Training in the inhibition of heuristics in physics education

Neurodidactics (Riopel et al., 2007) is the field studying the brain mechanisms related to the learning and teaching of disciplines such as physics. One of its most emblematic results (Potvin & Cyr, 2017) is that our brain tends, in a given context, to respond very quickly - too quickly sometimes - by mobilizing our most spontaneous ideas (our misconceptions). It also tends to induce the use of false reasoning when they should be inhibited. In fact, logical reasoning sometimes seems quite difficult. Some cognitive biases, beliefs and prior conceptions can indeed largely interfere with so-called logical reasoning and produce systematically false reasoning. This does not mean that the brain is not able to function properly, but rather that these biases and intuitions take over the reasoning that we usually call scientific. This is the hypothesis of Kahneman (2012): the brain works by using two systems of thought that coexist, system 1 - which is fast, intuitive and emotional - and system 2 - which is slow, logical and lazy. To be able to inhibit a scientifically wrong strategy in favor of a correct and reliable, but slower one, is a real challenge. In order to achieve this, the brain must be able to call upon a different set of brain areas (system 2) than those usually used to perform a particular task (Houdé et al., 2000). At the same time, research in physics and education has shown that learners have initial misconceptions (Potvin, 2019) that coexist with scientific knowledge and that often bias their reasoning in learning situations. Learners may therefore have different conceptions that coexist, contradictory or not, correct or not, and that may even compete with each other (Taber, 2000). It is, therefore, important that these initial conceptions are taken into account in teaching in order to develop learning strategies. Recent neuroscience studies have also highlighted the importance of executive functions (Diamond, 2013) in expertise in different topics of science (Potvin, 2019). More specifically, the ability to inhibit a heuristic constitutes one of the key mechanisms to overcome the systematic errors observed in the cognitive domain and thus to develop it (Houdé & Borst, 2014). The objectives of this doctoral research are first to train teenagers and young adults to inhibit. Then, it proposes to analyze the impact of this training on the distancing of the spontaneous use of their intuition when solving problems related to the physical sciences. This presentation introduces the theoretical framework, the methodology and some of the first results. They could be useful in terms of diagnosis and differentiation in learning. From the outset, some gender differences seem to appear. There is a significant difference in the levels of cognitive development between boys and girls of the same age, from early to late adolescence. Moreover, the prevalence of some misconceptions recurrently appears according to previous studies in physics and education. REFERENCES Diamond, A. (2013). Executive Functions. Annual Review of Psychology, 64(1), 135‑168. Houdé, O., & Borst, G. (2014). Measuring inhibitory control in children and adults: Brain imaging and mental chronometry. Frontiers in Psychology, 5. Houdé, O., Zago, L., Mellet, E., Moutier, S., Pineau, A., Mazoyer, B., & Tzourio-Mazoyer, N. (2000). Shifting from the Perceptual Brain to the Logical Brain: The Neural Impact of Cognitive Inhibition Training. Journal of Cognitive Neuroscience, 12(5), 721‑728. Kahneman, D. (2012). Thinking, fast and slow. Penguin Books. Potvin, P. (2019). Faire apprendre les sciences et la technologie à l’école : Épistémologie, didactique, sciences cognitives et neurosciences au service de l’enseignant. Hermann. Potvin, P., & Cyr, G. (2017). Toward a durable prevalence of scientific conceptions: Tracking the effects of two interfering misconceptions about buoyancy from preschoolers to science teachers: Prevalence of conceptions about buoyancy. Journal of Research in Science Teaching, 54(9), 1121‑1142. Riopel, M., Masson, S., & Potvin, P. (2007). Regards multiples sur l’enseignement des sciences. Editions MultiMondes. Taber, K. S. (2000). Multiple frameworks? Evidence of manifold conceptions in individual cognitive structure. International Journal of Science Education, 22(4), 399‑417

Les représentations initiales des élèves et le processus de problématisation en classe de sciences

While the teaching of science remains complex, even difficult, for teachers because of the omnipresence of the primary conceptions of the pupils, true slags in the pedagogical process, Learning is also painful for students for whom science does not or more necessarily makes sense. It must be recognized that most of the time, students are not associated with certain processes of construction of the sciences such as modelling or conceptualization, yet essential to ensure understanding. The process of investigation, and more particularly problematization could therefore be an interesting alternative since it encourages students to participate from the outset in the epistemological dimension of the sciences by developing important transversal skills such as the arguments. If problematization in science class proves to be a motivating methodological engineering for students, it also seems demanding for the teacher.Si l’enseignement des sciences reste complexe, voire difficile, pour les enseignants du fait de l’omniprésence des conceptions premières des élèves, véritables scories dans le processus pédagogique, l’apprentissage est également pénible pour les élèves pour qui les sciences ne font pas ou plus nécessairement sens. Il faut reconnaître que la plupart du temps, les élèves ne sont pas associés à certains processus de construction des sciences comme la modélisation ou la conceptualisation, pourtant essentiels pour assurer de la compréhension. La démarche d’investigation, et plus particulièrement la problématisation pourrait dès lors constituer une alternative intéressante du fait qu’elle incite les élèves à participer d’emblée à la dimension épistémologique des sciences en développant chez eux des compétences transversales importantes comme l’argumentation. Si la problématisation en classe de sciences se révèle être une ingénierie méthodologique motivante pour les élèves, elle apparaît également exigeante pour l’enseignant. &nbsp

Utilisation de séquences vidéo pour la mise en évidence du raisonnement causal en physique

Le cinéma et les vidéos font partie de notre quotidien. Mais l’image vue sur l’écran dit-elle toujours la vérité ? Sur base de quels critères décide-t-on si ce que l’on voit est vrai ou non ? De par l’importance de son utilisation, nous pensons que l’éducation à l’image peut également passer par un cours de physique tout en permettant de clarifier son mode de pensée. Pour ce faire, nous avons fait visionner un clip vidéo à des étudiants de première année universitaire. Nous leur avons ensuite demandé d’expliquer ce qu’il voyait, par écrit, à la lumière de leurs connaissances. À partir des réponses, nous avons pu mettre en évidence différents types de raisonnements causaux pouvant être expliqués à la lumière de l’ontologie. Nous nous proposons de présenter la méthodologie utilisée ainsi que les principaux résultats obtenus.Motion pictures and video clips are part of our daily lives. But does the image seen on the screen always say the truth? On basis of which criteria do we decide if what we see is true or not? Due to the importance of its use, we think that the image education can also pass by a physics class while allowing to clarify its way of thinking. To study this question, we presented a video clip to university students of first year and we asked for a written explanation in the light of their knowledge. Based on their answers we were able to identify different types of causal reasoning which can be explained with the reference to ontology. We will present the methodology that we used and the main results obtained

Un diagnostic pour enseigner les sciences à l'université

Dans cette étude, nous présentons un questionnaire diagnostic auquel ont participé 192 étudiants de première année universitaire, inscrits dans des filières scientifiques différentes : sciences physiques, sciences géographiques, sciences géologiques, sciences biologiques et médecine vétérinaire. Ce questionnaire, présenté aux étudiants en février 2021, est composé de quatre tests : le premier permet de mesurer le niveau d’abstraction des étudiants ; le second sonde la pensée formelle ; le troisième récolte des conceptions premières en sciences physiques et le quatrième s’intéresse à la psychologie cognitive. Les résultats sont analysés et présentés selon la filière, le genre et l’ancienneté académique (primo-arrivant ou redoublant) des étudiants. En s’appuyant sur les recherches menées par Piaget, une cartographie du niveau cognitif atteint par les étudiants est également établie. Nous constatons la récurrence de certaines difficultés

Transformer les conceptions naïves à l'aide de clips vidéo. Analyser puis scénariser une vidéo aide les futurs ingénieurs à intégrer le système de pensée newtonien

A leur arrivée à l’université, les étudiants ingénieurs semblent brouillés avec la mécanique newtonienne. Un dispositif innovant, basé sur l’analyse puis la réalisation de clips vidéo en petites équipes a été mis en place pour transformer leurs conceptions dans la discipline. Une évaluation qualitative et quantitative a montré l’intérêt du dispositif. On peut pointer plusieurs éléments qui semblent, à nos yeux, constituer des conditions nécessaires sinon suffisantes permettant aux étudiants de revisiter leurs conceptions premières. Elles sont liées pour l’essentiel à l’environnement créé autour du dispositif lui-même. De fait, permettre à des étudiants de réagir à des situations problèmes et leur donner l’occasion de s’exprimer, d’échanger et de produire des clips vidéo contribue très certainement à la mise en place de conflits sociocognitifs efficaces. Le choix des extraits vidéo présentés aux étudiants, très proches de leur quotidien ou faisant appel à leur culture cinématographique, l’organisation d’équipes restreintes, le temps mis à disposition – une semaine ! - et le rôle important joué par les tuteurs expliquent à eux seuls une grande partie des résultats obtenus.Most students in engineering programmes start their first university physics course with a system of beliefs and intuitions which are often inconsistent with the standard Newtonian framework. This paper presents an experiment in collaborative learning with small teams aiming at helping students to relinquish their naïve intuitions about dynamics. An important aspect of this experiment is that students were asked to both critically analyze the contents of video clips illustrating mechanical dynamics and design and realize their own video clip. The efficacy of the activity was assessed. The success of the experiment is attributed to the choice of video clips clearly belonging to student culture, to the students working in teams, and to the quality of the tutoring