Neurosciences et EducationDes liens complexes

Tentatives d’applications en pédagogie

Jean-Luc VELAYLaboratoire de Neurosciences Cognitives, CNRS & Université Aix-Marseille

• Neurosciences: une science ‘fondamentale’: connaitre le fonctionnement du cerveau

• De nombreux niveaux d’étude :• Moléculaire

• Cellulaire

• Ensembles de neurones, structures cérébrales …

• Neurosciences cognitives (en relation avec le comportement) => liens étroits avec la psychologie

Les neurosciences ont pris beaucoup d’importance dans le paysage médiatique depuis le développement des techniques de neuro-imagerie (IRMf, MEG, EEG, imagerie optique...)

=> l’idée selon laquelle l’Education aurait beaucoup à prendre dans les résultats des neurosciences est devenue très populaire.

Une idée ancienne…

A travers le monde, des millions d’enfants vont à l’école quotidiennement, ce qui constitue la plus importante expérience sur l’apprentissage jamais réalisée!

(Donald Hebb, The Organization of Behavior, 1949)

Donald Hebb (1904 – 1985)

Il y a une habitude ancienne dans le monde scientifique à traduire des connaissances fondamentales en applications.

Si on considère que les Sciences de l’Education sont des sciences appliquées, les sciences fondamentales devraient donner lieu à des applications en sciences de l’éducation.

Apports des sciences cognitives à l’éducation?

- Ne plus seulement s’intéresser aux connaissances que les élèves doivent apprendre, mais aussi à la façon dont ils apprennent.

- Changer de point de vue? Enseignant vs apprenant.

Les neurosciences et la compréhension des processus d’apprentissage

• L’histoire des neurosciences est fondée sur celle du neurone (concept de neurone comme cellule nerveuses par Waldeyer en 1891)

• 1950 : Neurobiologie, neurophysiologie, psychophysiologie

• 1969 : Apparition du concept de ‘neurosciences’ (1988 en France)

• Le champ disciplinaire “neurosciences” concerne l’étude du fonctionnement du système nerveux depuis les aspects les plus élémentaires : moléculaires, cellulaires et synaptiques jusqu’à ceux, plus intégratifs, qui portent sur les fonctions comportementales et cognitives »

• Essor des neurosciences cognitives depuis 50 ans : progrès techniques de mesures très précises de l’activité de notre cerveau

• Les sciences cognitives sont devenues la discipline étudiant l’acquisition et le traitement de la connaissance, humaine ou artificielle. Les neurosciences et la psychologie font partie des sciences cognitives.

• Bien que l’apprentissage soit sous la dépendance de l’architecture cérébrale et de son fonctionnement, les neurosciences sont restées en dehors des classes d’écoles.

• Les raisons qui expliquent cette distance sont multiples:

• - Neuroscience est une sous-discipline de la biologie qui n’entre que peu dans la formation des enseignants, formation qui est davantage basée sur les sciences humaines

• - Historiquement, la formation des enseignants a été conçue en dehors du système universitaire (Ecoles Normales, IUFM)

Le point de vue des Sciences de l’Education et des neuroscientifiques ne sont pas toujours les mêmes:

• Point de vue enseignant vs apprenant: Apprentissage vs Education

• Mais la situation évolue graduellement:

Création des ESPE

Structure Fédérative de Recherche en Education (SFERE)

Bref Historique

• 1988 création de la société savante "Brain, Neurosciences & Education" filière de l'American Educational Research Association (AEREA)

OCDE: Organisation de Coopération et de Développement Economique

• 2002 OCDE publie "Comprendre le cerveau: vers une science de l'apprentissage"

• 2007 OCDE publie "Comprendre le cerveau: naissance d'une nouvelle science de l'apprentissage’’

• 2007 création de "International Mind and Brain and Education Society" (IMBES)

• Il existe aujourd’hui des revues dédiées spécifiquement aux interactions Neurosciences et Education:

• - Mind, Brain and Education (depuis 2007) la revue de l'IMBES http://onlinelibrary.wiley.com/journal/10.1111/%28ISSN%291751-228X

• - Trends in Neuroscience and Education (depuis 2012) www.elsevier.com/locate/tine

La question :

- est-il utile que les enseignants connaissent et comprennent le fonctionnement du cerveau ?

- est-il utile qu'un pilote de F1 connaisse et comprenne le fonctionnement du moteur?

Peut-être pas…

Mais le pilote doit bien connaître le ‘comportement’ de sa voiture, ses réactions dans chaque circonstance!

L’enseignant peut avoir intérêt à connaître les processus cognitifs mis en jeu dans l’apprentissage pour comprendre le comportement de l’élève.

=> psychologie expérimentale, psycho cognitive et du développement, neuropsychologie...

Par exemple, pour les neuroscientifiques, il est important de savoir que les régions préfrontales et pariétales du cortex cérébral sont des nœuds du traitement des nombres, mais cela peut-il aider un enseignant à enseigner l’arithmétique ??

Ex de la théorie des stades de l’intelligence de Piaget. Par ex ‘conservation du nombre’

Jusqu’à l’âge de 7 ou 8 ans, l’enfant considère q qu’il « y a plus de jetons là où c’est plus long »

erreur d’intuition perceptive.

Les jeunes âgés de plus de 7 ans en moyenne, qui réussissent cette seconde tâche, par rapport à ceux qui se trompent, activent davantage leur cortex pariétal, dédié au nombre, et leur cortex préfrontal, dédié à l’inhibition.

Généralisation spatiale

?

?Corballis and Beale, The psychology of left and right, 1976

Lecture/écriture: inhiber la tendance naturelle à généraliser

?!

p q

b d

u n b p

q d

Importance des processus inhibiteurs dans le cerveau => fonctions éxécutives« Résistance cognitive » (O. Houdé)

Pour les enseignants:

- connaitre le cerveau des élèves pour mieux enseigner?

le cerveau, organe de la pensée et de l’apprentissage, impose ses lois à l’éducation.

Le cerveau est « l’organe qui apprend ». Ce sont des millions de cerveaux qui, chaque jour, vont à l’école.

On éduque encore en 2019 « en aveugle », c’est-à-dire en manipulant les entrées (pédagogies en classe) et les sorties (résultats aux évaluations), sans connaître les mécanismes internes du cerveau humain qui apprend.

Mieux connaître le fonctionnement du cerveau permettrait aux enseignants de comprendre pourquoi certaines situations d’apprentissage sont efficaces, alors que d’autres ne le sont pas.

Changer le regard des enseignants sur l’apprenant et l’apprentissage

De meilleurs enseignants grâce aux neurosciences?

Pour les élèves:

- connaitre son propre cerveau pour mieux apprendre?

Devient-on un meilleur élève quand on connait et comprend le fonctionnement de son cerveau?

Neuroéducation, neuropédagogie ?

De meilleurs élèves grâce aux neurosciences?

Certaines règles de base du fonctionnement cérébral peuvent présenter de l’intérêt pour les enseignants et peut-être pour les élèves

- Plasticité cérébrale, période critique,…

- Mémoire(s)

- Attention, Motivation, récompense…

- Fonctions exécutives: inhibition de l’action,…

- …

Mais, les études neuroscientifiques sont rarement présentées sous une forme qui facilite le dialogue interdisciplinaire avec les enseignants.

de meilleurs enseignants et élèves grâce aux neurosciences ?

• Attention aux idées reçues trop simples! Les neuromythes!

Beaucoup d’efforts sont déployés ces dernières années pour combler le fossé théorique entre Neuroscience et Education

• Edelenbosh et al. 2015; Pasquinelli, 2013; Spitzer 2012; Thomas, 2013; Sigman, 2014

- Faire des enseignants des neuroscientifiques

Nécessité d’une formation initiale en physiologie, neuroanatomie et plus largement en biologie

La connaissance du fonctionnement cérébral ne suffit pas à rendre pertinent le lien entre Education et neurosciences

Attention au Réductionnisme!

Tendance qui consiste à réduire les phénomènes complexes à leurs composants plus simples et à considérer ces derniers comme plus fondamentaux que les phénomènes observés.

La neuroéducation peut être une démarche réductionniste.. !

Ce que ne peut pas êtrel’apport des neurosciences à l’éducation:

- Une information sur des résultats récents des neurosciences en rapport avec l’apprentissage qui donnera à l’enseignant un nouveau point de vue sur l’apprenant

- Eviter aux enseignants, directeurs ou décideurs du monde éducatif de prescrire des pratiques pédagogiques à partir de faits extraits arbitrairement des travaux des neurosciences (neuro-mythes)

- Etablir des passerelles entre neurosciences et Education : pas des passerelles à sens unique => l’enrichissement théorique ne doit pas aller uniquement des neurosciences vers les sciences de l’Education.

=> il faut déterminer quand?, comment?, où? et en quoi? les neurosciences peuvent dialoguer avec les sciences de l'Education

- Le monde de l'école et de l'éducation doit être une source d'inspiration pour les neurosciences

=> déterminer les bonnes questions et les conditions expérimentales appropriées pour y répondre

Ce que peut êtrel’apport des neurosciences à l’éducation:

• Le moment pour une ‘Education basée sur la preuve’ est donc arrivé, avec des objectifs ambitieux et des expériences pédagogiques qui peuvent conduire à des découvertes qui se traduisent en progrès sociaux.

Exemple de l’usage des outils numériques à l’école.

• => dialogue et non monologue!

Ce que peut êtrel’apport des neurosciences à l’éducation:

Le cerveau

Le cerveau

Les neuronesLe cerveau est composé de 10 milliards de neurones eninteraction les uns avec les autres et constituant de multiples réseaux neuronaux.

Cerveau ‘sec’

Les récepteurs

Les synapses

La glieLe cerveau est majoritairement composéde cellules glialesRôle trophique pour les neurones et au-delà…Oligodendrocytes => myéline blanche autour des fibres

Bienvenue dans le monde de la très grande complexité..!

Les outils de la neuroimagerie

Imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IMRf)mesure l’afflux sanguin dans les différentes zones du cerveau

Electroencéphalographie (EEG)mesure l’activité électrique du cerveau

Magnétoencéphalographie (MEG)mesure l’activité magnétique du cerveau

Les outils de la neuroimagerie:

Méthodes plus invasives:Stimulation magnétique transcranienne (TMS) permet de stimuler ou

d’inhiber des zones précises du cerveau

• Progrès en Neuroimagerie : elle permet de voir l’activité du cerveau en temps réel

• Méthode soustractive

• On compare 2 tâches différentes réalisées par une même personne et impliquant un processus mental donné et on observe les aires du cerveau qui montrent des différences d’activation entre ces 2 tâches (= les aires cérébrales impliquées dans le processus mental testé)

• Méthodes indirectes impliquant la mesure de l’activité électrique ou magnétique du cerveau ou l’afflux sanguin…

Les limites de la neuroimagerie…

La plasticité cérébrale

L’efficacité de l’enseignement repose sur et dépend de la plasticité cérébrale.

Développement vs apprentissage

• Comme le reste du corps, le cerveau n’est pas complètement ‘construit’ à la naissance : il continue de se développer. Contrairement au reste du corps, qui se développe essentiellement en volume (taille), le développement cérébral se caractérise par une augmentation de complexité.

• En théorie, le développement pourrait se produire sans apprentissage

• chez l’adulte, il y a apprentissage mais plus de développement

chez l’enfant, le développement et l’apprentissage se superposent et interagissent

• l’enseignant contrôle et module les changements cérébraux dus à l’apprentissage : pas ceux dus au développement. Cependant, beaucoup plus que le reste du corps, le développement cérébral dépend du contexte (environnement) dans lequel il se produit

=> donc rôle de l’enseignement et de l’apprentissage sur le développement.

La plasticité cérébrale

La plasticité développementale (intrinsèque) : les enfants ont besoin de faire certains types d’expériences à des moments donnés de leur développement; il s’agit de moyen de réglage permettant le développement des comportements et des compétences propres (ex : audition, vision, langage…)

La plasticité liée à l’apprentissage (extrinsèque) : correspond à l’apprentissage des compétences transmises socialement (ex : musique, échec…)

Il y a plusieurs types de plasticité:

Chaque neurone du cortex établitenviron 10 000 connections synaptiques avec d'autres neurones.

Lors d'un apprentissage, de nouvelles synapses s‘établissententre les neurons.

Des synapses non utilisées peuventdisparaitre.

Plasticité structurelle

Formation de nouveaux neurones => neurogenèse (bulbe olfactif, hyppocampe…)

Formation de nouvelles synapses => synaptogenèse

Formation de gaine de myéline autour des axones (fibres) => myélinisation

• Plasticité fonctionnelle

• Réorganisation des réseaux de neurones existants

Les processus d’apprentissage s’opèrent selon le principe connexionniste : pour que l’information soit retenue, les réseaux synaptiques se modifient en créant de nouvelles connexions entre les neurones.

La plasticité cérébrale est mobilisable tout au long de la vie. (notion de période critique)

Structurelle : +/- (synaptogénèse, myélinisation)

Fonctionnelle : ++

Plasticité: remarquable capacité à recycler des circuits présents dès l’origine.

Ex : apprentissage de la lecture : recyclage de circuits cérébraux mis en jeu dans la reconnaissance des visages et

réutilisation en contrariant certains mécanismes comme la généralisation des orientations.

La plasticité cérébrale

Quelques exemples de plasticité cérébrale

Le cerveau des musiciensDes changements anatomiques et fonctionnels

Increased Cortical Representation of the Fingers of the Left Hand in String Players

Elbert, Thomas; Pantev, Christo; Wienbruch, Christian; Rockstroh, Brigitte; Taub, Edward, Science Volume 270(5234), 13

October 1995, pp 305-307

Plasticité à long terme chez des sujets sains

Bases neurales de l’expertise?

6 miles autour de Charring Cross: 25000 rues, quelques milliers de lieux => The « Knowledge »

Le cerveau des chauffeurs de taxi

Navigation-related structural change in the hippocampi of taxi drivers

Eleanor A. Maguire, David G. Gadian, Ingrid S. Johnsrude, Catriona D. Good, John Ashburner, Richard S. J. Frackowiak, and Christopher D. Frith

PNAS April 11, 2000 u vol. 97 u no. 8 4398–4403

Le cerveau des chauffeurs de taxi

Bogdan Draganski,Christian Gaser, Volker Busch Gerhard Schuierer,Ulrich Bogdahn,Arne May

NATURE|VOL 427 | 22 JANUARY 2004

3 mois 3 mois

Changes in grey matter induced by training Newly honed juggling

skills show up as a transient feature on a brain-imaging scan.

Le cerveau des jongleurs

A significant gray-matter expansion was found in hMT/V5 on the right side. The box plot shows relative gray-matter change in the peak voxel in the right hMT for all jugglers over the three time points B, C, Only the jugglers group, but not the controls, showed a significant gray-matter increase in the hippocampus on the left side (B) and the nucleus accumbens bilaterally (C). This increase of gray matter reversed when study participants were examined at time point 3 (after the weekswithout practicing).

Training-Induced Brain Structure Changes in the Elderly

Janina Boyke, Joenna Driemeyer, Christian Gaser, Christian Büchel, and Arne May

The Journal of Neuroscience, July 9, 2008 28(28):7031–7035

Le cerveau des jongleurs âgés..!

Comparaison: Caractères appris à la main/caractères frappés

Peu de régions, plutôt à gauche:parietal inferieur bilateral (BA 40)Aire de Broca (BA 44)premoteur dorsal (BA 6)gyrus postcentral (BA 7)

Longcamp et al., J. Cog. Neurosc., 2008

Le cerveau des scripteurs

Increased Gray Matter Density in the Parietal Cortex of Mathematicians: A Voxel-Based Morphometry Study

K. Aydin A. Ucar K.K. Oguz O.O. Okur A. Agayev Z. Unal S. Yilmaz C. Ozturk

Am J Neuroradiol 28:1859–64 Nov-Dec 2007

Le cerveau des mathématiciens

Le cerveau d’Einstein

Les Neurosciences s’invitent dans les salles de classes…

• Sont-elles capables de rendre les pratiques enseignantes plus efficaces et d’aider les élèves à mieux apprendre?

• Comment tenir compte des données des neurosciences dans le contexte scolaire?

• Peut-on élaborer des pédagogies plus efficaces grâce aux connaissances neuroscientifiques?

=> Amélioration des méthodes d’apprentissages pour lesquelles la focale serait faite sur le fonctionnement du cerveau

• Neurosciences de l’éducation ou encore neuroéducation : mieux faire connaitre le cerveau et les processus cognitifs qui lui sont attachés

• Peut-on expérimenter dans un environnement scolaire ?

Environnement ou contexte d’apprentissage

• L’environnement joue un rôle majeur dans le développement du cerveau et donc a priori dans les processus d’apprentissage

• Environnement = ensemble de facteurs biologiques, physiologiques, sociaux… (stimulation sensori-motrice, affectives, sociales, parentales, économiques…)

• Les enseignants n’ont pas de possibilité d’action sur les facteurs environnementaux

• les processus d’apprentissage sont-ils influencés par le contexte ?

• Les recommandations des neuroscientifiques restent encore limitées.

L’enfant dans un environnement propice aux apprentissages

• Les résultats en neurosciences peuvent être utilisés en contexte scolaire

=> Physiologie de l’Education

• La recherche en neurosciences suggère que

- le sommeil,

- l’alimentation,

- l’exercice physique

constituent les bases physiologiques de la pédagogie.

importance de l’alimentation

• Le cerveau est de loin l’organe qui consomme le plus de glucose parmi tous les autres organes. Par conséquent, quelle que soit la valeur de la pratique éducative, si un enfant est sous-alimenté (ce qui est fréquemment le cas en milieu socio-économique bas), son apprentissage sera affecté (Hackman et al., 2010).

• Dans l’autre sens, un régime trop gras a un impact délétère sur la fonction

• de l’hippocampe et entraine une diminution de la plasticité synaptique et

• des déficits d’apprentissage (Valladolid-Acebes et al., 2012).

• Impact du sucre controversé:

• Une administration de glucose avant un entrainement stimule l’apprentissage à court et long-termes (Korol & Gold, 1998).

Mais peut provoquer des troubles de l’attention…

• Fournir un petit déjeuner de bonne qualité nutritive a un impact positif sur l’apprentissage en mathématique (Grantham-McGregor, 2005). Des résultats similaires ont été obtenus en Chine avec des enfants d’écoles en milieu rural à qui ont été fournis des suppléments multivitaminés (Renfu et al., 2012).

Neurodiététique

• importance de l’alimentation

Faut-il connaître son cerveau pour mieux manger ? Non, mais nous pouvons le nourrir convenablement. Il faut manger tout ce dont il a besoin pour bien se développer et fonctionner.

Un grand défi pour les neuroscientifiques est de comprendre les relations entre la composition des repas et les capacités d’apprentissage. En effet, agir sur ce facteur alimentation peut améliorer l’efficacité des apprentissages scolaires.

importance de l’activité physique à l’école

• Certains travaux chez l’adulte indiquent aussi clairement que l’activité physique ralentit le vieillissement cognitif.

• L’exercice physique bénéficie à la cognition par le biais de multiples mécanismes dont la régulation de facteurs neuro-trophiques et l’augmentation de la taille de l’hippocampe et de la neurogénèsehippocampique (Erickson et al., 2011).

Le sommeil• les besoins de sommeil des enfants et des adolescents :

• - 9 à 11 heures pour les 6-12 ans

• - 8 à 10 heures pour les adolescents à partir de 13 ans.

• En France, une étude de 2012 a montré que le temps moyen passé à dormir chez les adolescents a diminué de 50 minutes en 25 ans.

La baisse du temps de sommeil est plus nette entre 11 et 15 ans : un adolescent de 15 ans dort en moyenne 1h31 de moins qu’un jeune de 11 ans.

l’horloge biologique, l’ensemble des mécanismes physiologiques et neuronaux qui régule notre rythme veille/sommeil, se modifie au moment de la puberté et se décale d’environ 1 h. les adolescents s’endorment plus tard. De plus, le temps de sommeil dit lent profond diminue à l’adolescence.

Inégalités sociales: dès la maternelle, le temps moyen de sommeil nocturne d’enfants de cadres est supérieur de dix minutes à celui des enfants d’ouvriers!

=> Les élèves arrivent très souvent encore ensommeillés le matin : inertie physiologique du sommeil en particulier chez les adolescents chez qui se produisent des changements majeurs de la régulation du sommeil (Hagenauer et al., 2009 ; Hansen et al., 2005).

importance du sommeil sur la mémoire

- lors du sommeil profond (lent) ont lieu la réactivation et la consolidation des informations acquises dans la journée.

• Il y a de nombreux travaux chez l’animal et chez l’humain qui montrent que le sommeil améliore les processus mnésiques et que l’altération du sommeil se traduit par des problèmes majeurs d’apprentissage (Diekelmann & Born, 2010 ; Wilhelm et al., 2008).

• Chez l’Homme, le sommeil qui suit l’acquisition d’une connaissance favorise la consolidation mnésique, la restructuration, le tri et la sélection des souvenirs (Stickgold et al., 2000 ; Wagner et al., 2004 ; Wilhelm et al., 2011)

• Ces résultats de la psychologie vont de pair avec des études en neuroimagerie qui montrent que la réactivation et la réorganisation anatomique des traces mnésiques sont corrélées à l’apprentissage et sont favorisées par le sommeil (Diekelmann & Born, 2010).

• les élèves ayant des déficits cumulés des temps de sommeil souffrent plus souvent d’inattention (avec, par exemple, des effets négatifs sur la mémorisation et les repérages spatiotemporels.

importance du sommeil sur la mémoire

• Conséquences en termes d’éducation ?

• Chez l’enfant, l’effet du sommeil sur la mémoire concerne surtout la mémoire déclarative (Wilhelm et al., 2008) qui est la plus sollicitée dans les apprentissages scolaires.

Retarder le début de la journée scolaire (Owens et al., 2010) ?

• En région Ile de France, sept 2019: essai de débuter les cours au lycée à 9h au lieu de 8h

=> Instaurer le sieste à l’école ?

• La sieste annihile la fatigue cognitive et, dans certains cas, permet des gains de performance comparables à ceux obtenus après une nuit de sommeil (Mednick et al., 2003).

• La Conférence nationale sur les rythmes scolaires préconisait d’alléger la journée scolaire en introduisant une pause méridienne d’une heure et demie comme temps de repos ou temps de loisirs.

=> ‘Plan sommeil’ : l’éducation au sommeil devrait être enseignée tout au long du parcours scolaire.

importance du sommeil sur l’apprentissage

Le sommeil est un élément majeur dans la consolidation des apprentissages !

• Le cerveau travaille pendant le sommeil : il « met en ordre » les nouveautés qu’il a enregistrées. Cela lui permet de détecter des régularités, d’asseoir la mémoire épisodique (celle des faits vécus).

• Chez les enfants présentant des troubles de l’attention ou des difficultés d’apprentissage, une intervention sur le temps de sommeil peut avoir des effets aussi bénéfiques, sinon plus, qu’une intervention pharmacologique.

• Attention au diagnostic trop rapide de troubles de l’attention!

• Si de plus en plus d’enfants sont concernés par des troubles de l’attention, c’est peut-être tout simplement parce qu’ils manquent de sommeil.

• => Prescrire de la Ritaline aux « hyperactifs » n’est pas forcément la seule solution

• Conclusion

La données des neurosciences confirment que le sommeil, l’alimentation et l’exercice physique constituent les bases physiologiques de la pédagogie.

Contexte socio-culturel: un exemple le bilinguisme

• L’exposition simultanée à 2 ou plusieurs langues a-t ‘elle des avantages, des inconvénients ou les deux ?

• C’est une question chargée politiquement et socialement (faut-il laisser aux personnes issues de l’immigration la possibilité deparler dans leur langue => contraire à la notion d’intégration)…

• Glorification ou diabolisation du bilinguisme

• Le monolinguisme est considéré comme une norme et les enfants bilingues ont des avantages ou des déficits relativement à cette norme. Mais on peut discuter de la norme du monolinguisme dans le monde d’aujourd’hui…

• Les différences cognitives et cérébrales entre monolingues et bilingues ont été extensivement décrites (Akhtar & Menjivar, 2012, Bielystok, 2009).

• Contrairement à la croyance populaire, l’acquisition des fondamentaux du langage parlé sont les mêmes pour les mono- et les bilingues (Werker & Byers-Heinlein, 2008).

Contexte socio-cuturel: un exemple le bilinguisme

Inconvénients du bilinguisme : ‘coût’ du bilinguisme

• La pratique de deux langues dans le milieu familial peut conduire à des confusions dans la langue enseignée à l’école (le français)

• Vocabulaire : les monolingues ont un vocabulaire plus étendu dans leur langue que les bilingues de niveau scolaire équivalent (1738 enfants entre 3 et 10 ans). Cependant, cet effet disparait si on cumule les deux langues des bilingues (Bialystok et al., 2010).

• Accès au mot (lexique mental) : dans des tâches de dénomination, dénommer est plus lent chez les bilingues que chez les monolingues, même dans leur langue maternelle (Ivanova & Costa, 2008).

Avantages du bilinguisme

• Dans les fonctions exécutives, en particulier dans des tâches qui nécessitent une inhibition de l’attention, un contrôle cognitif. (Kovács & Mehler, 2009; Bialystok, 2009).

Relations ‘inné/acquis’ (nature/culture)

• Les théories neuroscientifiques soutiennent que le développement du cerveau est la conséquence des interactions entre organisation cérébrale de base (génétique) et l’environnement (acquis)

• les facteurs biologiques jouent un rôle important dans l’explication des différentes capacités d’apprentissage entre les individus.

• Potentialité individuelle de départ modelée par l’environnement psychosocial

Génétique et Educationles différences inter-individuelles…

• Les études faites aves des jumeaux vrais (homozygotes) qui ont le même patrimoine génétique ont montré:

• - que leur personnalité est plus proche (Eaves et al., 1999),

• - que leurs capacités d’apprentissage de la lecture (Harlaar et al., 2005) et des mathématiques (Kovas et al., 2007) sont plus semblables que celles de faux jumeaux.

• Il est bien connu que les différences inter-individuelles peuvent avoir une base génétique, mais ces différences sur le développement et sur les fonctions cérébrales ne sont pas encore bien comprises.

Génétique et Educationles différences inter-individuelles…

• Exemple de la lecture

• des prédispositions génétiques peuvent expliquer des différences d’aptitudes d’apprentissage de la lecture (dyslexie),

• La forme du sillon occipito-temporal de l’hémisphère gauche (aire visuelle des mots) varie avec les aptitudes en lecture, prédit les performances dans un test de lecture réalisé par des enfants de 9 ans.

• il n’y a bien sûr pas un gène unique qui fait de quelqu’un un bon ou un mauvais lecteur. Il y a certainement plusieurs gènes dont le rôle individuel est léger (Bishop, 2009).

En outre, l’effet des gènes peut être modulé par des facteurs externes

- le régime alimentaire (Jaenisch & Bird, 2003 ; Waterland & Jirtle, 2003),

- l’exposition à des toxines (Dolinoy & Jirtle, 2008),

- les interactions sociales (Rutter et al., 1997 ; Van Praag et al., 2000 ; Champagne & Curley, 2005).

Génétique et Educationles différences inter-individuelles…

Génétique et Educationles différences inter-individuelles…

• Tout n’est cependant pas déterminé à la naissance ! Car 80 % de la variabilité restent dus à divers facteurs environnementaux tels que les expériences, l’éducation ou des éléments socio-économiques. Néanmoins, ces résultats montrent que selon les caractéristiques de leur cerveau, les enfants ont parfois des besoins pédagogiques différents en matière d’apprentissage du contrôle cognitif.

• Les neurosciences peuvent aider à mieux comprendre les prédispositions génétiques d’un individu, à travers ses manifestations cérébrales, et comment ces prédispositions naturelles peuvent être modulées grâce à l’éducation et à la culture (Taylor et al., 2010).

Les neurosciences peuvent-elles influencer les pratiques pédagogiques?

• Pas de recettes miracles!

• Attention aux neuromythes!

des croyances erronées sur le fonctionnement du cerveau humain.

Davantage de connaissances en neurosciences peuvent battre en brèche des idées reçues sur le fonctionnement du cerveau et donc sur les apprentissages

Des résultats positifs et utilisables en pédagogie

• Apprentissage massé versus distribué

L’ensemble des études converge vers l’avantage de l’apprentissage distribué et répété (Gerbier et al., 2015)

• Apprentissage explicite vs implicite

=> statut de l’erreur dans l’apprentissage

• Apprentissage en faisant ou en voyant faire (imitation)

Rôle des neurones miroirs (Goldin-Meadow, 2014)

Cognition incarnée (embodied cognition)

Importance du corps et de l’action dans les apprentissages

Applications pour les apprentissages (mathématiques…)

Des résultats positifs et utilisables en pédagogie

• Musique et langage

Impact de l’écoute musicale sur les capacités des enfants à distinguer les phonèmes du langage

Apprentissage des langues : bilinguisme : avantages et inconvénients…

Bigraphisme?

Apprentissages et nouvelles technologies

La Métacognition

• Dans le cerveau, les fonctions exécutives désignent un ensemble de processus permettant d’éviter que notre comportement ne soit une simple succession de réactions réflexes à notre environnement.

• Description des fonctions exécutives…: mémoire de travail,

• Les fonctions exécutives permettent de se fixer un but et de l’atteindre en ayant envisagé une suite d’étapes ; de réfléchir à la meilleure manière de manipuler une machine à laver dans des escaliers sans se blesser, ou encore de rester concentré jusqu’au bout d’une explication compliquée dans une salle de classe agitée.

• Elles constituent le fondement de ce qu’on appelle couramment le contrôle de soi – le contrôle de ses gestes, de ses émotions et plus généralement de sa propre vie mentale – et elles impliquent majoritairement le cortex préfrontal.

• l’efficacité des fonctions exécutives d’un enfant prédit mieux encore que son QI ou le statut socioéconomique de sa famille, quelles seront sa réussite professionnelle, sa santé et sa qualité de vie une fois adulte.

ÉDUQUER LA MÉTACOGNITION,

LA CLÉ DU SUCCÈS POUR LES ENFANTS !

Savoir se fixer un but, planifier les étapes pour y arriver, prendre conscience de ses propres pensées et émotions, tout celapeut s’entraîner par des méthodes aujourd’hui validées.

Comment améliorer les fonctions exécutives des élèves ?

• A. Diamond et D. S. Ling, Conclusions about interventions, programs, and approaches for improving executive functions that appear justified and those that, despite much hype, do not, Developmental Cognitive Neuroscience, vol. 18, pp. 34-48, 2016.

• très grande variété d’interventions:

- pratique des arts martiaux, course à pied, théâtre, méditation, jeux vidéo, bricolage…

- Notion de ‘contagion’ : une activité qui sollicite les fonctions exécutives (le théâtre apprend à mémoriser, à planifier ses actions, à s’adapter à l’environnement ; les arts martiaux apprennent le contrôle et l’inhibition) devrait logiquement les renforcer de façon générale, de sorte qu’elles seront plus facilement mobilisables dans d’autres contextes comme à l’école, par exemple. Cela est-il le cas ?

• En réalité, les choses ne sont peut-être pas aussi simples, sans quoi l’enseignement traditionnel devrait suffire largement, puisque les activités qu’il propose sollicitent pour la plupart ces fonctions, et à raison de plusieurs heures par jour. Il manque donc un ou plusieurs ingrédients essentiels, que Diamond et Ling ont tenté d’identifier.

APPRENDRE À VERBALISER SES ACTIONS MENTALES

Le principal exemple est inspiré des travaux du psychologue russe Lev Vygotsky et appelé « Tools of the Mind ».

Ce programme insiste particulièrement sur le rôle fondamental de l’intention de l’enfant, et l’incite à verbaliser ce qu’il s’apprête à faire avant d’aborder une activité.

Par exemple, en situation de classe, amener l’élève à expliciter son intention (j’essaie de multiplier 12 par 4), puis à prendre conscience des étapes de son raisonnement (je multiplie d’abord 2 par 4, je mémorise le résultat, puis je multiplie 10 par 4, et je l’ajoute aux résultats suivants).

Les fonctions exécutives s’apprennent au fil du temps, par la répétition de situations qui posent un léger défi, pas trop élevé.

=> concept cher aux pédagogues de « zone proximale de développement » : demander à l’enfant toujours un petit plus que ce qu’il sait faire.

• nécessaire d’éduquer les fonctions exécutives à travers des activités variées, proches de celles que l’enfant réalise au quotidien.

• les entraînements de type « entraînement cérébral pour muscler son cerveau », où l’enfant s’entraîne tous les jours avec un jeu vidéo conçu pour mettre spécifiquement en jeu une fonction exécutive (la mémoire de travail par exemple), ont montré leurs limites en termes de transfert à la vie quotidienne. Les enfants améliorent sans aucun doute leur score au jeu, mais sans réel bénéfice dans d’autres tâches quotidiennes qui nécessitent pourtant cette même compétence cognitive.

multiplier les approches: réaliser des recettes de cuisine, par exemple, qui développent aussi la mémoire de travail…

L’IMPORTANT EST DE COMPRENDRE QUELLES STRATÉGIES ON UTILISE…

l’enfant doit être aidé d’un adulte pour analyser sa stratégie gagnante et y identifier des composantes cognitives communes avec le travail scolaire:

accompagnement métacognitif : faire découvrir et comprendre à l’enfant les « gestes mentaux » qu’il doit utiliser pour résoudre un problème et lui permettre de les reconnaître dans d’autres situations.

• compréhension fine du « comment ?» pour apprendre des procédures

• … ET DE TROUVER UN BON VOCABULAIRE

• Comprendre son propre fonctionnement mental passe par la mise en place d’un vocabulaire commun entre l’enfant et l’enseignant pour désigner et reconnaître des processus mentaux bien précis qui ne sont pas « visibles » de l’extérieur, mais qui n’en sont pas moins très concrets.

• Ainsi, la conversion d’un mot ou d’une phrase que l’on entend (« le renard sortit de la forêt ») en une image mentale reprenant la situation décrite est une forme d’action très précise que l’enfant peut apprendre à réaliser et qui l’aidera à comprendre une histoire et la raconter ensuite.

• Un terme commun et bien compris pour désigner cette conversion (l’enseignant peut proposer quelque chose comme « le cinéma intérieur ») permet à l’enseignant et l’enfant de comprendre ensemble que si ce dernier n’a pas retenu l’histoire, c’est peut-être qu’il n’a pas mis en jeu cette action, et qu’il pourra donc veiller à ce point particulier lors de la prochaine histoire pour juger si, oui ou non, cette action est utile.

• Toutefois, ce type d’interaction avec l’enfant n’est possible qu’avec des enseignants et des formateurs ayant eux-mêmes acquis une culture métacognitive

• => l’un des grands apports des neurosciences cognitives dans le domaine de l’éducation sera sans doute de leur apporter cette culture.

• Outil en ligne recommandé par Adele Diamond et Daphné Ling, pour les enseignants et pédagogues :

https ://toolsofthemind.org

Les sciences cognitives ont identifié quatre facteurs principaux de réussite d’un apprentissage (‘les 4 piliers de l’apprentissage’, S. Dehaene):

• - l’attention

• - l’engagement actif

• - le retour d’information

• - la consolidation

L’attention

• Un filtre!l’attention est le mécanisme de filtrage qui nous permet de sélectionner une information et d’en moduler le traitement

=> Focus attentionnel

• L’attention permet d’éliminer le non pertinent pour se concentrer sur ce qui l’est

=> concentration

• Conséquences: Si l’attention joue bien son rôle et qu’on est concentré sur une information à traiter, les autres signaux peuvent devenir invisibles

Test d’attention sélective 1

Test d’attention sélective 2

• L’attention module massivement l’activité cérébrale :

• Le système de l’attention se décompose en trois systèmes attentionnels :

1- l’alerte

2- l’orientation

3- le contrôle exécutif.

1- L’alerte

l’élève doit être alerté quand une information est importante.

2- L’orientation

il existe des limites à l’attention => filtrage

réaliser deux tâches simultanément est très difficile (sauf si l’une d’entre elles est très automatisée)

l’enjeu pour l’enseignant est donc de bien orienter l’attention de l’élève sur ce qui est pertinent et de moins (ou ne pas) traiter ce qui ne l’est pas.

• Par exemple, les manuels scolaires où un trop-plein d’illustrations et de couleurs sont placées de manière attrayante, mais chaotique.

• Les manuels scolaires électroniques.. ?

• Loin de cette overdose d’information, il s’agit au contraire de canaliser l’attention.

3- Le contrôle exécutif

le levier de l’attention: il est primordial!

Il s’agit d’inhiber un comportement indésirable qui agirait comme distracteur: par exemple ne pas se disperser en quittant le lieu d’activité pour aller faire autre chose, se mettre à parler à quelqu’un d’autre, etc.

Très grande importance de l’inhibition dans les comportements en général et dans l’apprentissage en particulier.

L’engagement actif

L’engagement actif Le caroussel de Held et Hein

L’engagement actif

• Un organisme passif n’apprend pas. On recherchera donc un engagement actif.

• Une façon de mobiliser l’élève est lui faire tester la fiabilité de ses connaissance => l’élève doit pouvoir se tester.

• Rendre les conditions d’apprentissage un peu plus difficiles va paradoxalement aboutir à un surcroît d’engagement et un effort cognitif, synonymes de meilleure attention.

Le retour d’information

• Si l’activité plutôt qu’une écoute passive est capitale, elle ne suffit pas.

• On pense actuellement que le cortex cérébral est une sorte de machine à générer des prédictions et à intégrer les erreurs de prédictions : il lance une prédiction, reçoit en retour des informations sensorielles, et une comparaison se fait entre les deux.

• La différence crée un signal d’erreur qui va se propager dans le cerveau et qui va permettre de corriger et d’améliorer la prédiction suivante.

• Le retour d’information est donc essentiel.

Le retour d’information

• Le cerveau fonctionne ainsi par itérations, avec des cycles qu’on peut décomposer en quatre étapes successives :

1- prédiction

2- feedback

3- correction

4- nouvelle prédiction

On parle alors de cerveau statisticien (bayésien).

Il s’agit tout simplement de continuellement corriger le modèle interne grâce au retour d’expérience.

Le retour d’information Si le retour d’expérience est positif (la réponse est bonne) cela valide le modèle interne

Si le retour d’expérience est négatif (la réponse est mauvaise) cela invalide le modèle interne

=> il faut le réajuster, l’affiner, voire le modifier complètement !

• Statut de l’erreur : il faut envisager l’erreur de façon positive !

• L’erreur est normale, inévitable, fertile, bref : fondamentale !

Deux conditions quand même:

• l’erreur doit être détectée et reconnue par l’élève sinon elle peut être considérée comme une réponse correcte et l’apprentissage peut se renforcer dans le mauvais sens !

=> (Remarques sur apprentissage implicite vs explicite)

• l’erreur ne doit pas être trop sanctionnée, le stress étant un inhibiteur d’apprentissage.

=> privilégier la motivation par le renforcement positif et la récompense

Consolider l’acquis• L’aboutissement d’un apprentissage est le transfert de l’explicite vers l’implicite.

Ex: activité sportive, conduite, arithmétique…

• Au début : traitement explicite : un stade où le cortex préfrontal est fortement mobilisé par l’attention exécutive.

• Progressivement, en se transférant vers des réseaux non conscients, plus rapides, plus efficaces, le cerveau parvient à une automatisation. On libère le système du cortex préfrontal qui redevient disponible

• Ex : apprentissage de l’écriture: lorsque toutes les ressources sont sollicitées par la graphomotricité (pour le décodage en lecture), on ne peut pas se concentrer sur le sens du texte.

• Le phénomène d’automatisation est donc crucial car il libère des ressources de haut niveau.

• Nécessité de répéter les exercices !

• Le sommeil est un élément majeur dans la consolidation des apprentissages !

Consolider l’acquis

• Les jeux sérieux/pédagogiques (serious games) pourraient jouer un rôle considérable et amorcer un cercle vertueux, notamment le week-end et en particulier dans les familles défavorisées, où en un quart d’heure tous les soirs la cognition serait stimulée plutôt que de voir l’enfant demeurer en mode passif deux voire trois jours de suite, notamment avec la semaine de quatre jours.

Vers une neuroéducation..?

• Un cours de neurosciences donné à des élèves de 10-11 ans et à leur professeur a des effets positifs sur les résultats scolaires

(Dommet et al.2013 ; Bruer 2014; Hermida 2015)

• Savoir que le cerveau est ‘plastique’, ‘malléable’ et que l’intelligence est évolutive et non fixée à la naissance motive et responsabilise les élèves (et les enseignants…)

• Etudes à dupliquer pour confirmation…

• Méthodes hypothético-déductive

Destinée à démontrer et non seulement à observer

Le moment pour une ‘Education basée sur la preuve’ est donc arrivé, avec des objectifs ambitieux et des expériences pédagogiques qui peuvent conduire à des découvertes qui se traduisent en progrès sociaux.

Pourquoi et comment introduire les outils des neurosciences à l’école?

Quelques applications en recherche…

• Etude des changements cognitifs et cérébraux provoqués par un changement de pratique de l’écriture (manuscrite vs dactylographique) (travail en collaboration neurosciences/sciences Education, Velay et Longcamp, 2011)

• Impact du stress sur la capacité à restituer les connaissances acquises (effet notation) (Thèse V. Prokofieva, en codirection avec Sci. Educ. Soutenue en 2017)

• Etude des émotions sur l’apprentissage (encodage)

Les outils des neurosciences à l’école?

Mesure de la réponse électrodermale (émotion)

Mesure du rythme cardiaque

Mesure des rythmes cérébraux (EEG)

Mesure du rythme cardiaque

La connaissance du fonctionnement cérébral ne suffit pas à rendre pertinent le lien entre Education et neurosciences

Il faut se garder de tomber dans le scientisme et rappeler que toute information, connaissance ou savoir est fragile. Rien n'est figé, tout est en mouvement, de nouveaux savoirs chassant les anciens. Or, les neurosciences constituent sans doute les sciences les plus récentes (les résultats des expérimentations en IRMf sont remis en question…).

L’Education améliore l’apprentissage et les neurosciences tentent de comprendre les processus mentaux qui sous-tendent l’apprentissage. Cette similitude d’approche suggère que dans le futur la pratique éducative pourrait être transformée par la science, tout comme la médecine a été transformée par la science il y a un siècle.

Conclusion générale

• Les plus grands ‘modificateurs’ du cerveau sont les enseignants! Ce sont eux qui le façonnent, le nourrissent, l’enrichissent.

Une information sur des résultats récents des neurosciences en rapport avec l’apprentissage qui donnera à l’enseignant un nouveau point de vue sur l’apprenant.

Des propositions émergent, notamment au niveau de la formation et de l’information des chercheurs et des enseignants.

Conclusion générale

Comment procéder?

- Etablir des passerelles entre neurosciences et Education :

pas des passerelles à sens unique => l’enrichissement théorique ne doit pas aller uniquement des neurosciences vers les sciences de l’Education.

déterminer quand?, comment?, où? et en quoi? les neurosciences peuvent dialoguer avec les sciences de l'Education

- Le monde de l'école et de l'éducation doit être une source d'inspiration pour les neurosciences.

Conclusion générale

• => Expérimenter à l’école

établir un cadre de « co-construction » entre les 2 champs (augmenter les connaissances en neurosciences cognitives de la part des acteurs du champ de l’enseignement et dans l’autre sens celles des chercheurs en neurosciences cognitives quant aux réalités d’une salle de classe)

Renforcer les liens entre établissements scolaires et laboratoires de recherche

Mise en place de correspondants ‘recherche’ dans les établissements et de correspondant ‘éducation’ dans les laboratoires

Modifier la formation initiale des enseignants?

Agir en formation continue?

Conclusion générale

jean-luc.velay@univ-amu.fr

MERCI !