Capacités de rotation mentale dans un espace bi- et tri-dimensionnel chez des enfants de six à dix ans - article ; n°1 ; vol.94, pg 45-62

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L'année psychologique - Année 1994 - Volume 94 - Numéro 1 - Pages 45-62
Résumé
Les capacités de rotation mentale dans un plan parallèle au fond et en profondeur ont été recherchées chez des enfants de six, sept et dix ans. Leurs performances étaient bonnes dans les deux cas avec toutefois plus d'erreurs pour les rotations en profondeur chez les plus jeunes sujets. Les stratégies cognitives utilisées pour résoudre les problèmes ne nous sont pas apparues clairement. Il est possible que les enfants n'aient pas utilisé de «rotations mentales» dans le cas où les stimuli subissaient des rotations dans un espace tri-dimensionnel. Dans ce cas, les temps de réponses n'étaient pas une fonction linéaire de l'angle de présentation des stimuli -fonction classiquement associée au processus de rotation mentale.
Mots clefs: rotation mentale, imagerie mentale, cognition spatiale.
Summary: Mental rotation capacities in two and three dimensional space in six to ten-year-old children.
Mental rotation capacities in the picture-plane and in depth were investigated in six, seven and ten-year-old. Performance was good in both cases, but six-year-old children made more errors for the depth rotations. Cognitive strategies to solve the problem are unclear. It is possible that children have not carried out «mental rotations» when stimuli were rotated in a tri-dimensional space. In this case, response times were not linearly dependent on the orientation of the stimuli - a function which is classically associated with the mental rotation processes.
Key words: mental rotation, mental imagery, spatial cognition.
18 pages
Source : Persée ; Ministère de la jeunesse, de l’éducation nationale et de la recherche, Direction de l’enseignement supérieur, Sous-direction des bibliothèques et de la documentation.
Publié le : samedi 1 janvier 1994
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M. Lejeune
C. Decker
Capacités de rotation mentale dans un espace bi- et tri-
dimensionnel chez des enfants de six à dix ans
In: L'année psychologique. 1994 vol. 94, n°1. pp. 45-62.
Résumé
Les capacités de rotation mentale dans un plan parallèle au fond et en profondeur ont été recherchées chez des enfants de six,
sept et dix ans. Leurs performances étaient bonnes dans les deux cas avec toutefois plus d'erreurs pour les rotations en
profondeur chez les plus jeunes sujets. Les stratégies cognitives utilisées pour résoudre les problèmes ne nous sont pas
apparues clairement. Il est possible que les enfants n'aient pas utilisé de «rotations mentales» dans le cas où les stimuli
subissaient des rotations dans un espace tri-dimensionnel. Dans ce cas, les temps de réponses n'étaient pas une fonction
linéaire de l'angle de présentation des stimuli -fonction classiquement associée au processus de rotation mentale.
Mots clefs: rotation mentale, imagerie mentale, cognition spatiale.
Abstract
Summary: Mental rotation capacities in two and three dimensional space in six to ten-year-old children.
Mental rotation capacities in the picture-plane and in depth were investigated in six, seven and ten-year-old. Performance was
good in both cases, but six-year-old children made more errors for the depth rotations. Cognitive strategies to solve the problem
are unclear. It is possible that children have not carried out «mental rotations» when stimuli were rotated in a tri-dimensional
space. In this case, response times were not linearly dependent on the orientation of the stimuli - a function which is classically
associated with the mental rotation processes.
Key words: mental rotation, mental imagery, spatial cognition.
Citer ce document / Cite this document :
Lejeune M., Decker C. Capacités de rotation mentale dans un espace bi- et tri-dimensionnel chez des enfants de six à dix ans.
In: L'année psychologique. 1994 vol. 94, n°1. pp. 45-62.
doi : 10.3406/psy.1994.28733
http://www.persee.fr/web/revues/home/prescript/article/psy_0003-5033_1994_num_94_1_28733L'Année psychologique, 1994, 94, 45-62
Laboratoire de Psychologie expérimentale
Université de Liège1
CAPACITES DE ROTATION MENTALE
DANS UN ESPACE BI- ET TRI-DIMENSIONNEL
CHEZ DES ENFANTS DE SIX À DIX ANS
par Marc Lejeune2 et Christian Decker
SUMMARY: Mental rotation capacities in two and three dimensional
space in six to ten-year-old children.
Mental rotation capacities in the picture-plane and in depth were
investigated in six, seven and ten-year-old. Performance was good in
both cases, but six-year-old children made more errors for the depth
rotations. Cognitive strategies to solve the problem are unclear. It is
possible that children have not carried out «mental rotations» when
stimuli were rotated in a tri- dimensional space. In this case, response
times were not linearly dependent on the orientation of the stimuli - a
function which is classically associated with the mental rotation pro
cesses.
Key words: mental rotation, mental imagery, spatial cognition.
À quoi ressemble la lettre «b» après avoir subi une rota
tion de 180°? À cette question, beaucoup de personnes disent
trouver la solution en «faisant tourner mentalement» la lettre.
C'est en utilisant une «rotation mentale» qu'elles peuvent
identifier le stimulus inversé. Le processus évoqué dans ce
simple problème a été expérimentalement mis en évidence par
1. 5 boulevard du Rectorat, B. 32, Sart Tilman, 4000 Liège, Belgique.
2. Marc Lejeune est actuellement partiellement affilié au «Centre for
Cognitive and Computational Neuroscience» de l'Université de Stirling en
Ecosse. Nous tenons à exprimer nos remerciements envers la Fondation
Camille Hela qui soutenait partiellement cette recherche. 46 Marc Lejeune et Christian Decker
Shepard et Metzler (1971). Afin de confirmer que dans ces
situations nous pouvons avoir recours à des rotations ment
ales, Shepard et Metzler (1971) ont présenté à leurs sujets des
paires d'objets tri-dimensionnels ne possédant à l'origine
aucune orientation canonique. Les paires étaient composées
soit d'objets identiques, soit un des deux éléments était une
image en miroir de l'autre. En outre, un des objets pouvait
subir ou non une rotation dans un plan parallèle au fond ou en
profondeur. Les sujets étaient invités à signaler le plus rapide
ment possible si les deux figures présentées étaient ou non
identiques. Les résultats montraient de manière convaincante
que les temps de réaction aux réponses correctes dépendaient
linéairement de la différence angulaire de présentation entre
les stimuli. Les auteurs avaient interprété cette évolution
comme un témoin de l'utilisation d'une stratégie cognitive per
mettant aux sujets de replacer les objets en correspondance.
Depuis cette première recherche, de nombreux autres travaux
ont confirmé cette tendance (voir pour une synthèse: Shepard
et Cooper, 1982) et la rotation mentale est devenue un des
sous-systèmes imagés les plus étudiés.
Si aucune ambiguïté n'est apparue dans les données obser
vées chez les adultes, les aspects développementaux de ce pro
cessus restent jusqu'à présent fort équivoques. Marmor (1975,
1977) a examiné les capacités d'enfants de quatre et cinq ans
(pour les plus jeunes) à une épreuve utilisant le paradigme de
Shepard. La tâche consistait à présenter des paires de pandas
dont les deux éléments étaient identiques ou différents (la di
fférence entre les deux oursons résidait dans le fait qu'ils
levaient ou non le même bras). Un des deux pandas subissait
une rotation dans un plan parallèle au fond. Comme chez les
adultes, les temps de réponse pour poser le jugement de simi
larité dépendaient de manière linéaire de l'orientation des st
imuli, et en conséquence, cet indice chronométrique laissait
croire en l'existence d'imagerie cinétique chez de jeunes en
fants. Au moment de la publication de ces deux travaux, cette
conclusion bouleversait les conceptions dominantes de l'épo
que. En effet, la théorie piagétienne (Piaget et Inhelder, 1966)
suggérait qu'avant l'âge de sept ans, seules les images sta
tiques sont présentes; l'enfant peut générer une image d'un
objet ou d'une scène. Par contre, pour que des images ciné
tiques (dont la rotation mentale en est un exemple) soient pos
sibles, Piaget et Inhelder (1966) supposaient la nécessité de Rotation mentale chez l'enfant 47
pouvoir distinguer les paramètres invariants de l'objet et de
comprendre la transformation elle-même. Le caractère stati
que des images durant le stade pré-opératoire dépendrait de
la tendance de l'enfant à se centrer sur lui-même et à ignorer
les objets quand ceux-ci se déplacent d'une position vers une
autre. En outre, les auteurs pensaient que toute anticipation
imagée d'un mouvement présuppose que les images se suivent
en succession - une notion qui dérive de l'opération de séria-
tion présente seulement au stade opératoire.
Dans la mesure où les résultats de Marmor (1975, 1977)
ont été répliqués à plusieurs reprises (Dean, Scherzer et Cha-
baud, 1986; Kerr, Corbitt et Jurkovic, 1980), diverses explica
tions ont été avancées pour rendre compte des différences
entre les données piagétiennes et celles dérivées d'une appro
che chronométrique (voir pour une synthèse: Dean, 1990, ou
Lautrey et Chartier, 1991).
Piaget lui-même (1980) a proposé une de ces explications.
Partant de l'observation que les enfants pré-opératoires réali
saient de meilleures performances à des épreuves reposant
sur la comparaison de deux figures présentées dans un «état
final» - comme cela se présente aux épreuves chronométri-
ques - plutôt qu'à celles demandant à l'enfant la sériation
d'objets ou la représentation graphique des états d'un objet en
rotation, Piaget (1980) a suggéré qu'un processus essentiell
ement perceptif plutôt qu'imagé pourrait rendre compte du peu
d'erreurs chez les jeunes enfants. Ce qu'il appelait
«processus de mise en correspondance figurative» (sans vra
iment en donner une définition précise) permettrait à l'enfant
de faire coïncider les deux stimuli présentés sans recours à
l'anticipation de mouvements des stimuli. Dean et Deist (1980)
ont repris par la suite cette idée en proposant que dans ce pro
cessus de mise en correspondance visuelle, l'enfant, en voyant
un stimulus dans une certaine orientation, arriverait par appro
ximations successives à l'adapter de telle manière qu'il corres
ponde à l'objet dans sa position initiale. Bien que les auteurs
donnent peu d'informations sur la nature de ce processus, on
devrait pouvoir admettre que pour que ce système soit eff
icace, l'ensemble des traits constituant la figure devrait être
perceptuellement à la disposition du sujet durant la résolution
du problème. En conséquence, l'efficacité de ce processus
devrait être réduite si les stimuli venaient à subir des rotations
dans un espace tri-dimensionnel (rotation en profondeur). En Marc Lejeune et Christian Decker 48
effet, dès que le stimulus n'est plus seulement tourné dans un
espace bi-dimensionnel (dans le plan fronto -parallèle) mais est
déplacé en profondeur, la description perceptive de l'objet chang
e. Plus l'angle augmente, plus l'apparence de l'objet change, et
plus le sujet doit avoir recours à des processus utilisant des
traces mnésiques visuelles pour résoudre le problème. Dans de
telles situations, le recours à des stratégies imagées semble
nécessaire. Dans leur expérience originelle, Shepard et Metzler
(1971) ont clairement rapporté que les temps de réaction des
sujets adultes étaient également une fonction linéaire de la di
fférence angulaire entre les stimuli à comparer dans le cas ou
ceux-ci subissent une rotation en profondeur.
Il reste néanmoins que certains auteurs ont pu critiquer
cette hypothèse. Ainsi, Ullman (1989) a suggéré que très peu
de vues de l'objet suffisent pour retrouver «raisonnablement»
les autres vues de l'objet, et que ceci peut être réalisé sur une
base purement perceptive. Le problème dans les épreuves de
rotation mentale est qu'une reconnaissance «raisonnable» de
l'objet n'est pas suffisante pour comparer de manière précise
les stimuli. Dans de telles situations, les traits des objets à
comparer doivent être parfaitement identifiés. Les épreuves de
rotation mentale ne requièrent pas seulement une reconnais
sance de l'objet, mais reposent aussi essentiellement sur une
comparaison précise de deux objets reconnus. Elles supposent
le maintien d'informations visuo-spatiales en mémoire de tra
vail. De nombreuses données rapportées dans le domaine des
neurosciences (par exemple, Farah et Hammond, 1988), de la
psychologie développementale (par exemple, Lejeune, 1992)
ou encore de la psychologie générale (par exemple, Corballis,
1988) suggèrent une dissociation entre rotation mentale et
reconnaissance des objets (voir pour une synthèse, Lejeune,
1993). On peut ainsi penser raisonnablement que des proces
sus non purement perceptifs doivent entrer en jeu dans le cas
de rotations mentales, ceci étant d'autant plus vrai que l'objet
subit une rotation dans un espace tri-dimensionnel.
Notre recherche considère la proposition de Piaget (1980)
et de Dean et Deist (1980) selon laquelle un processus percept
if unique peut rendre compte de la qualité de la performance
des enfants aux épreuves de comparaison d'états. L'hypothèse
défendue ici est que si les enfants utilisent seulement un pro
cessus de mise en correspondance perceptive, on devrait voir
leurs performances se dégrader dans le cas où les stimuli sont Rotation mentale chez l'enfant 49
présentés dans un espace tri-dimensionnel. Nous n'avons
aucun doute sur la question de savoir si les enfants peuvent
reconnaître le stimulus présenté (assurément ils le peuvent),
mais nous ne pouvons que nous interroger sur leurs capacités
à maintenir cette information visuelle et spatiale en mémoire
de travail pour arriver à de bonnes performances.
Notre épreuve, étalonnée dans le cadre d'une autre recher
che (Lejeune, sous presse), consistait en la présentation de
deux personnages tenant chacun un objet en main. Aléatoire
ment dans la moitié des cas, l'objet était tenu dans la même
main. Le personnage présenté à gauche (que l'on qualifiera
désormais de «personnage fixe») était toujours présenté
«debout» et de face. Par contre, le personnage à
droite (ou « personnage mobile ») pouvait subir un changement
d'orientation allant de 0° à 300° (par pas de 60°). Dans une
première condition expérimentale, il était présenté de face
comme le personnage fixe. Dans cette condition, le mouvement
du personnage se réalisait dans un plan fronto-parallèle (axes
x et y). Par ailleurs, dans une seconde condition expériment
ale, le personnage mobile était présenté de dos. Le mouve
ment de rotation se décomposait en un déplacement dans un
plan fronto-parallèle mais, en plus, dans la mesure où le per
sonnage était de dos, un recours à un mouvement complément
aire de bascule dos-face (axe z) de la part des sujets était
nécessaire. Clairement, la première condition fait référence à
un mouvement de rotation dans un plan bi-dimensionnel, soit
un plan défini par deux axes (x, y) dans l'espace. Dans la
deuxième condition, en plus d'un mouvement opéré sur les
deux axes (x, y), le stimulus est déplacé en profondeur sur un
troisième axe z (voir figure 1). Cette deuxième condition
requiert donc de la part des sujets une analyse d'une percept
ion visuelle dans un espace tri-dimensionnel. Voyant les deux
personnages, les sujets devaient poser un jugement portant
sur leur similarité, à savoir, signaler si les personnages
tenaient leur objet dans la même main en ayant recours à des
déplacements du personnage mobile. Nous sommes conscients
que le jugement de similarité des deux figures peut être réalisé
sans recours à un mouvement de rotation en profondeur de la
figure. Le mouvement dos-face de la figure peut très bien ne
pas être nécessaire; des raisonnements logiques proposition-
nels peuvent s'avérer efficaces. Toutefois, deux raisons nous
laissent croire que dans la seconde condition expérimentale 50 Marc Lejeune et Christian Decker
les jeunes enfants pourraient utiliser préférentiellement des
rotations mentales: (1) la charge mnésique nous semble trop
lourde pour un jeune enfant de pouvoir réaliser des trait
ements propositionnels parallèlement à un déplacement fronto-
parallèle du stimulus, et (2) la consigne utilisée suggère à
l'enfant l'utilisation de rotations mentales (voir procédure).
Nous avons utilisé une technique chronométrique classique
afin de déterminer si les enfants avaient recours ou non à une
stratégie analogique pour replacer les stimuli en concordance.
En outre, les erreurs étaient enregistrées. Deux types de résul
tat étaient attendus. D'une part, nous supposions rencontrer
une nouvelle fois l'évolution linéaire des temps de réponse
quelle que soit la condition expérimentale. Que le personnage
mobile soit présenté de dos (rotation tri-dimensionnelle) ou de
face (rotation bi-dimensionnelle), nous nous attendions à obser
ver des TR évoluant en fonction de l'orientation du stimulus.
D'autre part, si les plus jeunes enfants testés (six ans) ne pos
sèdent pas la capacité de réaliser des rotations mentales mais
posent leur jugement de similarité à partir d'un processus
purement perceptif, nous devrions voir leurs performances
dans la deuxième condition expérimentale se dégrader par
rapport à la première pour les raisons
décrites ci-dessus.
MÉTHODE
1 . Sujet
Soixante enfants ont participé à l'expérience, dont 20 étaient âgés
de six ans (la dispersion d'âge allant de 5 ans 9 mois à 6 ans 3 mois, la
moyenne étant de 6 ans), 20 de sept ans (dispersion: 6 ans 9 mois à
7 ans 3 mois, moyenne: 6 ans 11 mois) et 20 de dix ans (dispersion:
9 ans 9 mois à 10 ans 3 mois, moyenne: 9 ans 11 mois)
2. Procédure
La procédure expérimentale consistait en trois phases correspon
dant au paradigme classiquement utilisé dans les recherches du même
type: (1) un entraînement au jugement d'équivalence, (2) un test cri
tère, et (3) les tests expérimentaux où les réponses à deux formes de
mouvements des stimuli sont comparées. Rotation mentale chez l'enfant 51
2.1. L'entraînement au jugement d'équivalence
Durant cette phase, l'expérimentateur enseignait à l'enfant les no
tions de droite et de gauche. Deux personnages identiques étaient pré
sentés; ils tenaient en main un objet. Les deux personnages étaient
toujours présentés dans leur position canonique (debout et de face)
mais ils tenaient l'objet dans la même main ou non. Il était dit à
l'enfant que dans le cas où les personnages tiennent l'objet dans la
même main, ils sont identiques, et inversement, quand les objets sont
dans des mains différentes, ils sont différents. Quand l'enfant avait
acquis cette règle, l'entraînement se poursuivait mais cette fois en uti
lisant deux clés pour la transmission de la réponse (une clé verte pour
les réponses d'égalité, une clé rouge pour les réponses de différence).
Quand l'enfant avait appris à utiliser les clés, le test critère pouvait
commencer.
2.2. Le test critère
L'enfant était placé face à un écran blanc sur lequel 28 paires de
personnages (14 «même», et 14 «différent») étaient présentées suc
cessivement à l'aide d'un projecteur de type Kodak Carousel S-AV
2050. Les personnages étaient toujours présentés dans une position
canonique (debout et de face), mais tenaient aléatoirement dans la moit
ié des cas l'objet dans la même main, et dans l'autre moitié des cas,
dans une main différente. L'intervalle inter-stimuli était de 4 secondes.
Les stimuli restaient affichés jusqu'à la réponse de l'enfant. Les enfants
qui obtenaient un score d'au moins 80% de réponses correctes étaient
soumis au test expérimental, les autres étaient abandonnés.
2.3. Les tests expérimentaux
Le principe des tests expérimentaux était identique à celui du test
critère: les sujets devaient signaler si les deux personnages tenaient
leur objet dans la même main en ayant recours cette fois à un dépla
cement mental du personnage mobile. L'expérimentateur suggérait à
l'enfant un mouvement de rotation.
En effet, durant les tests expérimentaux, le personnage mobile
pouvait apparaître dans une des six orientations suivantes: 0°, 60°,
120°, 180°, 240° et 300°. Les six apparaissaient dans un
ordre aléatoire. Comme pour le test critère, les personnages tenaient
dans 50% des cas leur objet dans la même main, ce qui appelait 50%
de réponses d'égalité des stimuli, et 50% de réponses de différence. La
distribution des réponses attendues était également aléatoire. Les tests
comprenaient 48 items, soit 4X6 angles de rotation X 2 types de
réponse (même ou différent).
Deux conditions expérimentales étaient contrôlées (voir figure 1).
Dans une première condition, les deux personnages étaient présentés Marc Lejeune et Christian Decker 52
Condition 1 Condition 2
Fig. 1. — Représentation schématique des stimuli présentés dans
les deux conditions expérimentales. Au dessus : exemple de personnage
fixe présenté debout et de face (symbolisé ici par un visage blanc) tenant
son objet dans la main gauche. En bas: exemples de personnages mobiles.
À gauche, le personnage a simplement subi une rotation dans un plan bi-
dimensionnel, soit en fonction de coordonnées x et y. Ce personnage se
trouve représenté à 180°, il est présenté de face (visage blanc) et il tient
son objet dans la main gauche. À droite, le personnage a subi une rotation
en fonction des coordonnées x et y, mais également en fonction de l'axe z.
L'axe z définit ici le caractère tri-dimensionnel de la rotation demandée au
sujet. Ce personnage se trouve représenté à 180°, il est présenté de dos
(tête noire) et il tient son objet dans la main gauche
Schematic representation of the presented stimuli
in both experimental conditions
de face (rotation dite bi-dimensionnelle), alors que dans la seconde
condition, le personnage mobile était présenté de dos (rotation dite tr
idimensionnelle). Les sujets étaient toujours soumis à la première con
dition avant la seconde condition. Chaque condition comptait 48 items.
L'enfant était invité à répondre le plus rapidement possible. L'in
tervalle inter-stimuli était de 4 secondes et les stimuli étaient présent
és jusqu'à l'appui sur une des deux clés-réponse. Les temps de
réponse et les erreurs étaient enregistrés.
RÉSULTATS
Les temps de réponse comme les erreurs ont été soumis à
diverses analyses de variance afin de tester les effets respectifs mentale chez l'enfant 53 Rotation
de l'âge et des variables associées à la présentation des stimuli:
conditions expérimentales (présentation de face ou de dos du
personnage mobile) et rotation (mouvement dans le plan (x, y)
du mobile
1. Sujets
Tous les sujets ont été soumis aux deux conditions expéri
mentales à l'exception de deux enfants de six et de deux de
sept ans qui ont échoué au test critère. Ces quatre enfants
avaient essentiellement des problèmes de latéralisation gau
che-droite. Au total, 18 enfants de six ans, 18 enfants de sept
ans, et 20 enfants de dix ans ont été observés aux diverses
épreuves.
2. Analyse des temps de réponse
Une ANOVA pour mesures répétées a été calculée sur les
temps de réponse (TR) moyens afin de tester la différence entre
les deux conditions expérimentales, les angles de rotation et les
catégories d'âge. Les moyennes étaient calculées sur base de
huit mesures pour chaque angle de rotation (4X2 types de
réponse), sauf dans les cas où l'enfant avait commis des erreurs.
Globalement, nous avons pu observer des effets significatifs de
la condition expérimentale de présentation des stimuli, F (1,105)
= 24,12, p < 0,0001, de l'âge, F (2,105) = 36,17, p < 0,0001, et
de l'angle de rotation, F (6,630) = 40,82, p < 0,0001. De la
même manière, les interactions des variables rotation et condi
tion expérimentale, F (6,630) = 2,59, p < 0, 02, et X âge,
F (6,630) = 2,79, p < 0,001, étaient significatives.
Afin d'affiner les analyses, une ANOVA pour mesures répé
tées a été réalisée sur les temps de réponse moyens obtenus
pour les réponses correctes pour chaque condition expériment
ale considérée séparément. Dans la première condition où le
personnage mobile était présenté de face, des effets significat
ifs de l'âge, F (2,53) = 12,84, p < 0,0001, de la rotation,
F (6,318) = 32,48, p < 0,0001, et de l'interaction des variables
âge et rotation, F (12,318) ■= 2,23, p < 0,01, ont été observés. Une
ANOVA chez les enfants de six, sept et dix ans considérés ind
épendamment a confirmé l'effet significatif de la variable rotation
dans chaque groupe d'âge, respectivement, F (6,102) = 6,44;
F (6,102) = 3,25; et F (6,114) = 7,26, tous avec p < 0,01. Les

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