Un « tuteur cognitif » pour mieux apprendre l’algèbre

L'article passe en revue les caractéristiques qui rendent efficace un exerciseur nommé « tuteur cognitif », utilisant des principes d'intelligence artificielle pour guider les élèves dans leurs apprentissages.

Tous les enseignants de mathématiques connaissent les exerciseurs, qui fournissent un ensemble automatisé d’exercices, permettant un travail en autonomie de l’élève, dont la progression peut être gérée par l’ordinateur. Ces logiciels existent depuis longtemps et leur intérêt pédagogique a fait l’objet d’analyses approfondies. Un rapport récent passe en revue une dizaine d’études sur l’impact d’un exerciseur particulier, nommé « tuteur cognitif », qui utilise des principes d’intelligence artificielle pour guider les élèves dans leur apprentissage. Cet exerciseur a fait preuve d’un effet positif réel sur l’apprentissage de l’algèbre au collège aux Etats-Unis. Après un usage soutenu pendant une année scolaire, les connaissances des élèves utilisateurs ont nettement progressées par rapport à celles d’un groupe contrôle.

Quelles caractéristiques rendent efficace le tuteur cognitif ?

Le « tuteur cognitif » est en fait un programme qui comprend non seulement le logiciel d’exercices, mais aussi un manuel et des instructions pour l’enseignant. Dans les évaluations, le manuel était utilisé trois jours par semaine, dans des séances collectives ou par petits groupes, en salle de classe. Le logiciel quant à lui était utilisé deux fois par semaine dans la salle informatique ou sur des ordinateurs portables dans la salle de classe. Le logiciel peut être utilisé à distance ou en installation locale, selon le type d’abonnement.

La principale caractéristique du logiciel est qu’il identifie les forces et les faiblesses de chaque élève par rapport aux concepts mathématiques, et fournit des messages incitatifs sur les questions qui posent problème afin d’aider l’élève à s’en sortir. Quand l’élève ne réussit pas à trouver une bonne réponse, le logiciel propose de la lui fournir. Ensuite, il lui présente de nouveaux exercices avec ces mêmes questions jusqu’à ce qu’une amélioration soit constatée chez l’élève.

Les exercices sont proposés à l’élève de façon à l’induire petit à petit à généraliser un raisonnement. D’abord, l’élève doit fournir des réponses directes à des questions posées en relation avec l’énoncé du problème. Après plusieurs questions et de manière progressive, l’élève est amené à formaliser son raisonnement sous la forme d’une équation algébrique. C’est seulement dans les chapitres plus avancés du logiciel que l’élève est encouragé à passer directement de l’énoncé du problème à la résolution d’une équation.

Des modèles mathématiques sont utilisés pour simuler les réponses des élèves. Ces données sont comparées à des réponses réelles provenant d’études de terrain. Ceci permet de détecter d’éventuelles incohérences et de corriger les problèmes. C’est ainsi que l’on s’est rendu compte que beaucoup d’élèves échouaient dans la résolution d’équations du type « ax = b », dans les cas où « a = -1 ». Beaucoup d’élèves ne voyaient pas que « -x » est en fait « -1x » et ils échouaient sur plusieurs exercices. Ainsi, les concepteurs ont inclus dans le logiciel des questions de vérification, pour s’assurer que l’élève comprenne bien le concept avant de poursuivre dans l’exercice.

La base pour le développement du programme est une théorie cognitive complexe baptisée « ACT-R », développée par John Anderson (université Carnegie Mellon) et ses collaborateurs depuis les années 1970. Elle allie des principes de la psychologie cognitive avec ceux des sciences de la computation et l’intelligence artificielle. Le « tuteur cognitif » a été implémenté pour la première fois en contexte scolaire en 1992 et depuis il a été utilisé par plus de 500 000 élèves. En plus de l’algèbre, le programme couvre aussi la géométrie, mais ce module ne faisait pas partie de l’étude passée en revue.

Le rapport qui présente les résultats du tuteur cognitif a été réalisé par un groupe d’experts du programme « What Works Clearinghouse » rattaché à l’Institut américain de financement de la recherche en éducation. Ils ont passé au crible 14 travaux publiés sur l’utilisation du logiciel, dont onze réalisés dans des contextes pédagogiques (écoles, salles de classe, etc.). Mais ils n’ont sélectionné qu’une étude répondant à des critères stricts d’analyse. Cette étude correspondait à un projet de recherche impliquant 426 élèves et six enseignants de trois collèges différents. Chaque enseignant a été formé pour utiliser le « tuteur cognitif » dans sa classe pendant la moitié de l’année scolaire. Durant l’autre moitié, ces enseignants utilisaient leur méthode traditionnelle, qui était la même pour les six enseignants (un manuel commun adopté dans un bassin d’écoles). De cette façon, tous les enseignants utilisaient les deux méthodes de manière contrebalancée (en début ou fin d’année selon la classe) pour éviter des biais connus comme « l’effet enseignant ».

Les connaissances et compétences des élèves en algèbre ont été mesurées au début et à la fin de l’année scolaire avec un test standardisé, qui comprend 25 questions à choix multiple et 15 questions ouvertes. Ce test mesure la compréhension de concepts en algèbre, ainsi que le processus utilisé pour résoudre des problèmes. Il était indépendant des évaluations faites par les enseignants en parallèle, également prises en comptes dans l’étude, mais non incluses dans l’analyse finale du groupe d’experts.

La conclusion du groupe d’experts qui a évalué l’impact de l’exerciseur d’algèbre est positive, mais tout de même prudente. Les experts affirment qu’il y a des effets « potentiellement » positifs pour l’apprentissage des élèves, car au moins une étude apporte des preuves solides d’un effet positif et aucune étude n’apporte de preuves d’un effet négatif (parmi les études révisées). Le meilleur classement est obtenu quand plusieurs études répondant aux critères de sélection démontrent des effets positifs. Un autre facteur à prendre en compte dans l’interprétation des résultats est que l’évaluation porte sur la totalité du programme du « tuteur cognitif » : logiciel + cours et discussions en salle.

Mônica Macedo-Rouet - titulaire d'un doctorat en sciences de l'information et de la communication, ex-secrétaire de rédaction de la revue en ligne ComCiencia

date de publication : 16/02/2010

Pour les enseignants intéressés par les usages des exerciseurs en mathématiques :

• s’assurer évidemment que le programme de l’exerciseur choisi est compatible avec le programme des cours de l’enseignant et que les deux se complètent ;
• évaluer la qualité des « messages de retour » (feedback) donnés par l’exerciseur à l’élève et s’assurer qu’ils lui permettent de corriger ses erreurs et d’avancer;
• identifier les difficultés de l’élève à l’avance et le guider vers les exercices qui traitent des points lui posant problème. S’assurer que les difficultés sont levées avant de passer à d’autres points, concepts et problèmes.

• U.S. Department of education (2009). WWC intervention report – Cognitive Tutor® Algebra I. Available from : ies.ed.gov/ncee/wwc/reports/middle_math/ct_algebra1/
• Morgan, P., & Ritter, S. (2002). An experimental study of the effects of Cognitive Tutor® Alegbra I on student knowledge and attitude. Available from : www.carnegielearning.com
• Ritter, S., Anderson, J., Koedinger, K., & Corbett, A. (2007). Cognitive Tutor: Applied research in mathematics education. Psychonomic Bulletin & Review, 14(2), 249-255.