Perception dynamique au jeu d échecs

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1 UNIVERSITE DE PROVENCE AIX-MARSEILLE I Laboratoire de Psychologie Cognitive - CNRS Perception dynamique au jeu d échecs Thèse pour l obtention du grade de DOCTEUR DE L UNIVERSITE DE PROVENCE présentée par Vincent Ferrari Sous la direction de Mme. E. Marmèche et M. A. Didierjean JURY Evelyne Marmèche, Chargée de recherche CNRS, LPC, Université de Provence (Directeur) André Didierjean, Maître de Conférences, Université de Provence (Directeur) Fernand Gobet, Professeur, Université de Brunel (Rapporteur) Patrick Lemaire, Professeur, Université de Provence Hubert Ripoll, Professeur, Université de la Méditerranée (Rapporteur)

2 Remerciements Je tiens à exprimer ma reconnaissance à Evelyne Marmèche et à André Didierjean qui ont dirigé cette thèse. Chaque jour passé à leur côté, j ai pu bénéficier de leur professionnalisme, de leur enthousiasme, et de leur amitié. Je remercie également Patrick Lemaire et les membres de son équipe pour leurs conseils avisés lors nos réunions. Mes remerciements vont à Fernand Gobet, pour m avoir accueilli dans son laboratoire à l Université de Nottingham. Je le remercie, ainsi qu Hubert Ripoll, d avoir accepté d être rapporteur de cette thèse. Merci à Guy Tiberghien de m avoir initié à la TDS. Je remercie Aline Pelissier pour sa disponibilité et son aide précieuse pour la documentation de cette thèse. Enfin, mes remerciements vont à Jonathan Grainger, à l ensemble des membres du Laboratoire de Psychologie Cognitive, ainsi qu aux doctorants de l UFR à qui je souhaite courage et réussite. à Claire et Emma

3 Depuis les travaux de Binet (1894), le jeu d échecs a constitué un terrain privilégié pour étudier l acquisition de l expertise. Sous l impulsion des travaux de de Groot (1965) et de Chase et Simon (1973), les études sur l expertise se sont principalement intéressées à la perception experte. La thèse présentée ici s inscrit dans cette ligne de recherche. Dans cette optique, nous avons adapté au jeu d échecs des paradigmes expérimentaux issus des études sur l exploration de scènes visuelles. Dans une première série d expériences, nous étudions le décours temporel de l exploration de positions de jeu par des joueurs d échecs. Les résultats montrent que, dans les premières secondes d exploration, l attention des experts se focalise sur les éléments familiers d une position, puis sur les éléments stratégiques. La seconde série d expériences analyse les aspects anticipatoires de la perception experte. Les résultats montrent que, dès l encodage d une position de jeu, les experts activent automatiquement la suite probable. L ensemble des résultats de cette étude souligne les aspects dynamiques de la perception experte et apportent des éléments de réflexion nouveaux quant à l évolution des processus perceptifs avec l expertise. Mots-clés : jeu d échecs perception experte déroulement temporel anticipation perception dynamique.

4 SOMMAIRE INTRODUCTION 1 CHAPITRE I Les «chunks»: fondements d une perception experte 1. Les recherches princeps De Groot (1946, 1965) Chase et Simon (1973a) : une définition opérationnelle des chunks Des chunks pour structurer la perception La théorie des chunks (Chase & Simon, 1973a, 1973b) Modélisation de la théorie des chunks : MAPP Les limites de la théorie des chunks La théorie des chunks à l épreuve des tâches interférentes La trop bonne mémoire des experts Connaissances stratégiques et information de haut niveau Résumé 28 CHAPITRE II Vers une perception experte dynamique 5. Avancées théoriques et empiriques dans le domaine de l'expertise échiquéenne Les travaux de Holding La théorie des templates (Gobet & Simon, 1996a, 1996b) Connaissances spécifiques et informations sémantiques 38

5 6. La résolution de problème Une place plus grande accordée à la MLT Une modélisation de l expertise échiquéenne : CHREST L existence d'une perception experte Nature des chunks et type d encodage L empan visuel des experts Traitements sériels ou parallèles des relations échiquéennes Résumé 53 CHAPITRE III Recherches expérimentales Partie 1 L exploration visuelle de diagrammes de jeu d échecs par des experts et des novices Expérience 1 62 Méthode 63 Procédure 65 Résultats et Discussion 66 Expérience 2 73 Méthode 74 Procédure 75 Résultats et Discussion 76 Discussion générale des expériences 1 et 2 80

6 Partie 2 Perception anticipatoire des experts aux échecs Expérience 3 84 Méthode 85 Procédure 87 Résultats et Discussion 88 Expérience 4 95 Méthode 96 Procédure 97 Résultats et Discussion 98 Discussion générale des expériences 3 et CONCLUSION 104 REFERENCES 109

7 INTRODUCTION Il y a plus d un siècle, sous l impulsion des travaux de Binet (1894), la mémoire devint l objet d étude privilégié de la psychologie expérimentale française. Afin d appréhender les mécanismes, encore secrets, de la mémoire, Binet remit au goût du jour la méthode introspective pourtant délaissée par les autres écoles de psychologie moderne. Pour étudier la mémoire, Binet porta naturellement ses investigations vers les performances exceptionnelles des grands calculateurs, mais il s intéressa également aux joueurs d échecs capables de jouer des parties en aveugle (sans voir les échiquiers) et à la nature des représentations mentales qu élaboraient les joueurs pendant cet exercice. En analysant les protocoles verbaux des joueurs d échecs jouant en aveugle, Binet montra que la représentation mentale de l échiquier est, en fait, une reconstruction de la réalité où se combinent l image réelle de l échiquier et les connaissances des joueurs. Cependant, nous ne croyons pas qu on puisse comparer la représentation mentale, même concrète, de l échiquier, à ce que peut donner la vision réelle ; nous doutons fort que le parallèle soit juste ; l image visuelle diffère de la réalité ; elle en diffère comme un portrait diffère d une photographie, par l effacement semi-volontaire de détails sans importance ; la plus belle mémoire visuelle ne retient pas les choses telles qu elles sont pour l œil, mais opère un choix intelligent qui dépend du but que l on se propose en évoquant un souvenir. (Binet, 1894, p.291). Pour Binet, ce résultat souligne à la fois les liens étroits qu entretiennent la mémoire et la perception et l intérêt que l on doit porter aux mécanismes perceptifs des experts. Nous verrons, dans le premier chapitre de l étude présentée ici, comment cet axe de recherche, amorcé par Binet (1894) a été prolongé par les travaux de de Groot (1946, 1965), qui étudia également les protocoles verbaux de joueurs d échecs. Puis, nous aborderons les recherches de Chase et Simon (1973a) qui fournissent une description précise de la nature des structures de connaissance en jeu dans la perception des experts. Nous étudierons en particulier le rôle des chunks en détaillant la théorie de Chase et Simon (1973b), son apport dans les travaux sur l expertise échiquéenne, et sa modélisation dans MAPP (Simon &

8 Gilmartin, 1973). Nous présenterons ensuite les limites explicatives de la théorie du chunking ainsi que les principales critiques faites à son encontre. Le second chapitre aborde les nouvelles avancées théoriques et empiriques qui visent à pallier les défauts du modèle de Chase et Simon (1973b). Nous présenterons tout d abord les travaux de Holding (1979, 1985, 1989a, 1989b, 1990, 1992), de Gobet et Simon (1996a, 1996b) et de Saariluoma (1990, 1992). Puis nous nous intéresserons précisément à la théorie des templates (Gobet & Simon, 1996a, 1996b) et la LTWM (Ericsson & Kintsch, 1995). Nous détaillerons, par la suite, la modélisation de la théorie des templates : CHREST (Gobet, 1993 ; Gobet & Simon, 1998, 2000), modèle de l expertise échiquéenne que nous considérons comme le plus abouti à ce jour. Nous présenterons, ensuite, des études sur les mouvements oculaires des joueurs d échecs qui fournissent des données intéressantes sur les caractéristiques de la perception experte (Charness, Reingold, Pomplun & Stampe, 2001 ; de Groot & Gobet, 1996 ; Reingold, Charness, Schultetus, & Stampe, 2001a ; Reingold, Charness, Pomplun, & Stampe 2001b). Le troisième chapitre présente les recherches expérimentales que nous avons conduites sur la perception experte. L objectif de ces recherches, menées auprès de joueurs d échecs de différents niveaux d expertise, est d étudier l interaction entre la perception et les connaissances expertes. Pour cela, nous avons adapté au jeu d échecs des paradigmes classiquement utilisés dans les études sur les processus perceptifs, comme des tâches de détection de changement de type identique/différent dans lesquelles les items sont présentés pendant quelques secondes ou avec le Flicker Paradigm (présentation cyclique d items modifiés ou non). Il est intéressant de noter que, dans les recherches expérimentales présentées ici, nous appelons experts de bons amateurs au jeu d échecs (dont le niveau de jeu est beaucoup plus faible que celui de grand maîtres ou de maîtres). Le label expert est utilisé ici pour contraster le niveau de ces joueurs expérimentés (ils jouent en club plusieurs fois par semaine) avec celui de novices ou de débutants. Avec ce type de participants, nous étudions l acquisition de l expertise échiquéenne et non véritablement l expertise. La première partie des recherches expérimentales (expériences 1 et 2) a pour objectif d étudier le décours temporel de l exploration visuelle de positions de jeu mise en œuvre par des joueurs d échecs de différents niveaux. L objectif est ici de fournir des arguments

9 empiriques étayant l hypothèse selon laquelle les joueurs d échecs expérimentés encodent, grâce aux chunks qu ils ont stockés en MLT, de manière non détaillée, les patterns de pièces qu ils considèrent comme normaux, et explorent en détail les patterns plus stratégiques. Il s agit, de plus, d étudier l ordre d exploration des différents patterns présents sur l échiquier (patterns familiers et patterns stratégiques ) selon le niveau d expertise des participants. Nous défendons l hypothèse selon laquelle les patterns familiers présents sur l échiquier guident l exploration visuelle des experts vers les éléments plus stratégiques. L objectif de la seconde série d expériences présentées ici (expériences 3 et 4) est d étudier le caractère anticipatoire de la perception experte. Plus précisément, il s agit ici de montrer que la reconnaissance d un extrait d une scène dynamique aux échecs permet aux experts d anticiper le prochain coup et de focaliser leur attention sur la zone de l échiquier où ils pensent que ce coup va être joué.

10 CHAPITRE I Les chunks : fondements d une perception experte «Aucun coup ne doit être joué sans but.» Pedro Damanio

11 1. Les recherches princeps 1.1. De Groot (1946, 1965) C est en 1965 qu est publiée la traduction en anglais d une version révisée de la thèse de de Groot écrite en Cet ouvrage relate une série d études sur des experts au jeu d échecs. L objectif des recherches de de Groot est d arriver à une description généralisée de la structure et de la dynamique des processus de pensée. L auteur fait remarquer que s il existe de nombreux ouvrages sur les échecs, très peu s intéressent aux mécanismes mentaux que mettent en oeuvre les joueurs d échecs. Dans sa thèse, de Groot se propose d illustrer la théorie de Selz (1922) qui considère la pensée comme une activité continue pouvant être décrite sous la forme d une chaîne linéaire d opérations. De Groot a utilisé deux tâches expérimentales très simples qui ont influencé la plupart des paradigmes expérimentaux utilisés par la suite dans ce domaine de recherche. La première tâche consiste à demander à des joueurs d échecs de différents niveaux d expertise (de bons amateurs, des experts, des maîtres, des grand maîtres dont deux champions du monde) de réfléchir à voix haute en même temps qu'ils cherchent le meilleur coup à jouer dans une position donnée. La seconde tâche est une tâche de mémorisation de positions de jeu. Pour comprendre les mécanismes mentaux mis en oeuvre par les experts, de Groot analyse les verbalisations d experts et de débutants à qui il demande d étudier à voix haute (comme s ils devaient vraiment jouer) des positions de jeu inconnues des joueurs, pour y trouver le meilleur coup. L étude des protocoles verbaux montre que le comportement des sujets peut être découpé en épisodes, dont les limites sont marquées par d abruptes discontinuités d attention. De Groot (1965) distingue trois phases dans le processus de réflexion menant au choix d un coup, lesquelles apparaissent de manière assez distincte. Notre présentation reprend, pour l essentiel, les propres termes de de Groot. 1. L analyse de la position débute par une phase d orientation d environ 15 secondes qui se divise elle-même en trois sous-étapes : a. Une première étape dite statique dans laquelle le joueur détecte les traits les plus importants de la position, ainsi que des relations fonctionnelles entre les pièces. L objectif de cette phase est de définir de quelle catégorie relève la position et d y repérer certains traits caractéristiques particuliers. Les catégories identifiées renvoient à des méthodes

12 de jeu plus ou moins détaillées qui orientent l investigation des possibilités à venir et, par conséquent, l ensemble des mouvements à considérer. b. Succède à la première étape, qui se déroule en quelques secondes, une étape dite dynamique. Pendant cette étape, le joueur analyse grossièrement les menaces principales, élabore les premiers plans d attaque (i.e., les possibilités d action) sans cependant formuler de solutions. A ce stade, en combinant les différents plans d attaque qu il a envisagés, le sujet établit ce que de Groot dénomme le cœur dynamique du problème sur l échiquier. c. Enfin, dans une dernière étape, dite évaluative, le joueur porte un jugement sur la position qu il est en train d analyser, en termes d équilibre du matériel (avantage, égalité ou infériorité) et de possibilités d action. Notons que de Groot envisage qu il puisse y avoir des aller-retours entre les étapes b et c. 2. Après cette première phase d orientation, suit une phase d approfondissement progressif. C est, selon de Groot, la partie la plus importante de la recherche. Elle consiste pour le joueur à examiner et à réexaminer les différents plans d attaque envisagés. Pour orienter sa recherche, le joueur construit un échantillon de possibilités (i.e., un échantillon de différents coups possibles à jouer pour la position traitée) ; puis il analyse un des coups à jouer à plusieurs reprises, à chaque fois de manière plus approfondie et en explorant de nouvelles branches dans l arbre des coups possibles. L analyse des verbalisations a montré que pour l ensemble des joueurs, et ce quel que soit leur niveau d expertise, la recherche des différents coups à jouer est très sélective. Le joueur cherche un coup qui s ajuste au mieux à la méthode générale de jeu (définie par la catégorie dont relève la position à traiter) et qui contribue à la solution du cœur du problème. S il n est dégagé qu un seul coup intéressant, alors ce coup devient automatiquement le favori. A ce niveau, ce sont donc, à la fois la catégorie à laquelle appartient la position, la méthode de jeu générale, le cœur du problème, et les coups considérés, qui sont importants pour définir la solution du problème présenté sur l échiquier. 3. Enfin, l analyse de la position s achève par une phase de résumé et de vérification. Le joueur fait le résumé de ses recherches, combine certains plans d attaque et en élimine d autres. Un coup favori est sélectionné puis le joueur essaie de vérifier si ce coup est vraiment meilleur que les alternatives envisagées. Le problème pour le joueur est alors de

13 savoir s il faut jouer ou non le coup favori. Comme le remarque l auteur, tout se passe comme si le joueur cherchait à se convaincre que le coup favori est objectivement le meilleur. L analyse des verbalisations montre que les joueurs les plus forts ne font pas une évaluation plus exhaustive des différents coups à jouer que les joueurs plus faibles. Tous les joueurs sont très sélectifs dans leur recherche, n accordant leur attention qu'à une portion réduite des coups et séquences de coups possibles. Pour de Groot, un maître n envisage pas nécessairement plus de possibilités de jeu, mais les coups qu il sélectionne sont plus pertinents, ce qui permet une évaluation plus facile, et surtout plus efficace, de la position. L analyse des protocoles a montré que les joueurs les plus forts saisissent le sens des positions après seulement quelques secondes d exposition, en intégrant les traits stratégiques principaux et en accédant immédiatement à l un des meilleurs coups à jouer. Les verbalisations montrent qu en analysant une position, les maîtres savent très rapidement de quoi il retourne, dans quelle direction ils doivent chercher ; ils voient immédiatement le cœur du problème dans la position, là où les joueurs plus faibles le trouvent avec difficulté ou l ignorent complètement. De Groot souligne toutefois, que s il en a besoin pour analyser une position ou extraire un plan d attaque, un maître peut calculer en profondeur 5, 6, ou 7 coups, ce qui est impossible pour les joueurs moins expérimentés. Cependant, si les verbalisations analysées par de Groot apportent de nombreuses informations, elles conduisent également l auteur à considérer qu elles ne peuvent éclairer entièrement les mécanismes en jeu ( chess thinking is typically non-verbal de Groot, 1965, p. 335). Ainsi de Groot souligne-t-il la nécessité d élaborer de nouvelles méthodes pour étudier la nature des connaissances expertes. Dans ce sens, il réalise une expérimentation, véritable lancement de toutes les recherches actuelles sur ce thème (Vicente & Brewer, 1993, dans un article sur les erreurs dans les citations des travaux de de Groot, relèvent que le livre de de Groot a été cité en moyenne, entre 1966 et 1988, près de 10,5 fois par an). L expérience proposée par de Groot est inspirée d une tâche élaborée par Djakow, Petrowski et Rudik (1927) que de Groot a modifiée sur plusieurs points : le temps de présentation est désormais contrôlé (de 2 sec. à 15 sec.) et les positions sont tirées de parties jouées. La tâche consiste à demander à des joueurs d échecs de différents niveaux de mémoriser des configurations de jeu présentées pendant un temps bref. La recherche de de Groot est conduite auprès de quatre joueurs experts au jeu d'échecs (dont de Groot lui-même). Après la phase de mémorisation, les joueurs doivent rappeler les configurations mémorisées, soit verbalement pour les deux

14 participants les plus experts, soit en plaçant des pièces sur un échiquier vide pour les deux autres. Le nombre de pièces correctement placées permet l évaluation des performances de mémorisation des sujets. Les résultats montrent des différences importantes dans le rappel des joueurs de niveaux différents. Les maîtres sont capables de rappeler la quasi-totalité de la position (avec une moyenne de 93% de pièces correctes), alors que de bons amateurs (l équivalent de joueurs de classe A) ne réalisent que 50% de replacements corrects. L analyse des protocoles montre également que les différentes zones d un échiquier réclament des degrés d attention variables. Les zones les plus familières (e.g., les positions inchangées des pièces, les positions de roi roqué) sont explorées seulement en passant les joueurs les reconnaissent très rapidement alors que d autres zones attirent davantage l attention des sujets. Les caractéristiques inhabituelles, qui échappent à un cadre typique (e.g., une pièce exposée, un pion avancé, une batterie de pièces puissantes), réclament une analyse plus détaillée. A partir de l analyse des protocoles verbaux recueillis après la tâche de mémoire, de Groot montre aussi que les relations essentielles entre les pièces, leurs mobilités et leurs possibilités de capture, leurs coopérations ou oppositions, sont souvent perçues et retenues mieux que la position des pièces elles-mêmes. Lorsque les maîtres reproduisent des positions, les relations sont continuellement mentionnées, non seulement la nature spatiale des relations (e.g., la reine est épaulée de deux cavaliers ) mais aussi les relations de nature fonctionnelle et dynamique (e.g., les possibilités de capture par clouage, la mobilité, le contrôle des cases, etc.). Les mouvements possibles ou même des continuations plus profondes sont souvent vus pendant les 5, ou même les 2 ou 3 premières secondes. L analyse des erreurs de reproduction des positions montre que la perception est souvent d abord dynamique dans le sens où elle ne consiste pas en la simple récupération de ce qui est perçu mais qu elle intègre des connaissances additionnelles. Une pièce est souvent placée sur une case où le sujet aimerait qu elle soit parce qu elle a une valeur stratégique (e.g., une case centrale ou une case que l adversaire voulait tenir). Pour rendre compte de la supériorité des joueurs les plus expérimentés, de Groot propose que ces derniers encodent de manière automatique, en quelques secondes, une position donnée grâce à des connaissances particulières en mémoire : les grands complexes. Ces grands complexes peuvent être considérés comme des unités de perception et de

15 signification. Ces connaissances une position de roi roqué, une structure de pions, un nombre de pièces coopérantes permettraient au joueur d encoder des ensembles de pièces plutôt que des pièces individuelles. De plus, l activation de ces grands complexes entraînerait l activation d un ensemble de méthodes de jeu possibles. The chessmaster sees in a few seconds What s cooking in a certain position, i.e., which typical playing methods the situation on the board demands, enables him to begin his investigation in a highly specific direction (de Groot, 1965, p. 297). L activation de méthodes de jeu permettrait d orienter la recherche de l expert vers les développements les plus prometteurs et réduirait considérablement son espace de recherche. Pour de Groot, ces méthodes de jeu associées en mémoire à des configurations particulières représentent, pour un maître, un véritable arsenal. [ ] a typical complex of position characteristics actualizes corresponding combinatorial ideas or strategic goals and plans. The extensive and finely differentiated system of such correspondences (linkings) is, so to speak, the arsenal of the chessmaster. (de Groot, 1965, p. 297). Par exemple, lorsqu un joueur suffisamment expert reconnaît un type d ouverture grâce à la disposition des pièces, il peut voir quelles manœuvres il peut commencer sur les ailes, et savoir immédiatement ce qui se passe et ce qui, en principe, devrait se passer selon la configuration typique des pièces il le sait par expérience. C est parce que la nature typique de la configuration, les relations fonctionnelles et/ou dynamiques des grandes unités, peuvent être perçues que l expert est capable, en un court laps de temps, d appréhender une position complète. Pour de Groot, les résultats obtenus dans ses recherches mettent l accent sur l interaction entre les connaissances dont dispose l expert et leur influence sur la perception. Il est clair pour l auteur que l apparition immédiate et rapide des aspects dynamiques d une position, des calculs combinatoires possibles, des possibilités, sont les fruits de l expérience d un maître. Ce qu un maître active automatiquement, grâce à son expérience, en regardant une position (les buts et moyens stratégiques, les procédures standard associées à cette position), un joueur moins expérimenté doit le reconstruire uniquement à partir de ce qu il perçoit. Le maître voit, littéralement, d une manière totalement différente (et plus adéquate) qu un joueur plus faible. Selon de Groot, la grande différence entre un maître et un joueur plus faible, particulièrement pendant le temps attribué à la recherche du cœur du problème, et pour la découverte de l action à réaliser sur l échiquier, est principalement due à des différences de perception. Comme l avance de Groot (1946, 1965) Un maître ne cherche pas le bon coup, il le voit. L auteur souligne qu'il utilise à dessein le même terme voir (seeing)

16 pour désigner à la fois les opérations de nature perceptive et celles, plus abstraites, qui désignent l élaboration d hypothèses sur les développements possibles. Ces deux significations lui semblent indissociables Chase et Simon (1973a) : une définition opérationnelle des chunks Si les recherches princeps de de Groot (1946, 1965) ont établi l importance de la recherche sélective, elles ne permettent pas de définir précisément quelles structures perceptives permettent aux joueurs d échecs une rapide identification des éléments essentiels d une situation. Chase et Simon (1973a) ont répliqué la tâche de rappel élaborée par de Groot (1946, 1965) afin d analyser plus en détail les protocoles de joueurs d échecs de différents niveaux et de préciser certains points théoriques. L hypothèse avancée par Chase et Simon (1973a) est la suivante : puisque les maîtres (aux échecs) sont contraints par les limites de la mémoire à court terme (Miller, 1956), leurs performances supérieures (dans des tâches de rappel) doivent être liées à leur capacité à percevoir des structures dans les positions de jeu et à les encoder selon un certain nombre de chunks. Les objectifs de la série d expériences conduites par Chase et Simon (1973a) sont, d une part, d élaborer une théorie de l acquisition de l expertise échiquéenne en approfondissant, à travers le concept de chunk, la notion de grands complexes proposée par de Groot (1946, 1965), et d autre part, de modéliser cette théorie. Dans cette série d expériences, Chase et Simon ont proposé deux tâches expérimentales à des joueurs d échecs de différents niveaux d expertise. Le nombre de participants à cette étude est très faible puisqu il n est constitué que de trois joueurs : une débutante, un joueur de classe A (joueur de niveau intermédiaire), et un maître. Les auteurs ont construit 28 positions de jeu d échecs : des configurations issues de parties réalistes (20 positions) et des configurations dans lesquelles les pièces sont disposées aléatoirement sur l'échiquier (8 positions). Chaque position comprenait 25 pièces en moyenne. La première tâche est une épreuve de perception dans laquelle les sujets ont à reconstruire 14 positions de jeu (10 positions réalistes et 4 positions aléatoires ). Dans cette tâche, deux échiquiers sont placés devant le participant. L une des 14 positions élaborées par les auteurs est présentée à gauche du sujet et l autre échiquier, vide, est placé en face du sujet. Toutes les pièces sont placées à droite de l échiquier vide (voir figure 1 pour une

17 illustration de la procédure). La tâche du participant est de reconstruire la position sur l échiquier placé devant lui le plus rapidement et le plus précisément possible en jetant des coups d œil sur la position à sa gauche aussi souvent qu il le désire. Figure 1. Illustration de la procédure utilisée dans la tâche de perception (Chase & Simon, 1973a). La seconde épreuve est une tâche de mémoire. La procédure utilisée dans cette tâche est quasi-similaire à celle utilisée par de Groot (1946, 1965), excepté qu ici plusieurs essais d une durée contrôlée sont accordés aux participants pour chaque position. Les échiquiers ont été placés exactement comme dans la tâche de perception. Le participant peut regarder la position originale sur sa gauche pendant 5 secondes, puis une séparation est placée entre la position originale et l échiquier vide. Le participant doit alors placer le plus de pièces possible sur l échiquier vide en face de lui, en prenant le temps qu il veut (en moyenne, les sujets n ont pas pris plus d une minute). Si toutes les pièces n'ont pas été replacées, les pièces qui ont été positionnées sont retirées de l'échiquier et le joueur réalise un nouvel essai. Sept essais de 5 secondes sont ainsi effectués pour une même configuration (pour les positions aléatoires, le nombre d essais est généralement inférieur du fait de la difficulté de la tâche). Dans la tâche de mémoire, chaque participant traite 10 positions réalistes et 4 positions aléatoires (voir figure 2 pour un exemple).

18 Configuration réaliste Configuration aléatoire Figure 2. Exemples de configurations réaliste et aléatoire. Les données ont été analysées en vue de déterminer de combien de pièces est typiquement constitué un chunk, quelle est la taille relative des chunks d un maître et de joueurs plus faibles, et combien de chunks les joueurs restituent après une brève vision d une position. Dans les deux tâches expérimentales, les comportements des sujets ont été filmés. Les données recueillies par Chase et Simon (1973a) suggèrent, tout d'abord, que les joueurs de niveaux différents ne se différencient pas par leur capacité de mémoire pure. En effet, lorsque les configurations présentées sont aléatoires, les performances de rappel sont équivalentes (environ quatre pièces sont rappelées après 5 secondes de mémorisation). Lorsque les configurations sont issues de parties réalistes, les résultats observés dans la tâche de mémorisation indiquent que les performances de rappel des trois sujets diffèrent considérablement : le maître rappelle beaucoup plus de pièces que le joueur de classe A et la débutante. Après 5 secondes de présentation d'une configuration, la débutante rappelle environ 4 pièces, alors que le joueur de classe A en rappelle environ 8, et le maître autour de 16. Les résultats montrent également que les joueurs ne replacent pas les pièces une par une, mais par groupes. Plus précisément, une pratique générale des joueurs est de placer en premier des groupes de pièces dont ils pensent bien se souvenir, puis de rechercher en

19 mémoire des pièces additionnelles. Notons que lorsque les joueurs ont replacé des groupes de pièces, il y a relativement peu d erreurs dans leur rappel, alors que quand les joueurs ont posé les pièces une par une (parfois des pions étaient placés par paires ou par triades), il existe un temps de réflexion entre chaque placement de pièce et les erreurs sont plus fréquentes. Un questionnaire post-expérimental a montré que, dans de nombreux cas, les joueurs paraissent plus sûrs de la position que les pièces auraient dû avoir (e.g., les emplacements sur lesquels les pièces sont le plus souvent placées dans des parties réalistes), que de la position qu elles avaient réellement sur l échiquier à reconstruire. De plus, les résultats ont montré que le nombre et la taille des regroupements sont liés au niveau d expertise des joueurs, les joueurs les plus forts replaçant plus de groupes de pièces et des groupes plus grands que les joueurs plus faibles. Pour délimiter précisément la taille et le nombre des groupes de pièces observés dans les protocoles, Chase et Simon ont mesuré la longueur des pauses entre chaque placement de pièce, et ont analysé les relations échiquéennes qu entretiennent deux pièces placées successivement. Ils ont, ensuite, croisé ces deux variables. Dans un premier temps, l'examen de la distribution des pauses, dans la tâche de perception et dans la tâche de mémoire, a permis aux auteurs de distinguer deux types de pauses, des pauses courtes (inférieures ou égales à 2 secondes) et des pauses longues (de plus de 2 secondes). Cette frontière autour de 2 secondes permettrait, selon Chase et Simon, de délimiter les chunks. Une pause inférieure ou égale à 2 secondes entre le placement successif de deux pièces signifierait que ces pièces appartiennent à un même chunk, alors qu une pause longue indiquerait le début d un nouveau chunk. Dans un second temps, pour confirmer ce critère de délimitation entre les chunks, Chase et Simon ont étudié conjointement le nombre et la nature des relations échiquéennes qu entretiennent les pièces séparées par des pauses courtes (supposées appartenir à un même chunk), et les pièces séparées par des pauses longues (supposées appartenir à deux chunks différents). Pour ce faire, les auteurs ont repéré, dans les protocoles des sujets, l occurrence des 5 relations échiquéennes suivantes : 1- Relation d attaque : lorsque l une des deux pièces attaque l autre ; 2- Relation de défense : lorsque l une des deux pièces défend l autre ; 3- Relation de proximité : lorsqu une pièce se situe sur l une des huit cases adjacentes à l autre pièce ; 4- Couleur commune : lorsque les pièces sont de la même couleur ;

20 5- Type commun : lorsque les pièces sont du même type (toutes sont des pions, des tours, etc.). Les résultats ont montré que les pièces séparées par des pauses courtes entretiennent entre elles beaucoup plus de relations échiquéennes (attaque, défense, proximité, couleur, et type) qu avec les pièces placées après des pauses longues. Une analyse des données a montré que l ensemble des chunks placés par les joueurs appartenait à au moins l une des catégories suivantes (voir figure 3 pour des exemples) : - Une variété de chunks constitués de pions (avec éventuellement une tour ou des pièces mineures) dans des configurations classiques de roi roqué ; - Une variété de chunks constitués de la première rangée inchangée de l échiquier ; - Une variété de chunks constitués de chaînes de pions, de paires de tours, de configurations associant la reine et l une des tours ; - Une variété de configurations classiques de pièces attaquantes, spécialement le long d une ligne, d une diagonale, ou autour de la position adverse du Roi roqué (ou parfois vers d autres positions vulnérables). Bien que cette dernière catégorie de chunks ne représente qu un faible pourcentage de l ensemble des chunks placés par les sujets et qu elle n ait été observée que dans les protocoles du joueur le plus expérimenté, nous verrons comment ces chunks ont joué, pour Chase et Simon, un rôle théorique important. Figure 3. Exemples de chunks. Pour rendre compte de l ensemble de ces résultats, Chase et Simon proposent que les joueurs les plus expérimentés utilisent leurs nombreuses connaissances échiquéennes pour reconnaître plus rapidement des patterns familiers (des ensembles de pièces rencontrés fréquemment dans des parties ou dans la littérature échiquéenne) et les encoder sous le format

21 de chunks perceptifs. L activation des chunks permettrait alors une mémorisation plus rapide et plus efficace des positions structurées (i.e., réalistes), mais pas des positions aléatoires. Sur la base des nombreuses données recueillies dans leurs expériences, Chase et Simon vont définir un chunk comme un groupe de pièces, constitué de 2 à 5 pièces, qui entretiennent de nombreuses relations échiquéennes entre elles (des relations perceptives proximité, couleur et/ou type, et des relations sémantiques attaque/défense) et peu avec les pièces d un autre chunk. Selon les auteurs, un chunk est une structure de connaissance à la fois perceptive et sémantique. Un chunk est une unité perceptive qui permet la reconnaissance rapide et efficace de patterns familiers. Cette reconnaissance s appuie sur l identification de relations échiquéennes de nature perceptive comme les relations de proximité, de couleur et de type. Mais certains chunks seraient également des unités sémantiques. Les pièces à l intérieur d un chunk entretiennent des relations de défense mutuelle, des relations d attaque sur de petites distances, et des attaques typiques ( e.g., fourchettes, clouages) souvent dirigées vers la position du roi roqué adverse ou vers des positions vulnérables. Dans ce cas, le rôle d un chunk n est pas limité à la simple reconnaissance de patterns familiers, mais il peut informer le joueur de la faiblesse ou de la force de la position traitée, et éventuellement lui indiquer le prochain coup à jouer, la stratégie à employer, etc. Selon Chase et Simon, un joueur d échecs suffisamment expert aurait donc à sa disposition des chunks purement perceptifs et des chunks à la fois perceptifs et stratégiques stockés en MLT. Pour les auteurs, la présence de ces deux types de chunks expliquerait la capacité qu ont les joueurs les plus expérimentés à mettre en œuvre un traitement perceptif rapide leur permettant d encoder en un coup d œil l essence d une position (i.e., localiser la zone la plus importante ou identifier les positions saillantes) présentée brièvement, lorsque celle-ci est reliée au domaine d expertise. Tout comme de Groot, Chase et Simon ont supposé que le grand avantage des joueurs experts réside dans l interaction entre leurs connaissances échiquéennes et les processus perceptifs qu ils mettent en oeuvre lors de l exploration d une position de jeu. Pour identifier les zones importantes d une position, un maître reconnaîtrait des configurations de pièces qui sont liées à la stratégie immédiate de jeu, des chunks stratégiques. Ces chunks seraient utilisés comme des index pour l activation de certaines structures de la MLT permettant le déclenchement des mouvements possibles (la notion de chunks stratégiques rejoint directement la proposition de Groot qui suggère que certains grands complexes sont associés, en MLT, à des méthodes typiques de jeu). La recherche du meilleur coup parmi les mouvements possibles activés est orientée vers les branches les plus prometteuses dans l espace des mouvements possibles d une position donnée. Ainsi, les joueurs les plus forts peuvent trouver de très bons

22 mouvements en ne générant qu un petit nombre d états potentiels. Chase et Simon défendent donc l idée d un avantage perceptif et mnésique comme composante fondamentale de l expertise échiquéenne et décrivent cet avantage principalement en termes de reconnaissance de chunks (perceptifs et stratégiques). Les auteurs vont intégrer l ensemble des résultats qu ils ont obtenus et les premières interprétations théoriques qu ils ont proposées, dans un modèle de l acquisition de l expertise aux échecs : la théorie des chunks. 2. Des chunks pour structurer la perception 2.1. La théorie des chunks (Chase & Simon, 1973a, 1973b) Les recherches de de Groot (1946, 1965) et de Chase et Simon (1973a) ont souligné deux traits fondamentaux de l expertise liés à la richesse des connaissances du domaine d expertise : la reconnaissance de patterns et la sélectivité de la recherche. La première tentative pour lier ces deux traits en une seule théorie a été élaborée par Chase et Simon (1973b) dans la théorie des chunks. Pour expliquer comment les joueurs expérimentés sont capables de retenir en mémoire la quasi-totalité des positions présentées pendant quelques secondes, performance qui ne se reproduit pas avec des positions aléatoires (Chase & Simon, 1973a), et comment ils peuvent trouver très rapidement le meilleur coup à jouer (de Groot, 1946, 1965), Chase et Simon (1973b) proposent que, durant l acquisition de leur expertise, les joueurs d échecs ont mémorisé implicitement des chunks perceptifs en MLT correspondant à des patterns de pièces souvent rencontrés dans les parties qu ils ont jouées ou étudiées. La théorie des chunks est une théorie à deux composantes, une composante de reconnaissance de patterns familiers, et une composante qui permet l association entre les chunks et les coups à jouer (la théorie des chunks est également appelée théorie de reconnaissance-association). Si Chase et Simon (1973b) ont développé ces deux composantes dans leur théorie, ils ont toutefois détaillé davantage le rôle des chunks dans la reconnaissance de patterns familiers. Selon la théorie des chunks, pendant la présentation d une position issue d une partie, les nombreux chunks perceptifs stockés dans la MLT vont permettre aux joueurs expérimentés de reconnaître des patterns de pièces familiers sur l échiquier. Un label désignant chaque chunk activé en MLT sera alors placé en MCT dont la taille est limitée à 7 ±

23 2 chunks (Miller, 1956). Les chunks sont stockés en MLT et organisés dans un réseau hiérarchique de discrimination Les patterns familiers sont reconnus et activent en MLT les chunks Chaîne de pions Roi roqué Cavalier Reine MCT dont la capacité est limitée à 7 ± 2 chunks (Miller, 1956) Position de jeu présentée pendant 5 secondes Des labels, désignant les chunks activés en MLT, sont placés dans la MCT pour reconstruire la position. Echiquier à remplir Figure 4. Schéma illustrant les mécanismes en jeu dans la tâche de mémorisation. Les labels stockés provisoirement en MCT permettent une localisation et une

24 récupération rapide du contenu des chunks stockés en MLT. Comme les maîtres ont davantage de chunks et que certains de ces chunks sont plus grands que ceux de joueurs plus faibles, il leur est alors plus facile de mémoriser une position. Dans le cas de positions aléatoires, peu de patterns sont reconnus et la supériorité des joueurs expérimentés disparaît quasiment. Nous proposons dans la figure 4 un schéma illustrant les mécanismes en jeu, selon la théorie des chunks (Chase & Simon, 1973a), dans la tâche de mémorisation. Pour rendre compte du comportement des joueurs d échecs lors de la résolution de problèmes, Chase et Simon (1973b) ont proposé une extension de la théorie des chunks, le modèle de l œil de l esprit (Mind s eye). Dans ce modèle, Chase et Simon expliquent comment la reconnaissance perceptive de patterns familiers mène, dans certains cas, à l activation de coups ou de plans possibles. Selon les auteurs, un pattern familier est représenté en MLT par un chunk associé à un ensemble d'instructions (permettant de reconstituer une représentation du pattern comme une image interne) qui contient des informations additionnelles sur les coups plausibles. Ainsi, la reconnaissance de patterns présents sur l'échiquier active automatiquement les chunks correspondants en MLT, et déclenche en même temps les coups adéquats qui seront par la suite placés en MCT pour être davantage examinés. Par exemple, aux échecs, la présence d'une colonne ouverte dans une position pourrait activer une production comme : Si une colonne est ouverte, alors essayer de l'occuper avec une tour. Le choix d'un coup dépend alors, non d'une recherche approfondie au travers de l'ensemble des possibilités, mais est avant tout basé sur une reconnaissance de patterns et sur une recherche sélective. La théorie des chunks peut être formalisée par un système de production (Newell & Simon, 1972). Les chunks jouent le rôle de condition de production : chaque chunk en MLT est une condition qui peut être satisfaite par la reconnaissance de patterns sur l'échiquier, et l'action consiste à évoquer un coup associé aux patterns. Toutefois, cet aspect de la théorie qui tend à montrer que les chunks suggèrent les bons mouvements aux maîtres n a guère été exploré par les auteurs Modélisation de la théorie des chunks : MAPP Certains aspects de la théorie des chunks ont été implémentés par Simon et Gilmartin (1973) dans un programme informatique dénommé MAPP (Memory-Aided Pattern Perceiver) capable de simuler la MLT de joueurs d échecs faibles ou celle de maîtres dans des tâches de mémorisation de positions de jeu d échecs. A l instar de de Groot (1946, 1965 ) et de Chase et

25 Simon (1973a, 1973b), Simon et Gilmartin (1973) défendent l idée que l expertise échiquéenne requiert l acquisition d une grande base de chunks et d un réseau de discrimination approprié. Le programme MAPP intègre une composante d apprentissage et une composante de performance. La composante d apprentissage utilise les mécanismes d apprentissage d EPAM (Elementary Perceiver And Memorizer ; Feigenbaum, 1963). Le réseau EPAM (un réseau de discrimination) est stocké en mémoire comme une structure de liste organisée selon un arbre hiérarchique. Chaque nœud de la structure indique la position d un pattern de pièces sur l échiquier, c est-à-dire la rangée et la colonne relative à chaque pièce du pattern. EPAM intègre deux types d apprentissage. Lorsqu un pattern de pièces est encodé, des tests de comparaison sont exécutés sur la base des traits perceptifs du pattern (le type un fou, par exemple et la couleur du pattern noir par exemple) à chaque nœud du réseau. A ce niveau, deux cas de figure peuvent se présenter. Soit le pattern de pièces encodées est quasi-similaire, d un point de vue perceptif, à un chunk déjà stocké dans le réseau de discrimination. Dans ce cas, l image du chunk peut être améliorée par l intégration des nouvelles caractéristiques du pattern encodé. C est le mécanisme de familiarisation. Soit le pattern activé ne ressemble pas suffisamment à un chunk pré-existant dans le réseau. Dans ce cas, un nouveau test et un nouveau nœud sont ajoutés au réseau ; le test porte sur l une des caractéristiques perceptives du pattern permettant de le différencier du chunk le plus similaire d un point de vue perceptif. Il s agit là du mécanisme de discrimination. Le réseau de discrimination est donc capable d intégrer de nouveaux patterns. C est le rôle de l appreneur de pattern (pattern learner). Chaque nœud terminal du réseau d EPAM correspond au nom d un chunk. Le réseau de discrimination permet une rapide catégorisation des chunks spécifiques au domaine et rend compte de la vitesse avec laquelle les experts voient les patterns sur l échiquier. La composante de performance est constituée de trois parties : le détecteur de pièces pertinentes (salient piece detector), le discriminateur de patterns (pattern discriminator), et le décodeur de chunks (chunk decoder). Dans un premier temps, le détecteur de pièces pertinentes sélectionne sur l échiquier les pièces pertinentes en simulant les mouvements oculaires de joueurs d échecs qui se préparent à reconstruire de mémoire une position de jeu (cette partie de MAPP est dérivée de PERCEIVER qui simule les mouvements oculaires de sujets qui se préparent à jouer un mouvement). Lorsque l on présente une position, MAPP assigne un niveau de pertinence à chaque pièce. Le niveau de pertinence

26 d une pièce est fonction de son type, du nombre de pièces adjacentes, et du nombre de pièces avoisinantes qu elle défend. Dans un second temps, le discriminateur de pattern va rechercher dans le réseau de discrimination les patterns qui incluent les pièces pertinentes sélectionnées. La recherche est alors dirigée par le réseau d EPAM qui sert de MLT et dirige l attention du discriminateur de pattern sur les prochains éléments à considérer. Le discriminateur va stocker les labels, ou les noms des patterns reconnus, en MCT. Ce processus se déroule jusqu à ce que l attention ait été dirigée sur toutes les pièces pertinentes ou que la MCT soit saturée (la MCT a une capacité limitée, donc seul un petit nombre de ces noms, environ sept, peut être stocké). Enfin, le décodeur de chunks reproduit la position originale avec les éléments pouvant être récupérés grâce aux informations maintenues dans la MCT. Le décodeur utilise chaque label stocké dans la MCT comme un point d entrée dans le réseau d EPAM, d où il peut extraire une liste de pièces appartenant au pattern traité (en quelques centaines de millisecondes). Ces pièces sont alors placées sur les cases de l échiquier vide. La structure de MAPP est décrite dans la figure 5. Pattern de pièces Réseau EPAM Appreneur de patterns (EPAM) Décodeur de chunks Position originale Détecteur de pièces pertinentes I Pièce pertinente Discriminateur de patterns (EPAM) Chunks en MCT Position reconstruite Figure 5. Principaux processus de MAPP. La composante d apprentissage est montrée dans la moitié supérieure de la figure ; les trois parties de la composante de performance dans la moitié inférieure (d après Simon & Gilmartin, 1973). Les performances observées par Simon et Gilmartin montrent des concordances substantielles entre les données de joueurs d échecs (maître et classe A) et celles de MAPP. Ces corrélations concernent le pourcentage de pièces remémorées après une brève exposition de positions (5 et 10 secondes), le type de pièces replacées, les relations échiquéennes entre

27 des pièces successives dans la reconstruction, l organisation de ces pièces en chunks, et les séquences avec lesquelles les pièces ont été replacées sur l échiquier. Simon et Gilmartin ont également évalué la taille du répertoire de patterns familiers que les joueurs d échecs ont en MLT. Les auteurs ont estimé que l expertise aux échecs devrait requérir entre et chunks en mémoire (dans la littérature, le nombre de chunks est souvent mentionné). Si ce nombre de chunks a pu sembler surestimé (Holding, 1985), des expériences récentes ont confirmé la plausibilité d un tel nombre de chunks stockés en MLT (Gobet & Simon, 1996a ; Saariluoma, 1994), qui pourrait même atteindre quelque chunks (Gobet & Simon, 2000). Nous verrons par la suite le rôle qu ont joué PERCEIVER, EPAM et MAPP dans l élaboration du modèle de l acquisition de l expertise échiquéenne le plus abouti à ce jour : CHREST (Gobet, 1993 ; Gobet & Simon, 2000). Pour résumer, la théorie de Chase et Simon (1973a, 1973b) issue de la psychologie du traitement de l information, et sa modélisation (MAPP, Simon & Gilmartin, 1973) considèrent que la force d un maître est basée sur les dizaines de milliers de chunks qu il a stockés en MLT durant des années de pratique et d étude des échecs. Pour Chase et Simon, la composante fondamentale de l expertise échiquéenne réside en un avantage perceptif, avantage que les auteurs décrivent principalement en termes de reconnaissance de patterns familiers, d activation de chunks perceptifs, mais aussi d activation de chunks plus stratégiques qui fournissent aux experts un accès rapide aux connaissances sémantiques (mouvements, plans, tactiques). 3. Les limites de la théorie des chunks Si la théorie des chunks de Chase et Simon a constitué une avancée majeure dans la compréhension de la mémoire experte, elle a néanmoins rencontré des difficultés pour expliquer certains résultats expérimentaux. Celles-ci sont principalement de trois types. 1. Le rappel des experts résiste à des tâches interférentes ; 2. Les experts ont, dans certaines tâches de mémoire, des performances supérieures à ce que prédit la théorie des chunks ; 3. La théorie des chunks n accorde pas suffisamment de place aux informations de haut niveau, notamment stratégiques La théorie des chunks à l épreuve des tâches interférentes