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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

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