Applications des sciences cognitives à l’éducation
Et si l’on appliquait à l’apprentissage la même logique de « sur-mesure » qu’en biomécanique sportive ? À l’heure où des sportifs de haut niveau tirent parti d’une analyse fine de leur gestuelle, les sciences cognitives proposent d’explorer avec la même précision les mécanismes mentaux des élèves. Cette démarche, aujourd’hui en plein essor dans le monde éducatif, vise à concevoir des stratégies pédagogiques en phase avec les contraintes et les potentialités du cerveau humain. Mais il faudra pour cela une montée progressive en compétences des enseignants sur ce sujet, sans doute en les formant aux sciences cognitives dans leur cursus initial.
Gavin MacMillan est biomécanicien et il est devenu célèbre cette année dans le monde du tennis, pour avoir aidé Coco Gauff (vainqueure de Roland-Garros) et Aryna Sabalenka (numéro un mondiale) à améliorer leur service. Sa méthode ? Analyser précisément les défauts du service de la joueuse concernée et définir une nouvelle gestuelle plus efficace parfaitement adaptée à son schéma musculosquelettique. Quoi de plus normal, quand on recherche le geste parfait, que de s’intéresser aux contraintes spécifiques qu’impose le corps de l’athlète qu’on entraîne ?
Cette idée de bon sens, les chercheurs en sciences cognitives sont en train de la pousser un cran plus loin, afin d’envisager comment les contraintes qu’impose le cerveau à nos actions mentales doivent être prises en compte pour identifier des enchaînements de gestes cognitifs – des stratégies cognitives – bien adaptés à la mécanique cérébrale (idéalement au niveau individuel), particulièrement pour définir des méthodes d’apprentissage les plus en phase avec la façon dont un cerveau apprend.
Cerveau et pratique éducative
Cette perspective fascinante explique l’intérêt croissant du monde éducatif pour les sciences cognitives : puisqu’un élève passe l’essentiel de son temps en classe à agir « dans sa tête », il semble naturel de s’intéresser à ce qu’il y fait vraiment, pour déceler éventuellement ce qu’il pourrait faire différemment, ou plus efficacement, ou dans de meilleures conditions. Pourquoi ne pas s’appuyer sur les sciences de la cognition, quand on souhaite améliorer la cognition des élèves ? Et, puisque tout processus d’apprentissage est avant tout un processus de transformation du cerveau de l’apprenant, pourquoi ne pas s’inspirer de ce que l’on sait de la façon dont un cerveau se transforme ?
La bonne nouvelle, c’est que les sciences cognitives sont arrivées à une maturité suffisante pour comprendre, au moins schématiquement, comment le cerveau fonctionne. Et ce niveau de compréhension permet enfin d’identifier quelles pratiques éducatives et stratégies cognitives sont les plus cohérentes avec ce que nous savons du cerveau, pour tester ensuite leur efficacité par des mesures comportementales.
L’exemple de l’aphantasie
Prenons tout de suite un exemple intriguant : l’aphantasie. Cette particularité, révélée par les sciences cognitives, correspond à l’incapacité pour un individu de générer des images mentales. Si vous parvenez à imaginer un rond dans votre tête, c’est que vous n’êtes pas aphantasique. Pour les 1 à 2 % d’élèves aphantasiques dans les classes, cette forme d’aveuglement mental peut se révéler très invalidante, par exemple lors de la résolution de problèmes de mathématiques qui demandent de manipuler mentalement des objets géométriques, ou lors de la compréhension de descriptions littéraires.
Malheureusement, un élève aphantasique peut souffrir de ce déficit toute sa scolarité sans le savoir, surtout dans un système éducatif où l’on ne parle jamais de gestes cognitifs (comment savoir qu’on peut « voir » quelque chose dans sa tête, quand on n’en a soi-même jamais vu et qu’on n’a jamais entendu parler d’image mentale ?). Sur ce point, l’arrivée d’une nouvelle génération d’enseignants sensibilisés aux sciences cognitives va permettre de détecter plus rapidement ce type d’élèves et de les aider à développer des stratégies cognitives de remplacement (qui utiliseraient par exemple le dessin ou l’imagerie motrice : « quand on se sent réaliser des mouvements sans les faire vraiment »).
Terra incognita
J’ai reçu l’an dernier une lettre touchante d’un lycéen qui me confiait son immense soulagement lorsqu’il avait appris qu’il était normal de se parler dans sa tête. Il faisait naturellement référence à ce langage intérieur subvocal que nous utilisons tous depuis l’enfance pour nous parler tout au long de la journée. Mais, une fois de plus, comme on n’évoque jamais en classe ce que l’on fait « dans sa tête » – pour apprendre une poésie par cœur, par exemple – cet élève imaginait qu’il était le seul à avoir ce pouvoir et il préférait cacher ce secret pour ne pas passer pour le gars bizarre de la classe. Je rapporte souvent cette anecdote, parce qu’elle révèle combien les processus cognitifs les plus simples sont encore mal connus des élèves et de leurs professeurs.
Soulever le capot
C’est précisément cette situation qui est amenée à changer rapidement. J’imagine volontiers que, dans quelques années, il sera courant qu’un enseignant explique à haute voix à ses élèves ce qu’il fait mentalement, étape par étape, pour résoudre un exercice de physique, selon le principe d’un enseignement explicite « métacognitif » : « Je commence par lire attentivement l’énoncé en me formant progressivement une image mentale de la situation qu’il décrit, puis… etc. » Il exposerait ainsi aux élèves sa gestuelle invisible – à la différence d’un service au tennis que peut voir un observateur extérieur – en posant des mots sur des gestes cognitifs précis (« former une image mentale », etc.).
Les élèves pourraient ensuite, à leur tour, décrire les opérations mentales qu’ils mettent en œuvre consciemment dans ce même cas de figure, pour identifier éventuellement celles qui leur posent problème et apprendre ainsi à corriger leur gestuelle cognitive (en prenant bien en compte les limites d’une démarche introspective qui ne peut pas révéler l’intégralité de ce que fait l’élève « dans sa tête », notamment les processus mentaux inconscients). Cette façon de « soulever le capot » permet de s’intéresser à l’interaction entre le conducteur et le moteur, plutôt que de simplement constater que la voiture n’avance pas et le lui reprocher vertement.
Améliorer la prise en charge
Les sciences cognitives à l’école proposent donc de cesser de considérer la tête de l’élève comme une boîte noire, avec pour seules variables « explicatives » de ses piètres performances des concepts aussi vagues, globaux et inutiles que sa « feignantise » ou sa « sottise ».
“Cesser de considérer la tête de l’élève comme une boîte noire.”
J’ai encore en tête l’exemple du fils d’une collègue régulièrement qualifié de « paresseux » et de « tête en l’air » pendant sa scolarité, comme s’il ne lui avait manqué qu’un peu de bonne volonté. Cet enfant reçut finalement un diagnostic de TDA (un trouble déficitaire de l’attention), caractérisé par une difficulté très spécifique à maintenir sa concentration sur des activités peu stimulantes, à cause peut-être d’un léger retard de maturité de son cortex préfrontal et d’un déséquilibre chimique transitoire.
Ce diagnostic permet d’envisager des exercices et des aménagements spécifiques bien adaptés à son problème particulier, et beaucoup plus utiles que les reproches constants de ses profs (qui minaient sa confiance en lui). Sans vouloir forcément tout médicaliser, les sciences cognitives permettent déjà une meilleure prise en charge de ce type d’élèves, et plus généralement de tous ceux présentant un trouble « dys » (dyslexie, dyspraxie, etc.). Quant aux enseignants, leur meilleure compréhension de la particularité de ces élèves leur permet d’adopter une attitude plus constructive et moins culpabilisante, et d’apaiser leurs interactions avec eux.
Sortir des représentations classiques
Mais l’intérêt des sciences cognitives en classe s’étend bien au-delà de ces troubles spécifiques, grâce à la compréhension de mécanismes cérébraux suffisamment généraux pour identifier des pratiques éducatives bien adaptées à la façon dont tout cerveau fonctionne. C’est particulièrement le cas en ce qui concerne la mémoire et l’attention. En ce qui concerne par exemple la mémoire, nous pouvons maintenant dire avec certitude que la représentation des connaissances sous forme de cartes mentales en arborescence, pour les apprendre en rapprochant spatialement les idées qui sont reliées entre elles, correspond bien à la façon dont l’hippocampe encode l’information en mémoire (l’hippocampe est une petite structure cérébrale servant à encoder les associations entre des concepts ou des lieux).
On ne peut pas en conclure directement que la présentation des connaissances sous cette forme va systématiquement favoriser la mémorisation chez tous les élèves, car cela dépend a priori de nombreux facteurs (le type des relations présentées, le degré d’implication de l’élève dans la création de la carte, etc.), mais cela doit inciter au minimum à tester expérimentalement l’intérêt de cette technique par rapport à des représentations plus classiques.
Mémoire et capacité d’attention
De même, nous savons pourquoi il est inefficace de tester la mémorisation d’un texte par un élève en lui demandant simplement de répéter ce qu’il vient de lire (parce qu’on ne teste alors que l’encodage en mémoire à court terme). Si l’on souhaite encourager la mémorisation, il est maintenant bien établi expérimentalement qu’il vaut mieux amener l’élève à tester rapidement ses connaissances sur le texte (notamment parce qu’il est alors engagé dans un processus actif de recherche et de mise en relation des informations). Ces mécanismes de mémorisation étant communs à tous les individus, les recommandations que l’on peut en tirer sont elles aussi générales.
Concernant l’attention, son caractère universellement sélectif – dans tout cerveau humain – doit inciter les enseignants à ne jamais orienter l’attention des élèves vers deux cibles différentes au même moment (par exemple, vers un schéma sur une feuille et des explications orales sur un sujet légèrement différent, comme c’est hélas souvent le cas). Ils auront au contraire intérêt – dans certains cas où l’attention peut se perdre – à préciser explicitement la cible unique que doivent viser les élèves, étape par étape (par exemple, lors d’une manipulation expérimentale en TP).
Rien de nouveau ?
Certains enseignants dénigrent parfois ce type de discours en arguant du fait que la plupart de ces bonnes pratiques sont connues de longue date et que les sciences cognitives n’apportent rien de nouveau au-delà du bon sens.
“Confirmer expérimentalement l’intérêt supposé d’une façon d’enseigner.”
On ne peut pas leur donner entièrement tort, car il n’est effectivement pas forcément facile d’identifier des pratiques éducatives déduites des neurosciences, auxquelles aucun enseignant n’aurait jamais pensé avant. Mais comment serait-ce possible, compte tenu de tout ce qui a pu être envisagé depuis des siècles par des professeurs inventifs ? Néanmoins, on ne saurait sous-estimer d’une part la force qu’un socle scientifique solide confère à une pratique, surtout quand il s’agit de persuader les élèves de son utilité, et d’autre part la nécessité de confirmer expérimentalement l’intérêt supposé d’une façon d’enseigner, pour s’y repérer parmi un foisonnement d’intuitions parfois contradictoires.
De l’utilité des gammes
Concernant le premier point, prenons l’exemple des « gammes » qui abondent sous des formes très diverses à tous les niveaux de classe : peu d’élèves aiment répéter ad nauseam les mêmes exercices dont ils ont compris le principe – pourquoi s’ennuyer à répéter inlassablement les tables de multiplication quand on sait depuis longtemps que 3 x 2 = 6 ? Pourquoi dériver encore et toujours les mêmes fonctions quand on a compris le principe de la dérivation ?
Mais ce que nous savons maintenant de ce type d’apprentissage par répétitions, c’est qu’il est indispensable pour l’acquisition d’automatismes efficaces : au fil des répétitions, le même enchaînement de gestes cognitifs ou moteurs sollicite de moins en moins les régions du cerveau impliquées dans le contrôle cognitif et la concentration, au sein du lobe frontal, et de plus en plus des petits réseaux de neurones nouvellement formés et spécialisés dans ce type de calcul. C’est alors que la magie opère et qu’il n’y a plus à « réfléchir » pour calculer un produit simple ou dériver une fonction : la concentration peut alors être redirigée vers des aspects plus stratégiques de la tâche à accomplir, grâce à ce gain de vitesse et d’efficacité. La répétition est donc essentielle à l’apprentissage, notamment grâce au travail fait à la maison, et il est important que les élèves le sachent pour mieux comprendre l’utilité de leurs efforts.
Une tâche à la fois
L’autre exemple qui me vient immédiatement en tête concerne la croyance qu’ont souvent les élèves – notamment les ados – qu’ils peuvent se concentrer sur plusieurs tâches en même temps. Les données des neurosciences cognitives montrent pourtant que c’est mécaniquement impossible, à cause d’un réseau cérébral particulier chargé de contrôler l’enchaînement et la bonne exécution des processus cognitifs nécessaires pour la tâche sur laquelle on se concentre. Ce réseau n’existant qu’en un seul exemplaire dans le cerveau, la seule façon de réaliser deux tâches en même temps est d’avoir automatisé l’une des deux, ce qui libère ce réseau pour l’autre. Cela souligne une fois de plus l’importance de la répétition. Une fois qu’ils ont compris ce point universel de mécanique cérébrale, les élèves acceptent plus volontiers de se concentrer sur une seule chose à la fois et de procéder par étapes.
Naviguer sur la carte cognitive
Pour finir, j’aimerais citer deux thèmes assez fascinants des sciences cognitives, qui jettent une lumière nouvelle sur le processus d’apprentissage en général et sur le chemin menant à l’expertise. Des recherches récentes montrent ainsi qu’au fil de l’évolution le système permettant de s’orienter dans l’espace a été recyclé pour naviguer de façon beaucoup plus générale vers un but quel qu’il soit, même si celui-ci n’est pas une destination géographique mais un objectif aussi abstrait que le rendu d’un projet. Le cerveau dispose d’un système de cartes « cognitives » qui lui permettent de se représenter non pas des lieux mais des états, correspondant aux étapes à suivre pour parvenir à ses fins.
La résolution de n’importe quel problème s’apparente donc à une forme de navigation d’une étape à une autre dans une carte cognitive, grâce à des actions spécifiques permettant de passer d’un état des choses à un autre. En conséquence, une grande partie du processus d’apprentissage d’un domaine pourrait consister à apprendre la carte cognitive de celui-ci – comme un chauffeur de taxi apprendrait le plan d’une ville – pour être en mesure de calculer rapidement n’importe quel « itinéraire » pour atteindre le but qu’on se fixe (en évitant éventuellement à la volée les bouchons).
Lire les situations
Le deuxième thème qui me fascine concerne la « lecture » des situations. La compréhension des mécanismes cérébraux impliqués dans la perception nous a permis d’identifier un principe fondamental largement repris par l’intelligence artificielle : la combinaison d’informations sensorielles élémentaires pour faire émerger des motifs signifiants. C’est ce que vous êtes en train de faire en ce moment même en lisant ce texte, lorsque votre cortex visuel reconnaît des mots dans les juxtapositions de petits signes graphiques sur cette page (les lettres).
Nous savons maintenant qu’une des caractéristiques partagées par tous les experts est leur capacité de « lecture » des situations, qui leur permet d’isoler et de regrouper certains éléments bien précis dans leur environnement et de reconnaître dans leur arrangement particulier un motif qui fait sens. C’est ainsi qu’un négociateur expert sait parfaitement décoder le langage corporel de son interlocuteur pour détecter le moment opportun pour placer un argument implacable. Et c’est aussi par ce principe qu’un bon élève de prépa sait reconnaître un schéma de résolution familier dans un exercice de physique le jour du concours.
En reconnaissant dans cette capacité de lecture une condition fondamentale de l’expertise, les sciences cognitives nous permettent d’envisager des modes d’apprentissage qui permettraient de cibler spécifiquement cette extraction rapide de patterns.
Former les enseignants
Pour toutes les raisons que je viens d’évoquer et bien d’autres, il y a fort à parier que les sciences cognitives occuperont bientôt dans les salles de classe une place aussi importante et naturelle que la biomécanique dans le sport. Mais il faudra tout de même attendre pour cela une montée progressive en compétences des enseignants sur ce sujet, sans doute en introduisant sérieusement les sciences cognitives dans leur cursus initial. Pour le moins, cela évitera que certains professeurs demandent encore à leurs élèves de dessiner dans l’air le signe « infini » avec leur doigt, en pensant ainsi rééquilibrer leurs hémisphères cérébraux, selon le principe absurde de la braingym !
