Cette thèse se situe dans le domaine de l’Instructional Design, un champ de recherche anglo-saxon qui génère des connaissances pour améliorer la conception des environnements destinés aux apprentissages directs et explicites. Les recherches actuelles montrent que les apprentissages à partir d’environnements complexes permettent de confronter les apprenants à des situations authentiques des réalités de la vie et montrent des performances intéressantes, notamment dans les situations de transfert. Les environnements complexes sont caractérisés par la présence de nombreux éléments et de nombreuses interactions qui peuvent être difficilement traités par la mémoire de travail et dégrader fortement les performances d’apprentissage. Dans ce cas, la théorie de la charge cognitive préconise une approche en deux étapes en présentant en premier les éléments extraits du tout puis le tout. A partir d’une contribution empirique fondée sur quatre expérimentations où sont manipulés le niveau de complexité du matériel d’apprentissage, le degré d’isolement des éléments et le séquencement de la présentation, nous montrons que pour du matériel très complexe, les meilleures performances d’apprentissage sont obtenues en présentant de la complexité dans la première étape. Pour expliquer ces résultats, nous nous appuyons sur la théorie des desirable difficulties et sur les théories de l’engagement. / This thesis is in the field of Instructional Design, an Anglo-Saxon field of research that generates knowledge to improve the design of environments for direct and explicit learning. Current research shows that learning from complex environments allow learners to confront authentic situations from the realities of life and show interesting performance, especially in transfer situations. Complex environments are characterized by the presence of many elements and many interactions that can’t be easily dealt with by the working memory and greatly degrade the learning performance. In this case, the cognitive load theory recommends a two-step approach by presenting first extracts elements of the whole and the whole. From an empirical contribution based on four experiments which handled the complexity of the learning material, the degree of isolation and sequencing of the presentation, we show that for highly complex environments, the best learning performance are obtained by introducing the complexity in the first step. To explain these results, we rely on the desirable difficulties theory and theories of engagement.

L’étude que nous présentons concerne le rôle du guidage dans l’apprentissage de connaissances scientifiques. En sciences, comme dans d’autres domaines, deux types de connaissances peuvent être distingués (Geary, 2007). D’un côté, les connaissances primaires qui sont des connaissances pour lesquelles l’être humain a évolué ; de l’autre, les connaissances secondaires qui dépendent de la culture et qui évoluent en fonction des changements successifs de cette culture. Selon Geary (2008), alors que les connaissances primaires peuvent être acquises de manière implicite, l’acquisition des connaissances secondaires par les apprenants débutants nécessite un apprentissage explicite et bien souvent, une instruction formelle. Ces deux types de connaissances diffèrent aussi en fonction du coût cognitif qu’ils génèrent. La théorie de la charge cognitive de Sweller (1988) montre que les processus d’apprentissage dépendent de la quantité de ressources attentionnelles en mémoire de travail, requises par l’activité et de la structuration de ces informations dans la mémoire à long terme. Alors que les connaissances primaires peuvent être apprises avec une faible charge cognitive, apprendre les connaissances secondaires va requérir une très grande charge cognitive.Il existe plusieurs formes d’instruction explicite qui ont montré leur efficacité dans les processus d’apprentissage (Renkl, 1997) et notamment le guidage (à partir de l’étude d’exemples travaillés). En effet, le guidage faciliterait l’acquisition des connaissances car il réduirait la quantité de ressources cognitives engagée dans le processus d’apprentissage. Ainsi, le guidage serait inefficace dans le traitement des connaissances primaires et efficace avec celui des connaissances secondaires. Cette recherche a pour but de tester empiriquement cette hypothèse dans le domaine de la biologie. Cinq études ont donc été réalisées auprès de 420 élèves de 6ème de collège. Il s’agissait de comparer trois modalités de guidage : un guidage fort, un guidage adaptatif et une absence de guidage. Les trois premières études concernaient la connaissance primaire de catégorisation impliquée dans la catégorisation du vivant (Etude I), la catégorisation des végétaux (Etude II) et la catégorisation des animaux (Etude III). Ces études, de difficulté croissante, ont montré que le guidage n’était pas efficace dans l’apprentissage de cette connaissance. Les deux autres études concernaient la connaissance secondaire de classification phylogénétique des végétaux (Etude IV) et des animaux (Etude V). Ces études ont montré que, dans ce cas, le guidage était indispensable pour aider les apprenants débutants / This study deals with the role of instruction in learning scientific knowledge. In science as in other fields, two types of knowledge can be distinguished (Geary, 2007): on the one hand, primary knowledge, which is adaptative knowledge; on the other hand, secondary knowledge which depends on culture and which evolves according to this culture’s successive changes. For Geary (2007), primary knowledge can be acquired incidentally or from implicit learning whereas secondary knowledge requires some explicit learning, and often formal instruction.These two knowledge types also differ in terms of cognitive cost. Sweller’s load theory (2008) shows that the learning process depends on the amount of attentional resources of working memory required by the activity and on the structuring of this information in the long-term memory. While primary knowledge can be learnt with a low cognitive load, learning secondary knowledge will require a high cognitive load. Some types of explicit instruction, such as guidance (e.g., worked examples) have proven effective in the learning process (Renkl, 1997). Indeed, instructional guidance would facilitate knowledge acquisition as it would reduce the amount of cognitive resources involved in the learning process. Thus, instructional guidance to help young learners would be ineffective for primary knowledge and necessary for secondary knowledge. This study also aims at examining the effect of instructional guidance in Biology. Five experiments have been conducted with 420 students in 6th grade. Three guidance methods have been compared: strong guidance, adaptative guidance and no guidance. The first three experiments dealt with the primary knowledge of categorization of living species: living beings (Study I), plants (Study II) and animals (Study III). These experiments, of increasing difficulty, have shown that explicit instruction was not effective in learning this type of knowledge.. The other two experiments dealt with the secondary knowledge of the phylogenetic categorization of plants (Study IV) and animals (Study V). These studies have shown that secondary knowledge needs to be taught.

Comment les animations pédagogiques doivent-elles être conçues pour améliorer l'apprentissage? Quels sont les facteurs qui doivent être pris en compte lors de du design des animations? Les récents progrès dans le domaine d'enseignement assisté par ordinateur ont permis de créer des visualisations dynamiques telles que les animations pour présenter des informations dynamiques qui changent au cours du temps et dans l'espace. Cependant, plusieurs recherches ont montré que les animations imposent de lourdes demandes sur les ressources de la mémoire de travail entraînant une diminution des résultats d'apprentissage. En se basant sur une perspective de la charge cognitive, nous avons essayé de manager la charge cognitive imposée par des animations de football à travers l'utilisation de différents designs pédagogiques. Les résultats ont indiqué des interactions significatives entre ces designs et le niveau d'expertise des joueurs, conduisant au phénomène connu sous le nom d'effet du renversement de l'expertise. Selon cet effet, les designs pédagogiques qui sont efficaces pour les joueurs novices peuvent devenir inefficaces, voire même nuisibles pour les joueurs experts. Les résultats soulignent l'importance d'ajuster les designs pédagogiques aux changements du niveau d'expertise du joueur. / How instructional animations should be designed in order to enhance learning? What factors need to be taken into account in the design of animations? Recent advances in computer-based instruction have made it possible to produce dynamic visualizations such as animations to depict dynamic information that change over time and space. However, there has been increasing evidence accumulated that animations often impose significant working memory demands resulting in decreased learning outcomes. Based on a cognitive load perspective, in this thesis, we tried to effectively manage cognitive load imposed by soccer animations through the use of different forms of instructional designs. The results indicated significant interactions between these instructional designs and levels of player expertise, leading to the phenomenon known as the expertise reversal effect. According to this effect, the instructional designs that are effective for novice players may become ineffective or even detrimental for expert players. The findings argue for the importance of tailoring instructional designs to changing levels of player expertise.