Mystery-cubes

Une activité pour réfléchir à l’observation et à la reconnaissance de motifs, régularités, patterns 

 

A partir du cycle 3. Adaptable au cycle 2

______________________________________________
 
 
______________________________________________
 
Par
 
Elena Pasquinelli, Claire Calmet, Gabrielle Zimmermann - Fondation La main à la pâte
 

 

Introduction

Dans cette activité,  les enfants sont amenés à proposer des solutions à des problèmes, à partir de leurs observations et grâce à des inférences de différente nature.

Le défi leur est présenté sous la forme d’un « cube » : sur chaque face du cube sont inscrites des données (chiffres, lettres, dessins …). Une face est cachée, le défi consiste à répondre à la question : Qu’y a-t-il sur la face cachée ? Relever le défi est possible parce que les faces du cube ne sont pas « décorées » au hasard, elles suivent des règles : un "pattern"  - il existe entre les différentes faces un schéma, une régularité, une similitude ou analogie. Si, en observant bien et en réfléchissant bien, on arrive à percer la règle, on pourra alors inférer la face manquante.

Le but de l’activité n’est pas que de « faire faire ». Les enfants réfléchissent :

  • à ce qui constitue un pattern, une règle ou loi,
  • à la formulation des hypothèses à partir de l’observation attentive,
  • au test de ces hypothèses par de nouvelles observations, au fait qu’une hypothèse ou explication est « bonne » quand elle est appuyée par l’observation, que donc en science (dans ce type de raisonnement) l’acceptation d’une idée dépend des faits qui la confirment
  • au fait qu’une hypothèse ou explication est d’autant plus acceptable qu’elle est appuyée par plusieurs observations,
  • au fait que plusieurs solutions peuvent être compatibles avec les observations, à l’incertitude qui peut demeurer même après avoir pris en compte attentivement les données, au fait qu’un résultat peut s’exprimer sous forme d’une fourchette de possibles, et pas d’un résultat unique et précis.

Les enfants apprennent que les scientifiques utilisent ces procédés. Mais ils réfléchissent aussi au fait que ces procédés ne sont pas limités aux scientifiques de profession, qu’il s’agit d’outils qui peuvent être utilement employés pour répondre à des défis de la vie de tous les jours, pour donner plus de ressources à l’esprit critique.

 

 

    

 


Comment mettre en place l'activité ?

L’activité proposée ici a été adaptée à partir de différentes activités en langue anglaise :

 


En pratique

 

Objectifs

  • Développer chez les élèves une meilleure approche et une meilleure compréhension de la démarche scientifique et de concepts scientifiques, notamment ici ceux d’observation attentive, de test basé sur l’observation, de pattern – arrangement ayant une forme de régularité, structure, schème.
  • Développer les capacités de raisonnement scientifique, de pensée critique à travers la pratique et la réflexion.
    • Exercer les élèves à émettre des hypothèses à partir de leurs observations.
    • Exercer les élèves à tester leurs idées (hypothèses) en les comparant avec les considérations (données) qu’ils peuvent tirer d’expériences ou de nouvelles suites d’observations (tests).
  • Développer les capacités d’argumentation raisonnée et fondée sur les faits.
  • Favoriser l’esprit de coopération autour d’un but commun de connaissance.
  • Encourager les élèves à réutiliser ces outils dans la vie de tous les jours :
    • Observer attentivement; si on remarque des régularités, les utiliser pour se poser des questions; mettre ses idées à l’épreuve.
 

Durée

  • 1 ou 2 séances de 1h environ, selon le nombre de défis que l’enseignant décide de poser aux élèves.
  • A n'importe quel moment de l’année, lorsque l’enseignant juge utile d’introduire une réflexion explicite, verbalisée, autour de la notion d’observation, pattern, structure, régularité.

Matériel

  •  De quoi construire des cubes imprimés et des cubes à remplir
  • Attention ! Les cubes sont à préparer à l’avance !

 

Le rôle de l'enseignant

Il est maintenant connu que l’enfant d’âge scolaire possède des capacités naturelles d’exploration et de raisonnement, mais qu’elles sont limitées et mises à mal par des situations compliquées ; elles sont de plus très variables d’un enfant à l’autre et d’une situation à une autre. Par ailleurs, les connaissances des enfants concernant la science professionnelle, par exemple la manière dont les scientifiques et ingénieurs conçoivent leurs expériences, inventent et réalisent de nouveaux objets sont le plus souvent très limitées. L’enseignant permet à ces compétences et à ces connaissances de progresser. Sa position est, à la fois, d’accompagner et de soutenir mais aussi de corriger, de guider, de faire réfléchir, de faire exprimer par oral et par écrit.

 

  • L’enseignant encourage et soutient l’exploration des élèves, il pose des questions pour les mettre sur des voies productives.
  • Il anime la discussion et amène les élèves à réfléchir, notamment sur le fait qu’ils ont travaillé, à certains égards, de manière certes très simplifiée, comme des scientifiques.
  • Il met l’accent en particulier sur la notion de pattern – disposition qui manifeste une régularité, une règle ou loi et qui permet de prédire les caractéristiques de parties « cachées », inaccessibles, de l’objet observé.
  • Il met aussi l’accent sur les « outils » à disposition des enfants (et des scientifiques) pour percer le mystère, pour résoudre leur défi :
    • l’observation attentive,
    • la recherche de régularités (qui permet de formuler des hypothèses, de se faire des idées sur la nature de la relation qui lie les différentes faces), donc l’abstraction à partir des observations vers des considérations d’ordre plus général – une loi, une règle,
    • la formulation d’hypothèses, à partir de cette abstraction, concernant l’objet caché, inaccessible, et qui doit pourtant respecter cette même règle, et donc être prévisible (hypothèse prédictive),
    • le test de ces mêmes hypothèses, en revenant sur l’observation des faces visibles, pour confirmer que toutes répondent bien à la règle imaginée.
      • Si plusieurs solutions sont acceptables, faut-il chercher encore ? Peut-être qu’un aspect aurait échappé à l’observation, que la règle est plus stricte que ce qu’on a imaginé ? Ou peut-être qu’il existe en effet une fourchette de solutions possibles, et pas une seule, spécifique. Que le mystère ne peut pas être résolu à un degré plus avancé de précision, car les données en possession ne le permettent pas.
  • Les enfants peuvent être confrontés au fait que la face cachée pourra rester telle, et qu’il faut apprendre à se tenir à ce que l’observation et le raisonnement nous permettent d’atteindre. C’est une frustration à laquelle les scientifiques sont souvent confrontés, mais qui nous touche aussi dans la vie de tous les jours.
  • Il est important que l’enseignant fasse le lien entre l’activité de classe, l’activité scientifique (bien plus complexe de celle menée en classe, mais qui partage avec celle-ci une certaine manière de regarder le monde) et avec la vie de tous les jours. Qu’il trouve des exemples dans l’un et dans l’autre des domaines pour illustrer comment les scientifiques utilisent ce genre d’outil, mais aussi, voire surtout, comment ces outils peuvent être mobilisés dans la vie de tous les jours.
  • Il est important que l’activité ne se limite pas à la manipulation ou à la mise en place d’expériences, même bien planifiées et correctement menées. Le but de la séance est que les activités et les raisonnements menés fassent l’objet de réflexion explicite, verbalisée de la part de l’enseignant et de ses élèves dans le but d’intéresser peu à peu et de plus en plus les élèves sur le cheminement d’une pensée critique. Ces moments de réflexion explicite, verbalisée, devraient permettre aux élèves d’aller au-delà de l’action et de l’immédiat ; de généraliser les connaissances nouvellement acquises, la compréhension du phénomène observé, les considérations concernant l’utilité des processus et démarches utilisés dans d’autres cas, phénomènes, situations ; de se former des concepts à propos de la science, de développer peu à peu une compréhension de la pensée et l’activité scientifiques. L’enseignant  joue  un rôle fondamental dans cette explicitation et verbalisation des notions.
 

 


Déroulement

 

Séance 1 

1h

  • L’enseignant lance le défi :
    • Les enfants divisés en petits groupes, l’enseignant présente un grand cube (CUBE 1) : "Qu’est-ce qu’il y a sur la face cachée du cube ?" Il s’agit de proposer une explication, à partir de l’observation des parties visibles du cube.
  • Au préalable, l'enseignant pourra demander: "Que savons-nous sur la façon dont les scientifiques pensent et agissent pour arriver à de nouvelles découvertes ?"
  • Puis, il donne un cube plus petit à chaque groupe d’élèves pour qu’ils puissent mener leur observation et réflexion. Le cube a une face cachée (collée sur une feuille, ou couverte).
  • Après 10 minutes d’observation, l’enseignant demande aux groupes de partager leur explication et leur prévision.
    • Par exemple : C’est le 2 qui manque, parce que les autres nombres de la série de 1 à 6 y sont tous. C’est le 2 qui manque parce que les faces opposées, si on les additionne, donnent toutes 7 ; à l’opposé de la face cachée il y a 5, donc ça pourrait être 2.
    • Les enfants peuvent émettre ce genre de considération parce que les enfants connaissent un objet de ce type : le dé à 6 faces !
    • L’enseignant souligne que plusieurs types de « preuve » peuvent être recherchés à l’appui d’une hypothèse. Il peut décider de dévoiler la face cachée ou pas.
  • Une phase de discussion s’ensuit. L’enseignant explique que l’activité est une simulation simplifiée du genre d’activité qu’un scientifique peut mener lors d’une recherche, d’une investigation. Il demande aux enfants de décrire ce qu’ils ont fait, et il structure la discussion (il peut se servir du tableau) autour de points importants à réfléchir et à retenir :
    • L’activité scientifique peut commencer par une question concernant le monde, ses objets ou phénomènes, la réalité (notre objet : le cube).
    • La science exploite l’observation attentive pour donner des explications qui répondent à ces questions, pour tester et appuyer, confirmer ces explications
    • Une explication est d’autant plus acceptable qu’elle est appuyée, confirmée, par différentes observations.
    • Les scientifiques présentent leur travail à d’autres scientifiques et ils cherchent à les convaincre, en se basant sur des faits (sur des observations, des tests) ; ou bien, ils critiquent les explications fournies par d’autres scientifiques, à partir de faits observés.
    • Ces réflexions sont inscrites au tableau, dans les cahiers.
  • Optionnel : l’enseignant raconte l’histoire d’une découverte scientifique qui permet de mettre en évidence ces aspects du travail de recherche scientifique.
  • L’enseignant invite les enfants à réfléchir à des cas de la vie de tous les jours qui comportent le même type de raisonnement, de problèmes quotidiens qui peuvent être résolus en utilisant ce type d’outil de raisonnement. Par exemple: remarquer l'heure de passage du facteur permet d'anticiper ses passages futurs.

 

Séance 2 - Phase 1

30'

  • L’enseignant propose aux enfants divisés en groupes  un nouveau cube (CUBE 2). Encore une fois, les élèves sont mis au défi. Il s’agit d’utiliser les données, l’observation, pour faire des prédictions à tester ensuite contre de nouvelles observations, guidées par la prédiction.
  • Optionnel pour des enfants plus grands : après avoir travaillé sur le cube les enfants de chaque groupe préparent une présentation pour les autres groupes.
  • Les différentes propositions sont discutées en grand groupe.

 

Phase 2

30'

  • L’enseignant propose aux enfants divisés en groupes  un cube sans inscription sur ses faces (CUBE 3). Le défi pour chaque groupe d’élèves est cette fois celui de produire un cube selon les modalités vues auparavant et de le proposer à un autre groupe d’élèves pour qu’ils trouvent ce qui se cache sur la face non visible. 
____________________________
 
Remarques 
 
  • L’enseignant peut proposer une variété de cubes de son invention, notamment pour le deuxième défi. Les cubes peuvent comporter des chiffres, des lettres ou des mots, mais aussi des dessins, des figures …
  • Les séances peuvent se dérouler sur une même journée « intensive » ou éloignées dans le temps.
  • Cette activité demande à la fois des capacités de calcul (néanmoins basiques), de décodage des mots et de raisonnement abstrait. Alors que tous les enfants peuvent développer leurs capacités de raisonnement abstrait et d’inférence, les calculs et le décodage peuvent poser des problèmes qui ne font pas partie de la tâche elle-même. Le fait de travailler en groupe peut aider les enfants en difficulté, mais aussi renforcer leur sentiment d’exclusion. L’enseignant pourra éventuellement penser à proposer aussi des cubes avec des images, des figures, et faire remarquer aux enfants que les difficultés de leurs copains « dys » sont exclusivement liées à la présence de calculs à effectuer et de mots à déchiffrer, pas aux capacités de raisonnement, d’observation, d’inférence. 
 

      

 

    

 


Qu'est-ce qu'on apprend sur la nature de la science pour cultiver l'esprit critique?

L’activité scientifique comporte une approche systématique, l’observation attentive, la collecte de données, l’identification d’invariants, de régularités, de différentes formes de relations entre les données (relations de causalité, corrélations, à distinguer des coïncidences, des contingences). Les scientifiques ont pour cela recours à leurs capacités d’observation et de raisonnement : à partir des données observées, ils remarquent des similitudes, ils cherchent à identifier ce qui, au-delà de certaines apparences, lie les données observées (des similitudes « profondes » qui se cachent sous une apparence différente) ; dans certains cas,  ils sont amenés à inhiber des associations qui s’imposent naturellement à leur esprit, mais qui ne sont pas pertinentes pour résoudre le problème en question. Les scientifiques mobilisent donc l’inférence, le raisonnement par analogie, l’abstraction, etc.

Les scientifiques reviennent incessamment sur les données d’observation : celles-ci leur suggèrent une interprétation, une hypothèse ; il faut la « tester » contre les données mêmes : est-ce qu’elle est compatible aussi avec les autres données observables ?

Cependant, les données disponibles ne sont pas nécessairement à même d’appuyer une seule hypothèse. Parfois, plusieurs interprétations sont compatibles avec les données. Le résultat de la « recherche » effectuée correspond donc plutôt à une fourchette de possibilités qu’à une solution unique. Le scientifique de profession est capable d’accepter la frustration de ne pas pouvoir fournir une réponse définitive et immuable au problème.

Ces différents aspects de la science professionnelle sont aussi des outils que nous pouvons utiliser dans la vie de tous les jours. Ils nous permettent de réfléchir plus soigneusement aux objets et aux événements qui nous entourent, de remarquer des relations significatives, mais aussi d’éviter d’en voir partout, d’utiliser des inférences correctes, des analogies fécondes.

L’objectif de l’activité est de permettre aux enfants de prendre en main ces outils, de s’y exercer et entrainer de façon stratégique – en réfléchissant, en verbalisant la manière de les utiliser, les raisons, les résultats ; de prendre connaissance de leur utilisation en science, de réfléchir à leur emploi dans leur propre quotidien.

 

 

 

Partenaires du projet

Fondation La main à la pâte CASDEN