Projets financés

Dynamics of affect and cognition in cooperative learning
Chercheur principal : Julien Mercier

This project is about conducting the second study in pioneering a new branch of educational neuroscience concerned with the study of social modes of learning. The proposed study addresses three related problems. Firstly, little is known about the dynamic relationships between affect and cognition in learning. Secondly, although scaffolding and feedback are reputedly the best way to foster learning, research and applications have mainly focused on the cognitive facet of learning, despite growing realization that affect is equally or even more crucial to learning. Finally, cooperative modes of learning are not always producing anticipated learning gains, and these shortcomings could be lessened by a better understanding of inter-individual affective and cognitive processes and how they relate to learning. This study extends the first one we conducted in two important ways: this time, members of a dyad will interact, and the within-individual shifts in agency created by this new context will enable 1) within-subject comparisons of the effect of agency and examine a new question regarding the impact of interaction on learning: 2) comparisons between this sample and the sample of the first study by contrasting the absence of interaction with the presence of interaction. The aim of this study is twofold: (1) to examine how collaborative co-regulation influence intra-individual and inter-individual affective and cognitive processes and their relation with learning in dyads of undergraduate learners as they solve problems in physics; (2) to examine the impact of shifts in agency (active player, bystander) on dyads' functioning and learning. Using a computer-based serious game, 40 dyads (with no prior domain knowledge) will solve challenging Physics problems on topics that can be learned reasonably well in a maximum of two hours. Performance data as well as psychophysiological data will be collected to provide a continuous record of affect and cognition with one data point per second.
The process-oriented methodology involves the joint collection of psychophysiological and behavioral data in real time using NeuroLab, a major state-of-the-art CFI research facility. The gain
in this approach is the possibility to establish causal relationships between learners' activity and the dynamic context of the learning activity along with causal links between current events and past events. The importance of these new possibilities lies in the capacity to pinpoint which events or sequence of events (for example, learner's actions, contextual events) caused a given productive or deleterious reaction on the part of the learners, and when. This approach can also be transferred to many other fields of human performance. The overarching outcome of this research is the empowerment of undergraduate learners and instructors by providing them with better characterizations of affective and cognitive dispositions conducive to better performance and learning to augment the possibility to foster and maintain such dispositions by self-regulation.
Our conceptual and methodological advances are highly transferable. Computer engineers, business analysts, hoteliers and flight engineers from the private sector help develop and transfer the findings and potential for innovation of our program of research across disciplines and industries, while gaining unique interdisciplinary expertise and employment/advancement opportunities. Our work will also continue to orient international educational policy through our contribution to UNESCO International Science and Evidence based Education (ISEE) Assessment.

Projet Oudjat -- Regards croisés entre Égypte ancienne et Occident moderne
Chercheur principal : Valérie Angenot

Le présent projet est interdisciplinaire et se déploie en deux axes principaux interconnectés : (1) un pan "muséologie" axé sur la préservation de patrimoines matériels et immatériels, l'éducation et la diffusion des
connaissances auprès du public ; et (2) un pan "recherche scientifique" où s'amorcera la toute première recherche expérimentale en sémiotique de la réception des images égyptiennes.
(1) La partie préservation de l'héritage culturel consiste à enregistrer, étudier et reproduire en fac-similé la fameuse tombe thébaine de Nakht (TT 52), astronome d'Amon, qui vécut à la 18e dynastie, sous les règnes de Thoutmosis IV-Amenhotep III. Cette tombe en grand péril est un joyau de la peinture égyptienne. Les travaux d'enregistrement et de reproduction de la tombe seront effectués par la Fondation Factum Arte, en collaboration avec des étudiant·e·s attachés au projet, dans le cadre de la "Theban Necropolis Preservation Initiative", qui a déjà permis de reconstituer les tombes de Toutankhamon et de Sethi Ier dans la Vallée des Rois. Le fac-similé de tombe sera intégré à la nouvelle section des "Arts du Tout-Monde" du Musée des Beaux-arts de Montréal (MBAM) et mis en lien avec la collection égyptologique permanente du musée. Des expositions interactives pour le grand public sont prévues autour de la question de la préservation et du programme scientifique inhérent au projet. (2) Le fac-similé servira de laboratoire expérimental à une étude scientifique pluridisciplinaire menée par l'Université du Québec à Montréal (UQAM), recourant à des expertises en égyptologie, anthropologie visuelle, sémiotique visuelle, oculométrie et psychologie cognitive.
Le projet de recherche vise à étudier la façon dont les images pariétales égyptiennes sont reçues et visualisées dans la pratique. Il s'agira, en un premier temps, d'étudier les modalités sémiotiques mises en place par les artistes égyptiens pour induire le sens de lecture des parois. Une fois les modèles théoriques de lecture établis, les décors de la tombe de Nakht seront soumis à une expérience polysensorielle de réception des images.
Les paramètres physiologiques constitutifs de l'acte de lecture des parois seront captés, enregistrés et mesurés à l'aide d'un oculomètre portatif par le NeuroLab de l'UQAM. Les données oculométriques seront récoltées sur deux groupes distincts : l'un aguerri et formé à la lecture des images égyptiennes, l'autre profane. Des spécialistes en psycho-cognition de la lecture analyseront les différences entre les deux groupes, de manière à écarter les variantes individuelles en ciblant le lieu des modèles mentaux où se logent les différences entre experts et profanes.
La théorie psycho-cognitive des modèles mentaux postule que ceux-ci sont très sensibles à la fois à l'acquisition des connaissances préalables et à l'activation intentionnelle d'habiletés cognitives durant l'examen, la lecture et l'interprétation d'images. Nous pourrons ainsi évaluer l'efficacité des stratégies sémiotiques mises en place par les anciens égyptiens à l'aune du degré d'expertise des lecteurs. Nous espérons aussi ---par le recoupement des résultats oculométriques, sémiotiques et anthropologiques--- effectuer un premier pas fondateur dans l'approche et la compréhension des modèles mentaux égyptiens. Outre la préservation de l'héritage matériel de la tombe, le projet de recherche constitue donc également une démarche pionnière dans la préservation des héritages immatériels, en l'espèce à la fois de la reconstitution des modèles théoriques de lecture des peintures égyptiennes et de l'acte pratique de déchiffrement de ces images.

Bridging the gap between research on cognitive deficits, learning disabilities, and science education to improve the engagement and achievement of students with learning disabilities in science
Chercheur principal : Anila Asghar

Le présent projet concerne les ponts entre l’éducation spécialisée et l’enseignement des sciences pour développer les connaissances quant à la façon dont les processus cognitifs déficitaires affectent l’engagement et la réussite scolaire des élèves ayant des difficultés d’apprentissage en science et technologie.
À ce titre, ce projet vise à : (a) identifier des difficultés d’apprentissage spécifiques qui pourraient entraver les apprentissages d’élèves pendant la réalisation d’une tâche de résolution de problèmes en sciences (b) investiguer les processus cognitifs sous-jacents (c) explorer la façon dont les aspects émotionnels peuvent affecter les processus cognitifs des élèves ayant des besoins particuliers et leurs performances en sciences. Ce projet rassemble des experts (universitaires et praticiens) en éducation spécialisée, en développement cognitif et émotionnel et en enseignement des sciences pour former une équipe interdisciplinaire qui explorera ces questions critiques. En nous appuyant sur les apports de cette étude, nous voulons développer une série de recommandations spécifiques pour supporter efficacement l’inclusion et la réussite des élèves ayant des difficultés d’apprentissage en sciences et technologies.
En dépit de la moyenne faible et de la moyenne forte de l’intelligence des individus présentant un trouble d’apprentissage, certains déficits des processus cognitifs peuvent entraver leurs apprentissages en sciences. Malheureusement, l’engouement pour la recherche sur les processus cognitifs déficitaires en relation avec la compréhension et l’engament des étudiants envers les tâches en sciences est extrêmement faible. La majorité des études liant l’éducation aux troubles d’apprentissage rapportent généralement les impacts de différentes interventions pédagogiques sur la compréhension de ces élèves en sciences. De plus, même si la recherche suggère une relation négative entre la réussite éducative et l’anxiété des élèves face aux sciences, la façon dont le stress et l’anxiété affectent les processus cognitifs impliqués dans le développement des connaissances et le raisonnement scientifique des élèves ayant des difficultés d’apprentissage n’est pas claire.
Cette étude intègre et s’appuie sur de multiples approches méthodologiques, modèles et outils, afin d’explorer la relation complexe et dynamique entre les processus cognitifs, et affectifs et les difficultés d’apprentissage dans des contextes réels d’apprentissage des sciences. Ces données robustes de la cognition, des émotions et des réactions physiologiques aideront à identifier les difficultés d’apprentissage spécifiques basées sur les processus cognitifs sous-jacents déficitaires qui peuvent entraver l’engagement et la réussite d’élèves du secondaire et du postsecondaire en sciences.
L’intention de ce projet innovateur est de documenter les interconnexions possibles entre l’enseignement de la science et l’éducation spécialisée afin d’ouvrir la voie à des recherches expérimentales subséquentes dans une visée pédagogique.

Development of academic self-regulation to support information literacy : A longitudinal multi-method investigation of the use of software promoting inquiry skills in grades 5 to 8 classrooms
Chercheur principal : Vivek Venkatesh

Too many middle-schoolers in Canada and other industrialized countries are unable to read and write at high levels. Furthermore, it is increasingly apparent that the nature of literacy is changing since the widespread scholastic use of the Internet. The proposed program of research investigates how late elementary and early secondary students' academic self-regulatory skills develop as they engage in the use of an interactive educational software tool, ISIS-21. ISIS-21 is a tool currently available to students and educators in Québec, without charge, to promote the teaching and learning of essential information literacy competencies.

To be effective citizens in a society rich in information, students need to learn skills which will allow them to locate and select appropriate information, to analyze that information critically, and to use it wisely. Skilled readers should not only have decoding and comprehension skills in familiar contexts but also the ability to interpret and to develop new understandings in far-ranging learning contexts and situations. With the demands growing from across society for information-literate and technologically competent citizens, there is a strong need for an educational program that emphasizes the information literacy skills so crucial to the processes of critical thinking, problem solving and academic self-regulation. Little is known however, on precisely how students use the cognitive and metacognitive skills associated with academic self-regulation to complete ill-structured academic tasks that include elements of information retrieval, problem-solving, and synthesis.

Our program of research will inform the design, development, and dissemination of ISIS-21 and other evidence-based educational software in Québec classrooms. It will help address the lack of evidence surrounding the components of self-regulation that young learners employ in the inquiry process as it relates to information literacy. Most importantly, the proposed action research will help strengthen existing partnerships with stakeholders within the Lester B. Pearson School Board (LBPSB) and English Montreal School Board (EMSB) classrooms and co-develop instructional practices in Québec classrooms which incorporate cutting-edge, evidence-based software to improve students' information literacy. Our research is all the more relevant in an era of increased use of social media within the participatory Web culture. Since our research is conducted in situ to explore teaching practices within computer laboratory-based classrooms and self-regulatory processes while students learn with novel software, the results have important advantages in ecological validity: this study is not decontextualized from actual classroom learning. The action research employed will be the first of its kind to map the relationships between teaching practices, academic performance and motivation in the context of middle-school learners using digital tools to support the development of self-regulation and inquiry skills.

Dynamics of affect and cognition in learning
Chercheur principal : Julien Mercier

The proposed study addresses three inter-related problems. Firstly, there is a paucity of research about the dynamic relationships between affect and cognition in learning (Immordino-Yang, 2011; Patten, 2011). Secondly, although scaffolding and feedback are reputedly the best way to foster learning (VanLehn, 2011), research and applications have mainly favored cognitive over affective components that might impact the learning process. Finally, cooperative modes of learning are not always producing anticipated learning gains, and these shortcomings could be lessened by a better understanding of inter-individual affective and cognitive processes and how they relate to learning (Stahl, 2013). In sum, attempts to self-regulate or to provide contingent help are beneficial, but nevertheless sub-optimal (Dunlosky & Rawson, 2012), because an integrated view of affect and cognition and how these processes determine learning is critically lacking at the moment (Patten, 2011).

To contribute solutions to these problems, the aim of this multi-method study is twofold: (1) to examine key affective and cognitive processes in dyads of undergraduate learners as they solve problems in physics and how they relate to the learning process and any gains in learning outcomes; and (2) to examine the impact of agency on dyads' functioning and learning. Using a computer-based serious game, Mecanika, dyads (of equivalent prior domain knowledge) will solve challenging physics problems on two topics that can be learned reasonably well in a maximum of two hours.

Engagement et conflit cognitif dans les processus de changements conceptuels en sciences
Chercheur principal : Patrice Potvin

De récents développements dans le champ du changement conceptuel ont amené les chercheurs en éducation à proposer des modèles qui intègrent non seulement les dimensions cognitives de l'apprentissage, mais également certaines dimensions affectives, comme l'engagement ou l'intérêt situationnel. Ainsi, dans l'apprentissage des concepts scientifiques, le conflit cognitif, souvent perçu comme une bougie d'allumage, serait à lui seul insuffisant pour déclencher l'acquisition des concepts enseignés, laissant les conceptions non-scientifiques initiales des élèves prévaloir dans la résolution. Son succès serait au contraire hautement dépendant des dispositions (intérêt - attention - effort) de l'apprenant, l'hypothèse étant que l'affectif et le cognitif se répondent mutuellement. Jusqu'ici, les études sur les « dispositions » des sujets à apprendre (motivation, etc.) ont dû se limiter à l'usage de questionnaires, malheureusement limités car vulnérables à certains biais (désirabilité, primauté, etc.) et ne permettant pas le suivi en temps réel des variations. Or, les récents développements permettent désormais d'obtenir facilement une mesure en continu de variables psychophysiologiques telles que l'engagement, notamment par électroencéphalographie. Des recherches qui utilisent cette technologie ont récemment montré que de telles mesures sont souvent corrélées à l'apprentissage.
OBJECTIF GÉNÉRAL / Analyser l'évolution en temps réel de l'engagement en contexte d'apprentissage selon trois séquences pédagogiques candidates visant des changements conceptuels en sciences et intégrant les conflits cognitifs à des moments différents. Nos récentes recherches montrent en effet que des séquençages différents des mêmes étapes montrent des efficacités différentes. Cependant, bien que certaines hypothèses plausibles puissent être formulées, les raisons fondamentales qui les expliquent ne sont pas connues. Nous croyons alors que l'analyse de la variable « engagement » permettra de voir comment certaines séquences impliquant une étape de conflit cognitif permettent de mieux sécuriser les apprentissages. En effet, par exemple, si le déclenchement de tels conflits est plus efficace après une présentation des nouvelles conceptions qu'avant, peut-on alors penser qu'ils sont inaptes à maintenir l'engagement à moins que les apprenants ne disposent dès le départ d'une solution de rechange? Quels sont les moments précis des séquences qui entretiennent au mieux l'engagement?, etc.
MÉTHODOLOGIE/ (Obj. spéc. 1) Conception des pré- et post- tests et des séquences d'enseignement adaptées aux sujets pour des apprentissages du programme scolaire. On prévoit établir des comparaisons
entre trois séquences basées sur les modèles dominants (modèles classique, de prévalence, de répétition).
(Obj. spéc.2) Test de ces séquences avec 600 élèves du primaire ou du secondaire (200 pour chaque groupe) à l'aide d'un laboratoire informatique mobile. (Obj. spéc. 3) Prise de données électroencéphalographiques sur 10 sujets dans chaque groupe et analyse. Le projet utilisera deux laboratoires financés par la Fondation Canadienne de l'Innovation basés à la Faculté d'éducation: Le LabMECAS et NeuroLab (Obj. spéc. 2 et 3, respectivement).
IMPORTANCE & IMPACTS/ Cette recherche permettra pour la première fois de suivre à la trace l'engagement d'élèves durant leur traversée du processus de changement conceptuel. Elle permettra de mieux comprendre l'effet produit par chacune des interventions, notamment les conflits cognitifs, habituellement associées à ces processus et leurs différents séquençages possibles. Elle permettra aussi de proposer des séquences pédagogiques efficaces ainsi qu'une compréhension des variations de l'engagement autorisant la formulation de nouvelles hypothèses.

Présence et apprentissage dans des mondes virtuels
Chercheur principal : Julien Mercier

This project is about instituting a novel program of research in educational neuroscience concerned with the study and improvement of social modes of learning in virtual environments. The advantage in this approach, which involves an innovative superimposition of psychophysiological and behavioral data, is the derivation of a rich recording of affective and cognitive processes involved in learning, with an enhanced temporal grainsize, which includes information that cannot be easily verbalized or which interrupts the natural unfolding of events if obtained otherwise (for example using self-report measures). The objectives of this study are (1) to examine intra-individual and inter-individual affective and cognitive processes and their relation with learning in dyads of undergraduate learners as they learn about Greek pottery in a virtual 3D environment; (2) to examine the impact of agency (active or bystander) on dyads’ functioning and learning.

Amélioration et conception d’interfaces visuels et haptiques dans le pilotage de véhicules aériens non-habités
Chercheur principal : Julien Mercier

Ce projet vise à développer un système de stimulation sensorielle pour pilotes de drones. En situation de vol, les pilotes de drones doivent interpréter une multitude d'informations sur l'état de l'appareil, et ce, uniquement sur la base des informations visuelles. Les capacités attentionnelles étant limitées, cette surcharge d’informations visuelles nuit grandement à l'efficacité et à la rapidité de leurs interventions, menant à des accidents de vol ou même, à l’écrasement des drones. Une solution serait de varier les sources d'informations, selon diverses modalités sensorielles, afin d'optimiser l'utilisation des ressources attentionnelles et, ultimement, la prise de décision chez les pilotes de drones. Bien établi dans le marché de l'aéronautique depuis plusieurs années, notre partenaire Helios UAV a noté un besoin marqué pour le développement d’un tel système chez les pilotes de drones, pour des raisons de sécurité et de réduction des coûts associés aux bris matériels.
Pour résoudre cette problématique et répondre à cette demande, notre équipe multidisciplinaire sera appelée à innover dans le développement et la validation d’un système de stimulation sensorielle pour pilotes de drones, qui sera composé d’une interface numérique visuelle optimisée et d’un nouveau concept de combinaison sensorielle. Dans le cadre de ce projet d'envergure, INÉDI apportera son expertise en recherche et en design industriel afin de développer le concept de combinaison sensorielle et de valider scientifiquement le système de stimulation sensorielle. Le CDRIN, avec son expertise en développement numérique, assurera la conception de l’interface numérique visuelle du système et sera responsable de l’adaptation de cette interface afin de garantir sa compatibilité avec les stimulateurs sensoriels intégrés à la combinaison. Notre objectif scientifique sera d'évaluer et d'optimiser l'utilisation des ressources attentionnelles et la prise de décision (efficacité et rapidité) chez les pilotes de drones en situation de vol, afin de concevoir et de valider le système de stimulation sensorielle. Pour ce faire, nous effectuerons l’acquisition de données comportementales (temps de réaction, performance de pilotage et mouvements oculométriques en lien avec l’interface visuelle) et psychophysiologiques (électroencéphalographie, pupillométrie, électrocardiographie et conductance électrodermale) en situation de simulation de vol chez les pilotes de drones. Notre objectif technique sera: a) de développer une interface numérique visuelle contextuelle et b) de fabriquer, avec les meilleures combinaisons de matériaux possibles, une combinaison qui permettra l’introduction de stimuli sensoriels haptiques, en association avec les informations de vol.
Ce projet novateur permettra, pour la première fois, de développer et d'évaluer l'effet d'un système de stimulation sensorielle pour pilotes de drones. Cette innovation technologique pourrait représenter un avantage majeur pour nos pilotes canadiens, et ce, dans de nombreux secteurs de pointe tels que le génie civil, l'industrie minière, l'observation de la terre, la thermographie et le domaine des productions visuelles. Bien évidemment, toutes les connaissances acquises au cours de ce projet seront directement transférées au partenaire qui pourra ensuite utiliser et commercialiser son nouveau système de stimulation sensorielle. Notre collaboration permettra d'optimiser la capacité d’innovation par l’enrichissement de ses connaissances sur les stimulateurs haptiques ainsi que sur le processus de développement de produit en design industriel. De nombreux apprentissages conceptuels et techniques sont également anticipés pour les centres collégiaux de transfert de technologie, les chercheurs collégiaux, le partenaire universitaire, ainsi que les étudiants impliqués dans le projet..

Mesure en temps réel de la cognition, de l’affect et de l’apprentissage dans les jeux vidéo (avec Ubisoft)
Chercheur principal : Julien Mercier

La première expérience de jeu (les premières 60 à 90 minutes) est déterminante, car c’est durant cette période que le joueur décide s’il aime le jeu, s’il désire continuer à jouer, et s’il peut le maîtriser. Relativement à l’apprentissage du jeu, le jeu propose un tutoriel visant à habileté le joueur au regard des principales fonctions à maîtriser. Ce tutoriel est intégré au scénario, avec le souhait de ne pas nuire à l’expérience de divertissement. Or, il est possible que ces tutoriels ou d’autres éléments du jeu nuisent au divertissement et/ou ne permettent pas de maitriser les fonctions pour jouer, ce qui peut conduire au rejet du jeu, alors que son achat représente souvent une somme substantielle. Le projet vise à répondre à la question suivante : quel est l’impact des tutoriels sur l’affectivité et la cognition du joueur dans sa première expérience de jeu? L’équipement synchronisé à NeuroLab fournira une trace fine dans le temps de l’affect et du traitement cognitif au cours de la tâche d’apprentissage. Le projet va donc lier, très finement dans le déroulement de la première expérience, des aspects affectifs (émotions, arousal) et cognitifs (charge cognitive, engagement) à l’apprentissage du jeu et à l’engagement du joueur. Au plan de l’avancement des connaissances, le projet va permettre de développer des « métriques » c’est-à-dire des manières de calculer et d’interpréter des mesures d’aspects affectifs et cognitifs tels qu’il se déroule dans le temps. Les métriques ainsi développées sont d’un grand intérêt actuellement dans plusieurs champs d’application des sciences cognitives. Les stagiaires vont acquérir des compétences – plutôt rares et très recherchées actuellement - dans l’analyse combinée de données comportementales et psychophysiologiques, alors que le partenaire va optimiser la première expérience de jeu, et notamment créer de meilleurs tutoriels dans ses futurs produits, qu’il pourra tester avec les métriques développées.