Eclairage scientifique : Inventer

Eclairage scientifique : Inventer


Apprendre à bien observer, à rechercher des explications, à évaluer la qualité des informations et des connaissances produites par d’autres permet de s’appuyer sur des arguments solides pour raisonner. L’ensemble de ces outils peut être mobilisé face à un nouveau problème pour rechercher une solution adaptée.


La résolution de problèmes dans la vie de tous les jours

Dans notre vie, quotidienne comme professionnelle, nous sommes régulièrement confrontés à des problèmes à résoudre. Les médecins aux prises avec le diagnostic d’une maladie, les maîtres d’échecs face à une nouvelle passe, les scientifiques dans leur activité de recherche et de découverte, les ingénieurs confrontés à l’invention de nouveaux dispositifs, ou tout artisan qui se trouve dans la situation de créer un objet nouveau ou de résoudre une panne, s’engagent dans un processus de résolution de problèmes.
l existe également des « problèmes » de logique, qui sont utilisés comme tests des capacités de résolution de problèmes, mais également comme jeux : résoudre un problème nous procure en effet du plaisir, et la solution à un problème est vécue comme une récompense.

Imaginons d’avoir à choisir le moyen de transport le mieux adapté pour nous rendre à un rendez-vous. Nous prenons en compte l’objectif principal : arriver au lieu du rendez-vous et à l’heure souhaitée. Nous analysons la distance qui nous sépare du lieu, le temps à notre disposition. Sur la base de l’objectif et de notre position par rapport à l’objectif, nous recherchons dans notre mémoire des connaissances préalables. Nous « savons » (même sans y penser) que certaines solutions ne seraient pas pertinentes (utiliser l’avion ou y aller à pied). En revanche, nous ignorerons le temps que cela prendrait d’utiliser le métro ou le bus ; nous consultons donc un support comme un site d’information sur les transports de la ville par exemple. La réflexion sur la nature du problème, les connaissances et informations collectées peuvent être utilisées pour guider notre choix et donc nous donner une solution au problème. Une fois arrivés à notre rendez-vous, nous pourrons évaluer si la solution donnée était effectivement efficace. Nous garderons en mémoire cette évaluation et elle pourra nous servir dans une situation similaire.

La résolution des problèmes

Nous « avons un problème » lorsqu’un objectif que nous voulons atteindre n’est pas immédiatement disponible. Résoudre le problème signifie donc se rapprocher de l’objectif, à partir d’un certain état initial, grâce au choix sélectif de solutions. Cela peut consister à mieux cerner le problème pour entrevoir une solution, à dépasser astucieusement les limites naturelles et les biais jusque-là rencontrés, à mobiliser des connaissances préalables ou à acquérir.
Il est difficile de trouver des règles universelles dans la résolution de problèmes. Cependant, les experts d’un domaine sont normalement plus performants que les non-experts dans la résolution des problèmes qui concernent leur domaine d’expertise. Ceci signifie qu’il existe des moyens pour améliorer notre capacité à résoudre un certain type de problèmes.

Créativité

La résolution de problèmes demande un certain degré de créativité, et certaines solutions nous apparaissent plus créatives que d’autres. Cependant, la créativité est difficile à définir. On l’a rapprochée de la capacité à produire beaucoup de solutions diverses pour un même problème, à utiliser des solutions ou des idées inhabituelles, mais précises, détaillées. On considère souvent que les personnes créatives sont ouvertes, indépendantes, qu’elles aiment les défis,…
La créativité demande aussi des connaissances, et pas seulement des connaissances décousues. Même si la créativité ne se résume pas à l’expertise, cette dernière – acquise au prix d’efforts et de temps de pratique – et couplée à des connaissances profondes et bien structurées, tend à produire des solutions plus efficaces et plus créatives. Résolution de problèmes, créativité, expertise, connaissances et rigueur sont donc des conditions fortement liées entre elles.

Problèmes : bien et mal définis

Des problèmes comme « être heureux » ou « entretenir de bonnes relations avec les voisins », sont des problèmes mal définis ou mal structurés : ils n’ont pas de solution claire, ni certaine.
Les problèmes bien définis, à l’inverse, sont ceux qui ont des objectifs et un état initial clairs. La recherche d’une solution peut être rationnelle ou relever du tâtonnement. Une modalité rationnelle de recherche de solution consiste à identifier l’état initial et celui qui est final, à subdiviser le problème en composantes avec des objectifs partiels, et à identifier toutes les opérations qu’on peut accomplir pour se rapprocher du but (espace du problème).

Dans le problème dit de la Tour de Hanoi, par exemple, on se trouve confronté à des disques de dimension décroissante posés l’un sur l’autre. L’objectif est de les déplacer en formant une nouvelle tour, sans enfreindre une règle : ne jamais poser un disque plus grand sur un disque plus petit. Les états de la tour, initial comme final, sont bien définis. Toutes les opérations susceptibles de se rapprocher de l’objectif et qui ne comportent pas le fait de placer un disque plus grand sur un petit constituent l’espace du problème. La solution du problème, une fois trouvée, ne fait pas de doute, même s’il peut exister plusieurs solutions pour y arriver.

 


Les limites de la résolution « naturelle » de problèmes

Pour résoudre un problème, plusieurs types de stratégies existent.
Parfois, il suffit de reproduire une séquence d’opérations, par exemple dans le cas de la résolution d’un problème mathématique simple, où on se limite à appliquer une opération, apprise par ailleurs.
D’autres fois, nous avons déjà rencontré le même problème mais sous une autre forme. Nous avons l’impression de nous trouver face à un problème nouveau, alors que la solution à ce type de problèmes nous est connue. La difficulté provient du fait que le contexte dans lequel le problème est posé nous empêche de percevoir sa structure et de la reconnaître dans une situation nouvelle. C’est aussi le cas de nombreux problèmes présentés aux élèves, que ce soit dans les disciplines scientifiques, en mathématiques, en histoire…
Remobiliser des outils exige donc que nous soyons capables de reconnaître la similitude entre la situation dans laquelle on les a appris et la nouvelle situation. Or, même dans des problèmes de mathématiques, la formulation du problème, le contexte rendent difficile tout travail d’identification de la structure profonde du problème et perturbent donc notre capacité à transférer nos compétences acquises.

Imaginez que vous ayez à disposition une bougie, une boîte d’allumettes, une boîte de punaises et à résoudre le problème suivant : attacher la bougie au mur de manière que la cire ne coule pas sur la table au-dessous. C’est le problème de la bougie de Duncker, inventé par le psychologue homonyme en 1945. La capacité à résoudre ce problème passe par la capacité à ne pas se figer sur la fonction « normale » des objets fournis, et à les voir sous un autre jour : la boîte d’allumettes comme une étagère qu’on peut fixer au mur à l’aide d’une punaise, par exemple, pour servir de base à la bougie.

Un enjeu important dans la résolution de problèmes réside donc dans notre capacité à expliciter le problème auquel nous faisons face, pour identifier sa structure et rechercher des solutions dans des configurations analogues précédemment rencontrées.

Imaginez que vous ayez à résoudre le problème suivant : vous devez mesurer une certaine quantité d’eau ; vous avez à disposition plusieurs carafes de dimensions différentes. Par exemple, vous avez à mesurer 100 m d’eau et vous disposez d’une carafe qui peut contenir 21 ml, une carafe à 127 ml et une à 3 ml. Que faire ? Puis, vous devez mesurer 99 ml avec 14 ml, 63 ml, 125 ml. Puis 5 ml avec 18 ml, 43 ml, 10 ml. Puis 12 ml avec 9 ml, 42 ml, 6 ml. Puis 31 ml avec 20 ml, 59 ml, 4 ml. Puis 20 ml, avec 23 ml, 49 ml, 3 ml. Puis 18 ml avec 15 ml, 39 ml, 3 ml. Puis vous devez mesurer 25 ml et vous avez des carafes de 28 ml, 76 ml et 3 ml à disposition. Les personnes qui ont résolu tous les problèmes en série ont des difficultés avec le dernier. Celui-ci ne pose pas de problèmes si on le présente isolé. Cela signifie que les solutions données au préalable influencent notre capacité à chercher une solution dans une direction nouvelle.

D’autres fois encore, il est nécessaire de changer de point de vue ou de voir le problème et ses éléments sous un jour différent de celui habituel pour arriver à une solution. Ceci nous demande un effort supplémentaire, qui consiste à bloquer des intuitions, des idées que l’aspect du problème fait surgir en nous presque automatiquement. Même certaines expériences préalables peuvent nous bloquer dans une interprétation.

Faire attention à la nature du problème

Pour résoudre un problème, nous avons souvent du mal à réutiliser la solution apportée par un précédent problème. Prenons par exemple le cas suivant :
• Problème 1. Un général doit gérer l’attaque d’une forteresse dont les voies d’accès directes sont parsemées de mines. Ces dernières sont disposées de sorte que le passage du régiment entier les ferait exploser. Le général résout le problème en divisant le régiment : de petits groupes vont passer, de façon simultanée mais selon des trajectoires différentes entre les mines, pour se retrouver au dernier moment et donner l’assaut final ensemble.
• Problème 2. Un médecin doit combattre une tumeur profonde au moyen de radiations, sachant que celles-ci sont efficaces à haute dose mais – dans ce cas – destructrices pour les tissus sains localisés sur le trajet d’accès à la tumeur. Comment s’y prendre ?
Lorsque ces deux problèmes sont présentés successivement sans autre indication, la plupart des sujets n’utilisent pas spontanément la solution du général pour aider le médecin. Il suffit en revanche de suggérer que les deux situations sont semblables pour que ce transfert se fasse. L’analyse des principes sous-jacents aux problèmes et l’établissement de leur analogie semblent donc des conditions nécessaires pour parvenir à un tel transfert de solution.

Tirer profit d’une règle générale

Dans d’autres cas, c’est l’accès à une règle générale qui permet de trouver une solution.
Dans une expérience réalisée en 1908, la capacité de deux groupes d’enfants à lancer des flèches sur des cibles placées sous l’eau est testée. Les deux groupes ont le droit de s’entrainer sur une cible placée à une même distance. Un seul des deux groupes, en revanche, reçoit des connaissances concernant la vision sous l’eau (la réfraction de l’eau, la manière dont celle-ci affecte la perception de la cible et donc les performances…). Les deux groupes sont mis à l’épreuve. Lorsque la cible est placée à une distance semblable à celle de l’entrainement, les prestations des deux groupes sont identiques. En revanche, si cette distance est modifiée, le groupe ayant reçu les informations théoriques obtient de meilleurs résultats que l’autre. Posséder la règle générale est crucial, pour transférer les solutions entre des situations semblables mais pas identiques.les ferait exploser. Le général résout le problème en divisant le régiment : de petits groupes vont passer, de façon simultanée mais selon des trajectoires différentes entre les mines, pour se retrouver au dernier moment et donner l’assaut final ensemble.
• Problème 2. Un médecin doit combattre une tumeur profonde au moyen de radiations, sachant que celles-ci sont efficaces à haute dose mais – dans ce cas – destructrices pour les tissus sains localisés sur le trajet d’accès à la tumeur. Comment s’y prendre ?
Lorsque ces deux problèmes sont présentés successivement sans autre indication, la plupart des sujets n’utilisent pas spontanément la solution du général pour aider le médecin. Il suffit en revanche de suggérer que les deux situations sont semblables pour que ce transfert se fasse. L’analyse des principes sous-jacents aux problèmes et l’établissement de leur analogie semble donc une condition nécessaire pour parvenir à un tel transfert de solution.

 


Les experts

Qu’est-ce que le maître d’échecs fait que le joueur moins expérimenté ne fait pas ? Quel est le secret de l’expertise dans la résolution de problèmes ? Peut-on s’améliorer dans cette expertise ? L’observation attentive et rigoureuse des professionnels experts, aux prises avec la résolution de problèmes dans leur domaine, a permis de mettre en évidence certains aspects communs et certaines « lois » de la résolution « experte » de problèmes.

Ce que les experts font et que les novices ne font pas nécessairement

Les experts remarquent des régularités, des aspects significatifs de la situation que les novices peuvent manquer d’observer. Ils possèdent une base de connaissances large et interconnectée. Ils ont une compréhension profonde du problème et de la situation. Leurs connaissances ne forment pas une liste mais sont organisées autour de grands concepts, de lois et de principes qui structurent la recherche de solutions. Une différence importante entre experts et novices peut être révélée en leur demandant de classer plusieurs items appartenant à un domaine de connaissances, par exemple en physique ou en biologie. Les experts organisent ces items sur la base des principes structurants de leur discipline, qu’ils parviennent ensuite à relier alors que les novices se laissent guider par des aspects perceptifs et superficiels.
Par ailleurs, les experts utilisent les connaissances stockées en mémoire de façon efficiente ; cette recherche en mémoire leur demande moins d’efforts qu’à un novice, notamment en termes d’attention : la familiarité avec le domaine fait en sorte que les souvenirs et les connaissances soient plus facilement disponibles et puissent jaillir au moment opportun. Cela offre également aux experts la possibilité d’une approche plus flexible, ce qui leur permet d’explorer des voies originales et innovantes.

Le maître d’échecs qui doit réagir à une passe de l’adversaire peut choisir parmi une multiplicité d’actions possibles. Il n’a cependant ni le temps ni la possibilité de les essayer toutes l’une après l’autre, et de choisir la meilleure par un processus d’essai-erreur…
Son choix se base sur le fait qu’il sait analyser la situation présente, en identifier des éléments caractéristiques et – grâce à ça – retrouver dans sa mémoire le souvenir d’autres matchs où il s’est trouvé confronté à des situations semblables, les solutions qu’il a données, le résultat qu’il a obtenu. Avoir vécu un grand nombre de situations du même type et en avoir conservé le souvenir en mémoire sont importants, à la fois pour savoir reconnaître l’analogie avec la situation nouvelle et pour accéder à des solutions. Ce genre de connaissances « immédiatement disponibles » peut donner l’impression d’une intuition soudaine, alors que la solution trouvée est le fruit de nombreuses heures de pratique bien réfléchie !
On pourra aussi penser au médecin, ou au radiologue, qui – grâce à leur expertise – sont capables de voir dans un ensemble de symptômes ou dans une image floue un ensemble de traits réguliers et significatifs pour le diagnostic. Les mathématiciens experts, eux, reconnaissent dans un nouveau problème la structure d’un problème plus général, et donc d’une classe de solutions. On dit qu’ils ont développé des schémas, des structures conceptuelles bien organisées, qui les aident à « voir » ce que d’autres ne voient pas.

L’importance d’une analyse posée

Notre capacité à résoudre des problèmes s’améliore au fur et à mesure de notre exposition à une diversité de situations. Elle est également meilleure lorsque nous prenons le temps de bien analyser le problème et d’en identifier les caractéristiques. C’est un processus long, difficile à mettre en œuvre et coûteux. Il n’est pas naturel mais il permet de progresser efficacement dans la résolution de problèmes et l’acquisition d’une forme d’expertise.

La pratique rend experts… mais pas n’importe quelle pratique

Le développement d’une véritable maîtrise nécessite beaucoup d’heures de pratique. Pensez à l’utilisation d’un clavier d’ordinateur : au début, on n’utilise qu’un ou deux doigts. Si l’on continue à pratiquer de cette façon, on se bloque à ce stade. Faire le choix d’utiliser de nouveaux doigts impose un coût et un effort non négligeables, et on atteint ainsi un nouveau palier, par exemple huit doigts. Pour beaucoup d’entre nous, les efforts s’arrêtent là. Seule la présence d’un enseignant qui nous « force », nous motive à aller au-delà de notre zone de confort et à nous exercer sur ce que nous ne savons pas encore, nous permettant d’arriver au niveau suivant : l’utilisation des dix doigts. Ceci nécessite de nouveaux efforts orientés et une réflexion sur la stratégie à mener : on parle donc de pratique délibérée, volontaire, réfléchie. Les experts, dans un domaine, ne se limitent en effet pas à pratiquer mais réfléchissent à leur pratique et acquièrent des connaissances théoriques qui vont au-delà de la pratique elle-même.
Des études d’experts dans différents domaines tels que le golf, l’athlétisme, les échecs, la pratique d’instruments de musique indiquent que le processus est non seulement épuisant, mais long. On a parlé de 10 000 heures, de cinq à dix ans, pour devenir de véritables et « parfaits » experts dans un domaine ! La pratique seule n’explique qu’une partie des différences entre les individus et le fait que certains types d’activités sont plus influencés par la pratique que d’autres. Cependant, une chose est sûre : la pratique est une condition nécessaire pour apprendre.

Houston, we’ve had a problem.

En 1970, NASA lancait sa mission Apollo 13 vers la Lune. Les astronautes de la mission Apollo 13 auraient dû être les troisièmes à marcher sur le sol lunaire, cela n’arriva jamais. En revanche, ils arrivèrent à rentrer tous sur Terre, sains et saufs.
Environ 50 heures de vol se sont écoulées sans accident majeur, lorsque le capitaine Jim Lovell et ses co-équipiers entendent une explosion : un toit s’effondre, les deux tanks d’oxygène sont touchés, il n’y a plus d’électricité, de lumière ou d’eau. Surtout : il y a de moins en moins d’oxygène, qui s’échappe dans l’espace, alors que le véhicule est proche de la Lune. « Houston, we’ve had a problem here. » Le problème n’est plus comment descendre sur la Lune mais comment rentrer sur Terre.
Un travail de groupe commence, qui voit les équipes d’ingénieurs de la NASA de Houston et celle dans le vaisseau travailler de concert. L’équipage abandonne le vaisseau pour adapter le module lunaire à la descente sur Terre. Les ressources et les capacités du module sont comptées pour deux personnes pour deux jours. Trois astronautes auront à y vivre, en se rationnant, pendant les 4 jours du retour. Le problème principal étant représenté par leurs déchets : à trois, le CO2 s’accumule dangereusement dans le module. Le temps est de plus compté avant que l’environnement devienne mortel : 24 heures.
A Terre, on s’efforce de trouver une solution pour les astronautes : les ingénieurs passent en revue le matériel présent sur le module, et tentent d’imaginer comment ils pourraient être utilisés pour sauver la situation. Ils doivent donc penser ces objets sous une optique différente de celle habituelle, éventuellement en leur trouvant un usage qui n’était pas prévu.
Sur les indications des ingénieurs à Terre, un système permettant d’adapter les filtres d’air du vaisseau principal au nouvel environnement est produit par les astronautes. Il est fabriqué à l’aide de sacs en plastique, du carton en provenance des cahiers de bord, du scotch, des tubes des combinaisons des astronautes… Le problème est résolu, et même si d’autres se poseront avant le retour sur Terre, l’équipage d’Apollo 13 rentrera saint et sauf.
Cette mission est considérée comme un cas exemplaire de la façon dont l’expertise – distribuée sur une équipe entière – permet de surmonter des problèmes en temps réel : en réenvisageant l’existant de manière inhabituelle et en mobilisant de nombreuses connaissances interconnectées.

 


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