour favoriser la discrimination des concepts, les enseignants doivent présenter des instances négatives qui diffèrent clairement des instances positives. Au fur et à mesure que les compétences des élèves se développent, on peut leur apprendre à faire des discriminations plus fines. Les suggestions présentées dans le tableau « Étapes pour généraliser et discriminer les concepts » sont utiles pour enseigner aux élèves à généraliser et à discriminer les concepts.

Ce modèle nécessite une analyse approfondie de la structure taxonomique d'un concept. La structure est bien spécifiée pour de nombreux concepts (par exemple, le règne animal), mais pour beaucoup d'autres, en particulier les concepts abstraits, les liens avec les concepts d'ordre supérieur et inférieur, ainsi qu'avec les concepts coordonnés, sont problématiques.

Dans un article fondamental, Pintrich, Marx et Boyle (1993) ont soutenu que le changement conceptuel implique également des processus motivationnels (par exemple, les buts, les attentes, les besoins), que les modèles de traitement de l'information ont eu tendance à négliger. Ces auteurs ont avancé que quatre conditions sont nécessaires pour que le changement conceptuel se produise. Premièrement, un mécontentement à l'égard de ses conceptions actuelles est nécessaire ; le changement est peu probable si les gens estiment que leurs conceptions sont exactes ou utiles. Deuxièmement, la nouvelle conception doit être intelligible—les gens doivent comprendre une conception pour l'adopter. Troisièmement, la nouvelle conception doit être plausible—les apprenants doivent comprendre comment elle s'inscrit dans d'autres compréhensions de la manière dont elle pourrait être appliquée. Enfin, ils doivent percevoir la nouvelle conception comme fructueuse—être capable d'expliquer des phénomènes et de suggérer de nouveaux domaines d'investigation ou d'application.

Les processus motivationnels interviennent à plusieurs endroits dans ce modèle. Par exemple, la recherche montre que les buts des étudiants orientent leur attention et leurs efforts, et que leur sentiment d'efficacité personnelle est positivement lié à la motivation, à l'utilisation de stratégies de tâches efficaces et à l'acquisition de compétences (Schunk, 1995). De plus, les étudiants qui croient que l'apprentissage est utile et que les stratégies de tâches sont efficaces font preuve d'une motivation et d'un apprentissage plus élevés (Borkowski, 1985 ; Pressley et al., 1990 ; Schunk & Rice, 1993). Il a été démontré que les buts, le sentiment d'efficacité personnelle et les auto-évaluations de la compétence favorisent l'apprentissage et l'autorégulation dans des domaines tels que la compréhension de la lecture, l'écriture, les mathématiques et la prise de décision (Pajares, 1996 ; Schunk & Pajares, 2009 ; Schunk & Swartz, 1993a ; Wood & Bandura, 1989 ; Zimmerman & Bandura, 1994). Nous voyons dans le scénario d'ouverture que le passage à une résolution de problèmes plus importante a en fait amélioré la motivation de certains étudiants pour l'apprentissage.

En bref, la littérature suggère que le changement conceptuel implique une interaction entre les cognitions et les croyances motivationnelles des étudiants (Pintrich et al., 1993), ce qui a des implications pour l'enseignement. Plutôt que de simplement fournir des connaissances, les enseignants doivent tenir compte des idées préexistantes des élèves lors de la planification de l'enseignement et s'assurer que l'enseignement comprend la motivation pour l'apprentissage.

Ces idées sont hautement applicables aux sciences. De nombreux enseignants de sciences croient que les connaissances sont construites par les apprenants plutôt que simplement transmises (Driver et al., 1994 ; Linn & Eylon, 2006). Une question intéressante est de savoir comment les étudiants développent des idées fausses scientifiques et des modèles scientifiques simplistes (Windschitl & Thompson, 2006). Une tâche importante est d'aider les élèves à remettre en question et à corriger les idées fausses (Sandoval, 1995). Les expériences qui produisent un conflit cognitif peuvent être utiles (Mayer, 1999 ; Sandoval, 1995 ; Williams & Tolmie, 2000). Cela pourrait impliquer que les élèves participent à des activités pratiques et travaillent avec d'autres (par exemple, dans des discussions) pour interpréter leurs expériences par le biais de questions sélectives (par exemple, “Pourquoi pensez-vous cela ?” “Comment avez-vous trouvé cela ?”). Cette approche s'inscrit bien dans l'importance accordée par Vygotski aux influences sociales sur la construction des connaissances.

Nussbaum et Novick (1982) ont proposé un modèle en trois étapes pour changer les croyances des étudiants :

• Révéler et comprendre les idées préconçues des étudiants.
• Créer un conflit conceptuel avec ces conceptions.
• Faciliter le développement de schémas nouveaux ou révisés sur les phénomènes à l'étude.

Le rôle de la motivation est essentiel. Bien que la science ait de nombreux thèmes qui devraient être intéressants, l'étude des sciences présente peu d'intérêt pour de nombreux étudiants. L'apprentissage bénéficie d'un enseignement pratique et de liens avec des aspects de la vie des élèves. Par exemple, le mouvement peut être lié à la trajectoire des ballons de soccer, l'électricité aux lecteurs de DVD et l'écologie aux programmes de recyclage communautaires. Accroître l'intérêt pour les sujets peut également améliorer la qualité de l'apprentissage des élèves (Sandoval, 1995). Ainsi, l'utilisation d'illustrations et de diagrammes aide les élèves à comprendre les concepts scientifiques (Carlson, Chandler, & Sweller, 2003 ; Hannus & Hyönä, 1999), bien que certains élèves puissent avoir besoin d'apprendre à étudier les illustrations dans le cadre de l'apprentissage du texte.