Neurosciences de l'apprentissage : Applications pédagogiques

On observe depuis quelques années un regain d'intérêt pour la recherche neurophysiologique explorant le développement et le fonctionnement du cerveau. De nombreux éducateurs considèrent la recherche sur le cerveau avec intérêt, car ils pensent qu'elle pourrait suggérer des moyens de rendre les matériels pédagogiques et l'enseignement compatibles avec la manière dont les enfants traitent l'information et apprennent.

Malheureusement, l'histoire des sciences du comportement reflète une déconnexion entre la recherche sur le cerveau et les théories de l'apprentissage. La recherche sur le cerveau et le comportement n'est pas nouvelle ; rappelons la théorie neurophysiologique de Hebb (1949) abordée plus haut dans ce chapitre. Les théoriciens de l'apprentissage de diverses traditions, tout en reconnaissant l'importance de la recherche sur le cerveau, ont eu tendance à formuler et à tester des théories indépendamment des résultats de la recherche sur le cerveau.

Cette situation est en train de changer de manière manifeste. Les chercheurs en éducation sont de plus en plus nombreux à penser que la compréhension des processus cérébraux apporte des éclaircissements supplémentaires sur la nature de l'apprentissage et du développement (Byrnes & Fox, 1998). En effet, certaines explications cognitives de l'apprentissage (par exemple, l'activation de l'information en mémoire, le transfert d'information de la mémoire de travail à la mémoire à long terme) impliquent des processus du SNC, et la psychologie du cerveau a commencé à expliquer les opérations impliquées dans l'apprentissage et la mémoire. Les résultats de la recherche sur le cerveau étayent en fait de nombreux résultats obtenus dans des études de recherche sur l'apprentissage et la mémoire (Byrnes, 2001 ; Byrnes & Fox, 1998).

Il est regrettable que certains éducateurs aient sur-généralisé les résultats de la recherche sur le cerveau pour formuler des recommandations pédagogiques injustifiées. Bien que les fonctions cérébrales soient dans une certaine mesure localisées, il existe de nombreuses preuves que les tâches nécessitent l'activité des deux hémisphères et que leurs différences sont plus relatives qu'absolues (Byrnes & Fox, 1998). L'identification des élèves « cerveau droit » et « cerveau gauche » est généralement basée sur des observations informelles plutôt que sur des mesures et des instruments scientifiquement valides et fiables. Il en résulte que certaines méthodes pédagogiques sont utilisées avec les élèves non pas en raison de leurs effets prouvés sur l'apprentissage, mais plutôt parce qu'elles utilisent vraisemblablement les préférences cérébrales supposées des élèves.

Questions éducatives pertinentes pour la recherche sur le cerveau.

• Rôle de l'éducation précoce
• Complexité des processus cognitifs
• Diagnostic des difficultés spécifiques
• Nature multiforme de l'apprentissage

La recherche sur le cerveau, et la recherche sur le SNC en général, soulève de nombreuses questions pertinentes pour l'éducation. En ce qui concerne les changements développementaux, une question concerne le rôle essentiel de l'éducation précoce. Le fait que les cerveaux des enfants soient super-denses implique que plus de neurones ne sont pas nécessairement meilleurs. Il existe probablement un état optimal de fonctionnement dans lequel les cerveaux ont le « bon » nombre de neurones et de synapses – ni trop, ni trop peu. Le développement physique, émotionnel et cognitif implique que le cerveau s'approche de son état optimal. Un développement atypique – entraînant des troubles du développement – peut se produire parce que ce processus de réduction ne se déroule pas normalement.

Ce processus de modelage et de façonnage dans le cerveau suggère que l'éducation de la petite enfance est d'une importance cruciale. Les périodes de développement de la petite enfance et de la maternelle peuvent préparer le terrain pour l'acquisition des compétences nécessaires à la réussite scolaire (Byrnes & Fox, 1998). Il a été démontré que les programmes d'intervention précoce (par exemple, Head Start) améliorent la préparation scolaire et l'apprentissage des enfants, et de nombreux États ont mis en œuvre des programmes d'éducation préscolaire. La recherche sur le cerveau justifie cette importance accordée à l'éducation précoce.

Une deuxième question concerne l'idée que l'instruction et les expériences d'apprentissage doivent être planifiées en tenant compte de la complexité des processus cognitifs tels que l'attention et la mémoire. La recherche en neurosciences a montré que l'attention n'est pas un processus unitaire, mais comprend plutôt de nombreuses composantes (par exemple, l'alerte à un changement dans l'état actuel, la localisation de la source du changement). La mémoire est également différenciée en types, tels que déclarative et procédurale. L'implication est que les éducateurs ne peuvent pas supposer qu'une technique d'enseignement particulière « capte l'attention des élèves » ou « les aide à se souvenir ». Nous devons plutôt être plus précis sur les aspects de l'attention auxquels l'enseignement fera appel et sur le type spécifique de mémoire qui est abordé.

Une troisième question concerne la correction des difficultés d'apprentissage des élèves. La recherche sur le cerveau suggère que la clé pour corriger les lacunes dans une matière spécifique est de déterminer avec quels aspects de la matière l'apprenant éprouve des difficultés, puis de s'attaquer spécifiquement à ces aspects. Les mathématiques, par exemple, comprennent de nombreuses sous-composantes, telles que la compréhension des nombres et des symboles écrits, la récupération de faits et la capacité d'écrire des nombres. La lecture comprend des processus orthographiques, phonologiques, sémantiques et syntaxiques. Dire que l'on est un mauvais lecteur ne permet pas de diagnostiquer où se situe la difficulté. Seules des évaluations précises peuvent permettre cette identification, et une procédure corrective peut alors être mise en œuvre pour traiter la lacune spécifique. Un programme de lecture général qui aborde tous les aspects de la lecture (par exemple, l'identification des mots, le sens des mots) est analogue à un antibiotique général administré à une personne malade ; il peut ne pas être la meilleure thérapie. Il semble avantageux sur le plan pédagogique d'offrir un enseignement correctif dans les domaines qui nécessitent le plus de correction. Par exemple, l'enseignement de stratégies cognitives sur les faiblesses des enfants peut être combiné à un enseignement traditionnel de la lecture (Katzir & Paré-Blagoev, 2006).

La dernière question concerne la complexité des théories de l'apprentissage. La recherche sur le cerveau a montré que les théories multifacettes de l'apprentissage semblent mieux refléter l'état réel des choses que les modèles parcimonieux. Il y a beaucoup de redondance dans les fonctions cérébrales, ce qui explique la découverte courante que lorsqu'une zone du cerveau connue pour être associée à une fonction donnée est traumatisée, la fonction peut ne pas disparaître complètement (une autre raison pour laquelle les distinctions entre le « cerveau droit » et le « cerveau gauche » ne sont pas très crédibles). Au fil du temps, les théories de l'apprentissage sont devenues plus complexes. Les théories du conditionnement classique et opérant sont beaucoup plus simples que la théorie sociocognitive, la théorie du traitement de l'information cognitive et la théorie constructiviste. Ces dernières théories reflètent mieux la réalité du cerveau. Cela suggère que les éducateurs devraient accepter la complexité des environnements d'apprentissage scolaire et étudier les moyens de coordonner les nombreux aspects des environnements pour améliorer l'apprentissage des élèves.

Ce chapitre suggère des pratiques pédagogiques spécififiques qui facilitent l'apprentissage et qui sont étayées par la recherche sur le cerveau. Byrnes (2001) a soutenu que la recherche sur le cerveau est pertinente pour la psychologie et l'éducation dans la mesure où elle aide les psychologues et les éducateurs à développer une compréhension plus claire de l'apprentissage, du développement et de la motivation ; c'est-à-dire qu'elle est pertinente lorsqu'elle aide à étayer les prédictions existantes des théories de l'apprentissage.

Apprentissage par problèmes

L'apprentissage par problèmes est une méthode d'apprentissage efficace. L'apprentissage par problèmes engage les étudiants dans l'apprentissage et contribue à les motiver. Lorsque les étudiants travaillent en groupe, ils peuvent également améliorer leurs compétences d'apprentissage coopératif. L'apprentissage par problèmes exige que les étudiants pensent de manière créative et mettent leurs connaissances à profit de manière unique. Il est particulièrement utile pour les projets qui n'ont pas une seule solution correcte.

Pratiques pédagogiques étayées par la recherche sur le cerveau.

• Apprentissage par problèmes
• Simulations et jeux de rôle
• Discussions actives
• Graphiques
• Climat positif

L'efficacité de l'apprentissage par problèmes est étayée par la recherche sur le cerveau. Avec ses multiples connexions, le cerveau humain est câblé pour résoudre des problèmes (Jensen, 2005). Les étudiants qui collaborent pour résoudre des problèmes prennent conscience de nouvelles façons dont les connaissances peuvent être utilisées et combinées, ce qui forme de nouvelles connexions synaptiques. De plus, l'apprentissage par problèmes est susceptible de faire appel à la motivation des étudiants et d'engendrer une implication émotionnelle, ce qui peut également créer des réseaux neuronaux plus étendus.

Simulations et jeux de rôle

Les simulations et les jeux de rôle présentent bon nombre des mêmes avantages que l'apprentissage par problèmes. Les simulations peuvent se dérouler par ordinateur, dans la classe ordinaire ou dans des contextes spéciaux (par exemple, les musées). Le jeu de rôle est une forme de modélisation où les élèves observent les autres. Les simulations et les jeux de rôle offrent aux élèves des possibilités d'apprentissage qui ne sont pas ordinairement disponibles. Ces méthodes ont des avantages motivationnels et captent l'attention des élèves. Elles permettent aux élèves de s'engager activement dans le matériel et de s'investir émotionnellement. Collectivement, ces avantages contribuent à favoriser l'apprentissage.

Discussions actives

De nombreux sujets se prêtent bien aux discussions entre élèves. Les élèves qui participent à une discussion sont obligés de participer ; ils ne peuvent pas être des observateurs passifs. Ce niveau accru d'engagement cognitif et émotionnel conduit à un meilleur apprentissage. De plus, en participant aux discussions, les élèves sont exposés à de nouvelles idées et les intègrent à leurs conceptions actuelles. Cette activité cognitive contribue à créer des connexions synaptiques et de nouvelles façons d'utiliser l'information.

Graphiques

Le corps humain est structuré de telle sorte que nous absorbons plus d'informations visuellement que par tous les autres sens (Wolfe, 2001). Les affichages visuels aident à favoriser l'attention, l'apprentissage et la rétention. Les résultats collectifs de la recherche sur l'apprentissage et sur le cerveau appuient les avantages des graphiques. Les enseignants qui utilisent des graphiques dans leur enseignement et qui demandent aux élèves d'utiliser des graphiques (par exemple, transparents, présentations PowerPoint©, démonstrations, dessins, cartes conceptuelles, organisateurs graphiques) tirent parti du traitement de l'information visuelle et sont susceptibles d'améliorer l'apprentissage.

Climat positif

Nous avons vu dans la section sur les émotions que l'apprentissage se déroule mieux lorsque les élèves ont une attitude positive et se sentent émotionnellement en sécurité. Inversement, l'apprentissage n'est pas facilité lorsque les élèves sont stressés ou anxieux, par exemple lorsqu'ils craignent de donner des réponses volontairement parce que l'enseignant se met en colère si leurs réponses sont incorrectes. La recherche sur le cerveau confirme l'effet positif que l'implication émotionnelle peut avoir sur l'apprentissage et la création de connexions synaptiques. Les enseignants qui créent un climat de classe positif constateront que les problèmes de comportement sont minimisés et que les élèves s'investissent davantage dans l'apprentissage.

La neuroscience de l'apprentissage est la science de la relation entre le système nerveux, l'apprentissage et le comportement. Bien que la recherche en neurosciences soit menée depuis plusieurs années dans les domaines de la médecine et des sciences, elle suscite depuis peu l'intérêt des éducateurs en raison des implications pédagogiques des résultats de la recherche. La recherche en neurosciences porte sur le système nerveux central (SNC), qui comprend le cerveau et la moelle épinière et régule le comportement volontaire, et sur le système nerveux autonome (SNA), qui régule les actions involontaires.

Le SNC est composé de milliards de cellules dans le cerveau et la moelle épinière. Il existe deux principaux types de cellules : les neurones et les cellules gliales. Les neurones envoient et reçoivent des informations à travers les muscles et les organes. Chaque neurone est composé d'un corps cellulaire, de milliers de dendrites courtes et d'un axone. Les dendrites reçoivent des informations d'autres cellules ; les axones envoient des messages aux cellules. La gaine de myéline entoure les axones et facilite la transmission des signaux. Les axones se terminent par des structures ramifiées (synapses) qui se connectent aux extrémités des dendrites. Les neurotransmetteurs chimiques aux extrémités des axones activent ou inhibent les réactions dans les dendrites contractées. Ce processus permet d'envoyer rapidement des signaux à travers les structures neurales et corporelles. Les cellules gliales soutiennent le travail des neurones en éliminant les substances chimiques inutiles et les cellules cérébrales mortes. Les cellules gliales établissent également la gaine de myéline.

Le cerveau humain adulte (cerveau) pèse environ trois livres et a à peu près la taille d'un cantaloup. Sa texture extérieure est ridée. Le cortex cérébral, une fine couche qui est la substance grise ridée du cerveau, recouvre le cerveau. Les rides permettent au cortex d'avoir plus de neurones et de connexions neuronales. Le cortex a deux hémisphères (gauche et droit), chacun ayant quatre lobes (occipital, pariétal, temporal, frontal). À quelques exceptions près, la structure du cerveau est à peu près symétrique. Le cortex est la principale zone impliquée dans l'apprentissage, la mémoire et le traitement de l'information sensorielle. Parmi les autres zones clés du cerveau, citons le tronc cérébral, la formation réticulaire, le cervelet, le thalamus, l'hypothalamus, l'amygdale, l'hippocampe, le corps calleux, l'aire de Broca et l'aire de Wernicke.

L'hémisphère gauche du cerveau régit généralement le champ visuel droit, et vice versa. De nombreuses fonctions cérébrales sont localisées dans une certaine mesure. La pensée analytique semble être centrée dans l'hémisphère gauche, tandis que le traitement spatial, auditif, émotionnel et artistique se produit principalement dans l'hémisphère droit. En même temps, de nombreuses zones du cerveau travaillent ensemble pour traiter l'information et réguler les actions. Il y a beaucoup de croisement entre les deux hémisphères, car ils sont reliés par des faisceaux de fibres, dont le plus grand est le corps calleux.

Le travail conjoint de plusieurs zones du cerveau est clairement visible dans l'acquisition et l'utilisation du langage. Le côté gauche du cortex cérébral du cerveau est essentiel à la lecture. Des régions spécifiques du cerveau sont associées au traitement orthographique, phonologique, sémantique et syntaxique requis pour la lecture. L'aire de Wernicke dans l'hémisphère gauche contrôle la compréhension de la parole et l'utilisation d'une syntaxe appropriée lors de la prise de parole. L'aire de Wernicke travaille en étroite collaboration avec l'aire de Broca dans le lobe frontal gauche, qui est nécessaire pour parler. Cependant, l'hémisphère droit est essentiel pour interpréter le contexte et donc la signification d'une grande partie de la parole.

Diverses technologies sont utilisées pour mener des recherches sur le cerveau. Il s'agit notamment des rayons X, des tomodensitométries, des EEG, des TEP, des IRM et des IRMf. Le domaine de la recherche sur le cerveau évolue rapidement et de nouvelles technologies plus sophistiquées continueront d'être développées.

D'un point de vue neuroscientifique, l'apprentissage est le processus de construction et de modification des connexions et des réseaux neuronaux (synaptiques). Les entrées sensorielles sont traitées dans les parties de la mémoire sensorielle du cerveau ; celles qui sont retenues sont transférées à la MT, qui semble résider dans plusieurs parties du cerveau, mais principalement dans le cortex préfrontal du lobe frontal. L'information peut ensuite être transférée vers la MLT. Différentes parties du cerveau sont impliquées dans la MLT selon le type d'information (p. ex., déclarative, procédurale). Avec des présentations répétées de stimuli ou d'informations, les réseaux neuronaux se renforcent de sorte que les réponses neuronales se produisent rapidement. Le processus de stabilisation et de renforcement des connexions synaptiques est connu sous le nom de consolidation, et grâce à la consolidation, la structure physique et l'organisation fonctionnelle du cerveau sont modifiées.

Les facteurs influençant le développement du cerveau sont la génétique, la stimulation environnementale, la nutrition, les stéroïdes et les tératogènes. Pendant le développement prénatal, le cerveau croît en taille, en structure et en nombre de neurones, de cellules gliales et de synapses. Le cerveau se développe rapidement chez les nourrissons ; les jeunes enfants ont des connexions neuronales complexes. Au fur et à mesure que les enfants perdent des synapses cérébrales, celles qu'ils conservent dépendent en partie des activités auxquelles ils participent. Il semble y avoir des périodes critiques pendant les premières années de la vie pour le développement du langage, des émotions, des fonctions sensori-motrices, des capacités auditives et de la vision. Le développement précoce du cerveau bénéficie d'expériences environnementales riches et d'un lien émotionnel avec les parents et les soignants. Des changements majeurs se produisent également dans le cerveau des adolescents en termes de taille, de structure, de nombre et d'organisation des neurones.

Deux contreparties neuronales de la motivation impliquent des récompenses et des états de motivation. Le cerveau semble avoir un système de traitement des récompenses et produit ses propres récompenses sous la forme d'opiacés qui entraînent un high naturel. Le cerveau peut être prédisposé à vivre et à maintenir des résultats agréables, et le réseau de plaisir peut être activé par l'attente d'une récompense. Les états de motivation sont des connexions neuronales complexes qui comprennent des émotions, des cognitions et des comportements. La clé de l'éducation est de maintenir la motivation d'apprendre dans une fourchette optimale.

Le fonctionnement des émotions dans le SNC est complexe. Les réactions émotionnelles se déroulent en plusieurs étapes, telles que l'orientation vers l'événement, l'intégration de l'événement, la sélection d'une réponse et le maintien du contexte émotionnel. L'activité émotionnelle liée au cerveau peut différer selon qu'il s'agit d'émotions primaires ou d'émotions d'origine culturelle. Les émotions peuvent faciliter l'apprentissage car elles dirigent l'attention et influencent l'apprentissage et la mémoire. L'implication émotionnelle est souhaitable pour l'apprentissage ; mais lorsque les émotions deviennent trop fortes, l'apprentissage cognitif est entravé.

Les résultats de la recherche sur le cerveau corroborent de nombreux résultats obtenus dans les études de recherche cognitive sur l'apprentissage et la mémoire. Mais il est important de ne pas généraliser à outrance les résultats de la recherche sur le cerveau en étiquetant les élèves comme ayant un cerveau droit ou gauche. La plupart des tâches d'apprentissage nécessitent l'activité des deux hémisphères, et les différences entre les fonctions cérébrales sont plus relatives qu'absolues.

La recherche sur le cerveau suggère que l'éducation précoce est essentielle, que l'enseignement doit tenir compte des complexités cognitives des enfants, que l'évaluation des problèmes spécifiques est nécessaire pour planifier des interventions appropriées et que les théories complexes de l'apprentissage rendent mieux compte du fonctionnement du cerveau que les théories plus simples. Parmi les pratiques éducatives efficaces fondées sur le cerveau, citons l'apprentissage par problèmes, les simulations et les jeux de rôle, les discussions actives, les graphiques et un climat positif.