CHAPITRE V. LES ARTEFACTS DIDACTIQUES
3. Utilisation des artefacts didactiques selon les activités
Nous présentons, dans le paragraphe qui suit, l’utilisation par les élèves des différents artefacts au cours des activités. Cette utilisation est caractérisée selon chacune des phases de la production logicielle. La place du corps est précisée en rapport avec ces artefacts. Des difficultés d’appropria- tion rencontrées sont exposées en précisant une possible origine. L’utilisation conjointe des aides outillées est enfin étudiée.
a) Les aides outillées selon les phases de programmation
• Phase de spécification
La phase de spécification consiste à apporter la réponse à la question « que fait le programme ? ». L’objet est de spécifier un trajet reliant un point de départ à un point d’arrivée. C’est principale- ment le petit plateau qui est sollicité lors de cette phase.
Le quadrillage orthogonal de ce plateau permet de granulariser le trajet prévu. Il circonscrit le dé- placement aux limites du plateau et contraint ses directions selon deux axes perpendiculaires. Le trajet envisagé est aussi borné par les deux étiquettes de couleur positionnées sur le plateau. S’il n’est pas tracé, le trajet élaboré par la pensée est cependant partiellement rendu public. S’il est tracé sur le petit plateau, le trajet est alors rendu publique dans son intégralité. Les élèves peuvent en prendre connaissance, le commenter et éventuellement proposer des modifications. Différentes formes de tracé sont imaginées pour représenter le trajet sur le petit plateau : un tracé sous la forme d’une ligne constituée d’un trait continu droit (Figure 36) ou d’un trait continu courbe (Figure 37).
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FIGURE 37-TRACE SOUS LA FORME D’UNE LIGNE CONTINUE COURBE
Le trajet peut aussi être représenté sous la forme d’une ligne discontinue formée d’une succession de flèches de déplacement (Figure 38). Cette représentation se rapproche de la représentation du trajet obtenue avec le jeu de cartes (Figure 58). Le trajet ainsi constitué, est formé des instructions de déplacement qui sont ensuite saisies sur les touches du robot. Les instructions de pivotement à droite et à gauche combinent un pivotement et une translation d’un pas en avant.
FIGURE 38-TRACE FORME D'UNE SUCCESSION DE FLECHES
L’utilisation de feutres de couleur différente assure une différenciation des représentations des trajets sur le petit plateau et une distinction des instructions de déplacement de trajets qui se croisent, comme c’est le cas à la Figure 39.
FIGURE 39-TRACE COMPOSE DE FLECHES DE COULEUR
• Phase de conception
Au cours de la phase de conception, les élèves apportent la réponse à la question « comment fait le programme ? » (Saint-James, 1993). L’objet est de traduire le trajet prévu sous la forme d’un algorithme. Cette phase est constituée d’une étape de transposition du trajet pensé ou tracé en algorithme et d’une étape d’écriture des instructions de déplacement sur la bande algorithmique. En référence à la littérature, Tane définit la transposition comme permettant « de passer d'un contexte, d'un domaine ou d'un niveau à un autre […] la transposition modifie de façon cohérente
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tous les éléments d'un ensemble » (Tane, 2005, p. 1). Le robot accompagne cette activité selon différents schèmes.
Schème n°8 - Transcodage sur bande à partir du petit plateau
Cette phase, qui s’intercale entre la phase de spécification et la phase de réalisation, sollicite plu- sieurs aides outillées. La Figure 40 illustre une utilisation conjointe du petit plateau et de la bande algorithmique.
FIGURE 40-PETIT PLATEAU ET BANDE ALGORITHMIQUE
Des schèmes d’écriture d’instructions sur la bande algorithmique se développent. Ils prennent en compte l’introduction de nouvelles instructions et la gestion des difficultés liées à l’absence d’orientation de la bande.
Orientation de la bande algorithmique
L’écriture des instructions de déplacement s’effectue séquentiellement d’une extrémité de la bande vers l’autre extrémité. La bande n’étant pas orientée, le sens de lecture et d’écriture ne peut plus être déterminé lorsque toutes les cases sont renseignées. Diverses solutions sont imagi- nées par les élèves pour pallier à cette difficulté. L’une d’entre-elles consiste à faire figurer sur la bande, les cases de départ et d’arrivée. La présence des lettres ‘D’ et ‘A’ sur la bande a néanmoins été à l’origine de confusions pour les élèves qui ne savent pas si ces lettres sont de simples indica- tions de position ou si elles sont en plus porteuses d’une indication de déplacement.
C’est finalement l’écriture d’une petite marque triangulaire qui est adoptée en fin de scénario afin d’orienter le sens de lecture de cette bande.
Page 127 Introduction d’une nouvelle instruction
L’introduction de l’instruction pause oblige les élèves à définir une représentation et un position- nement de cette instruction sur les plateaux et sur la bande. Concernant les plateaux, les élèves utilisent d’abord un doigt ou un stylo pour spécifier la place de cette instruction dans le déplace- ment, avant d’adopter l’étiquette de couleur jaune que l’enseignante introduit dans le scénario. Concernant la bande, les élèves sont questionnés sur les choix de représentation qu’ils retiennent, « comment vous matérialisez la touche pause ? Pour montrer sa présence, elle va s’arrêter à un
moment, un peu plus que d’habitude. Comment vous allez le représenter sur la bande ? ».
Différentes représentations apparaissent, comme la case vide, le saut de case, la symbolisation sous une forme proche de la sérigraphie de la touche II du robot. C’est cette dernière représenta- tion qui sera adoptée par la plupart des groupes pour coder cette touche.
Cette instruction est placée de diverses manières sur la bande algorithmique, en partageant une case avec une autre instruction, en étant placée à cheval sur deux cases ou encore en étant placée sur une case dédiée. Le Tableau 12 présente ces différents choix de placement.
TABLEAU 12-PLACEMENT D’UNE PAUSE SUR LA BANDE ALGORITHMIQUE
sur une case partagée avec une autre instruction à cheval sur deux cases com- portant chacune une instruc-
tion
sur une case dé- diée à gauche de ce pas à droite de ce pas
• Phase de réalisation
Au cours de cette phase, les élèves apportent la réponse à la question « où fait le programme ? » (Saint-James, 1993).
L’objet est de produire un programme de déplacement du robot sur le grand plateau, à partir d’un algorithme écrit ou présent en pensée.
La production du programme s’effectue à partir de l’algorithme écrit sur la bande, du trajet tracé sur le petit plateau ou d’un trajet en pensée.
Schème de programmation à partir de la bande algorithmique
Dans ce cas, l’activité de réalisation comporte une étape de lecture des instructions figurant sur la bande et une étape de saisie des commandes par appui sur la touche correspondante du robot.
Schème n° 9 - Saisie de commandes sur Bee-Bot à partir de l’algorithme
L’utilisation de la bande algorithmique pour la programmation du robot est rappelée par les élèves eux-mêmes.
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- Tu sais que c’est là qu’il faut regarder (en montrant la bande à son camarade)
- Non, attends, tu recopies sur çà, (en montrant la bande algorithmique). Comme ça, ça va …. Tu n’es pas obligé d’avancer.
- J’utilise le petit plateau, mais je devrais plutôt utiliser la bande pour voir si c’est pareil.
L’introduction de l’instruction pause favorise la généralisation de l’utilisation de la bande algorith- mique qui commence à servir de référence dans les activités de programmation (Figure 42).
FIGURE 42-BANDE ALGORITHMIQUE ET INSTRUCTION PAUSE
Schème de programmation à partir du trajet tracé sur le petit plateau
Schème n°10 - Programmation avec petit plateau
Dans ce cas de programmation, le tracé du trajet sur le petit plateau est pris en référence. Le petit plateau est tenu de façon à rester bien visible par l’élève qui programme (Figure 43).
La saisie des commandes sur le robot, s’effectue au fur et à mesure de la transposition en pensée du trajet en instructions algorithmiques.
FIGURE 43-PETIT PLATEAU TENU A DISPOSITION
Schème de programmation à partir du trajet en pensée
Dans ce cas de programmation, Bee-Bot est fréquemment utilisé comme un jeton parcourant le trajet, comme présenté au paragraphe « Schème d’instrumentalisation, par utilisation du robot comme un jeton de déplacement et/ou d’orientation (abeille-jeton) » du CHAPITRE IV.
• Phase de test et de mise au point
Cette phase consiste à apporter la réponse à la question « le programme le fait-il bien ? ».
L’exécution, c’est-à-dire l’appui sur la touche GO, conduit le robot à exécuter le programme le conduisant à se déplacer du point de départ au point d’arrivée prévu.
Page 129 Schème de tenue du petit plateau
Schème n°11 - Accompagnement du déplacement avec le petit plateau
Le petit plateau accompagne le robot dans son déplacement, en étant tenu d’une main, en suivant le déplacement de l’abeille de l’autre main effleurant la partie supérieure de l’abeille. La main est alors si proche du robot, qu’elle semble en guider le déplacement. Il accompagne le déplacement du robot en étant pivoté à chaque changement de direction.
Son utilisation, dans cette phase, permet aux élèves de contrôler en temps réel la cohérence du déplacement observé avec le trajet envisagé sur le petit plateau. Des échanges naissent entre les élèves lorsque d’éventuels écarts sont constatés.
Rôle des outils dans la gestion des erreurs
Chaque outil a des propriétés, des caractéristiques propres susceptibles de guider la programma- tion ou d’encadrer l’activité. Un outil guide la programmation quand il permet de prévenir une erreur et d’en faciliter la correction. Un outil encadre l’activité en la contraignant en raison de ses propriétés.
Le Tableau 13 précise les propriétés de chaque outil au service de la gestion des erreurs, les erreurs que la propriété de l’outil permet de prévenir ainsi que les erreurs que l’utilisation de l’outil peut faire apparaître.
Prenons l’exemple du grand plateau. Il a la propriété d’être couvert d’un quadrillage orthonormé et d’avoir une surface délimitée. Le quadrillage normé, adapté au pas de déplacement du robot, guide la programmation en permettant de spécifier les points de départ et d’arrivée réduisant ainsi les erreurs de placement initial du robot.
L’orthogonalité du quadrillage encadre le déplacement du robot en contraignant l’orientation du robot. Il permet aussi de mettre en évidence des trajets non rectilignes du robot causés par un problème mécanique, les deux roues du robot ne tournant pas à la même vitesse.
Le grand plateau comporte une surface finie, il limite le déplacement du robot à cette surface. Un déplacement hors des limites de cette surface constitue une erreur dont la raison est attachée aux propriétés de cet outil. Si la surface avait été plus grande, cette erreur ne serait pas apparue.
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TABLEAU 13-ROLE DES OUTILS DANS LA GESTION DES ERREURS
Outils en jeu Erreurs mises en évi-
dence grâce à l’outil Prévention, guidage
Erreurs apparues en raison de l’outil (ses propriétés, ses limi-
tations) Nom de l’outil Propriétés et ser-
vices de l’outil Grand plateau quadrillé . Orthogonalité . Normé . Délimité No rm é
. Point d’arrivée non at- teignable, car placé à une distance du point de départ ne corres- pondant pas à un nombre entier de pas
Dé lim ité . Sortie de plateau Ort h o gon alit é
. Direction du trajet ne res- pecte pas l’orientation du plateau Étiquettes ma- térialisant les points de dé- part et d’arri- vée . Visibilité et mé- moire des points de départ et d’arrivée Visib
ili
té . Point de départ non
respecté
. Point d’arrivée prévu non atteint ou dépassé
Petit plateau quadrillé . Homothétie du grand plateau . Visibilité et mé- moire du trajet Vis ib ili
té . Trajet réalisé sur le
grand plateau diffère du trajet prévu sur le
petit plateau Hom
o
th
étie . Orientation du petit pla- teau ne respecte pas celle du grand plateau Bande algo- rithmique . Visibilité et mé- moire du code . Capacité définie et limitée . Non orientée Vis ib ili
té . Code saisi diffère du code représenté sur la bande algorithmique N o n o rie n - tée
. Erreur de lecture (sens de
lecture non respecté)
Cap
acité . Capacité de la bande algo-
rithmique dépassée
Jeu de cartes
. Modélisation du trajet
. Visibilité et mé-
moire du trajet Vis
ib
ili
té . Modélisation incor-
recte du trajet (sens de pivotement, sens de
déplacement) Mod
élis
at
ion
. Limitation erronée d’une carte par case
. Assimilation de la carte de pivotement à une instruc- tion intégrant un pivote- ment et une translation. . Présence de branchement
• Évolutions des outils
Les outils évoluent avec l’introduction de nouvelles fonctions comme nous l’avons vu avec l’ins- truction pause et en fonction des modalités de travail mises en place.
Ainsi, dans le cas de la modalité groupe émetteur/groupe récepteur, les élèves du groupe récep- teur ne connaissant ni le positionnement initial ni l’orientation initiale du robot sur le plateau, sont confrontés à une difficulté, « où est-ce que je mets l’abeille pour indiquer à mes camarades que ça
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FIGURE 44-PLATEAU ET BANDES DE CODAGE
Pour répondre à cette problématique, un codage des cases est défini sur le petit et le grand pla- teau. Chaque case du grand plateau est identifiée par un couple de coordonnée horizontale et verticale, comme représenté sur la Figure 31. La donnée initiale (coordonnées de la case de départ) peut alors être déterminée afin d’être communiquée du groupe émetteur au groupe récepteur.
FIGURE 45-TRAJETS AVEC DONNEES INITIALES
La Figure 45 représente un exemple de deux bandes de codage complétées par un groupe émet- teur à partir desquelles, le groupe récepteur a réalisé les deux trajets tracés sur le petit plateau. Les coordonnées des deux cases de départ sont lors précisément définies (D1 et D3) sur les bandes de codage et figurent aussi sur le petit plateau avec l’annotation (D) pour chacun des trajets. Cette activité, riche en apprentissage, mêle de nombreuses notions (programmation de deux dé- placements, synchronisation de programme, etc.) à une activité de rétro ingénierie à laquelle les élèves ont encore été peu confrontés et dont l’objectif est de retrouver, à partir du code, le modèle de conception.
La situation de travail place les élèves face à un problème qu’ils ne savent pas résoudre immédia- tement et pour lequel ils doivent donc chercher une solution. Cette situation fait apparaître l’ab- sence de l’information concernant la position initiale du robot. En nommant le repère, cette don- née initiale peut alors être définie et communiquée. Néanmoins, à ce stade, le problème de l’orien- tation du robot sur la case initiale n’est pas encore résolu.
• Le cas particulier du jeu de cartes de programmation
Il s’agit pour les élèves d’imaginer un trajet d’un point de départ vers un point d’arrivée, de dispo- ser les cartes sur le grand plateau puis enfin de procéder à la programmation à l’aide de ces cartes.
Page 132 Phase de spécification
La phase de spécification consiste à choisir l’emplacement des points de départ et d’arrivée en positionnant les deux étiquettes correspondantes sur le grand plateau.
Phase de conception
Les élèves disposent les cartes sur le grand plateau en cherchant à élaborer une ligne plus ou moins continue du trajet parfois constitué de branchements.
Schème n°12 - Pivotement quart de tour d’une carte de jeu
Le changement d’orientation du trajet pose problème aux élèves. Pour résoudre ce problème, ils font pivoter la carte avancer attribuant à l’orientation de cette carte, une action sur la program- mation. L’orientation imposée par le point rouge présent au bas des cartes n’est alors plus respec- tée.
FIGURE 46–PIVOTEMENT, D’UN QUART DE TOUR DROIT, DE LA CARTE AVANCER
Une seconde difficulté porte sur la représentation des cartes de pivotement. Les cartes de pivote- ment, qui sont sensiblement de la taille d’une case, sont utilisées comme des « tourne à gauche » ou des « tourne à droite » intégrant, en plus du pivotement, une instruction de translation en avant d’une case.
Á ce stade, les cartes servent plus de support visuel destiné à élaborer un tracé sur un quadrillage que de réel support de programmation. Les élèves s’assurent de la continuité du trajet en faisant circuler leur main le long du trajet, dans un sens puis dans l’autre.
Phase de réalisation
La programmation se fait par une lecture séquentielle des cartes et un schème de programmation « mono-pas » étudié précédemment et jugé alors efficient par les élèves [effacer, en avant, GO] (paragraphe « Le programme mono-pas » du CHAPITRE VII).
Les confusions de saisie peuvent s’expliquer par une sérigraphie des touches du robot prêtant à confusion ; la touches pause et la touche effacer étant de même couleur.
Phase de test et de mise au point
La main est utilisée pour tester le trajet, et dans le but de procéder un éventuel ajustement de cartes.
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b) Le corps des élèves et les artefacts didactiques
• Le corps et le grand plateau
Schème n°13 - Pivotement du grand plateau
Le point de départ du robot est généralement placé près de l’élève, de telle façon que le robot se déplace en s’éloignant de l’élève. La Figure 47 donne un exemple de placement des deux éti- quettes de couleur sur le grand plateau. Les élèves, chacun leur tour, procède à des manipulations portant sur le robot.
FIGURE 47-PLACEMENT DES DEUX ETIQUETTES MATERIALISANT LE DEPART ET L’ARRIVEE
Dans cet exemple, le choix est fait par ce groupe de ne pas changer la place des étiquettes, lors du tour de rôle. En faisant pivoter le grand plateau sur lui-même, celui qui programme le robot con- serve l’étiquette verte, matérialisant le départ, devant lui.
On constate ainsi qu’un pivotement physique du grand plateau a été effectué entre la situation représentée par la Figure 47 et la situation représentée par la Figure 48. En procédant ainsi, les élèves ont face à eux, une orientation identique de plateau et indépendante du tour de rôle.
FIGURE 48-APRES PIVOTEMENT DU PLATEAU SUR LUI-MEME
• Le corps, la bande et le petit plateau
La nécessité d’un positionnement du corps adapté à celui de la bande et du petit plateau est si- gnalée par les élèves. « Déjà tu dois le [robot] mettre comme ça. Si tu veux, tu peux bouger. Tu dois te mettre face comme ça et avancer petit à petit. »
La bande accompagne la programmation (Figure 49). Elle est pivotée sur elle-même (Figure 50), au fur et à mesure de l’avancement de la programmation, comme un vecteur de direction.
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FIGURE 49-LE CORPS ET LES OUTILS MOBILISES DANS UNE DIRECTION
FIGURE 50-LE CORPS ET LES OUTILS MOBILISES DANS UNE AUTRE DIRECTION
c) Analyse de l’appropriation des aides outillées selon la phase de programmation
• Analyse de l’appropriation du grand plateau
Le grand plateau, associé aux deux cartons de couleur, permet en phase de spécification de rendre publique le début et la fin du trajet envisagé. En phase de conception et de réalisation, il favorise l’utilisation du robot en abeille-jeton. En phase de test, il propose une surface quadrillée et adaptée aux caractéristiques du déplacement du robot. Il permet aussi d’accéder à la mémoire du début et de la fin de trajet, grâce aux étiquettes. Le dépassement des limites du plateau constitue une er- reur qui peut être corrigée par une correction du déplacement ou du programme.
• Analyse de l’appropriation du petit plateau
Le petit plateau permet, en phase de spécification, de définir le trajet et, en phase de test, d’accé- der à la mémoire de ce trajet. Il est donc porteur d’une fonction d’anticipation et d’une fonction de mémorisation.
L’anticipation permet aux élèves de définir et de se mettre d’accord au sujet du trajet à réaliser.