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, Université du Québec à Montréal, Canada). url: labneuroeducation.org/s/Malenfant2018.pdf

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.

Blocking our brain: How we can avoid repetitive mistakes!

Brault Foisy, L.-M., Ahr, E., Masson, S., Borst, G., & Houdé, O. (2015). Blocking our brain: How we can avoid repetitive mistakes! Frontiers for Young Minds, 3(17), 1-9. doi:10.3389/frym.2015.00017

ABSTRACT. Persistent mistakes at schools are dif cult for teachers, parents, and most of all the children to deal with. Children who keep making the same mistakes tend to be viewed as bad students, but here we propose a different point of view! We think that children often make mistakes not because they do not know the correct answer, but because they fail to block a quicker but wrong answer that seems to make sense. Studies of the brain actually revealed that children, as well as adults, use an area of the brain called the prefrontal cortex to inhibit persistent mistakes. Learning to inhibit these mistakes is thus a promising way to help children overcome dif culties at school as well as to help us think more logically as we face problems in everyday life.

Is inhibition involved in overcoming a common physics misconception in mechanics?

Brault Foisy, L.-M., Potvin, P., Riopel, M., & Masson, S. (2015). Is inhibition involved in overcoming a common physics misconception in mechanics? Trends in Neuroscience and Education, 4(1-2), 26-36. doi: 10.1016/j.tine.2015.03.001

ABSTRACT. Science education is often challenged by students' misconceptions about various phenomena. Recent studies show that these misconceptions coexist with scientific conceptions, even after a conceptual change occurs. However, the mechanisms involve in overcoming the interference caused by this coexistence remain poorly understood. A possible explanation is that inhibition could play a role in learning science. An fMRI protocol was used to obtain functional brain images of novices and experts while performing a cognitive task in mechanics, a scientific discipline for which misconceptions are known to be frequent and persistent. The results show that experts, significantly more than novices, activate brain areas associated with inhibition: the right ventrolateral prefrontal cortex and the left dorsolateral prefrontal cortex. This suggests that the experts' misconceptions in mechanics have not been eradicated or transformed during learning; they would rather have remained encoded in their brain and were then inhibited to provide a correct answer.

Differences in Brain Activation Between Novices and Experts in Science During a Task Involving a Common Misconception in Electricity

Masson, S., Potvin, P., Riopel, M., & Brault Foisy, L.-M. (2014). Differences in brain activation between novices and experts in science during a task involving a common misconception in electricity. Mind, Brain, and Education, 8(1), 37-48. doi: 10.1111/mbe.12043

Science education studies have revealed that students often have misconceptions about how nature works, but what happens to misconceptions after a conceptual change remains poorly understood. Are misconceptions rejected and replaced by scientific conceptions, or are they still present in students’ minds, coexisting with newly acquired scientific conceptions? In this study, we use functional magnetic resonance imaging (fMRI) to compare brain activation between novices and experts in science when they evaluate the correctness of simple electric circuits. Results show that experts, more than novices, activate brain areas involved in inhibition when they evaluate electric circuits in which a bulb lights up, even though there is only one wire connecting it to the battery. These findings suggest that experts may still have a misconception encoded in the neural networks of their brains that must be inhibited in order to answer scientifically.