Les tests conventionnels peuvent sous-estimer la capacité d’apprentissage d’un élève. Les barrières socioculturelles, l’anxiété liée aux tests et les différences dans les taux de développement du cerveau peuvent fausser les résultats. En principe, les outils de neurosciences qui permettent l’observation de l’activité cérébrale pourraient mieux caractériser les gains d’apprentissage. Mais les neurosciences et l’éducation n’ont pas toujours formé des partenariats fructueux.
De nouvelles recherches qui associent plus efficacement les deux domaines suggèrent que lorsque les élèves utilisent des compétences spatiales en classe, les avantages s’étendent au-delà de la compréhension spatiale à d’autres types de pensée, comme le déchiffrement mental d’un problème à l’aide de mots. Les résultats, publiés le 10 août dans Avancées scientifiques, montrent également que les outils de neurosciences dans une salle de classe du monde réel pourraient mieux prédire un apprentissage réussi que des approches plus traditionnelles, telles que les tests et les notes. Ces informations pourraient soutenir les programmes et les méthodes qui offrent le meilleur rapport qualité-prix en matière d’apprentissage.
La recherche en neurosciences nécessite généralement des investissements initiaux considérables sans savoir exactement quels seront les avantages pour la société, explique Markus Knauff, titulaire de la chaire de psychologie expérimentale et de sciences cognitives à l’Université de Giessen en Allemagne, qui n’a pas participé aux travaux. Ces résultats, dit-il, montrent à quel point une telle recherche peut être importante pour une utilisation dans le monde réel lorsqu’une étude est soigneusement construite pour répondre à une “question appliquée extrêmement importante avec une grande pertinence sociétale, à savoir comment améliorer l’apprentissage dans les écoles”.
Des neuroscientifiques, des psychologues et des experts en éducation ont travaillé ensemble dans la nouvelle étude pour introduire des outils de neurosciences et un programme basé sur l’espace qui nécessitait de travailler avec des outils de cartographie dans cinq lycées de Virginie.
Parce qu’il est contraire à l’éthique d’envoyer des étudiants dans des classes qu’ils ne veulent pas suivre – pour la recherche, de toute façon – les enquêteurs ont adopté une tactique différente. Les étudiants avaient la possibilité de suivre un cours « Geospatial Semester » dans lequel ils construisaient et évaluaient des ensembles de données géographiques à l’aide de ressources numériques. Les chercheurs ont jumelé des étudiants qui ont choisi le cours géospatial à des pairs qui ont choisi un cours de sciences différent mais tout aussi stimulant, créant ainsi deux groupes aussi similaires que possible. De cette façon, la principale différence entre les groupes était le cours qu’ils avaient choisi.
Pour la classe géospatiale, les étudiants ont travaillé sur des solutions cartographiques à des problèmes tels que la réduction des îlots de chaleur en milieu urbain ou la localisation des ours errant hors des Blue Ridge Mountains. En construisant des cartes dans le cadre de leur résolution de problèmes, les étudiants devaient «avoir une idée globale de la façon dont les choses sont liées les unes aux autres», explique l’auteur de l’étude Adam Green, professeur agrégé de psychologie à l’Université de Georgetown.
Avant de commencer leurs cours, les élèves ont complété une série de tests qui mesuraient les compétences spatiales et la capacité de raisonnement verbal, en résolvant des problèmes présentés avec des mots. Un problème verbal, par exemple, pourrait mettre en avant une paire d’énoncés, le premier disant que “le singe est meilleur que le chat” et le second affirmant que “le chien est pire que le chat”, ce qui appellerait la logique raisonnant que “le singe est meilleur que le chien”.
L’un des principaux tests de l’étude était le « balayage spatial », la capacité de situer les caractéristiques d’une carte sur une autre. Le test de cette compétence était la « tâche de figure intégrée », dans laquelle les candidats voyaient une forme géométrique seule, puis avaient quelques secondes pour la localiser intégrée dans une deuxième image de formes géométriques en couches.
Les chercheurs ont émis l’hypothèse que les étudiants qui ont suivi le cours de compétences spatiales pourraient également montrer des améliorations dans la pensée verbale. Ils ont basé cette prédiction sur un concept connu sous le nom de « théorie du modèle mental », qui postule que les capacités de raisonnement verbal humain proviennent des zones du cerveau que les primates utilisent pour comprendre leur environnement spatial.
“D’un point de vue évolutif, au fur et à mesure que les humains se développaient, nous avions besoin de régions cérébrales dédiées au traitement spatial et moteur pour parcourir le monde”, explique le premier auteur de l’étude, Robert Cortes, doctorant à l’Université de Georgetown. “Lorsque nous avons développé la capacité de raisonner, nous n’avons pas développé une nouvelle zone du cerveau, mais avons coopté des ressources existantes pour résoudre des problèmes qui ne sont même pas spatiaux.”
Cortes et ses collègues ont estimé que si les étudiants amélioraient leur compréhension spatiale, ce chevauchement dans le cerveau pourrait également signifier une amélioration des performances verbales. L’un des tests évaluait également dans quelle mesure les élèves s’appuyaient sur des stratégies spatiales dans leur réflexion et leur apprentissage.
Une fois que les 346 étudiants de l’étude ont terminé leurs cours, ils ont refait ces tests et les chercheurs ont comparé les résultats d’avant et d’après. Pour un sous-ensemble de 63 étudiants, les chercheurs ont également utilisé l’imagerie cérébrale pour suivre l’activité pendant les deux périodes de test, en mettant l’accent sur les régions du cerveau liées à la pensée spatiale. Ils ont ensuite comparé la façon dont l’imagerie prédisait l’amélioration des tests de raisonnement spatial et verbal avec la façon dont les tests traditionnels basés sur les performances la captaient.
Les élèves de la classe géospatiale ont commencé avec des scores de raisonnement inférieurs et de réflexion spatiale similaires à ceux de leurs homologues de l’autre classe. Mais après la fin du cours géospatial, les étudiants de ce groupe se sont améliorés beaucoup plus que leurs pairs sur la plupart des mesures.
Le résultat le plus intrigant pour les chercheurs a soutenu la théorie du modèle mental : les améliorations du raisonnement verbal de ces étudiants ont suivi leurs améliorations aux tests spatiaux, ce qui suggère que là où la pensée spatiale s’est affinée, le raisonnement verbal s’est également aiguisé.
L’imagerie cérébrale a montré des changements d’activité pour les régions liées au raisonnement spatial chez les primates, avec des augmentations plus fortes chez les étudiants qui avaient terminé la classe géospatiale, par rapport à leurs pairs. Ces modèles d’imagerie se sont avérés bien meilleurs que les mesures conventionnelles, telles que les tests et les notes, pour prédire dans quelle mesure les étudiants amélioreraient les mesures de l’étude.
La théorie du modèle mental a une histoire qui remonte à des décennies, et ces découvertes soulignent sa puissance, dit Knauff. Ils “montrent à nouveau à quel point l’espace est important pour notre esprit, même pour les capacités qui ne sont pas spatiales en soi”, ajoute-t-il.
Cortes, Green et leurs collègues sont sur le pont pour introduire le programme géospatial dans plus d’écoles. Le cours “enseigne une compétence vraiment utile” et ses approches générales pourraient être intégrées dans d’autres cours de sciences, dit Cortes. “C’est un cours sympa que j’aurais aimé pouvoir suivre au lycée.”
Les résultats offrent un avertissement potentiel sur ce que les humains risquent en se dispensant d’expériences d’apprentissage spatial et en s’appuyant plutôt sur un navigateur de smartphone pour se rendre du point A au point B. Green a récemment perdu un signal dans une zone rurale lors de vacances en famille et s’est retrouvé à expliquer cartes papier et méthodes de navigation à ses enfants.
Malgré les difficultés de pliage, avoir une carte papier entière à visualiser et à mémoriser signifiait accéder à une “compréhension spatiale de l’endroit où vous alliez”, dit-il, plutôt que de s’appuyer sur des gros plans d’un itinéraire sur une application cartographique. Les étudiants de l’étude ont dû développer une version similaire de la compétence de numérisation de «carte entière», et les résultats, selon Green, «rendent une classe comme celle-ci et une approche spatiale de l’éducation en général plus opportune et plus importante».
