Langage et Atelier de Robotique LEGO Le Programme par Josep Fargas
Introduction Dans l’introduction de son livre « Mindstorms » Seymour Papert, professeur d’université au Media Lab d’MIT, observe que rarement on accomplit ce que l’on se propose à la première, et que la constante nécessité de modifier ce que l’on fait, ce qu’il appelle « debugging », est l’essence de l’activité intellectuelle. En d’autres mots, la logique de la programmation informatique et son procès de dépuration permettent aux enfants développer des ressources intellectuelles qui seront très utiles dans le futur et dans le monde réel. Dans ce sens, la robotique pédagogique commence à devenir un champ d’exercices très utiles et adéquats pour que les enfants puissent ce développer, expérimenter et partager leurs propres connaissances, d’une façon très active et avec beaucoup de motivation. D’un autre côté, il est bien connu que la logique informatique, les mathématiques et les échecs sont très intimement liés avec les habilités musicales. Donc, l’idée d’offrir un cours de robotique pédagogique conjointement avec un stage de langue et musique est aussi séduisante et naturelle. Les stagiaires pourront développer leur activité intellectuelle et complémenter tous leurs facultés d’apprentissage, utilisant différents langues pour partager leurs connaissances et expériences.
L’objectif Les ateliers de robotique pédagogique LEGO ont toutes les caractéristiques qui les rendent extrêmement attirants dans un large spectre de domaines et sont un excellent outil pour stimuler la passion des enfants pour la science, la technologie, l’ingénierie, les mathématiques, la géométrie, l’informatique (les matières appelées STIM) et beaucoup d’autres domaines rapportés transversalement. Il s’agit d’abord de présenter la technologie aux enfants de forme ludique, apprendre en jouant, mais d’une façon dirigée. Ce fait profite de la motivation personnelle pour réaliser un apprentissage beaucoup plus effectif et d’haut niveau, et la magie de la découverte. Les enfants apprennent à partir de leurs propres erreurs, apprennent à travailler en équipe et, ce qui est plus important, apprennent à partager leurs propres connaissances, mettant en pratique ce qu’on appelle le professionnalisme cordial ou « gracious professionalism ». La réussite de défis courts et petits est cruciale pour que les stagiaires maintiennent le maximum degré d’attention et permet d’ inclure des contenus académiques relatifs au curriculum et spécifiques pour chaque niveau dans l’expérience d’apprentissage. L’exercice de fin de stage, normalement un défi de robotique collaborative, est une très bonne occasion pour développer un projet scientifique en équipe qui profite d’autres matières réglées que l’on peut inclure de formes différentes et avec différentes intensités. Par exemple, les défis de la compétition RoboCup Junior –sauvetage, football et dance–, permettent aux stagiaires travailler d’un façon beaucoup plus professionnelle et réelle suivant des procès de conception qui incluent la génération de diagrammes de flux de données, l’utilisation de systèmes de DAO pour générer différentes alternatives de conception, le développement de prototypes pour réaliser épreuves réelles, former équipes pour négocier des solutions, etc. Cette qualité transversale du projet de fin de stage permet intégrer et rapporter beaucoup de concepts apparemment décousus. Finalement, les stagiaires développent l’habilité d’expliquer leur travail en public, fait qui doit être considère aussi important : être capable de concevoir, construire et programmer un robot autonome pour réaliser différents travaux et défis. L’utilisation de la robotique comme instrument éducatif est un défi qui non seulement enseigne à penser et mettre en pratique les habilités intellectuelles grâce à la conception informatique, mais elle peut aussi s’utiliser pour enseigner matières STIM très spécifiques, physique, chimie, géométrie, mécanismes, circuits électriques, etc., à travers de petites expériences qui permettent aux stagiaires comprendre et intérioriser beaucoup mieux la théorie de forme active. L’utilisation de la robotique pédagogique dans l’éducation réglée, autant pour la compléter comme pour favoriser un modèle éducatif plus actif et dynamique, est probablement le défi plus important.
Le programme Le programme du cours variera en fonction de l’expérience et connaissances des stagiaires. Les stagiaires seront groupés en fonction de leurs connaissances et les classes se feront en trois langues différentes : anglais, français et espagnol. On veut que le cours soit une expérience multiculturelle et linguistique. Le cours utilisera la plateforme de robotique pédagogique LEGO et son langage de programmation graphique, LEGO Mindstorms NXT-G, et un système de DAO 3D, LEGO Digital Designer, pour construire digitalement et essayer la construction des robots. Pour la présentation finale, les stagiaires utiliseront Microsoft Power Point pour concevoir diagrammes de flux de données, expliquer l’histoire de sa solution et de ses alternatives, insérer images et photographies, etc. Le cours fournira aux stagiaires les ordinateurs et le matériel nécessaire. S’ils sont disponibles, on utilisera des écrans digitaux interactifs pour réaliser des classes de « debugging » ou dépuration informatique de logiciels inachevés ou erronés. Le cours d’introduction général, recommandé pour tous les stagiaires, sera composé de six unités didactiques différentes, que pourront durer plus d’une classe, conçues pour enseigner aux stagiaires tous les concepts pour penser, construire et programmer des robots autonomes. Chaque classe du stage comprend trois parties. La première part utilisera images et vidéos pour exposer un thème réel ou un défi réel, la deuxième part expliquera le contenu théorique et la troisième part contiendra des exercices ou défis spécifiques que les stagiaires devront résoudre en groupe. En plus, chaque unité proposera un exercice de difficulté croissante, qui sera toujours le même au long de tout le cours et qui devra être résolu celons les connaissances apprises en chaque unité spécifique. Cet exercice est très intéressant puisqu’il montre aux stagiaires plusieurs façons différentes d’aborder et résoudre le même défi et leur propose une multitude d’idées qui pourront être réutilisées au futur. En même temps, il offre aux stagiaires la possibilité d’approfondir dans des problèmes spécifiques et ses solutions. L’atelier contiendra des classes assistées et des espaces de temps privé pour groupes ou les stagiaires pourront pratiquer, finir les exercices et réaliser leurs propres expériences,mettant en pratique les classes précédentse, pour approfondir dans les concepts théoriques. Pendant les derniers 3-4 jours du cours, tous les stagiaires travailleront en équipes pour participer dans un projet de robotique collaborative et concevoir des robots différents et uniques. La dynamique de ses derniers jours sera assez différente à celle des jours précédents. Les différentes équipes devront travailler et négocier avec les autres équipes pour encadrer et définir leur propre défi, et pour assurer la viabilité de tout le projet. Chaque équipe doit concevoir, construire et programmer son robot, et doit préparer une présentation publique spéciale de son projet. La présentation de chaque équipe doit couvrir tous les aspects de conception et histoire, construction, programmation, négociation entre membres de l’équipe, négociation entre les autres équipes, et stratégie d’organisation et distribution du travail. Ils devront aussi expliquer s’ils ont aidé d’autres équipes et sous quelle forme ils l’ont fait.
Contenu des six unités didactiques du cours d’introduction général La première unité didactique du cours d’introduction à la robotique aide les stagiaires à comprendre ce qu’est un robot et comment il se différencie d’un mécanisme, un automate, un appareil télécommandé ou un ordinateur. Les stagiaires construisent un robot simple avec quatre senseurs (lumière, tact, son et ultrason) qui seront utilisés pendant le cours. Cette construction du robot permet aux stagiaires commencer à reconnaître et à jouer avec toutes les pièces différentes de LEGO, moteurs et senseurs inclus, comment les classifier, leur finalité spécifique. Finalement, les stagiaires obtiennent un résumé du cours et commencent à apprendre l’interface de la programmation. Dans la deuxième unité didactique, les stagiaires commencent à programmer le robot, à partir de la réalisation d’un simple mouvement en avant jusqu’à calculer avec précision le nombre de rotations ou degrés de tour de moteur pour déplacer le robot une distance spécifique ou pour le faire tourner au tour d’un point, en fonction du diamètre de la roue et de la distance entre roues. Dans la troisième unité didactique, les stagiaires apprennent les différents types de senseurs. Le concept de calibration d’un senseur est introduit et ils commencent à écrire des logiciels utilisant les senseurs. Ils commencent à utiliser des structures logiques, comme une « attente », une « boucle » ou une « bifurcation », associées à un senseur, pour faire que le robot prenne des décisions. Ils apprennent aussi à programmer des procès parallèles. Dans la quatrième unité didactique, les stagiaires conçoivent des structures logiques plus avancées utilisant des bifurcations niées et des boucles pour faire que le robot prenne des décisions complexes, comme par exemple considérer une combinaison de senseurs au même temps, ce qui introduit le concept de logique et d’opérations logiques. À la fin de l’unité, les stagiaires construisent son premier algorithme, un suiveur de ligne ou de tracé. La cinquième unité didactique introduit le concept de registre de données avec deux buts différents, en premier lieu, comme une forme de captured’ information de senseurs pendant que dure une expérience, et, en deuxième lieu, une stratégie très utile pour dépurer un logiciel. Les stagiaires apprennent à accéder aux fichiers, à télécharger ces fichiers du robot à l’ordinateur et à l’inverse, à construire manuellement un registre de données, à lire l’information des senseurs en temps réel ou préenregistrées, à interpréter les courbes de données et graphs temporels et le concept d’ « expérience » du logiciel Mindstorms NXT-G. Cette unité est très importante puisqu’elle approfondit dans le fonctionnement de l’algorithme du suiveur de ligne simple, par moyen d’une bifurcation dans une boucle, et utilise le registre de données pour permettre que les stagiaires comprennent totalement et contrôlent la conduite du robot. Dans la dernière et sixième unité didactique, les stagiaires apprennent les concepts de variable, argument, et rang, bifurcations de cas multiples, ou programmes ou blocs d’usagers, calcul numérique et techniques avancées pour contrôler le flux d’un logiciel et pour encapsuler information. Ils apprennent aussi à passer des valeurs de données entre blocs utilisant des câbles d’information entre les concentreurs d’information de chaque bloc, à convertir information et à inter correspondre bifurcations et boucles de manières sophistiquées.
Matériel du cours Pendant le stage les stagiaires travailleront avec un robot simple spécifiquement conçu pour le stage et qui peut se construire avec les pièces du kit basique de LEGO Mindstorms Education. En plus, les stagiaires auront du matériel additionnel de LEGO pour réaliser l’exercice final et des ordinateurs pour programmer leurs robots, préparer leurs présentations, etc. Par contre, pour les stagiaires qui ont déjà son propre matériel, ou part de celui qui va être utilisé, et d’un ordinateur portable, ça serait très recommandé de les apporter au stage pour disposer de plus de matériel et de plus de ressources, spécialement pour réaliser l’exercice final de cours. Prévoir une boite de rangement( !) Pour les stagiaires qui n’ont pas leur propre matériel et qui désirent l’acheter, LMFL peut leur proposer de l’acheter avec le bénéfice d’une réduction non négligeable (nous l’indiquer dès que possible, les achats en gros et en avance, nous permettent d’obtenir des prix vraiment préférentiels) Posséder un kit de LEGO Mindstorms permettra aux stagiaires continuer leur travail dans son projet une fois le stage aura fini. Et de repartir avec leur création ! Description du matériel de base 1- Kit LEGO Mindstorms Education NXT v2.1 (réf.: 9797) Le kit basique contient: - Brique intelligente et câble USB de connexion avec l’ordinateur - 4 senseurs (lumière, son, ultrason et 2 de tact) + câbles - 3 servomoteurs + câbles - 3 lampes + câbles de conversion NXT-RCX - 1 batterie rechargeable 2100 mAh - 437 pièces de LEGO Technic - Boîte en plastique compartimentée 2- Chargeur 10 V DC (réf.: 8887) 3- Logiciel EGO Mindstorms Education NXT-G v2.1 (réf.: 2000080) en diverses langues et compatible avec PC et Mac Description du matériel optionnel de ressources 1- Kit LEGO Mindstorms Education NXT Resource Set (réf.: 9695) Le kit de ressources complémente le kit basique avec 817 pièces variées et l’acheter est très recommandable pour pouvoir construire un plus grand nombre de modèles.
Si vous avez des questions à poser, vous pouvez envoyer un email à Josep Fargas en anglais, espagnol, catalan ou français mailto:fargas@dtec.es