Mathématice, intégration des Tice dans l'enseignement des mathématiques  
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Intégrer des robots dans une progression sur la programmation du cycle 1 au cycle 4
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Mis en ligne le 18 avril 2019, par René Thomas

Voici les noms des collègues du groupe Numatécol de l’IREM de Lyon, qui ont contribué au travail de recherche, avec cet article comme point d’orgue :
Camille Gibert [1], Vincent Montagnon [2], Cécile Nigon [3], Anthony Simand [4], René Thomas [5] et Alexandre Franquet [6]

Cet article peut être librement diffusé et son contenu réutilisé pour une utilisation non commerciale (contacter l’auteur pour une utilisation commerciale) suivant la licence CC-by-nc-sa

Notre groupe de travail de l’IREM de Lyon travaille depuis plusieurs années sur l’intégration du numérique dans l’enseignement des mathématiques à l’école et au collège. La programmation est un thème favorable à l’utilisation des TICE. Une progression sur les trois cycles a donc été réfléchie afin d’amener les élèves à comprendre “les méthodes qui construisent la pensée algorithmique”1. Deux types de robots ont été intégrés dans la progression : des Bluebot et des Ozobot.

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Bluebot
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Ozobot

Dans un premier temps les programmes officiels seront rappelés, puis la progression choisie sera établie. Enfin un compte rendu d’activités d’abord en informatique débranchée puis avec les deux robots choisis sera présenté.

Le lecteur pourra se reporter au site http://math.univ-lyon1.fr/irem/spip.php?rubrique179.

1. La programmation dans les programmes.

La publication des nouveaux programmes des cycles 2, 3 et 4 confirme la place de la programmation dans l’enseignement des mathématiques.

Dès le cycle 1 , une première initiation à la programmation en lien avec le repérage dans l’espace est mentionnée : “ Dans un environnement bien connu, réaliser un trajet, un parcours à partir de sa représentation (dessin ou codage) ; Élaborer des premiers essais de représentation plane, communicables (construction d’un code commun).” (Bulletin officiel spécial n° 2 du 26 mars 2015).

En cycle 2 , il est dit :

“[...] réaliser des déplacements dans l’espace et les coder pour qu’un autre élève puisse les reproduire ;

  • produire des représentations d’un espace restreint et s’en servir pour communiquer des positions ;
  • programmer les déplacements d’un robot ou ceux d’un personnage sur un écran :
    • repères spatiaux ;
    • relations entre l’espace dans lequel on se déplace et ses représentations.”

Au cycle 3 , ces compétences sont approfondies : “ Accomplir, décrire, coder des déplacements dans des espaces familiers. Programmer les déplacements d’un robot ou ceux d’un personnage sur un écran en utilisant un logiciel de programmation .”

Enfin au cycle 4 , “[...] les élèves s’initient à la programmation, en développant dans une démarche de projet quelques programmes simples, sans viser une connaissance experte et exhaustive d’un langage ou d’un logiciel particulier. En créant un programme, ils développent des méthodes de programmation, revisitent les notions de variables et de fonctions sous une forme différente, et s’entraînent au raisonnement.

L’utilisation des robots est proposée dès le cycle 2 afin de mettre en place des activités variées et complémentaires pour travailler la programmation.

La programmation permet de mobiliser plusieurs compétences mathématiques :

Chercher Tester, essayer plusieurs pistes
Modéliser Utiliser une suite d’icônes pour coder les déplacements
Représenter Comprendre le sens des icônes
Raisonner Anticiper les déplacements à faire pour atteindre le but
Calculer
Communiquer Expliciter ses choix

2. La progression.

Il a été fait le choix de de travailler la programmation dans différents espaces, avec différents supports. Pour les cycles 1 et 2, débuter par un travail dans le méso-espace (salle de motricité) semble essentiel. Dans ce cadre, un drap quadrillé avec des carreaux 25 cm x 25 cm a été utilisé. Plusieurs contextes ont été explorés au cours de ces activités :

  • Le livre “roule galette” (Le père Castor, Flammarion) : des cartes représentant les personnages du livre étaient déposées sur le tapis, les élèves devaient programmer leur déplacement dans le même ordre que celui de l’album. (cycle 1 et ASH)
  • La prévention des risques domestiques : l’association “Prévention Maif” a mis à disposition sur son site un ensemble de cartes prêtes à imprimer afin d’aborder les risques domestiques et les risques liés à la sécurité routière pour le cycle 1.
  • La tournée du facteur : activité présentée dans le document d’accompagnement “la programmation aux cycles 2 et 3”.

Trois activités progressives ont été choisies :

  • Les cartes sont placées sur le quadrillage, le programme est codé ou dicté par l’enseignant, un élève se place sur le quadrillage et doit suivre les instructions. On peut faire placer au fur et à mesure du déplacement les cartes représentant le déplacement effectué. Ainsi le programme sera codé sur le quadrillage au sol.
  • Les cartes sont placées sur le quadrillage, le programme est codé par l’enseignant, les élèves doivent anticiper la case d’arrivée.
  • Les cartes sont placées sur le quadrillage, les élèves doivent écrire un programme qui permet d’arriver sur la case choisie puis ils vérifient en se déplaçant sur le quadrillage et en plaçant les cartes symbolisant chaque déplacement.

A la suite de ce travail dans le méso-espace, il peut être envisagé de faire travailler les élèves sur le même type d’activité, soit avec les robots, soit en papier/crayon. Conserver un contexte similaire a permis d’observer la capacité de décentrage des élèves : sont-ils capables de transférer l’activité réalisée par leur propre corps à une activité avec un objet (pion ou robot) ou sur papier ?

Enfin un dernier travail est possible sur tablette avec des applications (Lightbot, Scratch Junior) ou sur ordinateur pour le cycle 4 (site www.code.org, Scratch)

3. Programmation débranchée

  • Salle de motricité (Méso-espace)

Comme décrit ci-dessus, le codage ou le décodage de déplacements sur un drap quadrillé a été proposé. Des cartes de déplacement sont mises à disposition :

Pour les élèves pas encore latéralisés, on peut mettre en couleur les flèches de déplacement et leur attacher un bracelet de couleur correspondante aux poignets.

Une barrette de programmation similaire à celle des Bluebot (cf paragraphe sur les Bluebots) a été fabriquée afin de faciliter le transfert de compétences.

  • Papier (espace proche)

Cycle 1 : GS école de Frères Chappe – Saint Etienne

Dans cette expérimentation, les flèches sont colorées et construites de manière à ce que la commande “tourner” (à gauche ou à droite) s’accompagne nécessairement d’une commande “avancer”. Ceci permet d’anticiper le transfert d’activités sur robot, où il faudra bien penser aux deux commandes “pivoter” et “avancer” ou sur des applications comme LightBot où la commande “tourner” est en réalité une commande “pivoter et avancer”.

En pratique, les flèches directionnelles sont dessinées sur des rectangles de 3cm*4cm alors que les flèches “avancer” sont dessinées sur des carrés de 4cm*4cm. Il est alors nécessaire de bien prolonger chacune des flèches jusqu’aux bords de la carte pour “l’effet superposition”.

4. Programmation branchée

  • a) Les Bluebot en cycles 1 et 2

Présentation du robot :

Le Bluebot est un robot qui se déplace sur le sol. Sa mémoire permet de programmer 40 mouvements. Il se déplace tout droit vers l’avant ou l’arrière par pas de 15 cm et effectue des rotations de 90°. Il peut être programmé et dirigé à l’aide de sept commandes différentes dont 4 directions : “avancer”, “reculer”, “pivoter” (à gauche ou à droite). Comme mentionné précédemment, le robot pivote sur place à gauche ou à droite, à la différence de certaines applications ou autres robots (où la commande “tourner” = “pivoter” + “avancer”). La touche “effacer” permet de vider la mémoire avant un nouveau programme.

Programmer directement sur le robot

Il suffit d’appuyer sur les touches placées sur le dos du Bluebot pour entrer les instructions puis sur la touche GO après avoir placé convenablement le robot.

Programmer le robot via Bluetooth

La barre de programmation Bluebot se connecte en Bluetooth sur le robot. Elle permet de créer des « lignes de code » en installant des cartes d’instruction.

Ainsi on garde une trace du programme de déplacement. Les cartes peuvent être placées soit en portrait soit en paysage. Il suffit de changer ou de déplacer les cartes et appuyer sur “Go” pour exécuter une nouvelle programmation. En pratique il est nécessaire d’établir la connexion entre le robot et la barre de programmation. On peut associer au maximum 3 barres pour construire un programme jusqu’à 30 étapes. On dispose de 25 cartes dans le pack de base : 8 cartes "avancer", 8 cartes "reculer", 4 cartes "pivoter à droite", 4 cartes "pivoter à gauche", 1 carte "pause". Avec les cartes spéciales du pack complémentaire, des boucles de programmation peuvent être créées.

Programmer le robot sur tablette

En complément du Bluebot, une application gratuite permet de programmer et commander le Bluebot à partir d’une tablette ou d’un simple smartphone ce qui peut remplacer l’usage de la barre de programmation. Compatible avec iOS, Android et Windows.

  • b) Expérimentation en Moyenne Section

Matériel

  • 6 robots Bluebot
  • Jeu de cartes Atout Sûr (site Prévention Maif)
  • Tapis quadrillés transparents (4 x 4 et 4 x 6)
  • Barrettes de programmation
  • Peluche

Déroulement

Les cartes sont placées sous le tapis pour définir le parcours du robot que l’élève doit programmer. Les élèves sont répartis en trois ateliers, l’un est géré par l’ATSEM, un atelier robot par l’enseignante, un autre atelier robot fonctionne en autonomie.

Moyenne Section (RPI Saint Laurent Rochefort) : mode pas à pas, atelier en tutelle

Le scénario est créé avec les élèves. Le robot doit aller « se coucher » (carte lit) en évitant les dangers représentés par les cartes disposées par l’enseignante. Sous le contrôle de l’enseignante, l’élève effectue d’abord le trajet avec une peluche tout en tapant les instructions sur le robot au fur et à mesure de la progression de celui-ci. Quand la peluche est arrivée au but, l’élève appuie sur GO pour lancer le robot.

Grande Section (RPI Saint Laurent Rochefort) : atelier tutelle

Même type de situation mais une position de départ est donnée à chaque élève selon son niveau et il a pour consigne d’anticiper la totalité du parcours avant d’appuyer sur GO.

Cycle 2 (Ecole Saint-Etienne)

L’activité sur Bluebot est organisée en groupes. Deux autres activités relatives à la programmation sont proposées en parallèle.

Bluebot Application tablette Jeu “La tournée du facteur”

Retour d’expérimentation

Avec les Bluebot, les élèves font preuve d’imagination pour élaborer des scénarios à échanger avec d’autres camarades, ils sont rapidement autonomes grâce à la simplicité du matériel et au fait qu’ils se rendent compte directement de la réussite de leur programme.

Témoignage d’une enseignante : « Ils ont adoré ! Une séquence de trois semaines avec ce matériel est un bon début pour la programmation. Il y a des avantages par rapport aux applications sur tablettes : d’abord ils ne se lassent pas des robots. De plus ceux qui ont des difficultés avec l’orientation se mettent plus facilement à la place du robot dans l’espace réel. La barre de programmation les aide à voir leurs erreurs et à les corriger. Ils aiment particulièrement construire des scénarios de parcours avec une histoire. Ainsi on travaille le langage ! ».

Robots Blue Bot en contexte ASH :

L’activité Blue Bot a pu être reconduite dans divers établissement relevant de l’ASH avec des enfants ou adolescents présentant des troubles divers, autistes ou handicapés moteurs. La simplicité et l’ergonomie de ce matériel conviennent parfaitement à ces élèves, des compétences essentielles sont concernées comme se repérer dans l’espace en lien avec le travail de la psychomotricienne. Ces activités ont un grand succès auprès d’eux, si bien qu’une enseignante les qualifie de « renforçateurs ». Des outils sont produits comme ci-dessous à l’IEM La Grande Terre à Veauche.

  • c) Les Ozobot en cycles 3 et 4

Programmation événementielle :

Dans le cadre de l’initiation à la programmation au collège, une activité découverte de l’utilisation des robots Ozobot a été proposé à plusieurs classes de sixième du collège Honoré d’Urfé à Saint-Etienne. En amont, au moins une séance d’heure de code a été réalisée.

L’objectif de la séance est de laisser aux élèves le soin de comprendre comment fonctionnent les robots. Lors des dix premières minutes, par groupe de quatre, ils allument le robot puis observent ce qu’il se passe. Il leur est demandé de noter sur leur cahier ce qu’ils constatent. Une première mise en commun est réalisée et les observations suivantes sont faites :

  • le robot s’allume sur les côtés et dessous ;
  • il a des détecteurs d’obstacle devant, et de la lumière dessous ;
  • certains robots font du bruit mais pas tous.

L’enseignant explique que la lumière qu’ils ont mentionnée sous le robot est un détecteur. Pour ce qui est du son, cela dépend du réglage fait au préalable car il peut être activé ou non. Il est souligné que les robots ont été programmés en amont.

Pour la seconde partie de l’activité, les parcours ci-dessous, imprimés en couleur ont été distribués à chaque groupe.

Pendant quinze minutes, il est demandé aux élèves de poser le robot sur ces parcours puis de laisser le robot se déplacer tout seul. Ils doivent constater ce qu’il se passe et en prendre note sur leur cahier. Une nouvelle mise en commun est réalisée et les observations suivantes sont faites :

  • les robots suivent les lignes ;
  • les robots s’éclairent de la couleur que le lecteur optique « lit » en-dessous ;
  • les différentes combinaisons de couleurs donnent des instructions au robot ;
  • les robots s’arrêtent si on met la main devant.

Pour terminer la séance, les élèves essaient de trouver quelles instructions donnent les différentes combinaisons. Ils en ont trouvé quelques unes :

  • bleu - rouge - vert : « tourner à droite »
  • vert - noir - rouge : « tourner à gauche »

Dans l’extrait ci-dessous des codes installés par défaut on trouvera ceux utilisés dans cette activité, les compléments figurent sur le site du guide rapide.

Dans une des classes, une séance supplémentaire a été mise en place avec pour objectif de permettre aux élèves de faire d’autres combinaisons et de travailler avec d’autres circuits qu’ils réalisaient eux-mêmes grâce aux feutres fournis avec le robot. L’enseignant en a donné certaines à tester.

Les élèves ont été très actifs et enthousiastes durant l’activité. Ils étaient tous impliqués pour comprendre comment le robot fonctionne. La recherche de combinaisons a elle aussi généré beaucoup d’effervescence en classe. De plus, cela faisait le lien avec ce qu’ils avaient déjà vu en programmation, sur l’heure de code notamment. Les enseignants ont insisté aussi sur le fait que les robots ont été programmés en amont.

Programmation séquentielle :

La programmation étant au programme du cycle 4, les élèves de 4ème ont tous découvert la programmation par bloc. Une séance de programmation du robot Ozobot a été proposée à deux classes de quatrième du collège Gambetta à Saint Etienne. Le robot peut se programmer sur le site Ozoblockly en utilisant le principe de Blockly, très proche de Scratch qui est connu des élèves.

N’ayant à disposition qu’un seul robot, la séance s’est faite en petit groupe en salle informatique.

Pour programmer le déplacement du robot, il faut créer un programme par bloc. Le site est pour l’instant uniquement en anglais mais les commandes, illustrées par des pictogrammes expressifs, sont intuitives. Il suffit de traduire les mouvements principaux (ex. forward, backward, 1step = 1cm…).

Plusieurs niveaux de blocs sont disponibles, pour une première séance au collège, le niveau 2 est le plus adéquat (niveau 3 pour les élèves les plus à l’aise).

Une fois le programme écrit, il faut ensuite le “flasher” dans le robot. Il faut pour cela poser le robot sur l’écran, le configurer puis le charger en suivant les consignes (un système de flash code de couleur permet au robot de charger le programme).

Les élèves sont mis en groupe de deux ou trois élèves par poste et par robot (dans la mesure du possible)

Ils ont ensuite plusieurs défis à réaliser dans l’ordre (sortir des labyrinthes, « ramasser » des pièces).

Le premier défi est très simple afin que les élèves puissent expérimenter l’utilisation du robot. Ils peuvent, s’ils le souhaitent, ajouter des effets de lumières, de rotation… Ils doivent ensuite mesurer correctement le chemin à parcourir en cm, sans se tromper avec la taille du robot.

Quand un programme doit être vérifié, le professeur peut superviser le test. Si tout fonctionne (le robot ne déborde pas, reste dans le labyrinthe, attrape toutes les pièces…), le professeur donne la fiche suivante.

Le robot est utilisé comme test (essai erreur) et validation : les élèves programment le déplacement puis le chargent sur le robot. Après plusieurs essais infructueux, les élèves prennent d’eux-mêmes la règle pour mesurer le parcours du robot afin d’être plus efficaces.

Les élèves ont immédiatement compris le principe de programmation du robot et ont été particulièrement enthousiastes.

  • d) L’application Lightbot (CE2, Ecole Beaulieu et CM1-CM2, ULIS Ecole des Frère Chappe - Saint Etienne)

L’application Lightbot est une application disponible sous Android et sous IOS. Il existe une version gratuite :

Il faut programmer les déplacements d’un robot afin qu’il allume toutes les cases bleues à l’aide d’instructions simples :

Le déplacement du robot est du type déplacement relatif : “tournez à gauche” correspond à la gauche du robot.

Les élèves développent globalement deux stratégies pour écrire le programme : le pas à pas ou l’anticipation complète du trajet. Il est intéressant de laisser les élèves effectuer la programmation pas à pas au début s’ils ne parviennent pas à anticiper. L’application comporte trois niveaux de difficultés. Quand ils parviendront au niveau deux, ils n’auront plus assez de place pour disposer toutes les instructions de certains parcours et disposerons d’un nouvel outil : les procédures. Ils seront alors obligés d’anticiper le parcours.

Les élèves ont très facilement pris en main cette application. Ils disposaient d’une tablette pour deux élèves ce qui permettait des échanges très constructifs sur l’écriture du programme. La principale difficulté étant le choix de l’orientation gauche ou droite.

5. Conclusion

Les élèves ont participé aux différentes activités avec beaucoup d’enthousiasme. L’utilisation de robot plait énormément aux élèves qui trouvent cela ludique, c’est un facteur non-négligeable dans la stimulation de leur motivation. Le robot Bluebot est très facile à prendre en main autant pour l’enseignant que pour les élèves, ils sont rapidement autonomes et ont un retour immédiat sur la réussite de leur programme. Le robot Ozobot permet d’aborder deux types de programmations : séquentielle et événementielle. Les notions d’orientation, de déplacement sur quadrillage sont abordées dans le cadre le plus difficile du déplacement relatif (ordres donnés relativement au déplacement du mobile). Au-delà des compétences spécifiques à la programmation citées en 1, ce thème permet de travailler de nombreuses compétences nécessaires à l’activité mathématique : anticiper, faire des essais, élaborer une suite d’actions.
Pour les activités proposées à l’école primaire, les mises en commun ont porté sur le repérage dans l’espace essentiellement (orientation et déplacement). Pour la partie programmation, l’accent a été mis sur la nécessité « d’écrire » toutes les étapes de déplacement et dans l’ordre pour atteindre la case demandée pour préparer à la compréhension du concept d’algorithme.


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