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Université Paris 1 Panthéon-Sorbonne

Faculté de psychologie et des sciences de l'éducation, Université de Genève THESE pour l'obtention du grade de docteur en philosophie de l'Université Paris 1 Panthéon-Sorbonne en science de l'éducation, mention didactique des sciences, de l'Université de Genève PROCESSUS D'APPRENTISSAGE, SAVOIRS COMPLEXES ET TRAITEMENT DE L'INFORMATION : UN MODELE THEORIQUE A L'USAGE DES PRATICIENS, ENTRE SCIENCES COGNITIVES, DIDACTIQUE ET

PHILOSOPHIE DES SCIENCES

Présentée et soutenue publiquement par :

Richard-Emmanuel EASTES

le 11 juin 2013 à Paris

Composition du jury :

Jacques DUBUCS, Directeur de Recherche, CNRS, Université Paris 1 Co-directeur André GIORDAN, Professeur, Université de Genève Co-directeur Maryline COQUIDE, Professeure, Institut Français d'Education, ENS Lyon Rapporteure Riccardo SPEZIA, Chargé de Recherche HDR, Université d'Evry Val d'Essonne Rapporteur Roberto CASATI, Directeur de Recherche, CNRS-EHESS Examinateur Claudie HAIGNERE, Présidente, Universcience Examinatrice Marie-Noëlle SCHURMANS, Professeure, Université de Genève Examinatrice 2 Processus d'apprentissage, savoirs complexes et traitement de l'information : un modèle théorique à l'usage des praticiens, entre sciences cognitives, didactique et philosophie des sciences

Cherchant à établir un pont théorique et pratique entre les sciences de l'éducation, les sciences cognitives et

la philosophie des sciences, la thèse développe un modèle didactique à l'interface entre ces disciplines : le

modèle allostérique de l'apprendre développé par Giordan et al. (1992), qui s'inscrit dans le paradigme des

théories du changement conceptuel.

Nourri par les travaux récents des psychologues cognitifs sur les processus d'apprentissage tels que les théories

du recyclage neuronal (Dehaene, 2007) ou de l'inhibition cérébrale (Houdé & Tzourio-Mazoyer, 2003), ainsi

que sur diverses théories relatives à l'élaboration de la pensée telles que l'économie comportementale (Tversky &

Kahneman, 1982) ou le modèle-cadre SRK (Rasmussen, 1990), ce modèle développe et précise le concept

d'allostérie à travers la description et la formalisation des processus de déconstruction-reconstruction des

conceptions, qui ont lieu lors des apprentissages complexes.

De la phase de théorisation du modèle, effectuée par un recours aux formalismes de la réactivité chimique en

accord avec la métaphore initiale de l'allostérie, on déduit divers environnements didactiques opératoires et

féconds pour le praticien de l'enseignement et de la communication des sciences. Ces prévisions théoriques

sont alors mises à l'épreuve de l'expérimentation didactique à travers une recherche de terrain sur la notion

d'expérience contre-intuitive (Eastes & Pellaud, 2004) menée auprès de différents types de publics.

Mots-clés : Processus d'apprentissage - Traitement cognitif de l'information - Changement conceptuel

Allostérie - Conceptions - Heuristiques - Biais cognitifs - Contre-intuitivité - Pédagogie Spécialités : Philosophie des sciences - Epistémologie et didactique des sciences

UFR Philosophie de l'Université Paris 1

Institut d'Histoire et de Philosophie des Sciences et des Techniques (IHPST)

13, rue du Four - 75006 Paris - France

Faculté de psychologie et des sciences de l'éducation de l'Université de Genève Laboratoire de Didactique et d'Epistémologie des Sciences (LDES)

40 boulevard du Pont-d'Arve - CH-1205 Genève - Suisse

3 PROCESSUS D'APPRENTISSAGE, SAVOIRS COMPLEXES ET TRAITEMENT DE L'INFORMATION : UN MODELE THEORIQUE A L'USAGE DES PRATICIENS, ENTRE SCIENCES COGNITIVES, DIDACTIQUE ET PHILOSOPHIE DES SCIENCES

Cherchant à établir un pont théorique et pratique entre les sciences de l'éducation, les sciences

cognitives et la philosophie des sciences, la thèse développe un modèle didactique à l'interface entre

ces disciplines : le modèle allostérique de l'apprendre initié et développé par Giordan (1988) et al.

(1992), qui s'inscrit dans le paradigme des théories du changement conceptuel.

Nourri par les travaux récents des psychologues cognitifs sur les processus d'apprentissage tels que

les théories du recyclage neuronal (Dehaene, 2007) ou de l'inhibition cérébrale (Houdé & Tzourio-

Mazoyer, 2003), ainsi que sur diverses théories relatives à l'élaboration de la pensée telles que

l'économie comportementale (Tversky & Kahneman, 1982) ou le modèle-cadre SRK (Rasmussen,

1990), ce modèle développe et précise le concept d'allostérie à travers la description et la

formalisation des processus de déconstruction-reconstruction des conceptions, qui ont lieu lors des

apprentissages complexes.

De la phase de théorisation du modèle, effectuée par un recours aux formalismes de la réactivité

chimique en accord avec la métaphore initiale de l'allostérie, il est possible de déduire divers

environnements didactiques opératoires et féconds pour le praticien de l'enseignement et de la

médiation scientifiques. Ces prévisions théoriques sont alors mises à l'épreuve de l'expérimentation

didactique à travers une recherche de terrain centrée sur la notion d'expérience contre-intuitive

(Eastes & Pellaud, 2004) menée auprès de différents types de publics.

Mots-clés : Processus d'apprentissage - Traitement cognitif de l'information - Changement conceptuel

Allostérie - Conceptions - Heuristiques - Biais cognitifs - Contre-intuitivité - Pédagogie 4 LEARNING PROCESSES, COMPLEX KNOWLEDGE AND INFORMATION PROCESSING: A THEORETICAL MODEL FOR PRACTITIONERS, BETWEEN COGNITIVE SCIENCE, DIDACTICS AND PHILOSOPHY OF SCIENCE Aiming at bridging education sciences, cognitive sciences and philosophy of science both

theoretically and practically, this thesis develops a didactical model at the interface between these

fields: the allosteric learning model developed by Giordan (1988) et al. (1992), understood in the context conceptual change theories paradigm.

Fueled by the recent works of cognitive psychologists on learning processes such as neuronal

recycling (Dehaene, 2007) or cerebral inhibition (Houdé & Tzourio-Mazoyer, 2003), as well as on

various theories related to the thought processes such as behavioral economics (Tversky &

Kahneman, 1982) or the Skills-Rules-Knowledge framework model (Rasmussen, 1990), this model develops and refines the concept of allostery through the description and formalization of specific

processes that take place in complex learning situations: the deconstruction-reconstruction of

conceptions. Based on the theorization of the model, done through the use chemical reactivity formalisms in line

with the initial metaphor of allostery, it is possible to deduce various operational and fruitful

didactical environments for teaching practitioners or science communication professionals. These

theoretical projections are then put to the test through didactic experimentation taking the shape of

field research on the notion of counter-intuitive experiment (Eastes & Pellaud, 2004) conducted with different types of target groups. Keywords: Learning processes - Cognitive processing of information - Conceptual change - Allostery Conceptions - Heuristics - Cognitive bias - Counter-intuitivity - Pedagogy 5

TABLE DES MATIERES

Avant-propos ........................................................................................................................... 17

Remerciements ....................................................................................................................... 19

1. Introduction ...................................................................................................................... 21

2. Etat de la question ............................................................................................................ 25

2.1. Pédagogie, modèles didactiques et apprentissage ............................................................................... 25

2.1.1. Délimitation de l'étude .......................................................................................................... 25

2.1.2. Définitions ........................................................................................................................... 26

2.1.3. La notion de modèle en didactique de l'apprendre .................................................................... 27

2.1.3.1. Les modèles didactiques en tant que modèles scientifiques .................................................. 27

2.1.3.2. Les modèles phénoménologiques ..................................................................................... 28

2.1.3.3. Transposition aux modèles didactiques ............................................................................. 29

2.1.3.4. Théories éducatives et modèles d'enseignement ................................................................. 30

2.1.4. Rôles et usages des modèles de l'apprendre ............................................................................. 31

2.1.4.1. Modèles d'apprentissage explicites et implicites ................................................................. 31

2.1.4.2. La dialectique cognition appliquée - pédagogie théorisée ..................................................... 32

2.2. Théories éducatives et modèles d'apprentissage ................................................................................. 33

2.2.1. Les grandes traditions pédagogiques ....................................................................................... 33

2.2.1.1. Préambule ..................................................................................................................... 33

2.2.1.2. Une immense variété d'approches .................................................................................... 34

2.2.1.2. Quatre grandes traditions ................................................................................................ 34

2.2.2. La tradition empiriste ........................................................................................................... 36

2.2.2.1. Manifestations et auteurs ................................................................................................ 36

2.2.2.2. Description du modèle sous-jacent ................................................................................... 37

2.2.2.3. Caractéristiques des pédagogies dérivées .......................................................................... 38

2.2.2.4. Avantages et limites ........................................................................................................ 39

2.2.3. La tradition behavioriste ....................................................................................................... 40

2.2.3.1. Manifestations et auteurs ................................................................................................ 40

2.2.3.2. Description du modèle sous-jacent ................................................................................... 41

2.2.3.3. Caractéristiques des pédagogies dérivées .......................................................................... 42

2.2.3.4. Avantages et limites ........................................................................................................ 43

2.2.4. La tradition constructiviste .................................................................................................... 44

2.2.4.1. Manifestations et auteurs ................................................................................................ 44

2.2.4.2. Description du modèle sous-jacent ................................................................................... 46

2.2.4.3. Caractéristiques des pédagogies dérivées .......................................................................... 47

2.2.4.4. Avantages et limites ........................................................................................................ 47

2.2.5. Le cas particulier des modèles de changement conceptuel .......................................................... 48

2.2.5.1. L'école anglo-saxonne ..................................................................................................... 49

2.2.5.2. L'école francophone ........................................................................................................ 50

2.2.6. L'approche cognitive ............................................................................................................. 50

2.2.6.1. Les premières théories de psychologie cognitive dans l'éducation ......................................... 51

2.2.6.2. Le cognitivisme (ou connexionnisme) ............................................................................... 51

6

2.3. Pertinences relatives des modèles de l'apprendre .............................................................................. 52

2.3.1. Les articulations entre les modèles ......................................................................................... 52

2.3.2. La métaphore de la maison .................................................................................................... 53

2.3.3. Un modèle pour chaque degré d'élaboration du savoir ............................................................... 54

2.3.4. Influence de la situation pédagogique sur le modèle interprétatif ................................................ 54

3. Cadre théorique et pratique ............................................................................................ 57

3.1. Justification du cadre théorique ................................................................................................................. 57

3.2. La théorie du changement conceptuel ...................................................................................................... 57

3.2.1. Illustration pratique du changement conceptuel ....................................................................... 58

3.2.2. Bases théoriques de l'approche dite du " changement conceptuel » ............................................. 59

3.2.2.1. Origine historique .......................................................................................................... 59

3.2.2.2. Caractéristiques de la théorie initiale ................................................................................ 60

3.2.2.3. Principales critiques formulées à l'encontre de la théorie initiale .......................................... 61

3.2.2.4. La théorie révisée de Strike et Posner ................................................................................ 61

3.2.2.5. Définition actuelle de la théorie du changement conceptuel ................................................. 62

3.2.3. Le changement conceptuel appliqué à l'éducation ..................................................................... 63

3.2.3.1. Découvrir les conceptions préalables des élèves ................................................................. 63

3.2.3.2. Discuter et évaluer les conceptions préalables .................................................................... 63

3.2.3.3. Créer un conflit conceptuel .............................................................................................. 64

3.2.3.4. Encourager l'accommodation cognitive. ............................................................................. 64

3.2.4. Analyse critique de la théorie ................................................................................................. 65

3.2.4.1. Ontologie et scientificité .................................................................................................. 65

3.2.4.2. Pertinence théorique et cohérence .................................................................................... 66

3.2.4.3. Fécondité théorique ........................................................................................................ 68

3.2.4.4. Ampleur descriptive et pertinence pédagogique ................................................................. 69

3.2.5. Difficultés inhérentes au changement conceptuel ...................................................................... 70

3.3. Le modèle allostérique de l'apprendre .................................................................................................... 70

3.3.1. Historique ........................................................................................................................... 71

3.3.2. La conception, structure élémentaire du savoir ......................................................................... 71

3.3.3. Le coeur du modèle allostérique : la transformation des conceptions ........................................... 76

3.3.4. L'environnement didactique de 2002 ...................................................................................... 78

3.3.4.1. Trouver du sens aux savoirs abordés, être motivé ............................................................... 80

3.3.4.2. Se confronter - être perturbé, déstabilisé, confronté à d'autres réalités .................................. 80

3.3.4.3. Avoir confiance, oser se " lâcher », être accompagné ........................................................... 81

3.3.4.4. Savoir imaginer, oser innover ........................................................................................... 81

3.3.4.5. Pouvoir mobiliser ses savoirs, les articuler autour de concepts organisateurs ......................... 82

3.3.4.6. Elaborer, réfléchir sur ses propres savoirs ......................................................................... 82

3.3.4.7. S'approprier des aides à penser ........................................................................................ 83

3.3.5. Analyse critique de l'approche allostérique de 2002 .................................................................. 83

3.3.5.1. Ontologie et scientificité .................................................................................................. 83

3.3.5.2. Pertinence théorique et cohérence .................................................................................... 84

3.3.5.3. Fécondité théorique ........................................................................................................ 86

3.3.5.4. Ampleur descriptive et pertinence pédagogique ................................................................. 86

3.4. Les sciences cognitives ................................................................................................................................... 87

3.4.1. Objet et outils ....................................................................................................................... 87

3.4.1.1. Définition ...................................................................................................................... 87

3.4.1.2. Des études interdisciplinaires .......................................................................................... 88

3.4.1.3. Les méthodes expérimentales .......................................................................................... 89

3.4.2. Sciences cognitives et éducation ............................................................................................. 94

3.4.2.1. Une relation sérieuse et durable ....................................................................................... 94

7

3.4.2.2. Une démarche particulière ............................................................................................... 95

3.4.2.3. Niveaux de contribution et d'implications .......................................................................... 96

3.4.3. Apports théoriques ............................................................................................................... 98

3.4.3.1. Les théories naïves ......................................................................................................... 98

3.4.3.2. Les concepts ............................................................................................................... 101

3.4.3.3. Cerveau, aires cérébrales et cartes corticales ................................................................... 101

3.4.3.4. Le recyclage neuronal .................................................................................................. 104

3.4.3.5. Les chemins de pensée et le modèle-cadre SRK ................................................................ 106

3.4.3.6. Les mécanismes de l'inhibition cérébrale ........................................................................ 111

3.4.4. Apports pratiques .............................................................................................................. 116

3.4.4.1. L'apprentissage du calcul et de l'arithmétique ................................................................. 116

3.4.4.2. Les mécanismes de la lecture ........................................................................................ 118

3.4.4.3. L'attention, l'émotion et la cognition sociale .................................................................... 121

3.4.4.4. La protopédagogie et l'épistémologie naïve ..................................................................... 121

3.4.4.5. La mémoire ................................................................................................................ 122

3.4.5. Les " neuromythes », ou ce que les sciences cognitives ne disent pas ........................................ 122

3.4.5.1. Le mythe des cerveaux droit et gauche et des styles d'apprentissage .................................. 123

3.4.5.2. Le mythe de la gymnastique cérébrale ............................................................................ 123

3.4.5.3. Les mythes du développement cérébral .......................................................................... 123

3.4.5.4. Le mythe de la neuroplasticité ....................................................................................... 124

3.4.5.5. Le mythe des neurones miroirs, " neurones de l'empathie » .............................................. 124

3.4.5.6. Le mythe des " intelligences multiples » ......................................................................... 125

3.4.6. Limites, risques et perspectives ........................................................................................... 125

3.4.6.1. La pertinence pédagogique ........................................................................................... 125

3.4.6.2. Le risque éthique ......................................................................................................... 126

3.4.6.3. Perspectives d'avenir ................................................................................................... 128

4. Problématique ................................................................................................................ 129

4.1. Préambule ........................................................................................................................................................ 129

4.2. La piste de l'allostérie .................................................................................................................................. 129

4.2.1. Un modèle phénoménologique ............................................................................................ 129

4.2.2. Un modèle physicaliste ....................................................................................................... 130

4.2.3. Un changement de point de vue ........................................................................................... 131

4.3. Vers un modèle allostérique de l'apprendre formalisé .................................................................. 131

4.3.1. Possibilités de formalisation du modèle ................................................................................ 132

4.3.2. Limites et perspectives de transformation du modèle allostérique de 2002 ............................... 132

4.3.2.1. Structure et socle du savoir ........................................................................................... 132

4.3.2.2. Processus cognitifs : conceptions et heuristiques ............................................................. 133

4.3.2.3. Accessibilité et inhibition des heuristiques ...................................................................... 133

4.3.2.4. Conceptions de contrôle (reconnaissance et orientation) .................................................. 134

4.3.2.5. Transformations du savoir ............................................................................................ 134

4.3.2.6. Formalisation et représentation .................................................................................... 135

4.3.2.7. Stabilité et robustesse des conceptions ........................................................................... 135

4.3.2.8. Contrôles péricognitifs ................................................................................................. 136

4.3.3. La nécessité d'applications pédagogiques directes ................................................................. 137

4.3.3.1. Formaliser pour pouvoir prédire ................................................................................... 137

4.3.3.2. Objectifs : la construction de nouveaux environnements didactiques .................................. 137

4.3.4. Validation expérimentale du modèle .................................................................................... 137

4.3.4.1. La mise à l'épreuve plutôt que la preuve ......................................................................... 137

4.3.4.2. Choix de l'outil de falsification : l'expérience contre-intuitive ............................................. 137

4.4. Hypothèses de recherche ............................................................................................................................ 138

8

5. Méthodologie .................................................................................................................. 139

5.1. Principe général de l'étude ........................................................................................................................ 139

5.2. Elaboration théorique (Hypothèse 1) ..................................................................................................... 139

5.2.1. Approche épistémologique ................................................................................................. 139

5.2.1.1. L'allostérie : de la métaphore à l'analogie - Ecueils potentiels ............................................ 139

5.2.1.2. Les concepts transversaux ............................................................................................ 140

5.2.2. Corpus théorique en sciences cognitives et philosophie des sciences ........................................ 141

5.3. Développements pratiquers et prévisions du modèle (Hypothèse 2) ........................................ 141

5.4. Validation expérimentale (Hypothèse 3) .............................................................................................. 142

5.4.1. Support expérimental de la recherche .................................................................................. 142

5.4.1.1. Description de l'activité ................................................................................................ 142

5.4.1.2. Nature des expériences ................................................................................................ 142

5.4.1.3. Etat d'esprit ................................................................................................................ 145

5.4.2. Population ........................................................................................................................ 145

5.4.3. Constitution du corpus ....................................................................................................... 145

5.4.3.1. L'entretien dirigé comme outil de recherche ................................................................... 145

5.4.3.2. Choix de la méthode d'entretien .................................................................................... 146

5.4.3.3. Du diagnostic préalable à la recherche d'approfondissement ............................................. 147

5.4.3.4. Choix du nombre d'expériences dépouillées .................................................................... 147

5.4.4. Elaboration du protocole de recherche ................................................................................. 147

5.4.4.1. Diagnostic préalable (2001) .......................................................................................... 147

5.4.4.2. Recherche préliminaire (2002) ..................................................................................... 148

5.4.4.3. Recherche d'approfondissement (2003-2004) ................................................................. 148

5.4.5. Recueil et traitement des données ....................................................................................... 149

5.4.5.1. Deux types d'entretiens ................................................................................................ 149

5.4.5.2. Enquête " grand-public » préliminaire ............................................................................ 149

5.4.5.3. Approfondissement : pré-test en situation scolaire ........................................................... 150

5.4.5.4. Approfondissement : post-test en situation scolaire ......................................................... 151

5.4.5.5. Traitement des enregistrements .................................................................................... 151

5.5. Schéma général de la recherche ............................................................................................................... 152

5.6. Limites de la recherche ................................................................................................................................ 152

5.6.1. Limites théoriques ............................................................................................................. 152

5.6.2. Limites pratiques ............................................................................................................... 152

5.6.3. Limites méthodologiques .................................................................................................... 153

5.6.4. Limites épistémologiques ................................................................................................... 153

6. Partie théorique : formalisation du modèle allostérique (H1) .................................... 157

6.1. Validité et légitimité de l'analogie ........................................................................................................... 157

6.2. Structure et organisation du savoir ........................................................................................................ 159

6.2.1. Représentation du savoir .................................................................................................... 159

6.2.2. Structure fine des conceptions ............................................................................................. 160

6.2.3. Préexistence des sous-unités d'information cérébrale ............................................................ 161

6.2.4. La question du socle inné .................................................................................................... 162

6.2.5. Une structuration étagée .................................................................................................... 163

6.3. Représentation des processus cognitifs ................................................................................................ 165

6.3.1. Traitement de l'information et sites actifs ............................................................................. 165

6.3.2. Chemins de pensée et heuristiques ...................................................................................... 167

6.3.2.1. Représentation ........................................................................................................... 167

9

6.3.2.2. Modes d'action ............................................................................................................ 167

6.3.2.3. L'expérience du croissant de Lune ................................................................................. 169

6.3.3. Fonctions d'optimisation .................................................................................................... 170

6.3.3.1. Fonction d'affinité Φ

affin(ĩ) ............................................................................................ 170

6.3.3.2. Fonction de réorganisation Φ

réorg ................................................................................... 174

6.3.3.3. Fonction de traitement cognitif Ψcog(ĩ) ........................................................................... 175

6.3.3.4. Différents niveaux de description du savoir .................................................................... 175

6.3.4. Accessibilité, contrôle et inhibition des heuristiques .............................................................. 176

6.3.4.1. La prééminence d'heuristiques particulières ................................................................... 176

6.3.4.2. Des heuristiques inaccessibles ...................................................................................... 178

6.3.4.3. Des heuristiques indisponibles ...................................................................................... 180

6.3.4.4. Des (méta)conceptions de contrôle ................................................................................ 182

6.3.4.5. Synthèse .................................................................................................................... 184

6.3.4.6. Contrôle cinétique et contrôle thermodynamique ............................................................ 184

6.4. Transformations du savoir ........................................................................................................................ 187

6.4.1. Apprendre... ..................................................................................................................... 187

6.4.1.1. Un espace de conceptions ouvert ................................................................................... 187

6.4.1.2. Retour sur le modèle allostérique .................................................................................. 188

6.4.2. Des processus élémentaires " activés » ................................................................................. 189

6.4.2.1. Eléments de cinétique chimique .................................................................................... 189

6.4.2.2. Première typologie des processus d'apprentissage ........................................................... 190

6.4.2.3. La notion d'activation ................................................................................................... 190

6.4.3. Fonctions d'optimisation et d'apprentissage .......................................................................... 191

6.4.3.1. Caractéristiques et représentation de la fonction Φréorg ..................................................... 192

6.4.3.2. Stabilité des schèmes de pensée et fonction θ d'apprentissage ........................................... 194

6.4.4. Correspondances... ............................................................................................................ 195

6.4.4.1. Enthalpie et entropie d'apprentissage ............................................................................ 195

6.4.4.2. Franchissement de la barrière d'activation ...................................................................... 197

6.4.4.3. Enthalpie libre et enthalpie libre d'activation .................................................................. 198

6.4.4.4. Zone proximale de développement ................................................................................ 199

6.5. Stabilisation du savoir ................................................................................................................................. 199

6.5.1. Fiabilité et caractère opératoire des conceptions ................................................................... 199

6.5.2. Stabilité et justesse ............................................................................................................ 199

6.5.3. Stabilité, ascendant et consensualité .................................................................................... 201

6.5.4. Intelligibilité, cohérence et noeuds du savoir .......................................................................... 202

6.5.5. Valeur émotionnelle ........................................................................................................... 203

6.5.6. Habitus ............................................................................................................................ 204

6.5.7. Principe d'économie .......................................................................................................... 204

6.5.8. Souplesse du savoir ........................................................................................................... 204

6.5.9. Application à la détermination de " profils cognitifs » ............................................................. 205

6.6. Conséquences : de nouveaux leviers d'action pour apprendre .................................................... 206

6.6.1. Paramètres génériques ....................................................................................................... 206

6.6.2. Un effet de " levée de dégénérescence » ................................................................................ 207

6.6.3. Un " effet tunnel » cognitif .................................................................................................. 208

6.6.4. Un effet " catalyse » ........................................................................................................... 208

6.6.5. Un effet " template » .......................................................................................................... 210

6.6.6. Des contrôles cinétique et thermodynamique ........................................................................ 211

6.6.7. Des effets d'affinité temporaire ............................................................................................ 212

6.7. Contrôles péricognitifs ................................................................................................................................ 212

6.7.1. Le niveau infracognitif ........................................................................................................ 213

6.7.2. Le niveau perceptif ............................................................................................................ 213

10

6.7.3. Le niveau intentionnel ........................................................................................................ 213

6.7.4. Le niveau motivationnel ..................................................................................................... 213

6.7.5. Le niveau métacognitif ....................................................................................................... 214

6.7.6. Le niveau émotionnel (ou affectif) ........................................................................................ 214

6.8. Cohérence théorique et validation de l'hypothèse de recherche H1 .......................................... 216

7. Prévisions du modèle : implications et applications pédagogiques (H2) ................... 217

7.1. Vers de nouveaux environnements didactiques ................................................................................ 217

7.1.1. Principe et méthode ........................................................................................................... 217

7.1.2. Plusieurs environnements différents .................................................................................... 219

7.1.2.1. Structure et organisation du savoir, dimensions péricognitives .......................................... 219

7.1.2.2. Processus cognitifs de traitement de l'information ........................................................... 219

7.1.2.3. Processus activés de transformation des conceptions ....................................................... 220

7.1.2.4. Stabilité des structures de pensée .................................................................................. 220

7.1.2.5. Avertissements ........................................................................................................... 220

7.2. Description ....................................................................................................................................................... 220

7.2.1. Environnement 1 : Structure et organisation du savoir, dimensions péricognitives ..................... 220

7.2.2. Environnement 2 : Processus cognitifs de traitement de l'information ...................................... 221

7.2.3. Environnement 3 : Processus activés de transformation des conceptions .................................. 223

7.2.4. Environnement 4 : Stabilité des structures de pensée ............................................................. 224

7.3. Lecture et utilisation pratique des environnements didactiques ............................................... 225

7.3.1. Lecture globale .................................................................................................................. 226

7.3.2. Lecture radiale .................................................................................................................. 226

7.3.3. Lecture circulaire .............................................................................................................. 226

7.3.4. Utilisation analytique ......................................................................................................... 226

7.3.5. Utilisation incitative ........................................................................................................... 226

7.3.6. Utilisation formative .......................................................................................................... 227

7.4. Comparaisons avec l'environnement didactique de 2002 ............................................................. 227

7.4.1. Trouver du sens aux savoirs abordés, être motivé .................................................................. 227

7.4.2. Se confronter - être perturbé, déstabilisé, confronté à d'autres réalités ..................................... 227

7.4.3. Avoir confiance, oser se " lâcher », être accompagné .............................................................. 227

7.4.4. Savoir imaginer, oser innover .............................................................................................. 227

7.4.5. Pouvoir mobiliser ses savoirs, les articuler autour de concepts organisateurs ............................ 228

7.4.6. Elaborer, réfléchir sur ses propres savoirs ............................................................................ 228

7.4.7. S'approprier des aides à penser ........................................................................................... 228

7.5. Applications à l'expérience contre-intuitive ....................................................................................... 228

7.5.1. Structure et organisation du savoir, dimensions péricognitives ................................................ 229

7.5.2. Processus cognitifs de traitement de l'information ................................................................. 229

7.5.3. Processus activés de transformation des conceptions ............................................................. 229

7.5.4. Stabilité des structures de pensée ........................................................................................ 230

7.6. Corroboration de l'hypothèse de recherche H2 ................................................................................. 230

8. Partie expérimentale : mise à l'épreuve du modèle allostérique formalisé (H3) ....... 233

8.1. L'expérience contre-intuitive à travers la théorie allostérique - Prévisions théoriques .. 233

8.1.1. Structure du savoir et traitement de l'information .................................................................. 234

8.1.1.1. Socle du savoir, conceptions clés de voûte et connaissances naïves .................................... 234

8.1.1.2. Préexistence des sous-unités d'information cérébrale et cadre de référence ........................ 234

8.1.1.3. Emergence de la contre-intuitivité : sites actifs, heuristiques et métaconceptions ................. 234

8.1.1.4. Modes S-R-K, contrôles cinétique et thermodynamique .................................................... 235

11

8.1.1.5. Stratégies cognitives et anticipation du résultat ............................................................... 235

8.1.1.6. Paradigmes, plis cognitifs et inhibition ........................................................................... 235

8.1.2. Transformations du savoir .................................................................................................. 236

8.1.2.1. Un espace de conceptions ouvert ................................................................................... 236

8.1.2.2. Effets d'une expérience contre-intuitive sur la fonction de traitement cognitif Ψcog ............... 236

8.1.2.3. Représentation graphique ............................................................................................ 237

8.1.2.4. Passage de l'état de transition ....................................................................................... 237

8.1.2.5. Rôle de la zone proximale de développement .................................................................. 238

8.1.3. Eléments complémentaires ................................................................................................. 240

8.1.4. Synthèse des prédictions théoriques à vérifier ....................................................................... 240

8.1.4.1. Prédiction 1 : performance de l'outil .............................................................................. 241

8.1.4.2. Prédiction 2 : cadre de référence ................................................................................... 241

8.1.4.3. Prédiction 3 : contre-intuitivité ..................................................................................... 241

8.1.4.4. Prédiction 4 : contexte et mise en scène .......................................................................... 241

8.1.4.5. Prédiction 5 : questionnement préalable ......................................................................... 241

8.1.4.6. Prédiction 6 : limites de la contre-intuitivité .................................................................... 241

8.1.4.7. Prédiction 7 : risques et effets néfastes ........................................................................... 242

8.1.4.8. Prédiction 8 : accompagnement ..................................................................................... 242

8.2. Résultats ............................................................................................................................................................ 242

8.2.1. Diagnostic préalable .......................................................................................................... 243

8.2.2. Recherche préliminaire (2002) ............................................................................................ 244

8.2.2.1. Validation de la prédiction 1 : performance de l'outil ........................................................ 244

8.2.2.2. Validation de la prédiction 2 : cadre de référence ............................................................. 245

8.2.2.3. Validation de la prédiction 3 : contre-intuitivité ............................................................... 246

8.2.2.4. Validation de la prédiction 4 : contexte et mise en scène ................................................... 246

8.2.2.5. Validation de la prédiction 5 : questionnement préalable .................................................. 246

8.2.2.6. Validation de la prédiction 6 : limites de la contre-intuitivité ............................................. 247

8.2.2.7. Validation de la prédiction 7 : risques et effets néfastes .................................................... 249

8.2.2.8. Validation de la prédiction 8 : accompagnement .............................................................. 250

8.2.2.9. Résultats complémentaires ........................................................................................... 250

8.2.2.10 Apports et limites de la recherche préliminaire .............................................................. 252

8.2.3. Recherche d'approfondissement (2003-2004) ....................................................................... 252

8.2.3.1. Effets de contexte et de mise en oeuvre (prédictions 1-4) .................................................. 253

8.2.3.2. Manifestations de non apprentissage (prédictions 6-7) ..................................................... 255

8.2.3.3. Manifestations d'apprentissage (prédiction 8) ................................................................. 258

8.2.3.4. Limites de la recherche d'approfondissement .................................................................. 260

8.3. Synthèse et validation de l'hypothèse de recherche H3 .................................................................. 260

9. Applications et perspectives .......................................................................................... 263

9.1. Conseils aux enseignants pour une approche pédagogique " allostérique » .......................... 263

9.2. Bonnes pratiques d'utilisation de l'expérience contre-intuitive ................................................. 264

9.3. L'approche phénoménologique des sciences ...................................................................................... 266

9.4. Des outils pédagogiques pour la médiation scientifique et l'enseignement ........................... 269

9.5. Des outils pour la communication institutionnelle .......................................................................... 271

10. Conclusion .................................................................................................................... 275

11. Bibliographie ................................................................................................................ 279

12. Annexes ......................................................................................................................... 297

12

12.1. Autres environnements didactiques ................................................................................................... 297

12.1.1. Structure et organisation du savoir, processus cognitifs de traitement de l'information ............. 297

12.1.2. Processus activés de transformation des conceptions ........................................................... 298

12.1.3. Stabilité des structures de pensée ...................................................................................... 299

12.2. Résultats de la recherche expérimentale ........................................................................................... 299

12.2.1. Tableaux récapitulatifs des entretiens confirmant les prédictions sur l'expérience contre-intuitive 299

12.2.2. Tableaux récapitulatifs des entretiens ................................................................................ 304

12.2.2.1. Recherche préliminaire (2002) .................................................................................... 304

12.2.2.2. Recherche d'approfondissement : pré-test (2003) .......................................................... 311

12.2.3. Recherche d'approfondissement : post-test (2004) .............................................................. 318

12.2.3.1. La course des balles ................................................................................................... 318

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