Comparaison de l’activité cérébrale de novices et d’experts en sciences lors de la réalisation d’une tâche en physique mécanique impliquant une conception fréquente

Brault Foisy, L.-M. (2013). Comparaison de l’activité cérébrale de novices et d’experts en sciences lors de la réalisation d’une tâche en physique mécanique impliquant une conception fréquente. (Mémoire de maîtrise), Université du Québec à Montréal, Canada. url: https://archipel.uqam.ca/6120/ 

RÉSUMÉ : Une importante littérature de recherche dans le domaine de la didactique des sciences révèle qu’il est difficile de faire émerger une compréhension satisfaisante de certains concepts scientifiques chez les élèves, car ces derniers entretiennent, en regard de différents phénomènes naturels, des conceptions fréquentes qui causent des interférences dans leur apprentissage. Ces conceptions fréquentes sont très persistantes parce qu’elles nécessitent la réalisation d’un changement conceptuel. Or, malgré les nombreux modèles théoriques du changement conceptuel proposés, aucun ne semble permettre de fournir une réponse consensuelle quant à ce qui advient des conceptions antérieures des élèves à la suite de la réalisation d’un changement conceptuel. Ces conceptions sont-elles supprimées, réorganisées, intégrées dans une nouvelle théorie plus large ou demeurent-elles présentent et coexistent-elles avec les nouveaux savoirs scientifiques?

La neuroéducation, une approche de recherche utilisant des techniques d’imagerie cérébrale pour étudier certaines problématiques éducatives, permet d’apporter un éclairage supplémentaire à l’étude du changement conceptuel. En effet, de récentes études, notamment dans le domaine de l’électricité (Masson, 2012), pointent vers l’idée que le mécanisme cérébral de l’inhibition jouerait un rôle dans l’apprentissage des sciences et que les conceptions fréquentes des élèves ne disparaitraient pas de leur cerveau lors d’un changement conceptuel. Ces derniers apprendraient plutôt à les inhiber afin de fournir une réponse scientifiquement correcte.

La physique mécanique étant une discipline scientifique pour laquelle les conceptions initiales des apprenants sont parmi les mieux connues et parmi les plus difficiles à changer, il apparaît pertinent de vouloir vérifier si l’inhibition joue également un rôle dans l’apprentissage de concepts propres à cette discipline. L’objectif principal de cette recherche est donc de vérifier si les experts en mécanique détiennent toujours de fausses conceptions qu’ils doivent inhiber pour répondre de façon scientifique. La principale hypothèse formulée est que les experts présenteront des activations plus fortes que les novices dans les régions cérébrales associées à l’inhibition, lorsqu’ils auront à répondre à des questions en mécanique impliquant la conception fréquente selon laquelle une balle plus lourde tombe plus rapidement qu’une balle plus légère.

Pour vérifier cette hypothèse, deux groupes de participants ont été comparés : un groupe de novices n’ayant pas réalisé de changement conceptuel (qui détiennent des conceptions en mécanique qui ne sont pas conformes au savoir scientifique) et un groupe d'experts qui sont présumés avoir déjà réalisé un changement conceptuel (car ils ne détiennent pas de fausses conceptions en mécanique). Des images de l’activité cérébrale des participants ont été prises alors qu'ils réalisaient une tâche cognitive en physique mécanique dans un appareil d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). La tâche consistait en la présentation de films dans lesquels deux balles de tailles différentes tombaient à des vitesses identiques ou différentes. Trois types de films étaient présentés : des films naïfs, non conformes aux lois du mouvement de Newton, des films newtoniens, conformes aux mêmes lois et des films contrôle. Les participants devaient juger si ces films étaient corrects ou incorrects. Les données permettent d'identifier les régions cérébrales qui sont plus activées lors de la réalisation de cette tâche chez les experts et chez les novices. Les résultats montrent que les experts présentent des activations significativement plus prononcées pour des régions associées à l’inhibition, c’est-à-dire dans le cortex préfrontal ventrolatéral et dorsolatéral, lors de la présentation de films naïfs. Cela laisse entendre que leurs préconceptions en mécanique n’auraient pas été éradiquées ou transformées durant l’apprentissage : elles seraient plutôt demeurées présentes dans leur cerveau, mais ceux-ci auraient appris à les inhiber pour fournir une réponse scientifiquement correcte.

Cette recherche représente un pas de plus vers une meilleure compréhension du rôle de l’inhibition dans l’apprentissage des sciences. Les résultats obtenus montrent qu’il existe une différence au niveau des régions cérébrales activées entre les sujets détenant une compréhension conceptuelle plus grande en mécanique (les experts) et ceux ayant une moindre compréhension conceptuelle en mécanique (les novices). L’expertise en mécanique serait ainsi vraisemblablement liée à une meilleure capacité à inhiber ses conceptions spontanées. Pour cette discipline scientifique, un élève apprendrait donc à inhiber ses préconceptions pour réaliser un apprentissage plutôt que de les effacer, de les restructurer ou de les intégrer à une nouvelle théorie.