Robotique et pensée technologique en enseignement

Robotique et pensée technologique

Les élèves d’aujourd’hui possèdent de plus en plus de notions de base en robotique, entre autres concernant l’utilisation de capteurs, le codage et les appareils programmables. De nombreux éducateurs et éducatrices ont désormais recours à des expériences pratiques de construction de robots pour présenter des concepts de sciences, de technologie, d’ingénierie et de mathématiques (STIM) et inciter les élèves à continuer de suivre des cours dans ces domaines. 

La robotique aide les élèves à développer leur pensée technologique, qui se manifeste lorsqu’ils examinent le monde créé par l’homme et font appel à des compétences et à des concepts techniques pour résoudre un problème ou effectuer une enquête. Ces activités les aident à développer leur littératie robotique, c’est-à-dire à comprendre les concepts de base utilisés afin de créer les robots et d’interagir avec eux. Les élèves peuvent perfectionner ces compétences en travaillant sur les composants mécaniques et électroniques et en effectuant le codage de robots simples. Les compétences en robotique gagneront en importance à mesure que les robots feront davantage partie de notre vie quotidienne. 

Robots et systèmes connexes

Le terme « robot » est parfois employé à tort. Il est important que les élèves fassent la distinction entre les robots et les autres appareils programmables comme les machines et les systèmes automatisés. Un robot est une machine complexe dotée de circuits imprimés et de logiciels pour se déplacer sur deux axes ou plus et exécuter des tâches.

Les robots possèdent une marge d’autonomie et une certaine capacité de reprogrammation. Ces caractéristiques améliorent ou remplacent les activités ou les décisions humaines. Les robots particulièrement complexes sont munis d’actionneurs qui peuvent imiter les membres humains et faire des mouvements dans plusieurs directions. D’ordinaire, ils comportent aussi des capteurs comme entrées pour les programmes informatiques. On peut utiliser ces programmes pour ajuster la commande des robots. 

Les robots peuvent renfermer des systèmes complexes combinant des composants mécaniques, électriques et électroniques et des logiciels. Le continuum qui va des machines aux robots ne repose pas uniquement sur l’ajout de capteurs ou de pièces mobiles. La complexité des décisions à prendre et l’amplitude des mouvements que peuvent exécuter les robots entrent aussi en ligne de compte.

En tant que concepteurs technologiques, les éducatrices, les éducateurs et les élèves doivent pouvoir faire la distinction entre les machines complexes, les systèmes automatisés et les robots. L’une des principales différences entre les systèmes automatisés complexes et les robots tient à la plus grande amplitude de mouvement des robots et à leur capacité d’exécuter de multiples différentes tâches. On observe un continuum d’automatisation et d’intelligence allant des machines aux robots autonomes. À la base, le robot est une machine, mais il se distingue habituellement en termes logiciels et par la capacité de pouvoir changer de tâche et d’utiliser des données sensorielles pour déterminer les actions et les mouvements à effectuer (traduction, White, 2019).

Les robots utilisent généralement la technologie numérique grâce à des moyens plus avancés par rapport aux autres machines et systèmes automatisés. En tant que concepteurs technologiques, l’éducateur ou l’éducatrice et les élèves doivent pouvoir comprendre la robotique du point de vue de la détection, du traitement et des commandes.

1. La détection consiste à utiliser des capteurs électroniques ou électromécaniques. Ces capteurs, grâce auxquels le robot perçoit son environnement, peuvent mesurer des valeurs physiques comme la distance, l’intensité lumineuse, le son, la tension, la position, le magnétisme, les odeurs, la température, l’inclinaison, la pression et l’altitude. Ceux-ci peuvent être de simples capteurs de lumière à de complexes systèmes de caméras. La plupart des capteurs convertissent de simples événements déclencheurs par en signaux numériques. Par exemple, l’activation d’un interrupteur ou même un signal lumineux ou sonore est converti en signal numérique. Ces grandeurs numériques sont ensuite acheminées à un contrôleur, qui constitue le cerveau du robot.
2. Le traitement consiste à utiliser un microcontrôleur ou un ordinateur afin de stocker l’information reçue des capteurs concernant le robot et d’exécuter les programmes conçus par des codeuses et codeurs humains. Les robots collectent souvent les signaux d’entrée émis par les capteurs. Ils traitent ensuite cette information en suivant un processus logique de décision pour déterminer et envoyer les signaux de sortie. On peut dire que le processeur « lit ou écoute les capteurs » avant de prendre une décision selon notre logique et qu’il « écrit ou parle » ensuite aux systèmes de commande.
3. Les commandes permettent d’utiliser un robot pour exécuter des actions physiques. Le contrôleur logique programmable émet des signaux de sortie qui peuvent être envoyés aux actionneurs du robot, par exemple les roues, les bras et les grappins, souvent alimentés au moyen d’un moteur à courant continu (CC). L’ordinateur peut aussi envoyer des signaux de sortie à d’autres dispositifs, comme des témoins lumineux ou des sonneries.

L’enseignement de la robotique et le développement de la pensée technologique ont principalement pour objet d’aider les élèves à comprendre les technologies de détection et de commande numériques pour résoudre les problèmes que nous rencontrons. À cette fin, on peut leur faire construire des jouets robotisés et des robots personnalisés. Il lui faudra alors choisir les appareils et le degré d’approfondissement des notions de robotique étudiées en fonction des connaissances et des compétences que possèdent les élèves. L’éducateur ou éducatrice n’a pas à être un spécialiste de la robotique, mais il sera mieux outillé pour inspirer et guider les élèves s’il a des notions de base dans le domaine.

Tâches formatrices pour les apprenants en robotique

Apprenants en robotique (de la maternelle à la 6e année)

• Les élèves devraient pouvoir reconnaître les principales pièces et fonctions de jouets robotisés comme l’abeille Bee-Bot ^MC:
  • les pièces mécaniques comme le châssis, les roues et le moteur;
  • les commandes à bouton servant à programmer les mouvements du robot; 
  • les commandes d’exécution servant à activer une séquence de mouvements sauvegardée; 
    • comprendre que la séquence de mouvements sauvegardée constitue un programme; 
  • les commandes logiques qui peuvent être imprimées sous forme de symboles et interprétées par les robots, p. ex. Ozobot ^MC;
  • les programmes pour le fonctionnement du robot, que l’on peut créer dans une application sur ordinateur, sauvegarder et transférer à un robot physique, par exemple un Sphero ^MC.
• Les élèves devraient pouvoir mettre à profit leur pensée computationnelle et leurs compétences de base en robotique afin de résoudre des problèmes à l’aide de robots préconfigurés, entre autres avoir l’habileté :
  • de décomposer un problème, notamment déterminer et choisir les bons composants pour le résoudre, p. ex. « J’aurai besoin d’utiliser les boutons de déplacement pour prévoir une série de mouvements et de virages. »;
  • de faire preuve d’abstraction en se tenant à l’information la plus importante, p. ex. « J’aurai besoin de mesurer les mouvements vers l’avant et de compter les virages. »;
  • de penser de façon algorithmique en déduisant les étapes logiques des opérations et en créant un algorithme, p. ex. « Mon robot devra franchir deux cases vers l’avant, puis tourner à droite. Il devra répéter ces mouvements trois fois pour parcourir en entier la piste ovale. »;
  • de tester, d’évaluer et de déboguer les entrées numériques du robot, p. ex. « Mon robot est sorti de la piste. Je dois prévoir deux mouvements vers l’avant pour franchir deux cases sur les tronçons les plus longs de la piste (après le deuxième et le quatrième virage). Un seul mouvement de deux cases vers l’avant sera nécessaire après le premier et le troisième virage. De plus, je devrai commencer la trajectoire au début du long tronçon droit après le quatrième virage. »
• Les élèves peuvent faire des expériences en utilisant un logiciel de programmation par blocs comme outil visuel pour développer le raisonnement algorithmique afin de concevoir le plan des mouvements, du programme, p. ex. Bee-Bot ^MC Emulator ou OzoBot^MC Emulator.

Apprenants en robotique (de la 7e à la 12e année)

• Les élèves devraient pouvoir reconnaître les composants des robots, entre autres : 

Tableau des composants physiques des robots

Moteur à courant continu (CC) comme source d’énergie
Actionneurs pour déplacer les flèches, les bras ou les grappins (engrenages, moteur et cadre)
Châssis et cadre pour robot (La conception et l’impression 3D peut être utile)
Câblage et batterie
Circuit imprimé pour raccorder les capteurs ou les systèmes de commande du moteur.
Microcontrôleur et micro-ordinateur programmables et reprogrammables

• Les élèves devraient avoir des notions de base concernant la connexion entre l’électronique et le système logiciel utilisés dans les robots, c’est-à-dire :
  • les entrées et sorties numériques pour la détection et la commande des robots;
  • les programmes de codage utilisés pour créer une série d’instructions à transmettre à leurs robots, entre autres un codage basé sur des blocs visuels, comme la plateforme MakeCode, ou une programmation au moyen d’un langage basé sur un texte comme Python.
• Les élèves devraient pouvoir mettre à profit leur pensée computationnelle et leurs compétences en robotique pour construire un robot et l’utiliser afin de résoudre des problèmes, entre autres avoir la capacité : 
  • de décomposer un problème, notamment en indiquant et en choisissant divers composants utilisés dans les sous-systèmes d’un robot, p. ex. « Mon robot doit être doté d’une transmission mécanique (source d’énergie, moteur, engrenages et roues). Il faut pouvoir le commander grâce à une programmation logique qui évalue la rétroaction des capteurs de contact physiques, par exemple à vibrisse ou à bouton, ou des capteurs de distance. »;
  • de faire preuve d’abstraction en ne considérant que les besoins importants, p. ex. « Mon robot doit être doté d’une transmission actionnée par une commande de vitesse directionnelle fixée sur les roues. Il devrait aussi comporter un détecteur de contact physique sur ses pare-chocs. »;
  • de reconnaître les régularités et de prévoir les règles d’automatisation, p. ex. « Mon robot se déplacera mieux en faisant des mouvements en ligne droite, des arrêts et des segments de virage et de mouvement préprogrammés. »;
  • de raisonner algorithmiquement en déterminant par déduction les étapes logiques des opérations et en créant un algorithme, p. ex. « Mon robot doit utiliser un programme pour se déplacer vers l’avant jusqu’à ce que la variable « Contact-pare-choc-avant » devienne « Vraie » ou que la grandeur détectée par le capteur de distance soit inférieure à 10 cm. »;
  • de tester et d’évaluer la performance du robot, p. ex. « Mon robot ne s’est pas déplacé en ligne droite pendant le premier essai. Je dois ajuster l’alignement des roues puis faire un nouvel essai. »;
  • de déboguer les paramètres du logiciel pour régler les problèmes à l’origine des défaillances ou des comportements inattendus, p. ex. « Mon robot s’arrête lorsque je lui dis de tourner à gauche. Je dois vérifier la séquence de code pour les virages à gauche afin de détecter les erreurs de logique  (utilisation appropriée du langage de programmation mais étapes manquantes) et les erreurs de syntaxe (utilisation incorrecte du langage de programmation). »
• Les élèves devraient maîtriser la conception logicielle de base, entre autres avoir la capacité :
  • de coder les programmes de détection et de commande en utilisant un langage de programmation en blocs ou en texte, p. ex. la plateforme MakeCode ou Arduino;
  • de visualiser et de gérer le chargement des programmes et le cycle de débogage pour développer un robot simple – notamment charger le logiciel dans l’ordinateur du robot, puis faire des essais, résoudre les problèmes et recharger le programme aussi souvent que nécessaire.
• Les élèves devraient reconnaître les différences entre la complexité et le fonctionnement des microcontrôleurs simples et ceux des ordinateurs monocarte utilisés dans les robots. Ils devraient aussi pouvoir faire les bons choix en fonction des tâches que le robot est censé accomplir.

Composants importants pour l’enseignement et l’apprentissage expérientiel en robotique

Les éducateurs, éducatrices et les élèves qui explorent la conception et construction de robots ou d’appareils robotisés devraient apprendre à utiliser les composants et concepts ci-dessous :