Mémoire de Frédéric Genevey

Mémoire récent sur la robotique pédagogique :  http://dl.dropbox.com/u/6956510/memoire.pdf 

 


Extrait sur la robotique pédagogique

À quoi sert un robot pédagogique ? La réponse est évidente : à apprendre. Mais derrière cette réponse triviale, se cache une quantité de mécanismes pédagogiques, cognitifs, métacognitifs, qui font de ce robot non seulement un outil, mais aussi un compagnon d'apprentissage pour l'élève.
 
Personne ne connait avec précision le nombre de kits de robots en circulation dans les écoles vaudoises, ni de quels modèles il s'agit et encore moins comment ils sont utilisés.
 
Choix d’un enseignant
 
L'objectif de ce travail est donc d'étudier les robots en tant qu'outils pédagogiques dans l'école vaudoise: de quels équipements dispose-t-on? Que font les enseignants et les élèves avec ces robots? Et enfin comment intégrer cet outil dans le Plan d'Études Romand?
 
Les origines du robot (intéressant)
 
Définition
C'est donc en me basant sur cette double filiation que je définis un robot comme étant un objet animé, effectuant une tâche préprogrammée de manière autonome. Cette définition est importante, car elle ouvre au statut de robot des objets comme une machine à laver le linge ou une porte automatique; ce qui aura une certaine importance dans le cadre de la robotique pédagogique.
 
Constructivisme, constructionnisme et robotique
La robotique pédagogique est donc l'utilisation de robots dans un but pédagogique. Il ne faut pas la confondre avec les robots pédagogues3, récemment mis sur le marché. La robotique pédagogique est donc un outil utilisé pour l'éducation. Elle a pour origine les travaux de Piaget et de Papert (Piaget, 1936, Papert, 1980, cités par Nonnon, Touma & Fournier, 2008, p.79) qui constatèrent qu'un enfant développe et construit ses connaissances en agissant spontanément sur son environnement. Mais, selon Nonnon, l'école primaire va imposer à l'enfant l'acquisition de connaissances théoriques, par l'écoute passive du discours de l'enseignant et en l'empêchant d'agir selon ses tendances naturelles, c'est-à-dire sur son environnement, pour construire ses propres connaissances. Ainsi, "cette façon de faire de l'école développe chez les étudiants une attitude passive qui freine, pour certains, l'acquisition de connaissances, de connaissances signifiantes, celles qui passent par des savoirs faire pour accéder à des savoirs plus conceptuels", et serait cause "de la désaffection des jeunes pour les matières scientifiques" (Nonnon et al.)
 
Par ailleurs, pour Piaget, l'enfant bâtit ses propres structures intellectuelles, en puisant ses matériaux dans les cultures environnantes, soit dans le monde réel, et certains apprentissages de concepts sont plus lents à cause de leur complexité. Papert, lui, insiste, pour ce qu'il appelle "l'enfant constructeur", sur la pauvreté de matériaux dans la culture environnante (Papert, 1981, pp. 17-18), pour justifier le fait que certains apprentissages soient plus lents que d'autres. C'est justement le cas des mathématiques. Ainsi, la robotique pédagogique va pouvoir servir de matériel de construction pour ces apprentissages. 
Comme on peut le constater, la robotique pédagogique a pour origine le constructivisme piagétien. Néanmoins, Seymour Papert, qui a travaillé avec Jean Piaget à l'Université de Genève de 1958 à 1963, va faire évoluer le constructivisme vers ce qu'il appelle le constructionnisme.
Ainsi, "le constructionnisme affirme que le constructivisme fonctionne particulièrement bien lorsque l'élève est engagé dans la construction de quelque chose que les autres doivent voir"
 
Ainsi, "le constructionnisme affirme que le constructivisme fonctionne particulièrement bien lorsque l'élève est engagé dans la construction de quelque chose que les autres doivent voir" (Dougiamas, 1998). En effet, selon Seymour Papert (1991, p.1, cité par Dougiamas et par Ackermann, 2001, p. 4):
Le constructionnisme partage la conception de l'apprentissage du constructivisme qui le considère comme une construction de structures de connaissances indépendante des circonstances de l'apprentissage. S'y ajoute l'idée que cela fonctionne particulièrement bien dans un contexte où l'élève est consciemment occupé à construire une entité publique, que ce soit un pâté de sable ou une théorie de l'univers.
 
Cette entité publique est un élément clé de l'apprentissage, car elle a la capacité de pouvoir extérioriser les sentiments et idées:
Projecting out our inner feelings and ideas is a key to learning. Expressing ideas makes them tangible and shareable which, in turn, informs, i.e., shapes and sharpens these ideas, and helps us communicate with others through our expressions (Ackermann, 2001, p. 4).
Elle est donc au centre du constructionnisme, ce que Papert (1980) appelle un objet de transition, et qui devient un "object to think with", qui doit "comporter l'intersection d'une présence culturelle, d'un savoir incorporé et de la possibilité d'une identification personnelle" (Papert, 1980/1981, p. 23). On touche alors à la composante affective de l'apprentissage, qui, toujours selon Papert, doit être prise en compte, en plus de ses aspects cognitifs. L'objet de transition, qui est porteur de la connaissance, a donc pour objectif de permettre à la pensée de se manifester et d'être rendue publique. La construction de l'objet se fait par tâtonnement, et sa conception n'est donc pas un prérequis, mais est issue d'un processus de déconstruction et de reconstruction (Kynigos, 1995, cité par Alimisis & Kynigos, 2009, p.12), véritable bricolage.
 
Au milieu des années 80, le MIT Media Lab a développé le premier kit de robotique incluant des Lego, connu sous le nom de LEGO/logo. Ce kit permettait de combiner les possibilités de construction des Lego avec le langage de programmation LOGO. Il a connu un vrai succès. Son principal atout est de permettre à l'élève de non seulement concevoir son programme, mais aussi son robot (Resnick, 1993). L'élève doit, en effet, commencer par construire son propre robot, en laissant libre court à sa créativité. Et nul besoin de se cantonner à une tortue (Alimisis, 2009, p. 15). Le kit LEGO/logo était constitué de briques contenant des composants électroniques, divisés en trois catégories: briques d'action (moteurs, lumières), briques capteurs (lumière, toucher, son) et des briques programmables (Resnick, 1993). 
 
Selon Resnick, la dimension affective et psychologique est particulièrement développée lors de l'utilisation de kits LEGO/logo. En effet, ils permettent, pour la première fois, non seulement de concevoir des mécanismes (les Lego) ou des comportements (le LOGO), mais aussi de concevoir des mécanismes et des comportements; c'est l'objet de transition par excellence
 
canton de Vaud, utilisation de robot plus développée
formation incite à l’utilisation de robot en classe
 
La normalisation
Depuis 2008, il est possible de ressentir un véritable engouement pour la robotique pédagogique. Des projets se mettent place et foisonnent. On peut citer le festival de robotique de l'EPFL, l'équipement du centre Roberta de l'EPFL en Lego Mindstorms NXT et l'organisation de cours de robotique pour les filles, la mise en place de cours de formation continue de robotique à la HEPL. Le docteur en robotique Raphael Holzer est prédominant dans ce processus. Il est à l'origine des formations continues en robotique de la HEPL et est coordinateur au centre Roberta et à l'origine de la finale régionale de la First Lego League à Lausanne.
 
La diversification
Depuis 2010, on peut constater l'arrivée et l'adoption de nouveaux robots, en complément des Lego Mindstorms: Beebot, Thymio II, Lego Wedo… Durant le café pédagogique tenu à la HEPL au mois de juin 2011, force a été de constater que ce n'est que la partie émergée de l'iceberg. En effet, les modèles présentés par les exposants sont toujours plus nombreux et variés.
 
Maturité de la robotique pédagogique dans le canton de Vaud
Je veux, par ce bref historique, démontrer que la robotique pédagogique est un phénomène ancien, progressif et évolutif. La situation actuelle est le fruit de plusieurs années de développement.
 
Et pourtant, la robotique pédagogique n'a toujours aucune existence officielle, au point même que le nouveau Plan d'Études Romand (PER) ne la mentionne simplement pas.
 
 
Le statut de la robotique pédagogique
Dans la théorie du constructionnisme, selon Papert, l'enseignant n'a qu'une place marginale. Son rôle se limite, peu ou prou, à fournir à l'élève suffisamment de différents matériaux de construction pour que l'élève, en bricolant, explore son environnement et apprenne par lui-même.
L'élève se trouve donc seul face à son ordinateur ou son robot, l'enseignant, lui, met en place des situations stimulantes et, par ses questions, facilite chez l'élève la remise en question de ses idées. On est dans la droite ligne du constructivisme.
Or, la réalité de la robotique pédagogique dans les écoles vaudoises est bien plus complexe.
On peut distinguer deux pratiques différentes de la robotique pédagogique:
L'approche disciplinaire et l'approche intégrative
 
Regard au-delà du scolaire. Projection dans le domaine professionnel
 
Par ailleurs, si on réalise cette activité très tôt dans la formation de robotique, cela permet de démontrer aux élèves qu'on ne fait pas que "jouer aux Lego", mais qu'il y a une vraie démarche derrière ces activités. À l'enseignant ensuite d'amener des situations de travail suffisamment variées pour permettre à l'élève d'avoir une vision globale de la robotique.
 
Certes, ainsi faisant, on s'éloigne des théories de Piaget et Papert, où le robot n'est qu'un moyen pour l'enfant d'explorer son environnement et de réaliser par lui-même ses découvertes. Mais à un moment donné, il faut être un peu pragmatique et ne pas hésiter à exploiter les robots pour ce qu'ils sont: des outils. Qu'ils servent de vecteurs de découverte et d'exploration, c'est une chose, par contre ils peuvent servir à bien plus que cela, à commencer par mettre en pratique et mobiliser les connaissances acquises dans les autres disciplines scolaires. Les deux démarches sont complémentaires.
 
Ainsi, et à terme, une fois l'apprentissage de la programmation effectué, puis affiné par la pratique, par exemple par la réalisation de défis de robotique, il me paraît important de l'exploiter d'une nouvelle manière: l'automation. Nous sommes, en effet, entourés d'objets agissant grâce à des processus automatisés et préprogrammés: ascenseurs, machines à laver le linge, téléphériques, portes automatiques, métro M2, distributeurs de boissons ou de billets…
Permettre aux élèves, grâce à la robotique pédagogique, de pouvoir simuler le fonctionnement d'un de ces processus est, pour moi, essentiel à la compréhension de tout ce qui entre en jeu pour sa réalisation. Or, la simulation passe obligatoirement par un séquençage du processus, à l'image de ce que l'élève doit faire pour réaliser un problème de mathématique, analyser une œuvre littéraire, réaliser un saut en longueur en éducation physique. La robotique pédagogique est un outil excellent pour favoriser l'apprentissage de ce séquençage, et son entrainement.
 
 
Le projet interdisciplinaire est "un espace de réflexion plus large qui permet de réaliser un projet. Celui-ci fait appel à plusieurs disciplines, d’où son nom de projet interdisciplinaire, et peut prendre différentes formes telles que l’élaboration d’un dossier sur une région, sur une période de l’histoire, ou sur un thème de préoccupation en lien avec l’actualité.
Cette approche renforce la collaboration, l’autonomie et la prise de responsabilité des élèves qui doivent coordonner leurs efforts. Le projet fait aussi interagir plusieurs enseignants et contribue à décloisonner les disciplines scolaires" (Voie secondaire générale (VSG), présentation générale, [DGEO]). Par son approche interdisciplinaire, et de travail en projet, la robotique pédagogique entre parfaitement dans le cadre du projet interdisciplinaire.
Malheureusement, les directions, par souci d'économie, n'affectent souvent à ces périodes qu'un seul enseignant, en général le maître de classe, ce qui ne favorise en aucun cas une approche interdisciplinaire, et encore moins l'interaction entre plusieurs enseignants. Il s'agit pourtant là d'un cadre idéal pour la robotique pédagogique, trop peu souvent exploité.
 
L'approche intégrative
Parallèlement à la richesse de l'approche disciplinaire de la robotique pédagogique se trouve l'approche intégrative. Il s'agit dans ce cas d'intégrer la robotique pédagogique à l'intérieur même d'une discipline. En ce cas, la robotique devient souvent un outil pédagogique, ce qu'on appelle en didactique un moyen pédagogique. Cette démarche est idéale au CIN et CYP, où la simplicité d'utilisation des robots permet une prise en main rapide, ne nécessitant pas de longs apprentissages. Dès lors, le robot peut parfaitement servir à des fins de démonstration, d'entrainement, et d'expérimentation. Ainsi, le fonctionnement du robot Beebot, avec ses sept boutons, sera très vite assimilé par la plupart des élèves. Le robot va alors servir de support à l'apprentissage d'autres notions: orientation spatiale, lecture, écriture…
mybeebot.wordpress.com
Comme il est possible de le voir sur le site mybeebot.wordpress.com30, l'intégration de la Beebot dans classes primaires et enfantines peut se faire pratiquement indépendamment de la discipline enseignée. Ainsi, soit on intègre la Beebot dans le cadre de la classe (au point de lui construire une petite maison pour les vacances!), soit on l'utilise ponctuellement comme support à des activités, souvent d'entrainement, dans les branches, comme on peut voir des exemples sur le site Classeprepa31
 
 
Or, la robotique pédagogique permet d'exercer, dans des mises en situation concrètes, l'ensemble de ces capacités transversales:
Collaboration: la capacité à collaborer est axée sur le développement de l'esprit coopératif et sur la construction d'habiletés nécessaires pour réaliser des travaux en équipe et mener des projets collectifs. (op. cit., p. 7)
Comme nous l'avons vu, la robotique est dans tous les cas exploitée sous forme de groupes, mobilisant la capacité à tous les niveaux.
Communication: la capacité à communiquer est axée sur la mobilisation des informations et des ressources permettant de s'exprimer à l'aide de divers types de langages, en tenant compte du contexte. (op. cit., p. 8)
La robotique nécessite la maîtrise d'un vocabulaire spécialisé, de symboles, de métaphores. Le travail à l'aide des défis Edurobot favorise la communication et les échanges entre les diverses équipes des établissements scolaires. À cela s'ajoute la publication des résultats.
Stratégies d'apprentissage: la capacité à développer des stratégies renvoie à la capacité d'analyser, de gérer et d'améliorer ses démarches d'apprentissage ainsi que des projets en se donnant des méthodes de travail efficaces. (op. cit., p. 9)
La nécessité de séquençage des tâches à réaliser en robotique, sans compter les différentes étapes d'un programme, le statut formatif de l'erreur, le choix de la méthode pour réaliser un objectif, la gestion du matériel et du temps, et l'approche heuristique de la robotique pédagogique en font un excellent moyen de développer ses stratégies d'apprentissage.
Pensée créatrice: la capacité à développer une pensée créatrice est axée sur le développement de l'inventivité et de la fantaisie, de même que sur l'imagination et la flexibilité dans la manière d'aborder toute situation. (op. cit., p. 10)
Quand face à une tâche simple: déplacer une balle d'un point A à un point B, l'élève se trouve avec un ensemble de pièces Lego pour la réaliser, il faut faire preuve d'inventivité, d'imagination et de flexibilité pour la réaliser. Face à une telle tâche, la créativité mise en place par des élèves est exemplaire en diversité et ingéniosité32
Démarche réflexive: la capacité à développer une démarche réflexive permet de prendre du recul sur les faits et les informations, tout autant que sur ses propres actions; elle contribue au développement du sens critique. (op. cit., p. 11)
Le statut de l'erreur dans la robotique, la nécessité de choisir une démarche, de dépasser ses préconceptions, et d'explorer différentes possibilités; tout ceci fait partie intrinsèquement de la robotique pédagogique.
 
Au CIN et au CYP1, la Beebot a toute sa place. Grâce aux différents tapis d'activités existants (soit les tapis officiels, soit ceux disponibles sur Edurobot), l'enseignant pourra favoriser l'apprentissage de l'orientation spatiale, des chiffres, des additions, des soustractions et de la lecture. En créant ses propres tapis d'activités, l'enseignant pourra aussi utiliser le robot Beebot pour de nombreuses animations, en lien avec sa planification.
 
 
Pour réussir, l’élève doit développer un ensemble de stratégies par un séquençage de l'activité:
Identification des objectifs de l'activité et des      notions théoriques et pratiques 
2. Planification, construction et programmation du robot
3. Test du robot et vérification du programme
4. Identification des éventuelles erreurs de conception, compréhension et programmation
5. Mise en place d'une stratégie pour corriger les erreurs (régulation)
6. Auto-évaluation (le robot a-t-il atteint ses objectifs ou pas?)
 
L’enseignant a un rôle particulier durant ces cours; il doit aiguiller et stimuler les élèves avec des questions du type:
- Quel est le comportement de ton robot ?
- Qu’est-ce que tu peux observer ?
- Quelle instruction est-il en train d’exécuter ?
- Pourquoi ne bouge-t-il pas ?
 
Ce faisant, l'enseignant se pose en posture d'expert et de guide (Doudin, Martin & Albanese. 1999, p.18) et stimule la réflexion des élèves par des questions, en particulier sur la démarche de travail qu'ils ont adoptée35.
L'erreur a ainsi un rôle très précis dans cette démarche pédagogique; elle "devient l'un des moteurs importants du processus d'apprentissage et c'est en faisant participer activement l'élève à l'analyse de ses propres erreurs qu'un progrès cognitif pourra s'instaurer" (Doudin, Martin & Albanese. 1999, p.18). L'erreur n'est donc pas stigmatisante et souvent rehaussée de stylo rouge, mais un outil d'analyse du comportement du robot et de la démarche cognitive mise en œuvre par les élèves pour résoudre la situation-problème. 
Ainsi, la diversité des situations rencontrées par les élèves, le processus d'analyse des erreurs et le rôle d'expert de l'enseignant favorisent la réflexion des élèves sur leurs connaissances et les processus cognitifs qu'ils sollicitent pour résoudre la situation-problème, dans une démarche métacognitive.
 
L'usage de la robotique pédagogique est, par ailleurs, particulièrement pertinent chez des élèves qui souffrent de troubles de l'apprentissage ou de retard. Ainsi, suite à notre présentation du robot Beebot, le SESAF36 s’est équipé d'une vingtaine de ces robots. Normalement prévus pour le cycle initial, ils sont utilisés avec succès par des élèves plus âgés, mais dont les troubles comportementaux, psychomoteurs ou d'apprentissage sont tels qu'ils ne suivent pas un cursus scolaire normal. Parmi ces troubles, nous pouvons constater les particularités psychologiques suivantes (notes de cours):
- déficits dans la construction de son savoir-être
- troubles dans la relation avec autrui et soi-même
- doute et affirmation de soi
Par le facteur de motivation et affectif exploité dans cette démarche, ce sont la plupart des particularités psychologiques des adolescents qui sont régulées par l'approche métacognitive qu'implique le travail avec ces robots:
1. Le robot a un rôle de régulateur social, par la charge affective que l'élève va lui projeter et par le fait qu'il adopte une stature neutre : il n'est pas garant d'autorité et ne répond à aucune confrontation.
2. De même, le travail avec un robot peut permettre à gagner une confiance en soi qui peut faire défaut; en effet, un robot porte le fardeau de l'erreur. L'élève projette la responsabilité de l'erreur au robot, se dédouanant ainsi de l'atteinte à l'image de soi qu'impliquent des erreurs à répétition.
3. Le travail ponctuel avec un robot permet de mettre en place des situations d'apprentissage suffisamment variées, et ainsi complémentaires d'un enseignement plus classique. Ce faisant, cela permet à l'enseignant de varier le mode d'apprentissage, afin de tenir compte des différentes stratégies d'apprentissage des élèves.
Dans cette posture métacognitive, l'enseignant qui utilise des robots, tout comme celui qui soumet ses élèves régulièrement à des situations-problèmes, peut adopter une diversité d'approche suffisante pour tenir compte des particularités psychologiques des adolescents.