Auteur.trice.s : Sonia Twigg, Andy Little et Moises Gallegos
Réviseure : Sara Krzyzaniak, M.D.

Étude de cas

C’est le quart de travail de nuit au service des urgences. Les urgences sont bondées et c’est Sarah, une résidente senior, qui dirige la section. Elle enchaîne les patient.e.s malades et sait qu’il y a encore de longs délais d’attente. Elle va le plus vite possible et jongle avec le plus grand nombre de patient.e.s possible.

Elle voit M. Smith. Il s’agit de son cinquième patient qui se plaint de douleurs thoraciques pendant son quart de travail. M. Smith a la soixantaine et a une présentation typique de la douleur thoracique ischémique : il ressent une forte oppression au centre de la poitrine depuis trente minutes. Il est stable sur le plan hémodynamique, et sa douleur s’atténue après la prise d’aspirine et de nitroglycérine sublinguale. Son ECG montre des dépressions du segment ST dans les dérivations V1 et V3. Sarah s’assure de suivre le protocole du service pour les douleurs thoraciques, ce qui comprend la prescription de troponines et d’ECG répétés, ainsi que de nitroglycérine sublinguale, au besoin. Elle soupçonne que M. Smith a souffert d’un infarctus du myocarde sans sus-décalage du segment ST.

Un autre patient en état critique arrive, alors elle abandonne ce qu’elle fait pour aller le soigner. Trente minutes plus tard, elle est appelée au chevet de M. Smith par son infirmière qui s’inquiète de l’aggravation de son état. M. Smith est diaphorétique, tachycardique et hypotensif. En examinant l’ECG initial, le médecin traitant souligne que les dépressions du segment ST dans les dérivations antérieures sont préoccupantes pour un infarctus du myocarde postérieur avec sus-décalage du segment ST. Le médecin traitant demande un ECG postérieur qui montre les élévations du segment ST dans les dérivations V7-V9, confirmant ainsi ses soupçons.

Sarah est mécontente de ce diagnostic manqué et du retard de soins qu’il a occasionné. Elle se demande si elle aurait été en mesure d’arriver au bon diagnostic si elle n’avait pas été distraite par ses autres patient.e.s et si elle n’avait pas été interrompue fréquemment.

Contexte

La théorie de la charge cognitive s’appuie sur le modèle de la mémoire humaine d’Atkinson et de Shiffrin³. Lorsque des intrants sensoriels entrent dans la mémoire de travail, on les « segmente » en « schémas », qui sont ensuite stockés dans la mémoire à long terme. La mémoire de travail est limitée. En tout temps, on peut conserver sept (plus ou moins deux) éléments dans la mémoire de travail pendant trente secondes. La mémoire à long terme est illimitée, mais on doit récupérer les schémas dans la mémoire de travail lorsqu’on en a besoin. La mémoire de travail devient le goulot d’étranglement de l’apprentissage. Au fil du temps et des expériences, certains schémas deviennent plus complexes, organisés et éventuellement automatisés — c’est l’expertise⁴. Quelle que soit sa complexité, chaque schéma compte comme un élément dans la mémoire de travail. La prémisse de la théorie de la charge cognitive est que les processus d’apprentissage peuvent différer des processus nécessaires à l’exécution d’une tâche. Si la mémoire de travail est consacrée à des tâches qui ne contribuent pas à la construction de schémas dans la mémoire à long terme, l’apprentissage ne peut pas avoir lieu.

La charge intrinsèque décrit la demande cognitive de la tâche elle-même². La charge intrinsèque est affectée par la complexité de la tâche et les connaissances préalables de l’apprenant.e. Les tâches complexes, qui comportent un grand nombre d’éléments ou des éléments hautement interactifs, imposent une charge intrinsèque plus élevée que les tâches simples³. Prenons l’exemple de l’analyse d’un ECG. Les tracés rares ou subtils sont plus difficiles à détecter que les tracés évidents. Les apprenant.e.s novices ont une charge intrinsèque plus élevée que les apprenant.e.s expériment.é.s qui accomplissent la même tâche. On s’attend à ce qu’un.e résident.e senior analyse le même ECG avec plus de rapidité et de précision qu’un.e étudiant.e en médecine.

La charge extrinsèque est l’information supplémentaire que l’on traite qui n’est pas nécessaire à l’exécution de la tâche, mais qui utilise une partie de notre précieuse mémoire de travail². C’est tout ce qui nuit à l’exécution de la tâche. Disons que vous essayez de lire un ECG, c’est la sonnerie qui retentit, l’interruption causée par une question, la mauvaise qualité de l’impression et les contraintes de temps posées par les urgences bondées. Toutes ces distractions augmentent votre charge cognitive et rendent la lecture de l’ECG plus difficile. Mais ce n’est pas toujours négatif! Parfois, l’information supplémentaire facilite la construction de schémas. Par exemple, une consultation rapide des signes d’infarctus du myocarde sans sus-décalage du segment ST dans une référence en ligne avant la lecture de l’ECG peut vous aider à l’interpréter correctement.

La charge essentielle décrit l’effort associé à l’apprentissage. Elle découle du traitement de l’information dans la mémoire de travail en vue de son intégration dans les schémas stockés dans la mémoire à long terme³.Elle est étroitement liée à la charge intrinsèque, mais elle se rapporte davantage à l’attention consacrée à l’apprentissage qu’à l’effort consacré à l’exécution de la tâche (c.-à-d. la charge intrinsèque).

Interprétations modernes de cette théorie

En 2010, Van Merrienboer et Sweller ont énoncé des principes pour guider la conception pédagogique dans l’éducation médicale⁴. En 2015, Fraser et coll. ont approfondi ces principes dans leur examen de la littérature portant sur l’application de la théorie de la charge cognitive aux simulations de soins de santé5.

Stratégies pour gérer la charge intrinsèque :

• Effet du séquencement : Commencez par présenter des concepts simples, suivis de concepts plus complexes.
• Effet de la segmentation : Divisez une tâche en segments gérables. Une fois que des schémas ont été formés pour chacun, combinez-les pour réaliser la tâche au complet (afin de créer un seul schéma).
• Effet de la préformation : Enseignez les composantes d’une tâche avant que les étudiant.e.s l’effectuent au complet. Par exemple, dans le cadre d’une simulation de soins de santé, expliquez le fonctionnement du mannequin et du moniteur de simulation avant de commencer.
• Effet de l’augmentation graduelle de la fidélité : Commencez par des tâches de basse fidélité, puis passez graduellement à des tâches de haute fidélité.

Stratégies pour réduire la charge extrinsèque :

• Effet de la non-spécification du but : Donnez des tâches qui ont plus d’une réponse, par exemple au lieu de demander : « Quel est le diagnostic de ce patient? », dites : « Énumérez autant de diagnostics différentiels que possible pour cette présentation. »
• Effet du problème résolu : Montrez à l’apprenant.e comment effectuer une tâche.
• Effet du problème à compléter : Donnez des tâches partiellement complétées, par exemple : « Veuillez compléter le plan de prise en charge. »
• Effet de l’attention partagé : Ne divisez pas l’attention de l’apprenant.e. Par exemple, ne présentez pas une diapositive contenant un graphique dont l’information se trouve sur une autre diapositive ou un document écrit.
• Effet de la modalité : Utilisez des éléments visuels et auditifs lorsque vous présentez de l’information.
• Effet de la redondance : Évitez les renseignements superflus. Remplacez plusieurs sources par une seule source d’information.

Stratégies pour optimiser la charge essentielle :

• Effet de la variété des exemples : Donnez des tâches qui présentent des variations sur un même thème, p. ex. lire différents types d’ECG d’un infarctus du myocarde sans sus-décalage du segment ST.
• Effet de l’interférence contextuelle : Donnez une série de tâches qui utilisent différentes compétences (forte interférence contextuelle).
• Effet de l’auto-explication : Invitez l’apprenant.e à s’expliquer, par exemple : « Expliquez comment vous êtes arrivé à ce diagnostic. »

Charge cognitive et conception pédagogique :

Leppink décrit trois dimensions qui guident la conception pédagogique⁶ :

• La fidélité des tâches
• La complexité des tâches
• Le soutien pédagogique

Il recommande d’augmenter graduellement la fidélité et la complexité tout en offrant un soutien pédagogique adéquat, puis de diminuer le soutien pédagogique lorsqu’il n’est plus nécessaire.

Ces principes aident à expliquer l’« effet de renversement dû à l’expertise ». Au fur et à mesure que les novices deviennent des spécialistes, les techniques qui, auparavant, augmentaient leur apprentissage commencent à interférer. Par exemple, si vous demandez à un spécialiste d’utiliser une technique mnémonique peu connue pour réaliser une tâche qu’il accomplit déjà bien, vous fournissez trop de soutien pédagogique, ce qui augmente la charge extrinsèque.

Une caractéristique fondamentale des professions de la santé est la nature collaborative des soins. Les chercheur.se.s ont commencé à explorer l’application de la théorie de la charge cognitive à l’apprentissage en groupe et au travail d’équipe. Kirschner et coll. ont promu l’« hypothèse de l’interaction » pour expliquer les différences dans l’efficacité de l’apprentissage des groupes et des personnes^{7, 8}.Ils discutent de l’incidence de l’utilisation d’une mémoire de travail combinée, ou collective, dans la construction de schémas. Dans un contexte de groupe, la charge cognitive peut être répartie dans la mémoire de travail de divers membres de l’équipe aux fins de traitement. De grandes quantités de renseignements sont divisées en segments gérables que les membres de l’équipe peuvent ensuite utiliser pour former un schéma. Cela peut être utile lorsque vous devez effectuer des tâches très complexes qui, autrement, surchargeraient une personne. Cependant, si l’on répartit la charge cognitive dans le cas de tâches de faible complexité, il peut arriver que certaines personnes n’aient pas assez d’information à traiter pour pouvoir construire des schémas. Cela devient en quelque sorte un compromis entre les avantages découlant de la répartition du traitement de l’information dans les mémoires de travail des membres du groupe et les désavantages découlant de la communication de l’information et à la coordination de l’action⁷.

Fraser et coll. ont commencé à examiner la façon dont l’émotion affecte la charge cognitive⁵.Ils font remarquer que l’activation de l’émotion est inévitable dans les simulations des soins de santé, entre autres. L’émotion peut augmenter la charge extrinsèque, mais elle est parfois un élément important de la charge intrinsèque, par exemple dans l’apprentissage de l’annonce d’une mauvaise nouvelle. Les émotions positives semblent améliorer l’apprentissage, par exemple en améliorant la motivation et l’attention ou en améliorant la résolution de problèmes et la créativité. Le stress semble avoir des effets différents; il peut concentrer l’attention et améliorer la construction de schémas pour la tâche en cours, mais il diminue également la mémoire de travail et peut nuire à la récupération de la mémoire à long terme. Il a été démontré que les équipes de soins de santé affichent un meilleur rendement lorsqu’elles se sentent psychologiquement en sécurité, de sorte qu’il est possible d’optimiser les « émotions scolaires », telles que l’anxiété de performance et la motivation à apprendre, si on veille à la sécurité psychologique.

Autres exemples d’application de cette théorie

On peut faire valoir que le modèle pédagogique de classe inversée profite de l’application de la théorie de la charge cognitive, puisqu’on crée une période consacrée à l’apprentissage en l’éliminant de la période de préparation sur les plans temporel et spatial⁹. La séparation inhérente du travail préparatoire de l’application active permet de mettre l’accent sur la charge essentielle pendant les séances en personne et de décharger les processus intrinsèques et extrinsèques. Les principes de conception proposés par Van Merrienboer et Sweller pour améliorer l’équilibre de la charge cognitive dans les professions de la santé peuvent être appliqués pour optimiser le matériel préparatoire et les séances en personne qui créent une expérience d’apprentissage inversée⁴.

L’apprentissage par la simulation est un principe fondamental de l’acquisition de compétences et de la prise de décisions critiques. Toutefois, la complexité des cas et des compétences enseignées par simulation peut entraîner une charge cognitive trop élevée. La théorie de la charge cognitive peut être appliquée aux programmes de simulation pour obtenir de meilleurs résultats⁵.Pendant une simulation de réanimation pédiatrique, un.e apprenant.e peut se sentir dépassé.e en essayant de se rappeler de la posologie des médicaments et perdre le fil des objectifs expérientiels de la séance. Lui fournir d’un ruban de Broselow ou, mieux encore, la présence d’un.e collègue comme un.e pharmacien.ne, permettrait à l’apprenant.e de se concentrer sur l’acquisition de compétences en tant que chef.fe d’équipe.

La théorie de la charge cognitive a été appliquée à la performance en médecine, ainsi qu’à l’apprentissage. Sewell s’est penché sur l’application de la charge cognitive à la pratique d’une coloscopie¹⁰. Le même groupe a également examiné l’incidence de la charge cognitive sur les transferts de patient.e.s.

Limites de cette théorie

De Jong a critiqué la théorie de la charge cognitive en soulignant que, bien qu’elle décrive une base cognitive pour les principes de conception pédagogique, elle est « impossible à falsifier », car la théorie de la charge cognitive s’appuie sur des hypothèses ultérieures¹². Si la charge imposée par la tâche interfère avec notre structure de schéma, nous estimons qu’elle est négative et l’identifions comme une charge extrinsèque. Si elle nous aide à construire un schéma, nous pensons qu’elle est positive et nous l’identifions comme une charge essentielle. En d’autres termes, nous faisons en sorte que les données probantes étayent la théorie.

Nous pourrions peut-être justifier ce processus d’identification si nous pouvions mesurer la charge cognitive de façon directe ou exacte. Voici un aperçu des mesures actuelles :

Tests psychométriques. Paas a élaboré et validé une échelle à un item, qui est la mesure la plus courante¹³.En revanche, l’indice de charge de tâche de la NASA (NASA-TLX) est une échelle à plusieurs items¹⁴.Malheureusement, il s’agit de mesures autodéclarées qui sont prises après l’exécution de la tâche. Elles peuvent ne pas refléter la charge pendant la tâche et ne mesurer que la charge cognitive globale.

Temps de réaction à la tâche secondaire. La vitesse et la précision d’exécution d’une tâche secondaire, par exemple la prescription d’un médicament pendant la lecture d’un ECG. Pendant que vous analysez un tracé complexe, vous pourriez marmonner ou vous arrêter pour prescrire un médicament.

Mesures physiologiques. Variabilité de la fréquence cardiaque ou de la fréquence respiratoire, surveillance de l’EEG ou de l’EMG, suivi des yeux, diamètre pupillaire, fréquence des clignotements, taux d’adrénaline sérique, imagerie cérébrale, conductivité cutanée… tout a été examiné et validé. Les mesures physiologiques auraient pour avantage de permettre la mesure instantanée et continue de la charge cognitive au fil du temps.

Performance à la tâche³.L’évaluation de la qualité d’exécution d’une tâche, comme le nombre d’erreurs commises pendant la tâche, peut donner un aperçu de la charge cognitive impliquée dans la performance.

On peut se demander si ces mesures sont valides ou exactes. Que mesurent-elles vraiment? Bien qu’il s’agisse de mesures générales de la charge cognitive, la plupart ne mesurent pas la charge intrinsèque, la charge extrinsèque et la charge essentielle. Autrement dit, elles peuvent nous dire que la charge cognitive affecte la performance, mais elles ne peuvent pas nous informer sur interactions entre les différentes charges.

En 2013, Leppink a élaboré un instrument psychométrique pour différencier les différents types de charge cognitive¹⁵.Cependant, dans un examen ultérieur, il a été noté que certaines études n’appuyaient pas l’instrument décrit⁶.Les auteur.trice.s de cet examen ont suggéré de revenir à un cadre à deux facteurs et de concevoir la charge cognitive comme étant seulement constituée d’une charge intrinsèque et d’une charge extrinsèque, ainsi que d’une « appréciation subjective de l’apprentissage ». En désaccord, Young et Sewell ont mis au point des instruments pour mesurer les différents types de charge en contexte médical, notamment lors des coloscopies¹⁰ et des transferts de patient.e.s¹⁶. En 2016, Naismith a proposé un test psychométrique permettant de mesurer les différents composants des charges cognitives et l’a ensuite comparé avec le questionnaire de Paas et l’indice de charge de tâche de la NASA ¹⁷.Cette étude intéressante, mais de petite envergure, a montré qu’il n’y avait pas de consensus entre les trois tests quant à la charge cognitive totale. Cependant, la mesure de la charge intrinsèque semblait constante d’un test à l’autre. Il y avait une corrélation entre les composants des charges cognitives intrinsèques mesurés par le test de Naismith et les sous-échelles de l’indice de charge de tâche de la NASA liées à la demande mentale et à la frustration.

La théorie de la charge cognitive a du sens sur le plan intuitif, mais nous devons poursuivre les recherches pour démontrer comment elle s’applique à la conception pédagogique et au rendement en milieu de travail.

Retour à l’étude de cas

Après son quart de travail intense, Sarah est enfin en mesure de reprendre son souffle et de réfléchir au cas de M. Smith. Heureusement, il a été amené au laboratoire de cathétérisme 20 minutes après la découverte d’un infarctus du myocarde postérieur, où l’angioplastie coronaire et l’implantation d’une endoprothèse à l’artère coronaire droite obstruée à 90 % se sont déroulées sans complications. Le patient a été transféré à l’unité de soins coronariens et se trouve dans un état stable.

Elle reconnaît qu’en tant que résidente senior, elle devrait être plus à même d’identifier ce tracé courant. Elle prévoit consacrer du temps à l’étude des ECG (diminution de la charge intrinsèque) pendant son jour de repos. Elle décide d’établir une approche méthodique pour la lecture des ECG en cours de quart de travail, afin de s’assurer qu’elle prend une pause pour les analyser (diminution de la charge extrinsèque).

Références

1. Sweller, J. « Cognitive load during problem solving: Effects on learning », Cognitive Science, 1988, vol. 12, p. 257-285.
2. Sewell, J. L., L. Maggio L, O. Ten Cate et coll. « Cognitive load theory for training health professionals in the workplace: A BEME review of studies among diverse profession: BEME guide No. 53 », Medical Teacher, 2019, vol. 41, n^o 3, p. 256-270.
3. Young, J. Q., J. Van Merrienboer, S. Durning et coll. « Cognitive load theory: implications for medical education: AMEE Guide No. 86 », Medical Teacher, 2014, vol. 36, p. 371-384.
4. Van Merrienboer, J. J., et J. Sweller. « Cognitive load theory in health professions education: Design principles and strategies », Medical Education, 2010, vol. 44, p. 85-93.
5. Fraser, K. L., P. Ayres et J. Sweller. « Cognitive load theory for the design of medical simulations », Sim in Healthcare, 2015, vol. 10, no 5, p. 295-307.
6. Leppink, J., et A. Van den Heuvel. « The evolution of cognitive load theory and its application to medical education », Perspectives on Medical Education, 2015, vol. 4, p. 119-127.
7. Kirschner, F., F. Paas et P. A. Kirschner. « Individual and group-based learning from complex cognitive tasks: effects on retention and transfer efficiency », Computer Human Behaviour, 2009, vol. 25, p. 306-314.
8. Kirschner, F., F. Paas et P. A. Kirschner. « Task complexity as a driver for collaborative learning efficiency: The collective working-memory effect », Applied Cognitive Psychology, 2011, vol. 25, p. 615-624.
9. Abeysekera, L., et P. Dawson. « Motivation and cognitive load in the flipped classroom: Definition, rationale and a call for research », Higher Education Research and Development, 2015, vol. 34, no 1, p. 1-14.
10. 10. Sewell, J. L., C. K. Bocardin et J. Q. Young. « Measuring cognitive load during procedures skill training with colonoscopy as an exemplar », Medical Education, 2016, vol. 50, p. 682-692.
11. 11. Kirschner, P. A., J. Sweller, F. Kirschner, R. J. Zambrano. « From cognitive load theory to collaborative cognitive load theory », International Journal of Computer-Supported Collaborative Learning,2018, vol. 13, no 2, p. 213-233.
12. 12. De Jong, T. « Cognitive load theory, educational research, and instructional design: Some food for thought », Instructional Science, 2010, vol. 38, p. 105-134.
13. 13. Paas, F. « Training strategies for attaining transfer of problem-solving skill in statistics: A cognitive-load approach », Journal of Educational Psychology, 1992, vol. 84, p. 429-434.
14. 14. Hart, S. G., et L. E. Staveland. « Development of NASA-TLX (Task Load Index): Results of empirical and theoretical research », Advances in Psychology, 1998, vol. 52, p. 139-183.
15. 15. Leppink, J., F. Paas, C. Van der Vleuten et coll. « Development of an instrument for measuring different types of cognitive load », Behavior Research Methods, 2013, vol. 45, p. 1058-1072.
16. 16. Young, J. Q., et J. L. Sewell. « Applying cognitive load theory to medical education: Construct and measurement challenges », Perspectives on Medical Education, 2015, vol. 4, p. 107-109.
17. 17. Naismith, L. M., J. J. H. Cheung, C. Ringsted et R. Cavalcanti. « Limitations of subjective cognitive load measures in simulation based procedural training », Medical Education, 2015, vol. 49, p. 805-814.