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Apprendre les sciences,c'est apprendre à inhiber sesconceptions antérieures?

par Lorie-Marlène Brault-Foisy et Steve Masson,Université du Québec à Montréal

Résumé

Cet article présente les résultais d'une recherche portant sur le rôle de l'inhibition dans l'apprentissage de la mécani-que. La recherche compare deux groupes de participants, novices et experts, afin de déterminer le rôle de l'éducationscientifique sur le cerveau Les résultats tendent à démontrer qu'un élève n'effacera pas ou ne restructurera pas sesconnaissances antérieures, qu'il ne les absorbera pas dans une nouvelle théorie, mais qu'il apprendra plutôt à lesinhiber afin de réaliser un changement conceptuel.

Introduction

Voici les résllitats d'une étllCle pilotemenée par l'équipe de KevlIl N. Dunbarde rUniversi.té de Toronto qui cherche àcomprendre pourquoi certaines concep-tions spontanées sont parfois si diff'icilesà modifier chez l'élève. Il sera d'abordquestion des objecti fs, de la métllOdologiect dcs résultats de cette rechcrche. Puis,nous discuterons ensuite de ses retombéeset de son intérêt pour le domaine de l'édu-cation, tant du point de vue théorique quepratique.

Objectif de la recherche de Dunbaret de ses collaborateurs

Certaines notions scientifiques ont laréputation d'être plus difficiles à acquérird bien lks élèves ont du mal à réaliser unchangement conceptuel en regard de cesnotions (diSessa, 2006). En effel, les élè-ves s'accrochent souvent à leurs concep-tions antérieures erronées et ce, malgréles nombreuses démonstrations théori-ques et empiriques htites en classe (\Van-dersee, Mintzes, Novak, 1994). Lorsquel'on confronte les élèves avec des notionsallant à l'encontre de leurs conceptions, lechangement concephlel ne devient possi-ble qu'après lin apprentissage répété surunc très longue dllr~e (diSessa, 2006).En sciences, le domaine de la physique

semble ètre l'un de ceux qui causcnt leplus de difficulté aux élèves. Par exem-ple, il semble qu'il faille plusieurs coursde physique avant que les élèves réalisentun changement conceptuel ct intègrent leslois de NeV,.'toll,comme Gelle de la vitessede chute identique de corps de masses dif-férentes.

L'étude mpportée dans cet article s'appuiesur les résultats obtemls par les chercheurslms d8 bu précédmte recherche (Fugel-sang et Dunbar, 2005) qlli portait sur lafaçon dont le cerveau réagit à un conflitcognitif. En effet, dans leur plunièrcrech8rche, les résultats d~montraientque, face à la présentation d'informa-tions allant il l'encontre des eonccptÙl1lsde l'ékve, la région cérébrale du cortexcingulaire antérieur, principalement liée àla détection de conflits, était activée, maisla zone du gyms parahippocampal, liéc àl'apprentissage et à la mise en mémoiredes données, ne l'était pas. Les chel'cheursont constaté que, face à un conflit cogni-tif, les individus ont tendance à con servel'leurs connaissances antérieures ct à nepas tellir compte des nouvelles donnéesqui leur sont pré~entées, Jes considérantalors comme des erreurs. Ces découver-tes remettaient donc en question J'effica-cité de l'enseignement par la méthode duconflit cognitif.

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Les chercheurs ont (outdois poussé plusIOlIl leur questionnement et, dans uneétude exploratoire plus récente (Dunbar,Fugelsang, et Stein, 2007, Pettito el' Dun-bar, à paraître), ils ont voulu détenmnerpour quelle raison il est si difficile, auniveau cérébral, de produire ou de réaliserlm changement conceptuel chez Jes élè-ves. l'our cc faire, ils ont cherché à COI11-

prendre exactement ce qui se produit dansle cerveau d'un élève qUi réalise un chan-gement conceptuel lors de l'acquisitiond'un nouveau concept scientifique. L'ap-proche utilisée consistait à «regardenj àl'intérieur même du cerveau, il l'aide d'unappareil d'IRMf, afin de déterminer quelssont les réseaux neuronaux activés lorsd'LIll apprentissage;: de nature scientifique.

Méthodologie

Afin de pouvoir juger du rôle distinct deJ'éducation scientifique dans l'apprentis-sage, les chCl"cheurs ont sélectiOllllé deuxcatégories de participants adultes. La pre-mière était constiruée de participants novI-ces qui étaient consid~rés COlllIne n'ayantpas réalisé de changement conceptuel enphysique mécanique. La del!xième étaitconstituée de participants experts que leschercheurs considéraient comme ayantréalisé lm changement conceptuel. LesnovIces étment des étudiants qm n'avmentjamais suivi de coms de;: physjque au

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sitairc.

Dans le but de comparer les réactions céré-brales des deux groupes, on leur montrait,sur Ull écran, des films présentant deuxballes de tailles différentes qui tombaient Ùdes vi [esses identiques ou différClltes. Lorsde la projection, les participants demeu-raient étendus dans un appareil d'IRMf Cldeux types de films leur étaient présentés:des films naïfs dans lesquels les lois dumOllVCllliOnt de Newton n'étaient pas res-pectées (c'est-<\-dire al! des balles qui sontplus lourdes tombent plus rapidement), etdes films m:wlonicns qui respectaient leslois du mouvement de Newton (c'esl'-à-dire nil des balles plus lourdes tombent àla même vitesse que des balles plus légè-res) On leur demandait ensuite de jugersi les situations prése:ntées dans œs filmsétUle:nlconformes ou non à la réalité, sanStoutefois considérer la résistance de l'aircomme étant \ln facteur susceptible d'in-fhlencer la vitesse de chute des balles,

Résultats et interprétation

Les résultats de la recherche sontprésentés à la fignrc 1 Cc:s n::sullatsdétaillcnt les patrons d'activatiollcérébrale de chaque: catégorie de pm'-ticipams. POlll'les partiCipants novices,ces derniers 8fAnn8ient que les filmsnaïfs étaient exacts Cl leur cortex fron-tal médial, qui sc:rait lie aux représen-unions préexistantes du concept selonle:s cherchcurs de l'étllCle, éwit signifi-cativeme:nt plll.~activé pal' rapport auxautres conditions Cela Lllsse supposerque les films naïfs étaient en accordavec les repr":scntlltions antériclll'es desnovices en regard de la façon dont lesballes allaicnI lomber dans la I·éalité.Lors de la présentation des films ne\\'-tonie:l1s, la moitié de ces mêmes parti-cipants affirmaient quc les films étaienterronés, Chez ces participants, le cortexcingulaire antérieur étnit Clctivé,car lesdonnées des fi l111snewtonie:ns Clltl1licnle:ncontradiction avec leurs conceptionsantél·icures. Pour eUA, les films nn\'-

toniens ne: présentaient pas cc qllJ devaitse passer dans la l'éalité et le cerveau lestraitnit comme des erreurs. Tontefois, ceqlli est particulièrement intéressant, estque l'autre moitié des participants novi-ces affil111aielllque ks films newtoniensétaient exacts malgré le fait (]LIeleur cor-tex cingulaire antét"ieur était égakmcnractivé. Cette région s'active habituel-lc:ment pour signaler la présence d'unconflit dans le traitcment de l'mfonnntion.Il est donc surprenant qlle cette région soitactivée, puisqlle les participants disentne pas percevoir dc conflit entre les filmsprésentés et leurs allentes, Pour e:xpliquerces résultats, les chncheurs ont émis l'hy-pothèse qu'atlCllll des panicipants novicesn'avait réalisé le changemel1t eOJJeepmelnécessaire fi la compréhension de la loide: Newton, Selon eux, la moitié des par-ticipants avaient été en mes lire de donnerla réponse adéqltate, mais ils n'avaientcependant pas compris réellement la loide Newton. Ils avaient peut-être réussi àfournir une bonne l'éponse en s'inspIrant,par exemple, des propos tenus par leurenseignant, mais sans en comprendre réel-lement la signification.

Pour les participants expcrts, ces dcnnel'SalTtnnaient que les films naïfs étaicntcITonés, ce qui activait leur cortex cin-gulaire antérieur Chosc surprcnanteleur cortex médial frontal était égalementactivé, comme s'ils avaient encore dansleur cerveau cette représentation naïveselon laquelle les balles plus lourdestombent plus rapidement. Ces résultatslaissent supposer que les représentationsantérieures dll cortex frontal médial desexperts étaient inhibées par l'activationsimultanéc du cortex cingulaire antérieur.Lors de la présentation de:s films newto-niens, on constatait que le cortex frontalmédial dcs particlpants experts était éga-Iement activé, cc qUi laissait croire queles représentations dc ces dcrniers pat·rapport au con cep!' aCCJuisesà la wite deleur 0ducation scientifique, étaient sollici-tées. Ces résultats suggèrent donc que lesparticipants experts n'on! pas restructuréleurs connaissanccs. lll<lis qu'ils ont plu-tôt appl'is à les inhibel· afin de rblise:r unchangement conceptuel et de fournir uneréponse plus adéquate clu point dc vuescientifique.

Changement conceptuel en mécanique(Dunba~ Fugelsang, & SIElin, 2007; Pellilo & Dunbar, li paraflre)

Présentation de iilms naifsLes novices anirment que les films sont corrects,

Cortex frontal médial

Si les sujets sont 1 Si les sujets sontf des novices,.. des experts... fr'------------- ,

Présentation de films newtoniensLa moitié des novices aHirment que les films sonl

incorrects. L'autre moitié affirment que les lilms sont~, Les deux moitiés activent le cortex cingulaire

antérieur.

Cortex cingulaire antérieur

Présentation de films naïfsLes experts affirment que les films sont incorrects,

Cortex cingulaire antérieur

Cortex frontal médial

Présentation de films newtoniensIls affirment que les films sont corrects,

Cortex frontal médial

Figure 1 Tableau résumé des principaux résultats de recherche

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Figure 2, Localisation des régions cérébrales activées

Discussion

Bien entendu, ces ré&ultat& sont d'ungrand intérêt pour le domaine de l'éduca-tion, ct plus précisément pour l'enseigne-ment des sciences. D'abord, ils montrentque l'éducation scientifique a des effetssur le foncrionnement du cerveau, pui~-que le cerveau des experts et des novi-ces en sciences ne réagissent pas de lamême façoll aux mêmes stimuli. De plus,ds modiIient grandement notre façon deeoncevoÜ· le changement conceptuel. Eneffet, ce changement, que l'on percevaitpnncipalement comme une réorganisa-tion conceptuelle, une restructuration desconnaiss;:mces, semble se définir davan-tage comme le développement de lacapacité il Il1hiber nos conceplion~ spon-tanées qui sa nI inappropriées, Alors quel'on pensait que, suite il lin changementconccptuel, les élève':sn'avaient plus aceèsÙ leurs anciennes conceptions (qu'ilsavaient complètement etf<lcées ou réorga-nisées), il scmble quc ces anciennes théo-ries sont encore accessibles, mais qu'ellessont activement inhibées par le sujet dansle but de pouvoir répondre de':façon SCIen-tifique aux qucstions posées.

Bien entendu, cette llypothèse selonlaquelle l'inhibition serait un acteurma.lem dans l'acquisition dc certainsconcepŒ scientifique~ nécessite d'aulresrecherches. Cependant, grâce aux résul-tats dc cette étude, il est maintcnani pos-sible d'avancer que l'inhibition représenteun mécanisme cérébral plausible dans leprocessus de changemclll conceptuel.Comme nous l'avons vu, grâce aux tra-yaux de Fugelsang et Dunbar, il scmblequ'un Clève apprendrait davantage il inhi-ber ses conceptions antérieures plutôt qu'illes restrucmrer ou à les absorber dans unenouvelle théorie':. C'est cene capacité àmhibcr gm permcttmit de réaliser le chan-gement conceptuel qu'exige l'apprentis-sage de plusieurs concepts scientifiques,

11 nc faut toutefois pas oublier que celterecherchc n'a été menéc que pour unconcept scientifique précis: l'effet de lamasse':sur la chul'e des objets 11 serait doncintéressant de vérifier si l'inhibition cntreenjeu dans l'acquisition d'autres conceptsscientifiqucs. Or, si l'on conflrmc dans lesprochaines années le rôle essentiel de': lacapacité à inhiber, il faudm également seposer la question à savoir de quelle façon

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pc ut-on appn.:ndre aLlX ':lèvcs Ù mhiberleur~ conceptions nal"ves. Il faudra aussise demander si tous les concepts scien-tifiques nécessitent une telle c<1pacité àinhiber et, si tel n'est pas le cas, cc quidistingue Ull concept SCiÔ:lltiAquenécessi-tant une inhibition d'un autre concept Il'cnnécessitant pas.

Conclusion

La recherche discutée montt·e qu'il existeune différence dans l'activation des zonescérébrales entre les sujets ayant réaliséun changement conccptuel ct ceux n'cnayant pas réalisé préalablement. Il s'agitd'une premièrc recherche tentant de cer-nn le rÔle dc l'mhibition dans l'éducationscientifique et il ne fait 811CUlldoute qued'autres travaux suivront dans le but depoursurvre': C':I d'approfoll(l!r le n'lIe dc cemécanisme cérébral dans l'apprentissage.D'ailleurs, une équipe de I·ccherche del'Université du Québec ilMontréal melléepar les chercheurs Patricc roh'in cl MartinRiopel conduit présentement une recher-che sur le rôle de l'inhibition cognitivedans lc changcment conceptuel cn méca-nique et en électricité en ayant recoursà l'imagerie par t·ésonance milgnétiquefonctionnelle (Masson, 2007; Masson,l'otvin et Riopel, 2010).

Pour être tenu au courant des avancementsdans la re':cherchc en neuroédueatioll, nomVOLIS ll1vitons à visiter le sitc Internetw\vw.neuroedl1cati on .iIlfa.

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