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Apprendre, implique fortement la mémoire : si un élève ne retient pas ce qui a été vu en classe, il n’apprend pas. Les recherches sur la mémoire permettent de donner des conseils directement applicables en classe.
De ce point de vue, la théorie de la charge cognitive est une mine d’or pour de nombreux professeurs. Cette théorie part du principe que les élèves utilisent deux types de mémoires lors de l’apprentissage. A coté de la mémoire à long terme, qui mémorise nos connaissances et nos souvenirs, on trouve une mémoire à court terme, qui peut stocker des informations durant quelques dizaines de secondes.

Cette mémoire de travail sert de porte d’entrée pour la mémoire à long terme : ce qui doit être mémorisé va d’abord transiter par la mémoire de travail avant de pouvoir être mémorisé. De plus, cette mémoire à court terme n’est pas qu’une zone de stockage totalement passive. Elle sert notamment pour mémoriser les informations nécéssaires pour résoudre un problème, comme les résultats temporaires. Ainsi, la mémoire à court terme est souvent appelée la mémoire de travail.
Cette mémoire de travail ne peut gérer qu’un nombre limité d’informations : les anciennes estimations donnent un chiffre de 7 +/-2 informations, tandis que les estimations plus récentes penchent plus vers une capacité de 3/4 éléments.
Il est évident que les performances s’effondrent quand on dépasse cette capacité. Si la mémoire de travail surcharge, l’élève mémorise mal, à des difficultés à réfléchir, et l’apprentissage est long et laborieux.
Par exemple, tentez de résoudre de tête ces deux additions :
26 + 73
9764 + 3143
La première est facile vu qu’elle demande de maintenir peu de résultats temporaires en mémoire de travail. La seconde va surcharger votre mémoire de travail, et est donc nettement plus difficile.
Les pédagogies actuelles ne tiennent pas en compte la mémoire de travail : suivant le cours ou le professeur, on peut obtenir du très bon, ou du très mauvais (surtout du très mauvais). Les pédagogies actives seraient notamment les pires pédagogie pour la mémoire de travail (voir à ce sujet le document nommé "Why minimal guidance during instruction does not work : an analysis of the failure of constructivist, discovery, problem-based, experiential, and inquiry-based teaching" ).
Mais il existe des solutions, qui sont regroupées dans ce qu’on appelle la théorie de la charge cognitive, une théorie qui donne une liste de 9/10 effets, valides par presque 200 expériences. Nous n’allons pas aborder tout ces effets dans cet article, et nous allons nous limiter aux conseils qui ont trait à l’apprentissage de la résolution de problèmes. Ainsi, on passera sous silence les effets liés à la structuration des explications ou d’un cours masgitral, ou des recommendations pour la création de documents pédagogiques.
Schémas
La charge de la mémoire de travail varie beaucoup suivant l’état des connaissances antérieures : toute connaissance présente en mémoire à long terme est prise comme un tout, comme un élèment unique dans la mémoire de travail.
Et cela marche même pour des connaissances très complexes, composées d’un grand nombre d’élèments reliés entre eux. Ces ensembles de connaissances reliées entre elles, qui sont pris comme un tout dans la mémoire de travail, sont appelés des schémas.
Les relations logiques qui relient les élèments du schéma entre eux font partie du schéma mental. Ces relations peuvent permettre de faire des inférences et des déductions sans utiliser de mémoire de travails supplémentaire.
Certains de ces schémas mémorisent des stratégies ou des procédures de résolution de problème. Les relations contenues dans ces schémas sont des règles qui décrivent comment résoudre un problème.
Exercices goal-free
 En début d’apprentissage, les élèves ne disposent pas de schémas de résolution de problème et doivent utiliser des stratégies de résolution de problèmes plus ou moins variées qui saturent rapidement la mémoire de travail.
Or, certains exercices forcent l’élève à utiliser des stratégies de résolution de problème qui surchargent la mémoire de travail. Ces exercices sont des exercices qui demandent de trouver une série d’étapes permettant de passer d’un état initial à un état final. Par exemple, on pourrait citer cet exercice :
Un train part d’une gare A, pour aller à une gare B. Ce train part de la gare A à une vitesse de 50 km/h. Il arrive à la gare B à une vitesse de 100 km/h. Sur le trajet, son accélération est constante. La durée du trajet est de 2 heures. Trouvez la distante parcourue lors du trajet.
Généralement, les élèves novices tentent de planifier la suite d’étape nécéssaire pour résoudre l’exercice en partant du but : cette stratégie va utiliser intensémment la mémoire de travail, qui surcharge. Dans ces conditions, la création de schémas de résolution de problème se passe mal.
Pour éviter cela, on peut modifier le format des exercices de facon à ce que ceux-ci ne fassent pas saturer la mémoire de travail.
Par exemple, l’exercice suivant :
y = x + 6, x = z + 3, et z = 6. Trouvez la valeur de z.
doit être modifié en :
y = x + 6, x = z + 3, et z = 6. Trouvez le maximum de valeurs.
Autre exemple, l’exercice suivant :
Une particule a une vitesse de 2 mètres par seconde à un instant t. Elle accélère de 5 mètres par secondes carrés durant 25 secondes. Claculez la distance parcourue à l’instant t + 5 minutes.
Doit être reformulé comme ceci :
Une particule a une vitesse de 2 mètres par seconde à un instant t. Elle accélère de 5 mètres par secondes carrés durant 25 secondes. Trouvez un maximum de valeurs.
La pratique d’exercices de ce genre permet une création de schémas de résolution de problèmes relativement facilement. Ainsi, la résolution de ce genre de problème permet d’améliorer la résolution ultérieure d’exercices conventionnels. On a quelques expériences sur le sujet, faites par Owen and Sweller (1985), Bobis, Sweller, and Cooper (1994), et par Sweller, Mawer, et Ward (1983) : l’effet est clairement positif.
Exemples travaillés
On vient de le voir, en début d’apprentissage, les élèves ne disposent pas de schémas de résolution de problème et doivent utiliser des stratégies de résolution de problèmes plus ou moins variées qui saturent rapidement la mémoire de travail. En conséquence, la mémoire de travail sera surtout utilisée pour résoudre le problème, et seule une faible quantité de mémoire de travail sera utilisée pour construire les schémas de résolution de problème.
Une méthode pour éviter cela consiste à faire précéder systèmatiquement les exercices par des exemples travaillés. Ces exemples travaillés sont des exercices que le professeur résout devant les élèves, en pensant à haute voix, en montrant comment faire pour résoudre les exercices. Ces exemples permettront à l’élève de dévouer toute son attention et sa mémoire de travail pour créer des schémas de résolution de problème. En faisant cela, les élèves progressent nettement plus vite qu’en passat directement du cours aux exercices.
Sweller and Cooper ont testé l’efficacité des exemples travaillés pour l’apprentissage de l’algébre dans une étude datée de 1985 et 1987, et ont conclus à une efficaité clairement positive. Une autre étude faite par Carroll (1994), a validé l’usage d’exemples travaillés dans des circonstances semblables. D’autres études faites par Paas (1992), et par van Merriënboer (1994) ont reproduit cet effet des exemples travaillés lors de l’apprentissage des statistiques ou de la géométrie.
Exemples partiellement travaillés
D’autres expériences ont aussi validés l’usage d’exemples partiellement travaillés, que le professeur termine partiellement, laissant les élèves finir le reste.
Par exemple, Van Merriënboer (1990) amontré que des étudiants progressaient plus vite quand on leur faisait modifier et étendre des programmes existants, au lieu de leur faire créer eux-mêmes des programmes complets. Van Merriënboer et de Croock (1992) ont réussit à reproduire ces résultats.
Effet de l’expertise
 Toutefois, ces exmples travaillés ont un rendement décroissant : si leur efficacité est certaine lors du début de l’apprentissage, il arrive un moment où il faut laisser les élèves travailler par eux-mêmes. Cela arrive après une dizaine d’exemples travaillés, voire un peu plus (15/20). Au-delà, les nouveaux exemples ne servent à rien, vu que le schéma de résolution de problème est déjà condtruit et présent en mémoire à long terme.
Par exemple, dans leur étude de 2001, Kalyuga, Chandler, Tuovinen, et quelques collégues, ont clairement l’effet des exemples travaillé diminue au bout d’un certain nombre d’exemples. On peut aussi citer les études de Kalyuga et Sweller en 2004 sur les compétences en algèbre ; les études de Pawley, Ayres, Cooper, and Sweller (2005), sur l’apprentissage de la littérature anglaise ; et les études de Lee and Kalyuga (2011) sur l’apprentissage du chinois en Pinyin.
Evidemment, la transition entre exemples travaillés et exercices autonomes peut être adoucie avec l’usage d’exemples partiellement travaillés.
Effet de variabilité
 Dernier conseil : enchainer des exemples trop similaires ne permet pas à l’élève de créer des schémas de résolution de problème efficaces. Dans ces conditions, l’élève a tendance à créer ces schémas de résolution de problème en se concentrant sur les détails du problème, comme le vocabulaire utilisé par le professeur. Les schémas ainsi crées sont assez spécifiques, et ne sont pas facilement transférables, c’est à dire utilisables dans des situations différentes de l’exemple d’apprentissage.
Si on veut un transfert maximal, l’élève doit abstraire les points communs entre exemples travaillés très différents : cela lui permet de créer des schémas de résolution valables pour de grandes classes de problèmes très générales. On doit varier au maximum les exemples donnés et faire en sorte que ceux-ci aient le moins de ressemblances possible.
Conclusion
 Au final, cette théorie donne des conseils vraiment utiles à de nomreux professeurs. Des études récentes ont permi de complèter cette théorie, et donnent ainsi des conseils sur la structuration d’un cours magistral ou de ses explications, voire sur la création de documents pédagogiques.
Ceux qui veulent en savoir plus peuvent aller lire mon wikibooks sur le sujet :
Dernière modification le mercredi, 22 octobre 2014
Grave Guy

Etudiant en informatique. 
Rédacteur de nombreux tutoriels sur Openclassrooms, et sur progdupeu.pl, j’ai été amené à m’intéresser à la pédagogie et notamment à l’apprentissage multimédia. En conséquence, j’ai fini par me former à des techniques pédagogiques basées sur la psychologie cognitive, et notamment à la théorie de la charge cognitive. Je compte faire connaitre ces pédagogies à un maximum de professeurs, histoire de les aider dans leur travail quotidien.

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