La robotique peut être mise en relation avec les travaux en neurosciences. Prenons les quatre piliers de l’apprentissage : l’attention, l’engagement actif, le retour sur erreur et la consolidation. Ces piliers ont été défini par Stanislas Dehaene, neuroscientifique et professeur au collège de France.

L’alerte

Apporter, dans une classe, un  robot  va éveiller un intérêt pour l’élève, première étape de l’attention. Cette attention va se maintenir lors de la programmation du robot par les élèves. Une fois le programme terminé et transmis au robot, ils vont être attentifs pour évaluer si le déplacement observé correspond à celui recherché. L’élève va analyser le robot et, en cas de problème, le comprendre pour corriger le programme.

Le rôle de l’enseignant va être de maintenir l’attention des élèves autour des activités robotiques et de leur faire prendre conscience qu’ils peuvent la garder opérationnelle durant toute la pratique de l’activité. Les élèves vont pouvoir réinvestir ensuite cette compétence dans les autres disciplines.

L’engagement actif

Pour apprendre efficacement, l’élève doit refuser d’être passif, s’engager dans les activités proposées par l’enseignant, explorer, tâtonner et formuler des hypothèses. Pour y arriver l’enseignant dispose de deux outils pour rendre les élèves actifs : leur curiosité et leur envie de savoir.

La curiosité est présente dans tous les cerveaux. Elle apporte l’envie d’explorer aux élèves. Pour y arriver efficacement, il est nécessaire de formuler des hypothèses. Puis il faut les tester pour les valider ou non. Ensuite, les élèves vont comprendre comment apprendre via cette exploration. En classe, le rôle de l’enseignant va être de proposer des situations qui vont piquer au vif cette curiosité.

Le retour sur l’erreur

L’erreur est essentielle dans l’apprentissage, c’est le troisième pilier. On ne peut pas apprendre si on ne se trompe pas. Pour progresser, l’élève doit avoir un retour sur l’erreur commise afin de se remettre en question, la corriger et apprendre. Le rôle de l’enseignant va être de faire un retour sur l’erreur, par n’importe quel moyen à sa disposition, afin de guider les élèves sur la bonne voie.

L’erreur ne doit pas être perçue comme sanction, ou être un signe de démotivation ou d’angoisse pour les élèves. Pour cela, il faut la faire percevoir comme importante et nécessaire dans leur apprentissage. Il est important de tester fréquemment les élèves pour ancrer un apprentissage.

La consolidation

Dans un premier temps, consolider un apprentissage c’est routiniser, c’est-à-dire de rendre inconscient l’utilisation d’une ressource dans le cerveau. L’apprentissage conscient, encore en construction, demande de l’effort et donc de l’énergie qui ne peut pas être investie pour un autre apprentissage.

Ce transfert de connaissances acquises d’une partie du cerveau à une autre, se fait essentiellement durant le temps de sommeil. Celui-ci apparaît comme un des acteurs majeurs dans la consolidation des apprentissages. Durant l’endormissement, le cerveau ne dort pas et n’est pas inactif. Il fixe les événements importants de la journée et les range dans ses différentes zones pour les réactiver ou les ancrer. Il est donc important pour les enseignants d’espacer les apprentissages. Ne pas donner toutes les notions d’une leçon d’un seul coup, mais découper les leçons, à la manière de la pensée informatique, en compétences distillées petit à petit dans le temps. De cette manière, le cerveau des élèves pourra fixer les apprentissages du jour.

Selon Jeannette Wings, ce qu’elle « nomme « computational thinking » ou pensée informatique » est « la capacité d’utiliser les processus informatiques pour résoudre des problèmes dans n’importe quel domaine ». L’objectif de la pensée informatique n’est donc pas de former de futurs informaticiens ni de les faire devenir des robots ou des ordinateurs mais de permettre aux élèves d’acquérir des compétences.

La pensée informatique se décompose en deux grandes parties : des concepts et des comportements. Les activités robotiques vont mettre en évidence toutes les étapes clés de la pensée informatique.

Les concepts de la pensée informatique :

– la logique : Réaliser une mission robotique revient à résoudre un problème. L’élève est amené à réfléchir sur l’énoncé et sur ce qu’il doit chercher. L’élève va donc analyser et émettre des hypothèses sur les moyens à mettre en oeuvre pour atteindre l’objectif. Il exerce sa pensée logique.

– l’algorithme : Un algorithme est un ensemble d’instruction compréhensible par tous les humains mais aussi les machines pour obtenir un résultat. Pour résoudre la mission, l’élève va fixer les étapes de la résolution de problème et écrire l’algorithme pour programmer le déplacement du robot.

– la décomposition : Face à un problème complexe, l’enseignant invite les élèves à procéder par étapes, à découper le problème en plusieurs sous problèmes. Ils seront plus simples à résoudre et cela va permettre de se répartir la charge de travail.

– la modélisation : C’est en faisant face à de nombreux problèmes que les élèves vont apprendre à modéliser et à faire du lien entre eux. Face à une situation problème, les élèves vont réfléchir sur l’énoncé, reconnaître les similarités avec les modèles et les mettre en évidence pour trouver comment le résoudre.

– l’abstraction : L’objectif de cette partie est d’enlever d’un problème toutes les données inutiles pour la résolution. Travailler par mission va permettre d’extraire les parties importantes dans la réussite du défi.

– l’évaluation : Pour pouvoir progresser et apprendre de ses erreurs et de ses réussites, l’apprenant doit évaluer son travail. Il va ainsi expliciter ce qu’il a réussi, mais aussi les difficultés rencontrées et, surtout, comment il a réussi à les surmonter.

Les comportements de la pensée informatique

– le bricolage : Cela consiste, pour l’élève, à expérimenter et jouer. Le « jeu » est un support essentiel qui va permettre aux élèves des acquisitions et des interactions.

– la créativité : Associée à la robotique pédagogique, la créativité va permettre aux élèves de se poser des questions et de trouver des réponses innovantes. En se penchant sur la conception d’un  robot  ou dans sa programmation, les élèves vont laisser libre cours à leur imagination et à leur création, s’exprimer et développer ainsi leur ingéniosité.

– le débogage : L’utilisation des robots, objets réels présents dans la classe, va permettre de donner de la visibilité et du sens à l’erreur. Les élèves vont ainsi acquérir des compétences de relecture et d’analyse d’un algorithme suivi. Ils pourront s’en resservir pour vérifier et analyser leur production avant de la faire valider par l’enseignant.

– la persévérance : Un projet robotique est rigoureux et va demander beaucoup de persévérance aux élèves. En effet, un tel projet demande du temps. L’enseignant remotivera les élèves, les encouragera et les amènera à trouver des chemins à suivre, sans pour autant faire à leur place. Il leur redonnera de la matière à travailler et l’envie de continuer.

– la collaboration : Participer à un projet robotique se fait en groupe. Cela va permettre à chacun de trouver sa place, un rôle qui lui est propre. Chacun aura quelque chose à apporter au projet en fonction de ses compétences et de sa personnalité. Il y aura un coordinateur du groupe, un concepteur du robot, un programmeur, un chargé de la communication...

Initier les élèves à la programmation dès l’école primaire, c’est leur permettre de développer des savoirs fondamentaux ainsi que des compétences transversales telles que la capacité à raisonner, à abstraire, à mettre en place des stratégies. C’est aussi leur permettre d’apprendre à structurer leur pensée, puis leur discours lors d’échanges, d’apprendre à collaborer et à coopérer. Enfin, l’initiation à la programmation leur permet de se former un esprit critique et un esprit scientifique en ayant recours à la démarche d’investigation (documents d’accompagnement des programmes pour le cycle 2 et 3, mars 2016).

Par ailleurs, ces compétences dites du 21ème siècle sont intégrées aujourd’hui dans le nouveau cadre de référence des compétences numériques. Dans l’un de ses ouvrages[1], Margarida Romero en explicite quant à elle les bénéfices :

• la créativité, processus de conception d’une solution jugée nouvelle, innovante et pertinente pour répondre à une situation-problème et adaptée au contexte ;

• la pensée critique, c’est-à-dire la capacité de développer une réflexion critique indépendante, qui permet l’analyse des idées, des connaissances et des processus en lien avec un système de valeurs et de jugements propres. Cela amène notamment à critiquer son propre raisonnement lorsque la solution que l’on avait jugée pertinente ne fonctionne pas ;

• la collaboration qui permet de développer une compréhension partagée et de travailler de manière coordonnée avec plusieurs personnes dans un objectif commun ;

• la résolution de problème qui favorise la capacité d’identifier une situation-problème et de déterminer une solution, de la construire et de la mettre en œuvre de façon efficace ;

• la pensée informatique comme ensemble de stratégies cognitives et métacognitives liées à la modélisation de connaissances et de processus, à l’abstraction, à l’algorithmique, à l’identification, à la décomposition et à l’organisation de structures complexes et de suites logiques.

À ces cinq compétences, nous pouvons ajouter la construction de la pensée logique qui amène à prendre conscience de son propre cheminement. Nous pouvons également compléter les propos de Margarida Romero à propos des objectifs liés à la collaboration. Si collaborer nécessite de tenir compte des propositions et suppositions des autres membres du groupe, cela nécessite également d’être capable d’argumenter ses propos de manière intelligible et structurée afin d’expliquer pourquoi on pense que notre solution est satisfaisante. Cette faculté fait appel à la fois à la capacité à raisonner mais également à des compétences langagières dans lesquelles la syntaxe tient un rôle important.

[1] « Usages créatifs du numérique pour l’apprentissage au XXIème siècle »

La mise en œuvre d’un projet robotique nécessitera de repenser les espaces de la classe.
Il faudra en effet un espace de travail en groupe avec par exemple des tables disposées en îlots, un espace un peu plus large pour tester les déplacements du robot, vérifier le résultat d’un codage mais aussi nécessairement permettre aux élèves de suivre les consignes de l’enseignant (tableau central ou moyen de vidéoprojection)

Cet espace classe induira de fait de repenser également les temps : décloisonner les temps d’apprentissage (classe entière / travail de groupe). Repenser les temps c’est aussi envisager la mise à disposition de ressources à distance, pour permettre aux élèves s’ils le souhaitent, de continuer à développer leur projet hors temps scolaire.

L’élève, par la mise en œuvre d’un projet robotique, sera ainsi acteur de ses apprentissages. Cela permettra pour l’enseignant d’apporter une pédagogie différenciée et la notion de pédagogie de projet.

Repenser les temps, les espaces, rendre l’élève acteur de ses apprentissages, ce sont justement les trois piliers de la e-éducation qui sont induits par la mise en œuvre d’un projet robotique.

L’intérêt pédagogique de l’enseignement de la robotique en classe offre la possibilité de manipuler un objet physique sur lequel on peut tester des programmes, valider ou, au contraire, invalider des hypothèses.

L’objectif principal des activités de robotique (en lien avec l’initiation à la programmation), n’est pas tant « d’accumuler des connaissances, mais de développer des capacités » (J. Dewey), de rendre les futurs citoyens autonomes, en développant leur raisonnement et leur créativité afin de résoudre des problèmes de plus en plus complexes en apprenant à collaborer.

La programmation de robots favorise ainsi la pratique des démarches scientifiques et permet des résolutions plus efficaces.

Rapport à l’erreur par l’observation immédiate du rendu + droit à l’erreur et droit de recommencer

Par ailleurs, en simulant des situations réelles et diverses, ce type d’activité amène les élèves à produire une analyse et à émettre des hypothèses avant de prendre une décision. Et parce que ce type de situation permet une validation immédiate, en interprétant le résultat, l’élève comprend l’effet de sa décision. La validation ne vient plus de l’enseignant, mais elle est due à l’exécution des instructions données. Le statut de l’erreur prend alors un sens différent : s’il est possible de se tromper, il est également possible de recommencer autant de fois que nécessaire. Ainsi, la pratique par essais-erreurs contribue à développer l’autonomie et l’inventivité des élèves dans le cadre des démarches d’investigation.

De plus, avec ce genre d’activité, l’élève a le droit et la possibilité de recommencer. La prise de risques est facilitée et cela permet d’essayer et de réessayer jusqu’à la réussite. Cela permet ainsi à l’apprenant de prendre confiance en lui, de faire l’expérience de la réussite et de prendre plaisir à s’engager pour ensuite réinvestir ces compétences transversales dans des activités de classe plus traditionnelles et dans d’autres disciplines. Cela permet également de modifier le statut de l’erreur qui n’est plus ici vécue comme une sanction, mais une étape dans le processus d’apprentissage.

En résumé, les activités autour d’un projet robotique développeront chez l’élève :

• Des compétences transversales

• Des compétences interdisciplinaires

• Des compétences de langage
  Lorsque nous utilisons un langage de programmation pour organiser le déplacement d’un personnage sur ordinateur, d’autres compétences sont mises en œuvre. Entre autres, raisonner, détecter des incohérences dans le langage, ou encore s’assurer que ce dernier est correct d’un point de vue syntaxique. Il s’agit d’une activité de communication au même titre que l’est l’activité de production d’écrit. Dans les deux cas, l’élève a un message à faire passer.

Cela nécessite de pouvoir utiliser un langage précis et argumenté, lié à l’utilisation de divers langages de programmation différents (bloc de programmation, programmation visuelle ou encore programmation textuelle (code).

-* Motivation pour un travail avec une ressource numérique et aspect ludique

L’utilisation de robots offre la possibilité de lier le monde numérique et le monde physique, en testant des programmes sur des objets réels. En outre, l’aspect affectif provoqué par l’objet  robot  est un élément motivant et un atout supplémentaire dans la compréhension lorsqu’il s’agit de valider ou d’invalider des hypothèses (C. Calmet, M.Hirtzig et D. Wilgenbus : 49).
L’intérêt pédagogique de l’enseignement de la robotique en classe est, quant à lui, lié à ce que la robotique offre la possibilité de manipuler un objet physique sur lequel tester des programmes, valider ou au contraire invalider des hypothèses.

-* Motivation par la réalisation concrète d’un défi ou d’un challenge à relever

La programmation et la réalisation attendue induit un aspect "Challenge" individuel pour le groupe et collectif au sein de la classe.

Possibilité de valoriser la réalisation des élèves à travers une présentation numérique (vidéo / site, webradio/webtv) ou lors d’un challenge publique (présence possible des parents, élus, collectivités).

Différents challenges sont ainsi organisés chaque année dans les quatre départements de l’académie. Le site Codéfi recense justement certains d’entre eux en termes de défis à réaliser.

Le Portail Apps Tube permet de retrouver des capsules vidéo des défis : https://tube-numerique-educatif.apps.education.fr/c/codefi/videos
– La mise en œuvre d’un projet codage/robotique facilite le travail inter-degrés.