Individual differences in science competence among students are associated with ventrolateral prefrontal cortex activation

Allaire-Duquette, G., Belanger, M., Grabner, R. H., Koschutnig, K., & Masson, S. (2019). Individual differences in science competence among students are associated with ventrolateral prefrontal cortex activation. Journal of Neuroscience Research, 97(9), 1163-1178. doi:10.1002/jnr.24435

ABSTRACT: Functional neuroimaging studies have revealed that, compared with novices, science experts show increased activation in dorsolateral and ventrolateral prefrontal brain areas associated with inhibitory control mechanisms when providing scientifically valid responses in tasks related to electricity and mechanics. However, no study thus far has explored the relationship between activation of the key brain regions involved in inhibitory control mechanisms, namely the ventrolateral prefrontal cortex (VLPC) and dorsolateral prefrontal cortex (DLPC), and individual differences in conceptual science competence, while controlling for scientific training. In the present study, 24 secondary school students (11 female participants, 13 male participants) were selected from a larger pool based on their performance on a conceptual science questionnaire and were divided into groups with low and high conceptual science competence. In an fMRI block design, participants had to verify the correctness (true or false) of congruent and incongruent statements. In congruent statements, both spontaneous and scientific conceptions about given natural phenomena lead to a scientifically appropriate judgment. However, in incongruent statements, commonly held spontaneous conceptions about natural phenomena lead to a scientifically in‐ appropriate judgment. The interaction effect reveals that students with higher con‐ ceptual science competence display stronger activation of the left VLPC and DLPC in incongruent trials than in congruent trials. These findings show that activation of the VLPC and DLPC when reasoning in incongruent situations underlies individual differences in conceptual science competence, and suggests stronger recruitment of inhibitory control mechanisms in more competent individuals.

Neural correlates associated with novices correcting errors in electricity and mechanics

Nenciovici, L., Brault Foisy, L.-M., Allaire-Duquette, G., Potvin, P., Riopel, M., & Masson, S. (2018). Neural Correlates Associated With Novices Correcting Errors in Electricity and Mechanics. Mind, Brain, and Education, 12(3), 120-139. doi:10.1111/mbe.12183

ABSTRACT: Learning counterintuitive scientific concepts can be difficult for students because they often have misconceptions about natural phenomena that lead them to commit errors. Recent studies showed that students with advanced scientific training recruit brain regions associ- ated with inhibitory control and memory retrieval to avoid committing errors for questions related to counterintuitive scientific concepts. However, the brain mechanisms used by novices in sciences to overcome errors are still unknown. In this study, novices in electricity and mechanics answered a scientific task in an functional magnetic resonance imaging (fMRI) scanner before and after having corrected their errors. Results show that rostrofrontal and parietal brain areas were more activated after correcting errors than before. These findings suggest that error-correction mech- anisms of novices, induced by presenting to learners the correct answers at the very beginning of their learning pro- cess, are associated with memory retrieval but not inhibitory control.

Inhibition et capacité à surmonter certaines conceptions alternatives en chimie

Malenfant-Robichaud, G. (2018). Inhibition et capacité à surmonter certaines conceptions alternatives en chimie (Mémoire de maîtrise), Université du Québec à Montréal, Canada. url: https://archipel.uqam.ca/11334/ 

RÉSUMÉ : Les chercheurs en éducation sont conscients des nombreuses difficultés pouvant entraver l’apprentissage des sciences. Parmi celles-ci, la présence de conceptions alternatives dans le raisonnement des élèves occupe une place importante dans les recherches. Il est en effet reconnu que les conceptions alternatives des élèves sont variées et qu’elles peuvent résister aux stratégies d’enseignement traditionnelles (Liu, 2001; Wandersee, Mintzes et Novak, 1994). Les chercheurs ont alors grandement étudié le changement conceptuel qui décrit « les parcours d’apprentissage des élèves de leurs conceptions initiales vers les concepts scientifiques à apprendre. » (Duit, 1999, cité dans Duit et Treagust, 2003, p. 673, traduction libre).

Cependant, aucun modèle ne parvient à faire consensus (diSessa, 2008, 2008; Rusanen, 2014). Qui plus est, plusieurs de ces modèles divergent sur plusieurs considérations importantes telles que l’avenir des conceptions alternatives après le changement conceptuel (Potvin, 2017). Pour certains, un changement conceptuel réussi entraîne le remplacement (p. ex. Posner, Strike, Hewson et Gertzog, 1982) ou la transformation de la conception alternative (p. ex. Vosniadou, 1994; Chi, Slotta et De Leeuw, 1994). Pour d’autres, il s’agit plutôt d’une compétition entre la conception alternative et le concept scientifique (e.g. Mortimer, 1995; Potvin, 2013).

Des études récentes ayant utilisé les temps de réponse semblent toutefois indiquer que les conceptions alternatives ne sont pas effacées après le changement conceptuel et qu’elles coexistent avec les conceptions scientifiques (Babai et Amsterdamer, 2008; Babai, Sekal, et Stavy, 2010; Kelemen, Rottman, et Seston, 2012; Potvin et Cyr, 2017; Shtulman et Harrington, 2015). D’autres études ont renforcé cette hypothèse en analysant l’activité cérébrale associée à l’expertise en physique grâce à l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) (Brault Foisy, Potvin, Riopel et Masson, 2015; Masson, Potvin, Riopel et Brault Foisy, 2014). Leurs résultats ont montré que l’activation dans les régions cérébrales reliées à l’inhibition était significativement plus importante chez les experts que chez les novices. Les auteurs concluent ainsi que les experts doivent inhiber leurs conceptions alternatives pour répondre correctement à des tâches contre-intuitives.

Toutefois, il est encore incertain si l’inhibition contribue aussi à l’expertise en chimie. Pour valider cette hypothèse, une tâche cognitive en chimie a été élaborée et utilisée lors d’une étude en IRMf auprès de 19 enseignants en chimie de niveau collégial et universitaire. Cette tâche consistait en 40 paires de stimuli en lien avec différentes conceptions alternatives en chimie. Chaque paire était formée d’un énoncé congruent avec la conception alternative et d’un énoncé incongruent qui nécessite de surmonter la conception alternative pour répondre correctement.

L’exactitude des réponses, le temps de réponse et l’activité cérébrale ont été mesurés et analysés. Des différences significatives ont été observées dans l’exactitude et les temps de réponse entre les énoncés congruents et incongruents. De plus, l’analyse de l’activité cérébrale lors de l’évaluation des énoncés incongruents révèle une activation plus importante dans le cortex préfrontal dorsolatéral, dans la partie antérieure de l’aire motrice supplémentaire (pré-AMS) et dans le cortex préfrontal ventrolatéral gauche/insula antérieure gauche. Ces trois régions cérébrales sont fréquemment activées dans plusieurs tâches d’inhibition (Laird et al., 2005; Nozari, Mirman et Thompson-Schill, 2016; Simmonds, Pekar et Mostofsky, 2008).

Les résultats viennent donc appuyer l’hypothèse de la coexistence des conceptions et du rôle de l’inhibition dans l’expertise en chimie. Plusieurs modèles de changement conceptuel gagneraient donc à être repensés pour s’harmoniser avec les conséquences de la coexistence des conceptions. L’enseignement des sciences se voit aussi influencé par les résultats de cette étude. En effet, les enseignants devront probablement revoir leurs stratégies d’enseignement afin de favoriser la prévalence de la conception scientifique (Potvin, 2013, 2017). De nouvelles stratégies pourront aussi être proposées afin d’aider les élèves à développer leur capacité à inhiber (Houdé et al., 2000, 2001).

Mots-clés : changement conceptuel, éducation scientifique, chimie, inhibition, IRMf, neuroéducation.

Relation entre le contrôle inhibiteur et les difficultés des élèves à mobiliser les conceptions scientifiques

Allaire-Duquette, G. (2018). Relation entre le contrôle inhibiteur et les difficultés des élèves à mobiliser les conceptions scientifiques (Thèse de doctorat), Université du Québec à Montréal, Canada. url: https://archipel.uqam.ca/11466/ 

RÉSUMÉ : Plusieurs élèves éprouvent des difficultés conceptuelles en sciences, c’est-à-dire des difficultés à répondre à des questions de nature qualitative qui ne requièrent pas l’usage d’outils mathématiques. Ces difficultés ont une incidence sur l’apprentissage des concepts scientifiques prévus dans les programmes scolaires, mais aussi sur le sentiment de compétence des élèves en sciences et donc aussi sur leur persévérance et leur réussite. Depuis la fin des années 1970, des études ont permis de révéler que ces difficultés sont notamment attribuables à la persistance de conceptions spontanées, des représentations intuitives du monde, qui sont incompatibles avec les connaissances scientifiques prévues dans les programmes scolaires. Les conceptions spontanées mènent donc souvent les élèves à donner des réponses scientifiquement inappropriées à des questions portant sur des phénomènes naturels, même après avoir reçu une éducation scientifique.

La persistance des conceptions spontanées a été abordée par plusieurs chercheurs dans une perspective de coexistence des conceptions spontanées et scientifiques. La thèse s’inscrit dans cette perspective où la persistance des conceptions spontanées est expliquée en partie par la difficulté à les faire coexister avec les conceptions scientifiques apprises. Il est effectivement difficile pour plusieurs élèves de mobiliser une conception appropriée dans le contexte scientifique, car les conceptions spontanées sont plus facilement accessibles et souvent automatiquement mobilisées. Ce recours automatique aux conceptions spontanées proviendrait notamment du fait que ces conceptions sont utiles dans plusieurs situations de la vie quotidienne et possèdent donc leurs propres contextes de validité. Conséquemment, elles sont largement renforcées et plus intuitivement mobilisées que les conceptions scientifiques.

Les recherches suggèrent donc que pour arriver à mobiliser les conceptions scientifiques, il faille avoir recours à un contrôle plus important des modes de pensée. Plusieurs études avancent que cette forme de raisonnement implique le contrôle inhibiteur, c’est-à-dire le contrôle ou le blocage des réponses ou de stratégies de pensée spontanées. Des recherches ont par exemple montré que des experts en sciences activent davantage que des novices le contrôle inhibiteur pour surmonter les difficultés que posent les conceptions spontanées en électricité et en mécanique.

Bien que prometteurs, les résultats de ces recherches portent sur des participants ayant différents niveaux de formation. Ainsi, le fait que des élèves ayant pourtant profité d’une instruction scientifique comparable éprouvent à des degrés variables des difficultés conceptuelles demeure insuffisamment compris, notamment au regard de l’implication du contrôle inhibiteur. L’objectif de cette recherche consiste à vérifier si les difficultés conceptuelles des élèves sont associées à une plus faible activation du contrôle inhibiteur.

Or, il s’avère difficile de contribuer à mieux comprendre la relation entre ces difficultés et le contrôle inhibiteur à partir d’approches méthodologiques reposant sur des observations comportementales. L’activation du contrôle inhibiteur peut être masquée par les réponses, scientifiquement appropriées fournies par les élèves. De plus, l’inhibition des conceptions spontanées peut se produire de façon inconsciente et il n’est donc pas possible non plus de se fier uniquement à l’explicitation de leur démarche de raisonnement. Les tests neuropsychologiques, les temps de réponse ou l’amorçage négatif comportent également des limites importantes. Les tests neuropsychologiques ne permettent pas de mesurer l’implication du contrôle inhibiteur au cours d’une tâche. Les méthodes basées sur les temps de réponse et l’amorçage négatif, bien que répandues et validées, mènent à des interprétations qui sont largement dépendantes de la qualité de la tâche utilisée et de l’équivalence de la condition contrôle. Une approche basée sur l’utilisation de l’imagerie cérébrale permet de palier à certaines des limites des mesures comportementales et présente l’avantage d’observer l’activation du contrôle inhibiteur en temps réel, c’est-à-dire alors qu’une tâche est réalisée.

Depuis les premières études en neuropsychologie, le cortex préfrontal est connu comme une région cérébrale clé du contrôle inhibiteur. Les études en neuroimagerie montrent que le cortex préfrontal ventrolatéral (CPVL) et le cortex préfrontal dorsolatéral (CPDL) sont parmi les régions les plus activées pour inhiber une réponse spontanée. À ces régions, il faut ajouter le cortex cingulaire antérieur (CCA). Le CCA serait plus précisément associé à la détection d’un conflit et le cortex préfrontal (CPVL et CPDL) au contrôle inhibiteur subséquent. Cette étude vérifie ainsi l’hypothèse selon laquelle les élèves ayant plus de difficulté à mobiliser les conceptions scientifiques sous-activent des régions cérébrales associées au contrôle inhibiteur (CCA, CPVL, CPDL) par rapport à d’autres ayant plus de facilité.

Pour vérifier cette hypothèse, deux groupes de participants ont été comparés : un groupe de 12 élèves ayant des difficultés conceptuelles et un groupe de 12 élèves ayant plus de facilité. L’activité cérébrale des participants a été mesurée par IRMf alors qu’ils réalisaient une tâche cognitive où leur étaient présentés des énoncés concernant des concepts scientifiques abordés dans le programme de formation de l’école québécoise. Les participants, tous inscrits en 5e secondaire (16-17 ans) au cours de l’option sciences, devaient déterminer si les énoncés étaient scientifiquement corrects ou incorrects. La moitié des énoncés étaient congruents, c’est-à-dire qu’ils étaient compatibles avec les conceptions spontanées identifiées dans les recherches antérieures et reconnues comme répandues. L’autre moitié des énoncés étaient incongruents, c’est-à-dire incompatibles avec les conceptions spontanées et requéraient par conséquent de mobiliser la conception scientifique pour donner une réponse appropriée dans ce contexte. Cette méthode a permis de comparer comment l’activité cérébrale des deux groupes diffère selon qu’ils répondent à des énoncés congruents ou incongruents.

Les résultats montrent que, par rapport aux élèves ayant de la facilité, les élèves ayant des difficultés conceptuelles n’ont pas autant ralenti leurs réponses et ils ont sous-activé des régions cérébrales préfrontales associées au contrôle inhibiteur (CPDL et CPVL) lors des énoncés incongruents. La principale conclusion est donc que, pour les élèves ayant des difficultés conceptuelles, il semble être plus difficile de contrôler l’activité dans les réseaux de neurones rattachés aux conceptions spontanées qui sont reconnus comme persistants, résistants et automatiquement activés. Les résultats appuient l’idée que certains élèves ont une moins grande capacité à inhiber ou bloquer l’activation intuitive et automatique des réseaux neuronaux rattachés aux conceptions spontanées pour en arriver à mobiliser les conceptions scientifiques.

En somme, à la lumière des résultats de cette recherche et de recherches antérieures, le contrôle inhibiteur semble être une partie importante du processus d’apprentissage des concepts scientifiques. Cette recherche a été menée dans l’espoir de mieux comprendre le lien entre les difficultés conceptuelles que vivent les élèves et le contrôle inhibiteur afin d’appuyer les enseignants en sciences dans la prise de décisions éducatives plus éclairées et dans le choix plus judicieux des interventions éducatives qui visent à les aider à apprendre les concepts scientifiques. L’idée d’une « didactique du contrôle inhibiteur » en sciences semble représenter un point de départ intéressant qui ouvre sur plusieurs autres pistes. Les résultats mènent en effet à envisager des pistes de recherche sur les interventions visant le développement de contrôle inhibiteur que les enseignements peuvent considérer pour mieux aider les élèves ayant des difficultés conceptuelles en sciences.

Comparaison de l’activité cérébrale et du temps de réaction de novices en électricité avant et après avoir surmonté une conception alternative fréquente concernant les circuits électriques simples

Nenciovici, L. (2017). Comparaison de l’activité cérébrale et du temps de réaction de novices en électricité avant et après avoir surmonté une conception alternative fréquente concernant les circuits électriques simples. (Mémoire de maîtrise), Université du Québec à Montréal, Canada. url: https://archipel.uqam.ca/11658/

RÉSUMÉ : Les difficultés éprouvées par les élèves dans l’apprentissage de concepts scientifiquescontre-intuitifs proviennent fréquemment des conceptions alternatives qu’ilspossèdent. Le processus d’apprentissage de concepts scientifiques contre-intuitifs se nomme « changement conceptuel » et n’est pas encore bien compris, notamment concernant les mécanismes cognitifs impliqués. Des études récentes ont montré que, pour répondre scientifiquement à des questions impliquant des conceptions alternatives, des experts en sciences présumés avoir complété un changement conceptuel activaient principalement deux mécanismes : (1) le contrôle inhibiteur, qui consiste à inhiber les conceptions alternatives, toujours présentes dans leur pensée, pour surmonter ainsi leur tendance à fournir des réponses erronées correspondant à ces conceptions, et (2) la récupération en mémoire, qui consiste à récupérer le concept scientifiquement correct. Toutefois, les mécanismes mobilisés par des novices afin de surmonter leurs conceptions alternatives sont beaucoup moins connus. Dans la présente étude, un groupe de novices en électricité (N = 22) ont répondu à un test en électricité à deux moments, soit avant et après avoir surmonté une conception alternative fréquente concernant les circuits électriques simples. Le temps de réaction et l’activitécérébrale ont été mesurés à ces deux moments en utilisant l’imagerie par résonancemagnétique fonctionnelle (IRMf). Les hypothèses étaient à l’effet que, pour surmonter la conception alternative, les novices mobiliseraient les deux mêmes mécanismes que les experts. Les résultats montrent que, après avoir surmonté la conception alternative comparativement à avant, le temps de réaction des novices était plus court et leur patrond’activité cérébrale présentait des activations dans les aires rostrofrontales et pariétales. Ces résultats suggèrent l’activation d’un mécanisme de récupération en mémoireépisodique, mais pas d’inhibition. Ces résultats suggèrent aussi que l’apprentissage deconcepts scientifiques contre-intuitifs implique davantage que la simple correctiond’une réponse erronée. La mobilisation de la récupération en mémoire épisodique dansles stades précoces du changement conceptuel est compatible avec certains modèles de changement conceptuel, comme le modèle d’Ohlsson qui postule que les contenusemmagasinés dans cette mémoire peuvent agir comme des unités de savoir contribuant ultérieurement à la formation de concepts. Deux des principales limites de cette étude sont le manque de suivi longitudinal du processus de changement conceptuel et le typed’intervention mis en place, qui restreint l’inférence d’implications pédagogiques.