Programmation de robots à l'école par des élèves de maternelle et d'élémentaire

Les résultats du projet de recherche DALIE, mené dans différentes écoles françaises et grecques sur l’enseignement de l’informatique dans l’enseignement primaire (cycles 1 à 3), permettent d’identifier des apprentissages possibles à partir de scénarios mais aussi certaines difficultés que peuvent rencontrer les élèves avec la présence en classe de robots programmables. Ces résultats de recherche admettent qu’un enseignement de l’informatique dès l’école maternelle est envisageable avec un cadrage pédagogique adapté ici détaillé.

Les derniers programmes d’enseignement pour l’école (2015) incitent les enseignants à mettre en place des expériences et des pratiques autour de l’introduction de la programmation informatique, par exemple à l’aide de robots programmables. La robotique éducative est peu documentée par la recherche jusqu’aux années 1990, même si certains dispositifs extrascolaires font l’objet de publications récentes. Le projet de recherche francophone DALIE, « Didactique et apprentissage de l’informatique à l’école », a regroupé des laboratoires de recherche en sciences de l’éducation, qui se sont intéressés à la question des usages de la robotique à l’école, de la petite section de maternelle jusqu’au CM2. 24 classes ont été observées pendant l’année scolaire 2015-2016. Ce projet interroge les conditions de réussite pour les apprentissages de notions en informatique en posant plusieurs questions : quelles sont les notions en informatique qui peuvent être enseignées dans des classes d’écoles primaires ? Quelles sont les conditions permettant un apprentissage de l’informatique à l’école ? Et quelles sont les difficultés pouvant être rencontrées en classe par les élèves dans ce domaine ?

Ce projet a permis de développer et d’analyser des séquences sur la robotique à l’école (Béziat, 2018), mises en place par des enseignants non spécialistes en informatique. Les premiers résultats montrent, comme le souligne Boulc’h (2018), que la manipulation de ces robots par des élèves des cycles de l’école élémentaire pour générer un déplacement est acquise. Cependant, ces objets programmables, d’apparence simple au niveau de l’usage, soulèvent des difficultés lorsque des élèves les utilisent en classe (Grugier & Villemonteix, 2017), difficultés spécifiques qui seront détaillées ci-après.

D’autre part, le projet de recherche DALIE a permis d’expérimenter dans des classes de maternelle et d’élémentaire l’apprentissage de l’informatique à partir de la programmation de robots. En Grèce, Komis et Misirli (2011) ont montré que l’utilisation de robots dont la programmation se fait à partir d’un pupitre de commande positionné sur ce dernier permet à de jeunes élèves de développer des compétences technologiques et informatiques. La manipulation d’un robot dans un cadre scolaire est également envisagée comme le moyen de faire travailler les élèves sur des notions : informatiques (algorithme, programmation) et technologiques (actionneur, capteur, mouvement).

Les paragraphes suivants présentent des résultats issus de la recherche DALIE qui identifient à la fois des difficultés rencontrées par les élèves et des réponses possibles pour pallier ces difficultés.

Dès la seconde année d’école maternelle, les élèves s’interrogent sur le fonctionnement des objets techniques, comme les robots, même lorsqu’ils sont complexes (Grugier, 2016). Les rencontres avec et les manipulations de ce type d’objets en classe peuvent favoriser cette compréhension. Pendant ces moments de découverte, les élèves rencontrent cependant des difficultés conceptuelles dans la construction des notions informatiques. Ainsi, à l’école maternelle avec des robots programmables simples, deux notions sont difficiles à appréhender : celle de l’anticipation des actions par la programmation de plusieurs déplacements successifs et celle qui consiste à « écraser » (effacer) le programme pour en écrire un autre (Grugier, 2018).

L’observation de classes de maternelle par les chercheurs (les classes ont été filmées puis des extraits comportant l’usage de robots ont été choisis pour être analysés), pendant ces moments scolaires avec les robots, a permis d’identifier que les jeunes élèves ne sont pas en mesure de programmer un déplacement voulu en agissant sur une suite logique de boutons, sans un guidage de l’enseignant. L’autre difficulté est liée à la conception des robots. En effet, si l’utilisateur n’efface pas le programme précédent, ce dernier reste en mémoire. Il est alors difficile, pour les élèves, de comprendre le comportement du robot avec de nouvelles informations alors que les anciennes sont encore en mémoire. Cette action sur le bouton « Effacer » est alors souvent réalisée par l’enseignant alors que celle-ci devrait l’être par les élèves.

Se familiariser avec les robots

Pendant les phases de manipulation libre mises en place par les enseignants en début de séance pour permettre une familiarisation avec l’objet, rapidement, les élèves s’aperçoivent que les robots possèdent des roues et ils découvrent certaines fonctionnalités des boutons du pupitre de programmation. Ces découvertes permettent aux élèves, dès le plus jeune âge, de développer la capacité à déboguer certaines situations face au comportement des robots programmables (Komis & Misirli, 2011).

Mettre en place une aide instrumentée

En cycle 3, les élèves arrivent aisément à générer un programme et à engendrer un déplacement des robots. Ils sont capables de prévoir et d’anticiper le déplacement des robots au moment de l’écriture des programmes. Par contre, il apparaît une forte dépendance envers les aides instrumentées scolaires proposées (Spach, 2017) comme l’utilisation de la règle pour définir le nombre de pas de déplacement des robots ou encore le crayon pour effectuer des repères sur le papier, représentant ainsi une partie du trajet envisagé. Cette dépendance, peut-être rassurante, mais n’est pas transposable pour la programmation de systèmes informatiques dont le but n’est pas de générer un mouvement.

Guider les élèves par des approches pédagogiques adaptées

En Grèce, Komis (2018) montre en analysant des séances filmées que certains apprentissages des concepts de programmation sont possibles, à condition que l’on suive des approches didactiques appropriées. Ces approches sont élaborées par les chercheurs du projet DALIE pour les enseignants des écoles concernées. Les enseignants de ces écoles grecques avaient été préalablement formés à l’enseignement de la programmation avec des robots et à la mise en œuvre, dans leurs classes, de scénarios pédagogiques imposés.

En France l’analyse de situations scolaires avec les robots programmables, impliquant des enseignants n’ayant reçu aucune formation spécifique, montre qu’il est néanmoins possible de développer l’apprentissage de notions informatiques pour de jeunes élèves. Les enseignants élaborent alors des scénarios pédagogiques (Beziat, 2018) sous la forme de défis pour les élèves : programmer des robots afin qu’ils puissent suivre un itinéraire à travers un labyrinthe ou encore pour que le robot puisse se déplacer en ligne droite jusqu’à un point défini, par exemple. Le guidage de l’élève par l’enseignant consiste, entre autres, à mettre à disposition sur une feuille de papier l’algorithme qui correspond au programme à réaliser. Ainsi, même sans une formation spécifique, les enseignants sont capables d’imaginer et d’élaborer des ressources pertinentes pour favoriser les apprentissages dans le cadre d’un scénario pédagogique.

Enrichir un lexique

Les travaux de recherche de Boulc’h (2018), toujours dans le cadre du projet DALIE, montrent que les connaissances conceptuelles initiales des élèves au sujet de l’informatique, en cycle 3 (CM1 et CM2) sont relativement pauvres. Par contre, la mise en place d’activités centrées sur la programmation des robots dans le cadre scolaire a permis la construction de connaissances concernant la notion d’algorithme, l’enchaînement logique d’actions et le développement de compétence de programmation engendrant un déplacement du robot. L’analyse de séquences filmées a permis de relever le vocabulaire qui était développé en classe, notamment pendant les moments d’échanges en fin de séance et en classe entière. Il ressort que le lexique est enrichi même si les élèves ne sont pas toujours capables de définir les différents concepts informatiques et encore moins de les relier entre eux.

Dès l’école maternelle, il est possible de mettre en place des séquences permettant aux élèves d’agir sur des robots programmables et d’apprendre à contrôler leurs actions à travers l’utilisation d’un langage propre. L’action sur le pupitre de commande, mais sans logique d’enchaînement, ne permet pas d’acquérir une logique algorithmique en maternelle. Par contre en cycle 3, les élèves analysent plus facilement les relations entre l’action sur le pupitre et les déplacements des robots. Cet élément de progressivité dans les apprentissages n’a, néanmoins, pas été suffisamment exploré dans la recherche DALIE. Les travaux de recherche présentés ci-dessus laissent entrevoir la possibilité de faire acquérir des compétences en informatique même pour des élèves de maternelle. Cependant, ceci est conditionné par le guidage mis en place en classe par l’enseignant qui peut, dans certains cas, se limiter à des situations favorisant l’investigation technique des robots pour ensuite permettre le développement de l’approche de la programmation par la mise en place de défis.

La pédagogie adaptée, mise en place dans les classes avec ces robots programmables, a comme spécificité, d’une part, une approche pluridisciplinaire et, d’autre part, un guidage des activités des élèves par l’intermédiaire d’instruments avec, par exemple, des plateaux de jeu ou encore des règles d’algorithme. Ceci conduit à la question de la formation des enseignants. Une formation à l’usage des robots ne semble pas nécessaire, d’autant plus que les offres des fournisseurs évoluent continuellement. Par contre, la formation peut se concentrer sur des notions en informatique et sur la compréhension du fonctionnement des robots par une analyse fonctionnelle.

Actuellement, un nouveau projet de recherche est en cours, le projet IECARE (Informatique à l’École : Conceptualisations, Accompagnement, REssources) qui doit permettre de mieux définir les conditions d’apprentissage de notions informatiques à l’école et proposer des orientations possibles de situations en classe en s’intéressant à la progressivité des apprentissages du cycle 1 au cycle 4.

Olivier GRUGIER,

maître de conférences, sciences de l’éducation et de la formation, éSPé de Paris-Sorbonne Université, Laboratoire EDA, Université Paris-Descartes

• Développer une approche des robots par une analyse fonctionnelle. Il s’agit de comprendre le rôle des actionneurs et des capteurs pour programmer ensuite des déplacements.
• Guider les jeunes élèves avec la mise en place de défis tout en laissant suffisamment d’autonomie pour l’expérimentation.
• Mettre en place des moments de mise en commun pour apporter un lexique nouveau (programme, algorithme, actionneur, capteur, déplacement...). En classe entière, la dictée de l’élève à l’adulte permet de travailler sur du vocabulaire nouveau.
• Favoriser une organisation de la classe par équipes de 3 ou 4 élèves pour permettre les échanges propices à l’utilisation d’un lexique approprié.

• BéZIAT J. (2018), « L’informatique dans les premières classes de l’école primaire. Quel enseignement pour quels apprentissages ? », Symposium « Enseignement et apprentissage de l’informatique à l’école primaire » au colloque du CRIFPE à Montréal du 3 au 4 mai 2018.
• BOULC’H L. (2018), « Connaissances et représentations des élèves de cycle 3 envers l’informatique : passage des savoirs sociaux aux savoirs scolaires », Symposium « Enseignement et apprentissage de l’informatique à l’école primaire » au colloque du CRIFPE à Montréal du 3 au 4 mai 2018.
• GRUGIER O. (2018), « Des robots programmables à la maternelle. Un monde technologique à comprendre », in 3^e édition des Rencontres nationales de la robotique éducative, « Robots, élèves, enseignants, quelle intelligence partagée ? », IFÉ-ENS de Lyon du 2 au 3 octobre 2018.
• GRUGIER O. (2016), « Rencontre avec des nouveaux objets à écrans tactiles à l’école et moments d’éducation technologique », STICEF, 23, p. 133-158.
• GRUGIER O. & VILLEMONTEIX F. (2017), « Apprentissage de la programmation à l’école par l’intermédiaire de robots éducatifs. Des environnements technologiques à intégrer », Atelier « Apprentissage de la pensée informatique à EIAH 2017 », Strasbourg du 6 au 9 juin.
• KOMIS V. (2018), « Quels apprentissages de la programmation par les élèves de l’école maternelle ? », Symposium « Enseignement et apprentissage de l’informatique à l’école primaire » au colloque du CRIFPE à Montréal du 3 au 4 mai 2018.
• KOMIS V. & MISIRLI A. (2011), « Robotique pédagogique et concepts préliminaires de la programmation à l’école maternelle : une étude de cas basée sur le jouet programmable Bee-Bot », Sciences et technologies de l’information et de la communication en milieu éducatif. Analyse de pratiques et enjeux didactiques, p. 271-281.
• SPACH M. (2017), Activités robotiques à l’école primaire et apprentissages de concepts informatiques, thèse, Paris-Descartes, Paris.