Pourquoi enseigner la Robotique Educative ?

L'intérêt pour la robotique éducative s'est considérablement accru ces dernières années, les enseignants et les écoles reconnaissant le potentiel de la robotique comme moyen pratique et attrayant d'enseigner la conception, l'ingénierie et la technologieⁱ. La robotique éducative est également considérée comme un moyen d'initier et d'encourager les élèves à poursuivre des carrières dans le monde des sciences, des technologies, de l'ingénierie et des mathématiques (STEM)ⁱⁱ. L'utilisation de la robotique éducative est désormais plus abordable et plus solide grâce à l'attention et aux investissements accrus dans ce domaine. Les progrès technologiques qui en résultent contribuent grandement à l'accessibilité de cet outilⁱⁱⁱ. En fait, certains considèrent aujourd'hui que la robotique joue un rôle similaire à celui des ordinateurs dans la salle de classe, à partir du début des années 1990 et de l'introduction des CD-ROM et de Microsoft PowerPoint dans les salles de classe^iv. 

La présence croissante de la robotique éducative soulève des questions importantes. Quelles sont les meilleures applications de ce nouvel outil passionnant ? Comment pouvons-nous établir les meilleures pratiques ? Comment conceptualiser l'objectif de la robotique éducative en classe ? Ces questions peuvent être plus compliquées qu'il n'y paraît à première vue. Et y répondre d'abord peut soulever plus de questions que lorsque nous avons commencé. Par exemple, les élèves utilisent-ils la robotique éducative comme un moyen de représenter leurs idées et leurs modes de pensée, ou créent-ils des idées et des modes de pensée en interagissant avec le support ? La robotique éducative est-elle un moyen pour les apprenants de démontrer leurs compétences ou une infrastructure sur laquelle les apprenants construisent de nouvelles compétences^v? Peut-être que le fait de considérer un aspect de l'informatique en classe peut aider à mieux comprendre le sujet. 

Un support peut avoir une portée différente en fonction de son application. La peinture peut être considérée comme un support, qui peut être utilisé pour peindre une clôture ou la chapelle Sixtine. La diversité des ordinateurs en tant que support est peut-être encore plus grande ; un ordinateur peut être utilisé en classe de manière très limitée, comme une calculatrice ou un traitement de texte, mais il peut aussi être considéré et adopté comme un puissant outil de communication à part entière. Comme l'a noté Mark Guzdial, les ordinateurs peuvent être compris comme une forme moderne de la presse à imprimer de Gutenberg^vi et comme une façon de penser à d'autres domaines. À ce titre, des technologies telles que la modélisation informatique et les algorithmes ont eu un impact significatif sur notre compréhension des domaines des mathématiques et des sciences^vii.

Quelle est donc la portée de la robotique éducative ? La robotique éducative peut être utilisée comme des objets préfabriqués qui exécutent des tâches très spécifiques, tandis que certains systèmes de robotique éducative permettent aux apprenants de devenir des participants actifs dans la conception de leur apprentissage - ainsi que des créateurs d'artefacts informatiques, plutôt que des utilisateurs passifs de dispositifs que d'autres ont créés pour eux^viii. Cela offre un ensemble unique d'opportunités pour les enseignants. La robotique éducative devient ainsi un moyen qui permet aux élèves d'exercer leur voix et leur choix dans l'apprentissage, en les faisant participer non seulement à la résolution de problèmes, mais aussi à la recherche de problèmes, à la construction de problèmes, à l'analyse de problèmes, à la planification et au suivi des efforts de résolution de problèmes. La robotique éducative devient alors quelque chose de beaucoup plus grand - un moyen de préparer les apprenants à la complexité des défis qui les attendent alors qu'ils se préparent à des emplois qui n'existent pas encore, et aussi un moyen d'incorporer d'autres compétences précieuses (par exemple^ix, la communication et la collaboration) qui appartiennent au spectre plus large des compétences du 21e siècle. 

Les efforts des écoles pour introduire la robotique éducative semblent avoir donné lieu à autant de manifestations que de motivations différentes. Certaines écoles utilisent cet outil comme partie intégrante d'une matière autonome en informatique ou en ingénierie, tandis que d'autres utilisent cette solution moderne comme complément aux matières traditionnelles. D'autres écoles encore les utilisent comme des activités extrascolaires qui tirent parti des effets motivants de la "gamification" et des concours pour accroître la participation et l'engagement des élèves. Tout comme les écoles ont appris à ne pas limiter l'utilisation des ordinateurs aux calculatrices coûteuses, l'utilisation de la robotique éducative ne devrait pas être restreinte par des limitations perçues. 

Il est intéressant d'explorer en détail les applications suivantes de la robotique éducative :

• Pour comprendre notre monde
• Enseigner l'enseignement intégré des STEM de manière nouvelle
• Enseigner la pensée computationnelle
• Se familiariser avec l'itération et apprendre de l'échec
• Être exposé aux emplois de l'avenir et en apprendre davantage à leur sujet

Pour comprendre notre monde

La science explique le monde naturel. Les élèves qui ont une culture scientifique sont capables de comprendre à la fois les concepts et la pratique des sciences. Par conséquent, l'enseignement des sciences aux élèves leur donne l'occasion de comprendre le monde dans lequel ils vivent. C'est pourquoi les écoles secondaires du pays incluent dans leurs programmes des matières comme l'astronomie, la biologie et la chimie. Mais qu'en est-il de la robotique ? Il est clair que les robots sont omniprésents dans notre vie quotidienne et que leur prolifération ne cesse de croître. Les améliorations de la technologie associée aux robots ont entraîné une croissance exponentielle de la puissance de calcul et du stockage des données^xi. Cela a donné naissance à des robots capables d'apprendre et de prendre des décisions sur la base des expériences d'autres robots. Les robots ne sont plus des machines qui remplissent des fonctions simples. En outre, la demande croissante de robots et de technologies robotiques est intersectorielle. Certes, on trouve de nombreux robots dans les usines, mais les robots sont désormais aussi de plus en plus utilisés dans les environnements éducatifs et de divertissement. Il est tout à fait possible que, dans un avenir proche, les robots aident de nombreuses personnes âgées à continuer à vivre de manière autonome à leur domicile, créant ainsi un nouveau domaine de "co-robots"^xii. 

Les écoles enseignent à juste titre l'existence de planètes et d'étoiles situées à des années-lumière. mais pas sur la technologie avec laquelle beaucoup interagissent tous les jours. C'est un défi, mais aussi une opportunité. L'éducation est le moteur de la science et de l'innovation. L'étude de la biologie continue de conduire à de meilleurs traitements et à l'éradication de maladies et de troubles^xiii. Si la robotique devenait une matière de base dans nos écoles, elle pourrait avoir un impact similaire. 

Enseigner l'enseignement intégré des STEM de manière nouvelle

Les chercheurs en éducation suggèrent que les enseignants ont souvent du mal à établir des liens entre les disciplines techniques ^xiv. Par conséquent, les étudiants auront du mal à transférer les concepts souvent enseignés de manière isolée dans le contexte intégré qu'ils verront dans les examens d'évaluation. Une autre conséquence involontaire de l'enseignement isolé des concepts scientifiques est la tendance à créer un environnement d'apprentissage dans lequel les élèves ne sont plus engagés. Les exemples authentiques de science qu'ils voient dans leur vie quotidienne montrent une intégration profonde entre les disciplines de l'ingénierie, plutôt qu'une singularité. L'objectif de l'enseignement technique est d'aider les apprenants à organiser l'information au sein des disciplines et entre elles, à être capables d'identifier et de raisonner avec des similitudes et des modèles structurels profonds dans cette information ; l'aboutissement devrait idéalement se traduire par la capacité d'appliquer cette organisation des connaissances à des situations et des problèmes complexes de la vie quotidienne^xv. 

La robotique éducative peut contribuer à relever ces défis en jouant le rôle de facilitateur pour les enseignants et les écoles dans l'organisation de l'enseignement des STIM. Étant donné que la robotique éducative va bien au-delà des jouets qui peuvent recevoir des instructions simples, les salles de classe utilisant la robotique éducative peuvent offrir aux élèves de solides défis en matière d'ingénierie et de programmation. 

Enseigner la pensée computationnelle

Ces dernières années, de nombreux pays européens ont révisé leur programme d'enseignement légal et introduit des notions de base en informatique. Cela a ouvert la voie au développement des compétences des élèves en matière de pensée computationnelle (Computational Thinking en abrégé CT). La pensée computationnelle est largement considérée comme faisant partie intégrante de toute salle de classe d'ingénierie^xviii. 

"Une motivation principale pour l'introduction de pratiques de pensée computationnelle dans les classes de sciences et de mathématiques est la nature rapidement changeante de ces disciplines telles qu'elles sont pratiquées dans le monde professionnel." (BAILEY BORWEIN 2011; FOST ER 2006; HENDERSON et al. 2007) 

"Au cours des vingt dernières années, presque tous les domaines liés aux sciences et aux mathématiques ont vu se développer une contrepartie informatique." (WEINTROP et al. 2017) 

La montée en popularité de la pensée computationnelle en tant que concept, tant à l'intérieur qu'à l'extérieur des écoles, a conduit ces dernières à essayer de trouver des outils efficaces pour intégrer la pensée computationnelle et l'enseigner à leurs élèves. Un objectif correspondant est d'élargir la participation aux cours - notamment en informatique - qui font une large place à la pensée computationnelle ; la lutte contre l'écart entre les sexes dans ce domaine a également été un objectif constant.  La robotique éducative peut être un outil efficace pour enseigner la pensée computationnelle tout en contribuant à élargir les objectifs de participation.

Les récents développements en matière de robotique éducative ont permis de réduire les coûts et d'accroître la facilité d'utilisation, ce qui les rend plus accessibles aux étudiants et les considère de plus en plus comme un moyen fiable d'apprendre des concepts techniques abstraits. Le lien entre l'informatique et la robotique est donc clair : les élèves peuvent programmer leurs robots pour qu'ils exécutent des tâches complexes, tant en classe que sur les terrains de compétition. Si l'exécution de tâches complexes peut être l'objectif, les moyens consistent à disséquer ces tâches en parties plus petites, puis à les assembler de manière itérative pour créer une solution. En classe, l'étayage de ce processus est vital et, là encore, la robotique éducative peut être efficace pour faciliter à la fois la décomposition et l'étayage de tâches complexes ^{xxii xxiii}. Un enseignement efficace de la pensée computationnelle se traduit également par la capacité d'appliquer la pensée computationnelle dans différents domaines. La capacité d'enseigner efficacement les compétences généralisables de la pensée computationnelle tout en fournissant des moyens d'aider à diversifier les étudiants qui entrent dans ces domaines fait de la robotique éducative une contribution importante à l'intégration de la pensée computationnelle dans les écoles. 

Se familiariser avec l'itération et apprendre de l'échec

La conception technique et la méthode scientifique sont des phénomènes connexes, mais comportent des différences importantes. En science, l'accent est mis sur la découverte de règles générales qui décrivent le fonctionnement de notre monde et de notre univers, tandis que l'ingénierie consiste à trouver des solutions à un problème particulier qui satisfont toutes les contraintes de ce problème^xxiv. Certains ont résumé cette distinction par l'affirmation suivante : "les scientifiques font des recherches, mais les ingénieurs créent"^xxv Lorsque nous considérons le processus créatif, nous devons reconnaître qu'il dépend souvent, dans une large mesure, de l'itération. 

Les itérations multiples sont cruciales pour les idées et les activités d'ingénierie conçues pour atteindre certains objectifs, qu'il s'agisse de satisfaire ou de dépasser les attentes des clients ou de participer à un défi concurrentiel. Les multiples itérations nécessaires inhérentes aux activités de robotique éducative ont été reconnues comme capables de soutenir l'intérêt et l'engagement durable des apprenants. La composition des ensembles robotiques eux-mêmes, avec de nombreuses pièces différentes qui peuvent être assemblées et désassemblées rapidement, encourage également une attitude d'itération. Étant donné que les itérations multiples sont souvent liées à l'importante leçon de vie "essayer, essayer encore", les étudiants tirent un grand profit de l'apprentissage des "échecs", qui font partie du processus. Une autre leçon largement applicable qui découle d'une vision plus abstraite des avantages auxiliaires de l'outil est la tendance de la robotique éducative à proposer des solutions multiples, même pour les défis les plus simples. Quoi de mieux pour élargir les horizons d'un apprenant que de réaliser qu'il existe effectivement plusieurs solutions à un même problème ? Nous avons vu que cela apporte des avantages intéressants : une plus grande probabilité que les apprenants demandent un retour aux enseignants et une plus grande probabilité que les apprenants comprennent que ce qu'ils apprennent est important. ^xxvii Les avantages ne font que s'étendre à partir de là - les enseignants qui engagent les apprenants de cette manière peuvent conduire à une plus grande auto-efficacité de l'apprenant, l'élément clé qui conduit à cette plus grande volonté d'apprendre de l'échec.^xxviii

Être exposé aux emplois de l'avenir et en apprendre davantage à leur sujet

L'une des principales caractéristiques des préoccupations actuelles, par opposition au flux normal de destruction et de croissance de l'emploi du passé, est la "polarisation de l'emploi". Ce terme fait référence à l'érosion des possibilités d'emploi, c'est-à-dire que les emplois hautement et faiblement qualifiés sont très demandés, mais que les possibilités d'emplois moyennement qualifiés et moyennement rémunérés ont diminué. Ce problème majeur peut être attribué à l'automatisation du travail de routine, et les réponses consistent à reconnaître le caractère inévitable de l'automatisation en travaillant de manière créative pour augmenter l'emploi. Les entreprises qui répondent avec succès à cette vague sont celles qui sont flexibles et fluides, qui apprennent à travailler avec la technologie plutôt que de fuir ou de résister à sa présence et à son impact intimidants^xxxiii. En tant qu'éducateurs, il est essentiel que nous réagissions nous aussi de manière créative et que nous recherchions des solutions innovantes face à l'incertitude de l'avenir. Il incombe aux systèmes d'enseignement primaire et secondaire de reconnaître les réalités qui se profilent à l'horizon et d'enseigner des compétences pertinentes et utiles, ce qui, dans le cas présent, peut signifier que les ordinateurs ne sont tout simplement pas bons à faire des choses. Il s'agit notamment de la créativité, des compétences interpersonnelles et de la résolution de problèmes, autant de compétences qui peuvent être cultivées par une utilisation sophistiquée de la robotique éducative^xxxiv. 

Source: VEX Robotics

ⁱ  Alimisis , Dimitris, editor. Teacher Education on Robotics-Enhanced Constructivist Pedagogical Methods . School of Pedagogical and Technological Education , 2009.

^{ii iii}  Eben B. Witherspoon, Ross M. Higashi, Christian D. Schunn, Emily C. Baehr, and Robin Shoop. 2017. Developing Computational Thinking Through a Virtual Robotics Programming Curriculum. ACM Trans. Comput. Educ. 18, 1, Article 4 (October 2017), 20 pages

^iv  “Computers in the Classroom.” Wikipedia, Wikimedia Foundation, 10 June 2018, en.wikipedia.org/wiki/Computers_in_the_classroom. v David Weintrop and Uri Wilensky. 2017. Comparing Block-Based and Text-Based Programming in High School Computer Science Classrooms. ACM Trans. Comput. Educ. 18, 1, Article 3 (October 2017), 25 pages.

^v  Guzdial, Mark. Learner-Centered Design of Computing Education: Research on Computing for Everyone. Morgan & Claypool Publishers, 2016. vii Weintrop, D., Beheshti, E., Horn, M. et al. J Sci Educ Technol (2016) 25: 127. https://doi.org/10.1007/s10956- 015-9581-5

^viii  Martin, F., Mikhak, B., Resnick, M., Silverman, B. and Berg, R. (2000). To Mindstorms and Beyond: Evolution of a Construction Kit for Magical Machines, Morgan Kaufmann Series in Interactive Technologies, Robots for kids: exploring new technologies for learning, Pages: 9 - 33

^ix  Herold, Benjamin. “The Future of Work Is Uncertain, Schools Should Worry Now.” Education Week, Sept. 2017.

^xi  Dang, Sanjit. “The Robot Revolution Is Just Beginning.” TechCrunch, TechCrunch, 4 June 2018, techcrunch.com/2018/06/03/the-robot-revolution-is-just-beginning/. xii Johnson, R Colin. “‘Co-Robots’ Help Boost Human Productivity.” Electronic Engineering Times , 12 Aug. 2012.

^xiii  “5 Groundbreaking Breakthroughs in Biology.” Brainscape Blog, Brainscape Blog, 26 May 2017, www.brainscape.com/blog/2015/06/biology-breakthroughs-and-discoveries/.

^xiv  Kelly, Todd R, and J. Geoff Knowles. “A Conceptual Framework for Integrated STEM Education.” International Journal of STEM Education , 19 July 2016.

^xv  Honey, Margaret, et al. STEM Integration in K-12 Education: Status, Prospects, and an Agenda for Research. The National Academies Press, 2014.

^xxii  Eben B. Witherspoon, Ross M. Higashi, Christian D. Schunn, Emily C. Baehr, and Robin Shoop. 2017.

Developing Computational Thinking Through a Virtual Robotics Programming Curriculum. ACM Trans. Comput.

Educ. 18, 1, Article 4 (October 2017), 20 pages

^xxiii  Liu, A., Schunn, C. D., Flot, J., & Shoop, R. (2013) The role of physicality in rich programming environments.. Computer Science Education, 23(4), 315-331

^xxiv  Specialty, School. “The Scientific Method vs. The Engineering Design Process.” Schoolyard, 15 Nov. 2017, blog.schoolspecialty.com scientific-method-vs-engineering-design-process/.

^xxv  Katehi, Linda P. B., and Greg Pearson. Engineering in K-12 Education: Understanding the Status and Improving

the Prospects. National Academies Press, 2009.

^xxvi  Silk, E. M., Higashi, R., Shoop, R., & Schunn, C. D. (2010). Designing technology activities that teach mathematics. The Technology Teacher , 69 (4), 21-27

^xxvii  Marzano, Robert J., Debra Pickering, and Tammy Heflebower. The Highly Engaged Classroom. Bloomington, IN: Marzano Research, 2011. Print.

^xxviii  Marzano, Robert J., Debra Pickering, and Tammy Heflebower. The Highly Engaged Classroom. Bloomington, IN: Marzano Research, 2011. Print.

^xxxiii  Raman, Amy BernsteinAnand. “The Great Decoupling: An Interview with Erik Brynjolfsson and Andrew McAfee.” Harvard Business Review, 13 Mar. 2017, hbr.org/2015/06/the-great-decoupling.

^xxxiv  Raman, Amy BernsteinAnand. “The Great Decoupling: An Interview with Erik Brynjolfsson and Andrew McAfee.” Harvard Business Review, 13 Mar. 2017, hbr.org/2015/06/the-great-decoupling.