ROBOTIQUE: UNE ÉTUDE EXPLORATOIRE
EN FORMATION
À L'ENSEIGNEMENT DES SCIENCES
EN PRIMAIRE
Françoise RUEL
Université de Sherbrooke (Québec)
MOTSCLÉS: ROBOTIQUE ENSEIGNEMENT DES SCIENCES ET TECHNOLOGIE -PRIMAIRE
RÉSUMÉ: Un nouveau programme universitaire de fonnation à l'enseignement au primaire de même qu'un nouveau programme de formation au primaire, aetuelIement en ébauche au niveau des instances ministérielIes, font dorénavant une place plus grandeàla technologie. Ce qui suit relate une expérience pédagogique universitaire d'initiation à la robotique pour de futures enseignantes en 3e année de baccalauréat, dans le contexte de l'enseignement des sciences et technologie au primaire.
SUMMARY : The new teacher training programs offered at the university level as weII as the current ministerial refonn of the elementary school curriculum make greater demands on the use of technology. What folIows is a pedagogical experiment that was conducted with 3rd year university students taking an introductory course in robotics offered as part of their preparation for teaching of science and technology at the elementary level.
1. INTRODUCTION
Au Québec, les programmes d'enseignement d'ordre primaire et secondaire sont actuellement en voie de renouvellement. Sachant que le Ministère de l'éducation souhaitait faire une plus grande ouverture à l'enseignement des technologies, tant au primaire qu'au secondaire, la décision de devancer l'instauration des nouveaux programmes dans les écoles et d'initier nos futurs enseignants et enseignantes à la robotique a été prise par les responsables de la formation en enseignement au préscolaire et au primaire, dont je suis, en vue de les outiller dans une dimension au moins de l'enseignement des technologies. Pour ce faire, nous avons choisi de mettre l'accent du second cours offen en didactique des sciences sur l'initiation à la robotique (résolution de problèmes simples et éléments de programmation) et d'y ajouter par la suite un approfondissement des connaissances en électricité principalement. Ainsi deux expériences ont été tentées: l'une d'une durée très conne (5 séances de 3 heures, robotique seulement, hiver 1998), l'autre sur toute la durée d'un trimestre universitaire (}5 semaines à raison de 3 heures par semaine, électricité en sus, hiver 1999). J'emploierai le féminin en parlant de la population cible visée par ces expériences puisqu'à 90% il
s'agit de femmes.
2. PREMIÈRE EXPÉRIENCE EN ROBOTIQUE
Ce cours d'initiation à la robotique consistait à initier les étudiantes, par l'entremise du logiciel ROSA (RoboSapiens, de Caméléon, Québec) qui fait appel à un langage de programmation simple, àla
construction de programmes permettant de télécommander des robots construits par les étudianteset munis de composantes mécaniques et/ou électriques, de façon à ce que ces robots répondent à des fins paniculières issues de mises en situation proposées aux étudiantes (le matériel de construction est un matériel commercialisé sous l'étiquette LASY). Le travail s'effectuait en équipe de 2 personnes bien que chaque personne ait eu à remplir tout au long de l'exercice un cahier de laboratoire individuel. Les principaux objectifs du cours étaient:
- d'apprendre à lire des plans en 3 dimensions;
- de réaliser quelques montages techniques fonctionnels à panir de ces plans; - d'apprendre à déchiffrer un langage simple de programmation;
- d'apprendre à modifier des programmes simples pour actionner les robots construits et, ce faisant, de résoudre des problèmes simples en robotique;
- de réfléchir à sa propre expérience d'apprentissage en robotique de façon à penser une approche pédagogique appropriée de la robotique au primaire.
Le cours a donné lieu à la réalisation de 3 robots: un feu de circulation, un malaxeur et une balançoire. Nous avions prévu davantage mais les restrictions temporelles et les ajustements que nous avons dû apporter au cours ont fait en sone que nous avons réduit le nombre de réalisations techniques attendues.
Pour illustrer le fonctionnement général du cours,jevais prendre l'exemple de la dernière réalisation effectuée par les étudiantes, soit la balançoire. Il s'agit delaréalisation technique la plus complexe qu'elles ont eu à exécuter en matière de lecture de plans et de construction, mais pas forcémentlaplus difficile en matière de programmation. Les étudiantes avaient en main les plans en 3 dimensions pour construire cette balançoire. Le montage effectué, elles démarraient le logiciel ROSA et sélectionnaient le processus correspondantàla balançoire.Laséquence d'instructions qui apparaît alors à l'écran de l'ordinateur pennet un balancement simple de la balançoire.
Les étudiantes enclenchent alors le programme en cliquant sur une icône et observent les déplacements de leur robot. Laplupart du temps, des divergences avec ce qui est attendu par les étudiantes se manifestent. C'est le moment donc d'examiner le programme de plus près, de mettre en relation chaque ligne de celui-ci en rappon avec l'exécution observée ou non sur le montage technique et de procéderàdes corrections soit dans le programme, soit dans le montage, de façon à parvenir à un fonctionnement satisfaisant. Par exemple, dans le cas de la balançoire, il est possible que les étudiantes n'aient pas placé les capteurs magnétiques qui permettent d'opérer le mouvement du balancier suffisamment près de l'aimant fixé dans le balancier. Il s'ensuit que la balançoire exécute des tours complets sur elle-même sans se soucier des sous-processus «gauche» et «droite» qui prévoient des allers-retours du balancier.Lacorrection que doivent alors apponer les étudiantes està
caractère technique: faire en sone que les capteurs détectentla présence de l'aimant. Une autre anomalie fréquemment observée est celle de la balançoire qui fonctionneàl'envers, ses occupants ayant la tête en bas, pendant que s'exécute le mouvement de balancier.Ceproblème peut être résolu en inversant les positions respectives des capteurs magnétiques, ou bien, en opérant l'équivalent de cette inversion physique, dans l'écriture même du programme sans toucher aux pièces de construction. Les étudiantes sont dès ce moment engagées dans la résolution de problèmes simples mais qui fait nettement ressonir que la compréhension des liens entre le programme et l'exécution d'actions spécifiques de la part du robot ne va pas de soi. C'estàtravers le temps consacréàrésoudre les problèmes qui se présentent que les étudiantes gagnent en maîtrise des étapes de lecture et d'écriture des programmes associésàla robotique.Lapremière étape en est donc une de déchiffrage d'un programme donné à l'avance, et des pièges qu'il peut receler si on n'en comprend pas suffisamment l'expression, en vue d'un fonctionnement minimal du robot.
Puis, nous confrontons les étudiantesà un nouveau défi. Par exemple, le fonctionnement de la
balançoire tel que défini par le programme précédent n'a rien de sécuritaire. Ainsi quand le moteur de la balançoire s'arrête, les sièges de la balançoire sont dans les airs: les passagers ne peuvent descendre de la balançoire sans risques ! Le défi pour les étudiantes sera donc de modifier le programme initial de telle sone que la balançoire s'arrête le plus près possible du sol afin que les passagers puissent y descendre et y monter en toute sécurité. Chaque défi diffère selon les robots et exige des solutions différentes en programmation pour satisfaire aux exigences des mises en situations respectives.
Enfin nous convions les étudiantes à un défi plus sophistiqué à partir du même robot: il leur est proposé une mise en situation plus complexe que les précédentes.
Ou
bien, nous leur suggérons d'inventer leur propre défi en remplacement de celui que nous leur proposons, la seule condition étantque ce qu'elles proposent comme mise en situation soit plus complexe en tenne de programmation que ce qu'elles ont réussi auparavant avec le robot en question.
Au fur et
àmesure que se déroule l'expérience pédagogique, les étudiantes consignent dans un cahier
de laboratoire l'ensemble des données associées à chaque robot. Chaque feuille du cahier de laboratoire se compose donc de la mise en situation, du problème qui consiste à traduire cette mise en situation en langage informatique sous la fonne d'un programme que les étudiantes doivent inscrireetcorriger au besoin. En outre, chaque défi se termine par un rappon de discussion sur les apprentissages réalisés et les difficultés rencontrées en cours de résolution du problème posé, tant ce qui concerne le montage technique ou la lecture des plans quelacompréhension partagée entre les paires de la mise en situation ou de sa traduction sous la fonne de commandes ou de processus opératoires aux fins du résultat escompté.
Finalement une réflexion pédagogique des étudiantes sur leur expérience en tant qu'apprenante en robotique de même qu'une réflexion ponant sur les conditionsetles aménagements à envisager pour procéder à l'enseignement en ce domaine au primaire clôturait cette conne période d'initiation pounant bien remplie. Elle avait pour but essentiellement de pennenre aux étudiantes de réfléchir,àpartir de leur propre expérience, quantàla nature et à la ponée des apprentissages que pennet la robotique et à faire des projections quantàses possibles répercussions sur la formation des jeunes du 2e cycle du primaire principalement.
3. CONCLUSION DE LA PREMIÈRE EXPÉRIENCE PÉDAGOGIQUE
En dehors des problèmes reliés aux ordinateurs, qui sont bien sûr inhérents à ce type de projet, aiguisant la patience des uns et obligeant à l'ingéniosité des autres, l'expérience a été bien reçue par les étudiantes et elle a été ciblée comme d'un grand intérêt dans la formation initiale en vue de développer une expenise en matière technologique pour l'enseignement au primaire. Les défis à
relever en matière de programmation, compte tenu du tempsimparti dans cette première expérience, ont eu suffisamment d'envergure pour mobiliser l'intérêt et les ressources cognitives des étudianteset
les faire cheminer dans la résolution de problèmesàcaractère informatique sunout. En ce domaine, l'apprentissage de règles d'écriture nécessite plus d'un exercice et les quelques mises en situation proposées ont permis, sinon d'en acquérir la maîtrise, du moins de se familiariser avec la plupan des dimensions de l'écriture informatique en usage dans un logiciel de robotique de cette nature. Les étudiantes ont gagné de la confiance en elles en déclarant qu'elles étaient en mesure d'intervenir dorénavant dans ce type d'apprentissage ; toutefois, elles considèrent qu'elles ont développé seulement les éléments de base et qu'il leur faudrait procéder à ces exercices sur une période de temps plus longue. Leurs projections vis-à-vis des élèves du primaire sont variables. Certaines voient les élèves s'investir très facilement dans ce genre de projets, être à l'aise avec la construction de robots à panir de la lecture de plans, avec la résolution de problèmes et, ce faisant, être en mesure de développer des compétences cognitives diversifiées. D'autres s'interrogent par contre sur la faisabilité même de cet enseignement au primaire, estimant qu'il exige beaucoup d'autonomie de la pan des
élèves el une très grande capacité d'adaptation de la pan de l'enseignante. Souvent les projections des étudiantes peuvent être associées à la valeur qu'elles attachent à l'expérience d'initiation qu'elle vienne de vivre et aux apprentissages qu'elles estiment avoir réalisés ou non.
4. DEUXIÈME EXPÉRIENCE PÉDAGOGIQUE
Cette nouvelle expérience s'appuie sur la première dont je viens de vous donner un aperçu. Elle s'en différencie toutefois par les traits suivants.
Le cours universitaire à l'intérieur duquel s'inscrit cette initiation à la robotique comporte environ pour la moitié des séances d'ateliers en électricité réalisés en équipe de 3 ou 4 personnes. Cette première partie est couronnée par la remise par les étudiantes d'un montage électrique dont les spécifications sont suffisamment larges pour mettre en œuvre toute leur créativité et offrir un éventail de projets électriques qui illustrent bien les possibilités technologiques découlant d'un nombre minimal de pièces simples. Cela va du théâtre de marionnettes ou de la salle de cinéma à la piscine à vagues, aux bateaux ou autres véhicules ultraperformants et aux constructions tantôt purement imaginaires, tantôt visant à simuler des phénomènes physiques. Le montage électrique devait permettre l'intégration de pièces électriques variées (interrupteurs, résistances, ampoules, vibreurs, moteurs, etc.).Lemontage devait être fonctionnel, offrir solidité et maniabilité el présenter autant de complexité sur le plan électrique que les étudiantes étaient en mesure d'en donner. Par ailleurs, nous avions informé les étudiantes que l'une des visées au terme de ce cours était de parvenir à une éventuelle robotisation du montage électrique.
Lasuite du cours porte essentiellement sur la robotique, comme dans l'expérience précédente. Le travail attendu des étudiantes est toutefois plus exigeant qu'il ne l'était lorsdel'expérience antérieure. En effet, nous ne leur présentons que les plans en 3 dimensions des robots à construire. Nous leur proposons toujours une mise en situation susceptible de fournir les comportements attendus du robot et nous les invitons à écrire un programme satisfaisant à ces exigences plutôt que de leur fournir un programme déjà constitué. Par l'entremise du cahier de laboratoire (légèrement modifié mais respectant essentiellement la même démarche), nous les initions d'abord au langage de programmation de RoboSapiens en travaillant chaque commande séparément et en leur donnant un ou plus d'un problème à résoudre qui nécessite l'utilisation de la commande en question. En fait l'écriture de
programmes représente le défi majeur de cette étape de formation. L'ensemble complet des robots à
programmer pour ce cours consiste en un feu de priorité pour piétons, un feu de circulation, un feu pour piétons intégré à un feu de circulation, un malaxeur, une clé encodée et une balançoire. Chaque défi initial, soit le premier programme permettant l'activation de chaque robot, est suivi d'un défi un peu plus complexe, à partir d'une nouvelle mise en situation, qui conduit les étudiantesàécrire un nouveau programme ou, le plus souvent, à modifier le premier. Ce nouvel exercice contribue à vérifier leur maîtrise de la programmation.
En même temps que leur montage élecuique, les étudiantes devaient également remettre une production écrite consistant en l'élaboration d'une stratégie d'enseignement susceptible de rendre
compte de leur réflexion sur le plan de l'enseignement de l'électricité et de. la robotique. au primaire.
S. CONCLUSION
Au moment de présenter cette communication, la deuxième expérience est toujours en cours. Les résultats sont donc à venir.On peut déjà dire cependant que le fait de devoirécrireles programmes sans jamais avoir vu un programme fonctionnel déjà constitué a représenté un défi que les étudiantes ont été en mesure de relever dans la plupart des cas. Chaque équipe trouve une interprétation à la mise en situation proposée et les quelques différences enregistrées posent aux étudiantes le problème de définir ce qui est majeur et ce qui est accessoire pour satisfaire à la requête initiale visantàactionnerle
robot. La démarche générale permet aux étudiantes de plonger dans les problèmes pour s'approprier la mise en situation, de tenter de lacaractériser et de la traduire en écriture informatique. Les
discussions entre les paires sont valorisées et elles s'installent assez rapidement entre elles. Des négociations s'engagent sur le sens à donner au problème selonlaformulation, sur la possibilité de remettre en question la formulation (en s'adressant notamment aux responsables du cours), sur les règles les plus appropriées pour parvenir à l'objectif, sur les rapports qui peuvent être faits ou non avec les situations réelles de la vie courante et les informations qui en découlent Bref, les étudiantes nous semblent véritablement engagées dans la résolution de problèmes à divers niveaux. Par ailleurs, nombreux sont les commentaires des étudiantes qui se disent davantage concernées par les différents objets technologiques présents dans leur vie quotidienne et qui attirent maintenant leur attention parce qu'elles parviennent à s'imaginer mieux comment ils peuvent fonctionner, à la suite de cette expérience en robotisation.
6. PROJECTIONS
Des suites à cette expérience seront données éventuellement puisque celle-ci sera remaniée et fera l'objet d'une recherche subventionnée de plus d'envergure pour examiner entre autres les diverses compétences que développent les étudiantes en formation à l'enseignement des sciences et technologie pour le primaire par l'intermédiaire de ce type d'intervention didactique en robotique et les représentations de la technologie et de son enseignement au primaire auxquelles elle est susceptible de participer.
