« Rotation mentale », détermination d'un système de référence et erreurs de transformation : une étude développementale - article ; n°1 ; vol.105, pg 47-62

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L'année psychologique - Année 2005 - Volume 105 - Numéro 1 - Pages 47-62
Résumé
Pour résoudre un problème qui met en œuvre la rotation mentale, il est nécessaire d'organiser la figure à transformer à partir d'un système de référence. Une confusion dans la définition de ce système entraîne une erreur dans la transformation opérée. Cette recherche teste l'hypothèse selon laquelle la capacité de définir un système de référence évolue avec l'âge. L'analyse porte sur le nombre d'erreurs de transformation réalisées par des enfants de 6 et 10 ans soumis à des épreuves de rotation mentale portant sur des figures avec ou sans axe saillant (Courbois, 2000). Les résultats montrent que les erreurs de transformation sont spécifiques aux figures sans axe saillant, et que leur nombre diminue fortement avec l'âge.
Mots clés : psychologie du développement, rotation mentale, erreurs de transformation
Summary : « Mental rotation », determination of a reference system and errors of transformation : A developmental research
In a classical mental rotation task, the subject has to define a reference system before carrying out the mental transformation. Any mistake in the determination of this system results in an error in the kind of transformation that is imagined. In the present experiment, vue tested the hypothesis that the ability to define reference systems increased with age. We analysed the number of transformation errors mode by 6- and 10-year-old children in two mental rotation tasks, using stimuli with and without salient axis (Courbois, 2000). Results showed that these errors only occurred when the stimuli had no salient axis, and that the number of these errors decreased significantly with age.
Key words : developmental psychology, mental rotation task, transformation errors.
16 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 2005
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Y. Courbois
« Rotation mentale », détermination d'un système de référence
et erreurs de transformation : une étude développementale
In: L'année psychologique. 2005 vol. 105, n°1. pp. 47-62.
Résumé
Pour résoudre un problème qui met en œuvre la rotation mentale, il est nécessaire d'organiser la figure à transformer à partir
d'un système de référence. Une confusion dans la définition de ce système entraîne une erreur dans la transformation opérée.
Cette recherche teste l'hypothèse selon laquelle la capacité de définir un système de référence évolue avec l'âge. L'analyse
porte sur le nombre d'erreurs de transformation réalisées par des enfants de 6 et 10 ans soumis à des épreuves de rotation
mentale portant sur des figures avec ou sans axe saillant (Courbois, 2000). Les résultats montrent que les erreurs de
transformation sont spécifiques aux figures sans axe saillant, et que leur nombre diminue fortement avec l'âge.
Mots clés : psychologie du développement, rotation mentale, erreurs de transformation
Abstract
Summary : « Mental rotation », determination of a reference system and errors of transformation : A developmental research
In a classical mental rotation task, the subject has to define a reference system before carrying out the mental transformation.
Any mistake in the determination of this system results in an error in the kind of transformation that is imagined. In the present
experiment, vue tested the hypothesis that the ability to define reference systems increased with age. We analysed the number of
transformation errors mode by 6- and 10-year-old children in two mental rotation tasks, using stimuli with and without salient axis
(Courbois, 2000). Results showed that these errors only occurred when the stimuli had no salient axis, and that the number of
these errors decreased significantly with age.
Key words : developmental psychology, mental rotation task, transformation errors.
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Courbois Y. « Rotation mentale », détermination d'un système de référence et erreurs de transformation : une étude
développementale. In: L'année psychologique. 2005 vol. 105, n°1. pp. 47-62.
doi : 10.3406/psy.2005.3819
http://www.persee.fr/web/revues/home/prescript/article/psy_0003-5033_2005_num_105_1_3819L'Année psychologique, 2005, 105, 47-62
Unité de recherche sur l'évolution des comportements
et de l'apprentissage
Université Charles-de-Gaulle, Lille 3l
« ROTATION MENTALE »,
DÉTERMINATION D'UN SYSTÈME
DE RÉFÉRENCE
ET ERREURS DE TRANFORMATION :
UNE ÉTUDE DÉVELOPPEMENTALE
Yanick COURBOIS2
SUMMARY : « Mental rotation », determination of a reference system and
errors of transformation : A developmental research
In a classical mental rotation task, the subject has to define a reference
system before carrying out the mental transformation. Any mistake in the
determination of this system results in an error in the kind of transformation
that is imagined. In the present experiment, we tested the hypothesis that the
ability to define reference systems increased with age. We analysed the number
of transformation errors made by 6- and 10-year-old children in two mental
rotation tasks, using stimuli with and without salient axis (Courbois, 2000) .
Results showed that these errors only occurred when the stimuli had no salient
axis, and that the number of these errors decreased significantly with age.
Key words : developmental psychology, mental rotation task,
transformation errors.
1. Unité de recherche sur l'évolution des comportements et de l'apprent
issage, Université de Lille 3, BP 149, 59643 Villeneuve d'Ascq.
2. L'auteur remercie Jacqueline Bideaud pour sa relecture attentive du
manuscrit. 48 Yanick Courbois
INTRODUCTION
Quelques décennies de recherches sur l'imagerie mentale
visuelle ont permis de montrer que ce mode de représentation ne
relève pas d'une activité globale, indifférenciée, mais bien de
l'activation de processus distincts, dont la plupart sont aussi
engagés dans la perception visuelle (Denis, 1989 ; Finke, 1989 ;
Kosslyn, 1994 ; Richardson, 1999). Les travaux réalisés en ima
gerie cérébrale ont particulièrement renforcé cette conception en
démontrant qu'il existe plusieurs formes d'imagerie mentale
(Kosslyn, Ganis et Thompson, 2001 ; Thompson et Kosslyn,
2000). Certaines concernent les propriétés de l'objet et mettent
principalement en jeu les aires corticales engagées dans les pro
cessus de reconnaissance des objets. D'autres, comme la rotation
mentale, concernent les propriétés spatiales et mobilisent les
aires corticales engagées dans le codage des informations spatial
es. Des recherches neuropsychologiques sont venues appuyer
cette distinction en montrant que le fonctionnement de ces deux
grandes formes d'imagerie peut être détérioré sélectivement en
cas de lésion des régions cérébrales correspondantes (Farah,
Hammond, Levine, et Calvino, 1988 ; Levine, Warach et Farah,
1985 ; Luzzatti, Vecchi, Agazzi, Cesa-Bianchi et Vergani, 1998).
Rapportées à la problématique du développement, ces découvert
es peuvent avoir des répercussions importantes. D'une part, on
peut se demander si les différentes formes d'imagerie n'auraient
pas des rythmes de développement différents (Bideaud et Cour-
bois, 1998). D'autre part, on peut penser que leur développe
ment est nécessairement lié à celui des processus impliqués dans
le codage des propriétés de l'objet ou des propriétés spatiales qui
sous-tendent leur activité. Ainsi, le développement de la rota
tion mentale devrait être influencé par celui des compétences en
matière de codage des informations spatiales. Qu'en est-il de
cette évolution ?
Contrairement à ce que pensaient Piaget et Inhelder (1948),
le développement des compétences spatiales ne passe pas par
une série de stades hiérarchiques conduisant l'enfant d'un
codage topologique vers un codage euclidien. Les deux systèmes
sont effectivement présents et opérationnels très tôt chez
l'enfant (Huttenlocher, Newcombe et Sandberg, 1994). Par La rotation mentale 49
contre, les résultats de recherches réalisées dans des domaines
variés, comme la mémorisation d'orientation, la mémorisation
de localisation, ou la coordination des perspectives, sont conver
gents pour indiquer que la maîtrise des systèmes de référence
spatiaux fait l'objet d'un développement important. Ils mont
rent effectivement que la capacité de définir les systèmes de
référence pertinents pour la réalisation d'une tâche donnée, ainsi
que la capacité de les utiliser de façon flexible, s'améliorent fo
rtement avec l'âge (Allen, 1999 ; Fisher, 1990 ; Huttenlocher
et al., 1994 ; Newcombe et Huttenlocher, 1992).
La résolution d'un problème qui met en œuvre la rotation
mentale passe nécessairement par la définition d'un système de
référence propre à l'objet dont il faut imaginer la rotation. Ce
système polarise en déterminant ses éléments hauts et
bas. Il sert de base à la transformation imaginée qui va per
mettre de l'aligner avec la direction verticale (ou de le placer
dans la même orientation qu'un autre objet qui sert de modèle,
comme dans l'expérience classique de Shepard et Metzler, 1971).
L'évolution de la capacité de détermination des systèmes de
référence spatiaux devrait donc influencer le développement de
la rotation mentale. C'est ce que tendent à démontrer des recher
ches développementales dans lesquelles les enfants sont soumis à
des épreuves de rotation mentale portant sur des figures qui pos
sèdent, ou ne possèdent pas, un axe d'élongation saillant (Cour-
bois, 2000, Soumis). L'axe d'élongation est une caractéristique
perceptive qui intervient fortement dans la détermination d'un
système de référence propre à la figure (Sekuler, 1996), et les
résultats de ces recherches montrent que cette propriété condi
tionne la réussite des enfants de 5-6 ans aux épreuves de rotation
mentale. Les jeunes sont tout à fait capables d'imaginer
des rotations de figures lorsque celles-ci ont un axe saillant, mais
ils commettent un nombre important d'erreurs dans le cas cont
raire. Les performances des enfants plus âgés sont moins
influencées par cette propriété (Courbois, 2000, Soumis).
L'hypothèse de la difficulté d'attribution d'un système de
référence propre à la figure à transformer permet, cependant,
d'aller au-delà d'une analyse qui porte simplement sur le
nombre des erreurs en faisant des prédictions sur la nature même
de ces erreurs. Dans une épreuve classique de rotation mentale
(comparaison de deux figures, l'une droite, l'autre inclinée),
l'enfant qui éprouve des difficultés à polariser la figure inclinée 50 Yanick Courbois
devrait commettre des erreurs dans le type de transformation
qu'il opère sur celle-ci. Trois types d'erreurs sont possibles. Le
premier consiste à imaginer une rotation alors que les deux figu
res possèdent la même orientation ou, inversement, à ne pas
imaginer de rotation alors qu'elles sont toutes les deux verticales
mais dans une direction opposée (écart angulaire de 180°). Le
deuxième consiste à imaginer une transformation qui ne res
pecte pas le principe de la moindre action. Ce principe, qui est
d'un développement précoce chez l'enfant (Lejeune, 1993),
consiste à imaginer la rotation de l'objet en empruntant le che
min le plus court. L'enfant qui ne respecterait pas ce principe
imaginerait, par exemple, une rotation de 240° alors que l'écart
angulaire qui sépare les deux figures est de 120°. Le dernier
consiste à imaginer une rotation qui inverse la polarité des deux
figures (alignement de la partie haute de la figure avec la partie
basse du modèle).
L'objectif de cette recherche est de montrer que les difficul
tés que rencontrent les jeunes enfants dans les épreuves de rota
tion mentale lorsque les figures ne possèdent pas d'axe saillant
résultent bien d'erreurs dans l'attribution du système de réfé
rence. Des enfants de 6-7 ans et de 10-11 ans ont donc été soumis
à une épreuve de rotation mentale qui porte sur des figures avec
ou sans axe d'élongation saillant. Pour tenter d'identifier les
erreurs de transformation des figures, nous avons aménagé la
procédure expérimentale en demandant à l'enfant de montrer,
par un geste de la main, le mouvement qu'il a imaginé. Ce type
d'explicitation, qui repose essentiellement sur une réponse
motrice, peut être utilisé avec de jeunes enfants. Des recherches
ont effectivement montré que, dès l'âge de 5 ans, les enfants
manifestent une certaine conscience des processus mentaux ima
gés qu'ils mettent en œuvre (Estes, 1998).
Étant donné que le système de référence peut être déterminé
sans grande difficulté lorsque les figures possèdent un axe sail
lant, nous nous attendons à ce que les erreurs de transformation
soient rares dans cette condition et ce, quel que soit l'âge des
enfants. Par contre, ces erreurs devraient être plus nombreuses
lorsque les figures ne possèdent pas d'axe saillant, et cet effet
devrait être particulièrement marqué chez les enfants les plus
jeunes. rotation mentale 51 La
EXPÉRIENCE
MÉTHODE
PARTICIPANTS
Vingt enfants de CP âgés de 6 ans 2 mois à 7 ans 3 mois ainsi que
20 enfants de CM2 âgés de 10 ans 3 mois à 11 ans 10 mois ont participé à
l'expérience. Les âges moyens étaient respectivement de 6 ans 8 mois et
10 ans 9 mois. Il y avait autant de garçons que de filles dans chaque groupe.
MATÉRIEL
Les stimuli sont trois figures non familières composées de quatre él
éments distincts. Chaque figure existe dans une version « axe saillant (S+) »
et dans une version « axe non saillant (S-) ». Les figures de chaque version
ont la même structure. Les éléments bas, gauche et droit sont identiques.
Seule la taille de l'élément du haut permet de différencier les deux versions
(voir fig. 1). Elle est effectivement de 6,5 cm dans la version S+ et de 2,5 cm
Fig. 1. — Exemple de stimuli utilisés dans l'expérience
(axe non saillant en haut, axe saillant en bas)
Example of stimuli used in the experiment
(No-Salient axis in the upper panel ; Salient axis in the lower panel) 52 Yanick Courbois
dans la version S— (les dimensions des figures S+ sont de 9 X 5,5 cm ; celles
des figures S— sont de 5 x 5,5 cm). Pour chaque item, deux figures dans des
orientations différentes sont dessinées sur une feuille de papier de
29,7 X 21 cm. Des transparents qui représentent les trois figures dans la
version S— et S+ sont utilisés pour la familiarisation.
PROCÉDURE
Les participants sont testés individuellement au cours d'une session
expérimentale unique dont la durée ne dépasse pas vingt minutes. Les deux
conditions expérimentales sont administrées séparément. La moitié des
participants de chaque groupe d'âge commence par la condition S—, l'autre
moitié par la condition S+.
Les conditions expérimentales S— et S+ comportent chacune quatre
phases. Au cours de la première phase, l'expérimentateur montre deux
transparents qui représentent la même figure orientée verticalement (él
ément du haut à 0°). Il demande à l'enfant si les figures sont identiques ou
différentes (elles sont différentes lorsqu'elles sont des images en miroir l'une
de l'autre). Une fois que l'enfant a donné sa réponse, l'expérimentateur
effectue un lent mouvement de translation avec la figure de droite pour la
superposer à celle de gauche. Il lui demande alors de vérifier son jugement.
La procédure est reprise deux fois pour chacune des trois figures : une fois
en version identique, une fois en version différente. La deuxième phase
consiste en un test critère. On présente successivement à l'enfant 12 paires
de figures orientées à 0° (dessinés sur des feuilles format A4). Il doit simple
ment dire si les figures sont identiques ou pas et ne reçoit aucun feed-back.
Si l'enfant répond correctement à 11 des 12 items, on passe à l'étape su
ivante qui est une familiarisation à la rotation et au mode de réponse solli
cité. Elle commence par une démonstration et se poursuit par 4 essais de
familiarisation. Au cours de la phase de démonstration, l'expérimentateur
place deux transparents de la même figure l'un à côté de l'autre. La figure
de gauche est toujours verticale, celle de droite est soit verticale (écart
angulaire de 0°), soit inclinée (écart angulaire de 60°, 120° ou 180°). Il
demande alors à l'enfant s'il serait possible de superposer les deux figures
de façon à ce qu'elles soient exactement identiques en effectuant une trans
lation ou une rotation dans le plan. Après que l'enfant a donné sa réponse,
l'expérimentateur fournit un feed-back en effectuant la transformation
appropriée avec le transparent placé à droite. Les quatre essais de familiari
sation qui suivent sont identiques mais ils ne comportent plus de feed-back.
A la place, l'expérimentateur demande à l'enfant de mimer de façon précise
le type de mouvement qu'il a imaginé (une fois la réponse donnée). Il cor
rige les éventuelles imprécisions du mouvement et apporte des précisions
lorsque cela est nécessaire (en particulier lorsque les deux figures sont verti
cales, il mime un mouvement de translation de la figure de droite vers la
figure de gauche). Aucun des enfants testés n'a éprouvé de difficultés à La rotation mentale 53
mimer de la sorte les transformations imaginées. La dernière phase est la
phase expérimentale proprement dite. Pour chaque condition, elle comp
orte 24 items dispensés dans un ordre aléatoire (3 figures X 2 réponses
(pareil, différent) x 4 écarts angulaires (0,60°, 120° et 180°). Pour chaque
item, l'enfant donne sa réponse puis mime la transformation qu'il a
effectuée.
RESULTATS
Une première analyse a porté sur l'évolution des pourcentag
es d'erreurs en fonction de l'âge, de la condition expérimentale,
l'écart angulaire, et la réponse. Son but était simplement de
vérifier que nos résultats sont compatibles avec ceux de Cour-
bois (2000, Soumis). Une seconde analyse a porté sur ce que nous
appelons les erreurs de transformation, que celles-ci étaient sui
vies d'une erreur dans la réponse ou pas (il arrive que l'enfant
donne une réponse correcte après avoir imaginé la rotation par le
chemin le plus long, voire une translation à
la place d'une rotation). Ces erreurs sont intéressantes car elles
sont le reflet d'une difficulté d'organisation de la figure autour
d'un système de référence. Pour finir, deux analyses différentes
ont porté sur les réponses incorrectes consécutives à une erreur
de transformation et les réponses incorrectes qui ne sont pas
consécutives à ce type d'erreur.
POURCENTAGES D'ERREURS
Une analyse de variance a été pratiquée sur les pourcentages
d'erreurs en prenant la réponse (pareil, différent), l'écart angul
aire et la condition expérimentale comme variables intra-sujet,
ainsi que l'âge comme variable inter-sujets. Les effets de la
condition expérimentale et de l'écart angulaire sont significatifs
(respectivement F(l,38) = 109,09 ,p < .0001, F(3,114) = 21,72 ;
p < .0001). Il en est de même pour l'interaction entre la condi
tion expérimentale et l'écart angulaire (F(3,114) = 11,29 ;
p < .0001).
Les enfants de 6-7 ans font significativement plus d'erreurs
que leurs aînés (F(l,38) = 47,32 ;p < .0001). Cette différence est 54 Yanick Courbois
plus importante dans la condition expérimentale S— (interaction
entre la condition expérimentale et l'âge, F(l,38) = 73,55 ;
p < .0001). L'augmentation des pourcentages d'erreurs en fonc
tion de l'écart angulaire est plus importante chez les jeunes
enfants (interaction entre l'écart angulaire et l'âge,
F(3,114) = 11,45, p < .0001), et cet effet est accentué dans la
condition S— comparativement à la condition S+ (voir fig. 2,
interaction entre la taille, l'écart angulaire et l'âge,
F(3,114) = 8,75 ; p < .0001). Des analyses de variance séparées,
effectuées sur chaque groupe d'âge, montrent que l'interaction
entre la condition expérimentale et l'écart angulaire est signif
icative pour les enfants de 6-7 ans, mais pas pour les enfants de
10-11 ans (respectivement : F(3,57) = 11,14 ; p < .0001 ; F(3-
57) = 1,47, ns).
Les pourcentages d'erreurs sont significativement plus élevés
pour la réponse « différent » que pour la réponse « pareil »
(10,31 % versus 7,18 % ; F(l,38) = 5,7 ; p < 05). L'interaction
entre la réponse et l'âge, ainsi que celle entre la condition,
la réponse et l'âge, sont significatives (respectivement
F(l,38) = 4,96 ; p < .05 et F(l,38) = 6,12 ; p < .05). Il en est de
même pour l'interaction entre la condition, l'orientation et la
réponse (F(3,114) = 3,59 ; p < .05). L'ensemble de ces interac
tions doit néanmoins s'interpréter au travers d'une interaction
significative entre la condition, l'écart angulaire, la réponse et
l'âge (F(3,114) = 3,59 ; p < .05). L'origine de cette se
situe principalement au niveau de l'écart angulaire 60°, dans la
condition S—, chez les enfants de 6-7 ans. Pour cette orientation,
et uniquement pour celle-ci, les pourcentages d'erreurs de la
réponse « différent » en S— sont beaucoup plus importants que
ceux de la réponse « pareil » chez les enfants de 6-7 ans (40 %
versus 11,66 %). Lorsque l'écart angulaire 60° est retiré des ana
lyses, le facteur réponse n'est plus significatif (p > .12), et il
n'entre plus en interaction significative avec les autres facteurs
{p > .16). Par ailleurs, l'ensemble des interactions et des effets
principaux, qui étaient significatifs dans l'analyse précédente,
restent significatifs quand l'écart angulaire 60° est retiré des
analyses (p < .0001 dans tous les cas). rotation mentale 55 La
s+
50 -
45 " H 6-7 ans
" 40 D 10-11 ans
" 35
" 30
" 25
" 20
" 15
10-
5"
0 60° 120° 180°
Ecart angulaire
0° 60° 120°
Ecart angulaire
Fig. 2. — Pourcentages d'erreurs en fonction de la condition expérimentale
(axe saillant en haut, axe non saillant en bas)
de l'âge et de l'écart angulaire qui sépare les deux figures
Errors rates as a function of experimental condition
(Salient axis in the upper panel ; No-salient axis in the lower panel) ,
age and angular discrepancy

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