Portrait de Christophe Reverd

Robotique pédagogique

Labo : La classe de demain : enseignants, étudiants et robots

Quelle est la place de la robotique pédagogique au sein de l’éducation ?

Par Christophe Reverd, Le 15 Juin 2016

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À en juger par l’enthousiasme dont témoignent les jeunes Québécois du primaire et du secondaire, leur engouement pour la robotique n’est plus à démontrer. Malgré cela, à leur arrivée au cégep, ils sont peu nombreux à être en mesure de poursuivre l’apprentissage expérientiel par les robots, l'occasion ne leur en étant plus donnée sauf pour quelques exceptions. La Vitrine technologie-éducation a donc décidé de se pencher sur le sujet en présentant un laboratoire sur la robotique pédagogique.

Dispositif du laboratoire

Le laboratoire de la Vitrine technologie-éducation (VTÉ) sur la robotique pédagogique était proposé en collaboration avec Robotique Zone01, la Commission scolaire Marguerite-Bourgeoys, la Faculté des sciences de l'éducation de l'Université Laval, Brault & Bouthillier et Studica. Soixante-dix pédagogues s'étaient inscrits pour entamer une réflexion afin de positionner la robotique pédagogique dans leur établissement. Cette série de trois activités en ligne, réparties de janvier à mars 2016, a permis de porter un regard nouveau sur l’utilisation de la robotique dans le milieu de l'éducation.

À noter que compte tenu de la dépendance de ce laboratoire à l'égard du matériel robotique, ce dernier s'est articulé en deux volets complémentaires :

  • Le premier, ouvert à tous, était composé d'une série d'activités en ligne en mode synchrone appelées étapes.   
  • Le second, offert aux personnes en mesure de se déplacer à Montréal ou à Québec, était constitué d'activités optionnelles proposées sous forme d’ateliers d’introduction à l’univers de la robotique Lego Mindstorms EV3 par Brault et Bouthillier. Ces ateliers se sont déroulés parallèlement aux étapes, les 7 et 15 mars, dans les locaux du distributeur à Montréal, puis le 13 avril à l'Université Laval à Québec. Cette approche visait à favoriser l'expérimentation terrain en vue d'une appropriation pédagogique par les participants.

Qu'est-ce qu'un robot ?

La réponse est loin d'être aussi simple qu'il n'y paraît. En effet, la notion de robot évolue dans le temps. Bon nombre d'entre vous estiment sans doute que tant le robot industriel (celui sur une chaîne de production) que le robot culinaire qui traîne de nos jours sur le comptoir de la cuisine n'ont plus de robot que le nom.

De leur côté, à l'évocation d'un robot-aspirateur, les participants ont soulevé la présence de capteurs et d’autonomie nécessaires pour qu'un équipement soit considéré comme un robot. À ces critères, l'ensemble Lego Mindstorm EV3 revêt l’importance de la programmation. À l’évocation d’une voiture autonome, les participants ont ensuite associé l’idée de confiance et d’intelligence. Par la suite, à la vue d'un ordinateur à carte unique (Raspberry Pi) et d'un microcontrôleur (Arduino), tous les deux entourés de capteurs, les participants ont mentionné qu’il s’agissait seulement de robots en devenir car en pièces détachées et dénués de mouvement. Enfin, le robot Asimo, conçu par Honda, a fait l’unanimité parce qu’il représente ce que l’on évoque par le concept de robot « intelligent ».

C'est alors que la photo d’un ordinateur portable a été présentée afin de semer le doute, avec succès, parmi les participants...

Bien que le robot Asimo et l'ordinateur portable soient tous les deux animés à leur façon par des lignes de code, le manque d’autonomie a clairement éliminé l'ordinateur portable de la catégorie des robots. La question n'a toutefois pas été aussi clairement tranchée pour ce qui est du code, pour ne pas dire de l’intelligence d'un système. Ne parle-t-on pas en effet de plus en plus de l'intelligence dite artificielle ? Dès lors, ne devrait-on pas considérer les programmes comme l’âme des robots ? Sujet à réflexion et prétexte à revoir ce que l’on détermine ou non être un robot !

La table était mise pour aller de l'avant.

Qu'est-ce que la robotique pédagogique ?

Issue des travaux de Seymour Papert, mathématicien, informaticien et éducateur au Massachusetts Institute of Technology (MIT), la robotique pédagogique est un outil de mobilisation et de collaboration qui amène les étudiants à vivre une expérience dans le cadre d'une mise en situation, puis à l'évaluer avant d'en dégager les concepts clés. Elle permet également de briser les silos en favorisant la collaboration entre enseignants de plusieurs départements.

Trois applications pédagogiques de la robotique

Dans le cadre d'un thèse, deux chercheuses (Gaudiello et Zibetti, 2015) ont déterminé trois applications de la robotique dans un contexte éducatif :

1 - L’apprentissage de la robotique

Selon les deux chercheuses, « l’apprentissage de la robotique implique l’utilisation du robot en tant que support pour apprendre la robotique. C’est-à-dire la mécanique, l'électronique et l’informatique à travers des activités pratiques collaboratives. La finalité éducative visée est donc l’acquisition de connaissances et compétences inhérentes à la construction et à la programmation des robots. »

Bien que l’enseignement de la robotique et, par conséquent, l’apprentissage des disciplines connexes n’aient pas été les objetctifs principaux visés par ce laboratoire, celui-ci a toutefois permis de se rendre compte à quel point certains enseignants cherchaient à rompre avec l’enseignement traditionnel de ces disciplines. Il s'agit donc d'une belle occasion de collaboration entre les enseignants comme en témoignent ci-dessous Jean-Labbé (Cégep de Lévis-Lauzon) et Shany Carle (Cégep de Victoriaville).

  • Témoignage de Jean Labbé (Cégep de Lévis-Lauzon)

Jean Labbé est de ceux à avoir intégré des activités de robotique au sein du Cégep de Lévis-Lauzon, dans le cadre d’un cours complémentaire offert par le département de Technologie de l'électronique industrielle. Le but visé du cours, offert depuis 2005 et encore enseigné à un ou deux groupes par session, est d’attirer les étudiants de divers horizons (arts, sciences humaines, etc.). Il fallait que ça soit simple et, de ce fait, les blocs Lego se sont avérés incontournables. 

Curieusement, c’est avec le Département de philosophie que cette initiative a vu le jour. En effets, les questionnements sont nombreux quant à l’avenir de l’homme face aux robots. Il n’y a qu’à lire Hawkins, Gates ou encore Musk pour s’en convaincre. Ravivé par l’émergence de l’intelligence artificielle, le débat est toujours d’actualité. C’est ce qui a d’ailleurs permis de tisser un lien solide entre les deux départements à l’origine du projet. Tout comme c’est maintenant le cas avec le Département de gestion agricole qui utilise maintenant beaucoup de robots en agriculture. À l’origine, il s’agissait d’une initiative de trois enseignants qui ont tout simplement décidé d’aller de l’avant avec cette approche.

Un des problèmes souvent rencontrés au fil des ans est d’assurer la continuité de ces initiatives en trouvant d’autres passionnés !

  • Témoignage de Shany Carle (cégep de victoriaville)

Au Cégep de Victoriaville, la robotique a été intégrée dès le premier cours de programmation en Techniques de l'informatique. La robotique est mise de l’avant pour illustrer un concept de programmation (une boucle, par exemple). Dès lors, les exercices avec les robots captent l’intérêt des étudiants, évitant ainsi l’utilisation souvent rébarbative de lignes de commandes.

Après quelques essais-erreurs, le cours a évolué en favorisant une meilleure intégration des robots dans le cycle de programmation et en permettant, par exemple, l'envoi par les étudiants de leurs scripts dans le robot depuis l’ordinateur afin d'ajouter davantage d'interactivité.

Au fil des ans, le cours s'est développé. Il intègre aujourd'hui des courses de robots, des compétitions d’intelligence artificielle et même des combats de robots lutteurs de sumo avec des arbitres. Certaines années, le département a même réservé le gymnase au complet pour y établir son campement pendant les épreuves avec des combats de drones. Les étudiants peuvent alors démontrer leur maîtrise des scripts qu'ils élaborent à cette occasion. À la fin du cours, les étudiants donnent l’impression d’avoir dompté la bête (Lego NXT). Selon l'enseignant, il est maintenant temps pour eux de passer à des jouets de grands.

De son côté, le Massachusetts Institute of Technology (MIT) les utilise comme outils de prototypage rapide. Il faut comprendre que pour certains cégépiens qui ont déjà programmé avec l’interface visuelle au primaire et au secondaire, les briques Lego restent des jeux d’enfants parce qu’ils les associent aux robots qu’ils faisaient lorsqu’ils étaient plus jeunes.

Toutefois, quand on lui demande si les compétitions ont permis d’entamer une collaboration avec d’autres départements, l'enseignant répond par la négative. Le cégep est petit, et le département de Technologie de l'électronique industrielle est dans un pavillon à part.

2 - L'apprentissage par la robotique

Selon les deux chercheuses citées précédemment, « l’apprentissage par la robotique implique l’usage de kits robotiques de construction et de programmation. La finalité éducative est l’acquisition de connaissances et compétences liées à une matière scolaire précise – mathématiques, sciences, technologie. Mais sa finalité éducative réside aussi dans l’acquisition de compétences transversales (résoudre des problèmes, communiquer, prendre des initiatives, etc.) et dans le développement des facultés cognitives, métacognitives et sociales des élèves à travers l’autocorrection, la planification, l’esprit critique, le travail collaboratif, la confiance en soi, etc. ».

Il s'agit cette fois d'occasions de collaboration entre les étudiants, comme en témoignent ci-dessous Yannick Dupont et Dominic Bruneau (Robotique Zone 01), puis Margarida Romero (Université Laval).

  • Témoignages de Yannick Dupont et de Dominic Bruneau (Robotique Zone01)

Robotique Zone01 a été créée il y a neuf ans par une poignée de passionnés qui lançaient des défis pour concrétiser des concepts pédagogiques auprès des jeunes. Plus précisément, la mission de Robotique Zone01 est d'exploiter la robotique pédagogique comme objet d’apprentissage avec l'espoir qu’un jour viendra où la robotique sera un sujet obligatoire ou, encore, un sujet en soi dans les écoles.

Depuis maintenant quatre ans, un comité pédagogique a été mis sur pied, composé de conseillers pédagogiques, d’enseignants et de parents. Les uns et les autres s'impliquent pour élaborer des mises en situation liées à une thématique qui est elle-même associée à un concept du programme d’éducation québécois. Les défis représentent pour les enseignants du Québec des occasions d'intégrer la robotique pédagogique en classe.

Le processus créatif continue d'évoluer dans le temps. Actuellement, la robotique pédagogique est utilisée comme un outil, à l'image d'un ordinateur ou d'un iPad, ou de toute autre technique pédagogique. C’est ce qui conduit Robotique Zone01 à réunir des milliers de jeunes au sein d’un réseau d’évènements au Québec et en Ontario. Ces activités permettent de développer des compétences de collaboration, de résolution de problèmes et de communication qui sont appréciées sur le marché du travail, probablement plus encore que de savoir programmer.

Au fil des ans, trois modes d'utilisation de la robotique menant à des développements de compétences ont été ciblés. Pour Yannick Dupont, la robotique peut être :

  1. Un outil d'investigation scientifique pour explorer des phénomènes naturels, observables, ressentis par des capteurs, etc.
  2. Un outil de modélisation pour expliquer un phénomène.
  3. Un outil d'ingénierie par la conception d'une solution à un problème.

Dans ces trois modes, le concept de travail en équipe et d'accompagnement par les pairs est essentiel afin de permettre aux étudiants d'aller plus loin avec l'aide des enseignants. Il s'agit de valoriser tant le processus de réflexion que les résultats.

Avec autant d'avantages, il est naturel de se demander pourquoi ce ce type d'enseignement et d'apprentissage ne se généralise pas plus au secondaire et au collégial. Selon Yannick Dupont, la popularité de la robotique au primaire découle sans doute de la motivation des élèves. Il suffit de voir les jeunes pour constater leur extrême intérêt pour cet univers.

L'intérêt se développe maintenant au secondaire. Pour ce qui est du collégial, il y a des défis lors de la mise en place d'un projet de robotique, quant à l'organisation du travail et au format des cours. En effet, il n'est pas toujours évident de laisser tout le temps nécessaire aux étudiants pour réfléchir, essayer et faire des erreurs, et ce, dans le cadre d'une journée morcelée par des cours dans différentes matières et dont la durée et le format traditionnel ne permettent pas autant d'initiatives de ce genre. C'est pourquoi trois façons d'implanter la robotique sont rencontrées sur le terrain :

  1. Activités midi (ateliers, conférences, etc.).
  2. Activités parascolaires (club de robotique et autres espaces créatifs ou Fab Lab, par exemple).
  3. Activités intégrées dans des cours de sciences (cercles, distances, circonférences ou équations différentielles) permettant aux enseignants de passer moins de temps dans la théorie. Ici, l'utilisation de l'apprentissage actif est un complément idéal qui change la dynamique de classe.

Comme dans l'exemple du cours optionnel, officiel et crédité, ouvert à n'importe quel profil d'étudiants (électronique industriel, gestion agricole, arts, informatique, etc.) mentionné par Jean Labbé (Cégep Lévis Lauzon), l'implantation, puis le maintien de telles activités nécessitent des personnes-ressources engagées. Elles en font la promotion et ouvrent les esprits sur le fait qu'il s'agit de plus qu'un jouet et que cette technologie a sa place dans un cégep. Ce sont encore elles qui trouvent le moyen d'intégrer de nouvelles activités et plateformes dans des agendas parfois déjà surchargés, et ce, sans beaucoup de ressources financières à leur disposition.

  • Témoignage de Margarida Romero (Université Laval)

De son côté, Margarida Romero travaille en amont auprès des enseignants en devenir, soit les étudiants au baccalauréat d’enseignement. Pour ces étudiants, la classe du futur n’est pas si loin. Il est donc important qu’ils puissent développer un intérêt pour la robotique pédagogique orientée vers les compétences du 21e siècle, et pas seulement en mode procédural. À noter que certaines de ces compétences sont intégrées au référentiel de la profession enseignante de l’UNESCO ainsi que dans celui du PISA (2015, document en anglais).

Pour Margarida Romero, la créativité collaborative est un mot d’ordre ! Comme le rapportait Yannick Dupont, la place de l’équipe y est prépondérante comme unité d’apprentissage. Elle permet de résoudre des défis de façon créative et de mieux faire face à la complexite et aux problèmes du réel. Les étudiants essaient de les résoudre avec des artefacts à la fois technologiques et physiques sans oublier les aspects liés à la pensée informatique. Dans ce cadre, les outils comme les robots sont des outils de modélisation des connaissances comme les considère le MIT lors de ses prototypages rapides à partir de Lego, par exemple. C’est ainsi que l’informatique créative va bien au-delà de ceux qui veulent devenir ingénieurs (génie) ou ingénieurs en robotique. C’est ce qui va permettre aux étudiants de développer une approche plus critique du monde numérique tout en leur permettant de s'approprier le fonctionnement de la technologie.

Bon nombre d'étudiants de la Faculté des sciences de l'éducation de l'Université Laval sont en amour avec la robotique. Il est d'ailleurs facile de constater le transfert sur le terrain des notions apprises en classe. De plus, de nombreux problèmes techniques se transforment en occasions d’apprentissage : Deux robots censés communiquer.. en théorie, deux robots qui ne fonctionnent pas de la même façon alors qu'ils disposent du même code, etc. L'analyse de ces problèmes techniques est encore plus intéressante que les défis eux-mêmes. Il arrive même de faire du recyclage de problèmes afin d’apprendre.

Rosace des compétences du 21e siècle selon M. Romero

Selon Margarida Romero, la compréhension de la pensée informatique nécessite un cheminement :

  • Volet appropriation

« Nous commençons par jouer avec l’idée d’un robot sans aucune technologie. Nous jouons donc des jeux de rôles entre étudiants en nous demandant :"Qu'est-ce qu'un robot ?" 

Germe alors l'idée d’une autonomie limitée, du besoin d’un programme, etc. Un étudiant donne alors des instructions au "robot" afin de lui faire réaliser des figures planes. Nous parlons ici de programmation humaine. Par la suite, nous intègrons une interface graphique, comme le logiciel Scratch ou Scratch Junior, selon le niveau auquel nous souhaitons nous placer avec les futurs enseignants. Puis nous intègrons de petits robots simples (Bee Bot), puis des robots plus complexes comme les Lego NXT».

  • Volet créatif

En équipe, chaque étudiant doit ensuite créer une minisituation d’apprentissage et d’évaluation (SAE) au sein de laquelle il faut intégrer un minimum de trois disciplines variées pour éviter de tomber exclusivement dans les sciences, les mathématiques et les technologies. C’est ainsi que certains étudiants ont créé des univers sociaux en contextualisant leur robot face à l’arrivée du bateau de Jacques Cartier à Québec en liant leur univers social avec les langues par l’enregistrement et l’affichage de mots, par exemple. Cette façon de procéder contraint les étudiants à effectuer les liens nécessaires entre les outils et les objectifs des programmes, et tout ça, sans oublier les compétences.

3 - L'apprentissage avec la robotique

Selon les deux chercheuses ((Gaudiello et Zibetti), « l’apprentissage avec la robotique repose sur l’interaction entre les jeunes apprenants et un robot humanoïde ou animoïde qui recouvre le rôle de compagnon pour les apprenants ou d’assistant pour l’enseignant. La finalité éducative vise à provoquer des réactions empathiques et à créer des interactions cognitives et sociales ».

  • Témoignages de Sébastien Trempe et de Marijo Émond (Commission scolaire Marguerite-Bourgeoys)

L'utilisation se fait avec des élèves souffrant de troubles dans le spectre de l'autisme (TSA) pour favoriser la reconnaissance des émotions et pour aider l'élève à entrer en relation avec le robot, perçu comme moins menaçant. La grande diversité des capteurs présents sur les modèles de dernière génération, la tête et la présence des grands yeux ronds, le rendent très humain. Encore faut-il gérer l'acceptabilité par les vrais humains ! Avec les robots, il faut procéder par petits pas.

À l'image des initiatives mentionnées par le Cégep de Thetford, la Commission scolaire aimerait également proposer des activités de sensibilisation à la programmation du NAO, idéalement au profit d'autres classes.

  • Expérimentations sur le concept de téléprésence

Dans le cadre des activités menées en parallèle à ce laboratoire, la Vitrine technologie-éducation (VTÉ), située au Collège de Bois-de-Boulogne (BdeB), s'est livrée à des expérimentations sur le concept de téléprésence avec un robot téléguidé (VGO) au sein du réseau collégial, avec la complicité du Service des ressources informatiques de la Commission scolaire Marguerite-Bourgeoys. Devrait-on parler de robot ? Sébastien Trempe précise que mis à part des capteurs lui évitant de tomber dans les escaliers, le robot VGO ne dispose d'aucune autonomie. Ce type de dispositif ressemble davantage à une tablette munie d'un logiciel de webconférence sur roulettes. Pour la Commission scolaire Marguerite-Bougeoys, cet appareil ouvre de nombreuses possibilités hors volet médical, par exemple, des volets collaboratifs, immersifs ou de « conseil » dans le cadre d'échanges culturels, du passage du primaire au secondaire, de visites d'installations professionnelles de la Commission scolaire ou encore de cybermentorat. Ces expérimentations seront explorées à l'automne 2016.

Première expérimentation de la VTÉ aux journées des répondantes et des répondants TIC (REPTIC)
« Être ou ne pas être », telle est la question que cinq conseillers pédagogiques de la communauté des REPTIC ne se sont pas vraiment posée lors de leur participation aux rencontres du Réseau qui se sont déroulées du 14 au 16 octobre 2015. Même si celles-ci avaient lieu au Cégep de Sainte-Foy, les cinq volontaires y ont participé par l'entremise d'un robot de téléprésence téléguidé, qu’ils ont contrôlé à distance depuis leurs bureaux respectifs. La question qui les a sans doute le plus déroutés s'est présentée au moment de s'inscrire aux activités annoncées, soit en présence ou à distance. Plusieurs ont alors été tentés de s'inscrire aux seules activités proposées à distance, mais ils ont vité réalisé qu'ils pourraient assister en présence à toutes les rencontres. Comment ? En se déplaçant à l'aide du robot dans les couloirs de l'établissement... à la condition toutefois que l'infrastructure WIFI le leur permette. Bref, bien qu'à distance depuis leur bureau, ils n'étaient pas cantonnés aux seules activités proposées en mode Web !

Seconde expérimentation de la VTÉ au Collège de Bois-de-Boulogne
À l'instar de l'expérience précédemment menée par la Commission scolaire Marguerite-Bourgeoys, illustrée dans l'article Un robot pour aider Nadine à suivre ses cours et la vidéo (Radio-Canada, 2015), la VTÉ et BdeB ont décidé d'expérimenter, les 3 et 4 décembre 2015, l'utilisation de ce robot avec Léanne, une étudiante du Collège qui ne peut assister à tous ses cours en raison de sa condition médicale. De son côté, Léanne a décidé de créer une page Facebook sur laquelle elle s'est exprimée quant à son expérience. Vous pouvez lire l'article à ce sujet de Véronique Seguin, la conseillère qui a encadré l'étudiante dans cette expérimentation.

  • Témoignages de Noémie ROCHETTE et Éric Cloutier (Cégep de Thetford)

Après avoir découvert le Lego Mindstorm EV3 à titre personnel, Éric Cloutier a eu la chance de découvrir le robot NAO dont dispose le Département d’informatique du Cégep de Thetford, à l'occasion d'une activité organisée par la Vitrine technologie-éducation pour le Réseau des répondantes et des répondants TIC (REPTIC) du réseau collégial. Ce robot humanoide lui a semblé un excellent moyen d'intégrer la technologie aux siences humaines. Dans un premier temps, Éric Cloutier a songé à faire collaborer les étudiants d'informatique à ceux d'éducation spécialisée, un des domaines de prédilection de ce robot puisque les jeunes autistes sont bien plus à l'aise devant un NAO que devant un être humain.

Cette idée ne s'est pas encore matérialisée. Entre-temps, le Cégep de Thetford a répondu à l'appel de Espace Entrepreneuriat Région Thetford (E2RT), l'incubateur d'entreprises de la région qui souhaite favoriser l'entrepreneuriat et les technologies chez les jeunes. C'est donc sous la forme d'un projet en collaboration avec l'incubateur d'entreprises et la Commission scolaire des Appalaches que le robot a été mis en oeuvre par le Cégep. Le choix s’est porté sur la robotique pour montrer aux soixante-dix jeunes du secondaire comment programmer de petits robots S2 (Parallax). Le projet a vu le jour dans le cadre d’ateliers, idéalement alignés avec l’approche orientante de la Commission scolaire, à l'issue desquels les jeunes étaient invités à appliquer les notions apprises à cette occasion lors d'une compétition.

Pour le Cégep de Thetford, le robot est un outil d'expérimentation et de communication sur la programmation, la robotique ainsi que de présentation de l'institution. Noémie Rochette précise que le collège organise des activités destinées aux classes du secondaire, qui correspondent aux deux premières semaines de cours de l'ordre d'enseignement collégial et où le travail en équipe et la résolution de problème sont favorisés.

Ce témoignage à permis à Yvan Côté, un intervenant de la Commission scolaire des Patriotes, de rappeler que quarante des soixante-cinq écoles de cette commission scolaire disposent d'ensembles de robotique, utilisés sur une base régulière.

Références :

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