Pensée computationnelle et making

Pensée computationnelle et making

Daniel K. Schneider & LYDIE BOUFFLERS

TECFA, Faculté de Psychologie et des Sciences de l'Education, Université de Genève, Suisse

Résumé

Cet article résume une conférence invitée sur le potentiel de la conception et de la fabrication numériques (mieux connues sous le nom de "making") pour enseigner et apprendre certains aspects de la pensée informatique, c'est-à-dire à la fois des compétences de haut niveau en matière de résolution de problèmes et des compétences techniques utiles dans le domaine des technologies de l'information et de la communication (TIC). Nous discutons d'abord des utilisations de la fabrication dans l'éducation, puis nous examinons comment la fabrication pourrait être utilisée comme un moyen d'enseigner la pensée informatique et les compétences connexes. En créant des artefacts avec des outils de fabrication, les apprenants peuvent acquérir un certain nombre de compétences informatiques, en particulier l'administration du système, les principes et techniques de dessin technique et les principes de base de la programmation. En outre, les activités de fabrication informatique peuvent permettre d'enseigner et d'apprendre certains principes de plus haut niveau, tels que la décomposition de problèmes et la modularisation. Enfin, les enseignants peuvent créer des outils d'apprentissage à l'aide de technologies telles que l'impression 3D et la découpe laser.

Mots clés : pensée informatique, fabrication, constructionnisme, conception et fabrication numériques.

Fabrication dans l'éducation

Au cours de la dernière décennie, le "making" - l'engagement dans la conception et la production numériques d'artefacts - est devenu un phénomène social. Les ateliers de fabrication numérique tels que les "FabLabs", les "hackerspaces" ou les "makerspaces" permettent de créer toutes sortes d'objets physiques avec des machines commandées par ordinateur, telles que des imprimantes 3D, des découpeurs laser ou des machines à broder numériques [7]. Bien que la conception et la fabrication assistées par ordinateur (CAO/FAO) soient plus anciennes, la disponibilité de machines peu coûteuses, en particulier les imprimantes 3D, touche désormais d'autres domaines, notamment l'artisanat, les sciences sociales et l'éducation. Les "fabricants" sont "[...] le nombre croissant de personnes qui participent à la production créative d'objets dans leur vie quotidienne et qui trouvent des forums physiques et numériques pour partager leurs procédés et leurs produits avec d'autres".

L'existence de lieux et de pratiques qui favorisent les activités authentiques et créatives peut donner un nouvel élan à des pédagogies actives difficiles à mettre en œuvre dans le système actuel. Grâce à la conception et à la fabrication numériques, on est confronté à des défis qui exigent à la fois de la créativité et des compétences techniques et on apprend à résoudre des problèmes pour lesquels il n'existe pas de réponse unique dans un environnement qui encourage l'autorégulation et l'auto-efficacité .

La fabrication est à la fois un moyen d'apprendre et un moyen de créer des outils pour l'action humaine. En bref, "faire" peut apporter trois éléments à l'enseignement et à la recherche : (i) il permet d'enseigner des compétences non techniques transversales telles que la conception, la planification, la coopération et l'autorégulation, qui sont essentielles pour les performances futures de l'économie. (ii) le fait que les apprenants créent des objets permet d'enseigner diverses matières de manière plus concrète et plus authentique, en particulier les STEM (sciences, technologies, ingénierie, génie et mathématiques) comme la programmation, le dessin vectoriel, le calcul, les questions environnementales et, (iii) la "fabrication" permet aux enseignants de créer ou d'adapter des artefacts tels que des matérialisations, des outils de mesure, des jeux éducatifs, des outils de gestion de groupes et de projets.

Les éducateurs qui introduisent le "making" dans leurs classes font le lien avec le constructivisme de Papert et ses précurseurs . Certains font référence à des éducateurs libertaires tels que Freire ou Freinet. En 2013, les premiers manuels de "fabrication" sont apparus . La conception et la fabrication numériques dans l'éducation mettent principalement les apprenants dans le rôle de concepteurs . La fabrication pédagogique est parfois associée à la robotique éducative. Les deux sont liés, mais différents. La "fabrication" ajoute une dimension d'authenticité, c'est-à-dire que les apprenants peuvent produire des objets qui peuvent être réutilisés, tandis que les robots programmés restent dans leur "micro-monde".

Les technologies de "fabrication" ont été principalement présentées et étudiées en tant que support d'activités d'apprentissage ou en tant que matière à enseigner, mais pas en tant que moyen pour les enseignants de créer des objets tangibles pour l'apprentissage. Les outils physiques créés par les enseignants ont un double intérêt. Les outils physiques créés par les enseignants ont un double intérêt. Tout d'abord, ils peuvent motiver les enseignants à apprendre à "fabriquer" la technologie afin qu'ils puissent l'enseigner à leur tour. Deuxièmement, ils permettent de créer des outils physiques d'enseignement sur mesure, par exemple un puzzle d'apprentissage de la forme d'une lettre. L'intérêt pour les outils créés par les enseignants est rare, bien que les outils aient un rôle central dans la pédagogie. Un outil médiatise une activité et lui donne une certaine forme. Mais ce même outil représente aussi cette activité, la matérialise. En d'autres termes, les activités ne sont plus seulement présentes dans leur exécution ; elles existent en quelque sorte indépendamment de celle-ci dans les outils qui les représentent et incarnent donc un sens .

Les objets d'éducation physique ont une longue histoire dans l'éducation et Zuckerman identifie trois variantes et utilisations de ces "manipulables: (i) construction et conception dans la tradition Fröbel, (ii) manipulation conceptuelle similaire aux idées de Montessori, et (iii) jeu de rôle sur la réalité basé sur le postulat éducatif de Dewey). À la classification de Zuckerman, nous ajoutons la physicalisation, c'est-à-dire la visualisation physique. Nous postulons que la conception et la fabrication numériques permettent aux enseignants de créer des outils pédagogiques physiques intéressants, contribuant parfois à une transformation de leur pratique.

Cela nous permet de présenter deux modèles. La figure 1 identifie trois utilisations différentes de la "fabrication" dans l'éducation : (i) les enseignants peuvent créer des modèles qui démontrent un principe, (ii) les apprenants peuvent créer des objets et apprendre quelque chose au cours du processus et, (iii) les deux peuvent créer des objets manipulables pour améliorer une activité d'apprentissage.

La figure 2 représente la même idée mais identifie différents flux de travail et certains résultats. Elle introduit également l'idée que la "fabrication" peut s'appuyer sur d'autres objets, par exemple des Lego ou des tableaux électroniques. Enfin, cette contribution se concentre sur la "fabrication" et la pensée informatique et nous posons les questions exploratoires suivantes : Les technologies de fabrication peuvent-elles être appropriées pour créer des outils pédagogiques intéressants pour enseigner la pensée informatique ? La "fabrication" motive-t-elle l'apprentissage de diverses compétences informatiques et cet apprentissage est-il efficace et efficient ? Quelles sont les difficultés et les contraintes ? La "fabrication" comporte-t-elle des dimensions transformatrices ?

Pensée informatique (computational thinking)

Nous définissons la pensée informatique comme un ensemble d'aptitudes, de compétences et de procédures qui facilitent la résolution de problèmes sur la base de principes tirés de l'informatique . Elle fait partie de la culture numérique et appartient donc aux compétences clés du XXIe siècle qui comprennent également la créativité, la collaboration, la résolution de problèmes et la pensée critique.

La pensée informatique est souvent associée à ce que l'on appelle la pensée de conception (voir figure 3), une variante moderne de la conception centrée sur l'utilisateur, qui se concentre davantage sur les aspects créatifs du processus itératif de conception et de développement. La réflexion sur la conception met fortement l'accent sur l'interaction avec les utilisateurs dans un contexte authentique et sur l'engagement dans des cycles de conception collaborative.

La création est par définition une activité de design et peut permettre de développer des compétences transférables telles que les compétences du XXIe siècle identifiées ci-dessus. Introduisons maintenant la fabrication par ordinateur, c'est-à-dire la conception d'objets par la programmation.

La fabrication par ordinateur est essentiellement une conception par ordinateur, c'est-à-dire la combinaison de la pensée informatique et de la conception numérique. Jacobs et Buechley définissent la conception informatique comme l'utilisation de la programmation pour créer et modifier la forme, la structure et l'ornementation et identifient plusieurs propriétés intéressantes. Elle permet d'atteindre des niveaux de précision élevés, d'automatiser les tâches répétitives, d'ajuster des valeurs tout en conservant les contraintes du modèle original (paramétrage). Enfin, il convient de souligner que les algorithmes produisent des conceptions uniques et inattendues.

Examinons maintenant les aspects techniques de la pensée informatique, c'est-à-dire la programmation. Plusieurs approches existent pour enseigner les bases de la programmation et des algorithmes . Nous pouvons d'abord distinguer les environnements de programmation pour les novices que Guzdial classe en trois familles : les micro-mondes exploratoires (langage de programmation Logo et ses descendants), les systèmes à base de règles et les environnements de support pour les langages traditionnels. Tous ces environnements peuvent être combinés avec la fabrication, c'est-à-dire pour programmer des objets manufacturés.

Fabrication d'outils computationnels pour l'éducation

Les enseignants peuvent créer une variété d'outils pédagogiques grâce à la fabrication, ce qui présente un double avantage : (i) les apprenants peuvent profiter des moyens financiers pour créer des outils tangibles et, (ii) les enseignants maîtrisent la conception numérique et la technologie de fabrication et sont capables d'engager leurs élèves dans des activités de "fabrication".

Par exemple, il existe des jeux et autres artefacts qui visent à enseigner les principes de l'informatique sans utiliser l'ordinateur. Présentons un exemple co-conçu par un co-auteur : Le kit "Programming Boty", un jeu de société, vise à fournir une introduction à la programmation et aux algorithmes pour les enfants de l'école primaire, et plus généralement pour les novices en informatique

Ce design open source réalisé avec un laser cutter s'inspire de la pédagogie Montessori qui stipule que la manipulation d'objets physiques favorise l'appropriation de concepts abstraits.

D'autres exemples peuvent être trouvés dans le projet "Computer Science Unplugged" . Les artefacts physiques, non interactifs pour l'enseignement de la programmation, sont utiles pour enseigner les concepts essentiels et peuvent être rapidement déployés dans une salle de classe. Enfin, ils sont très abordables pour l'apprentissage collaboratif supervisé.

Le making pour apprendre des compétences en TIC

Dessin technique

Le dessin technique est nécessaire à de nombreuses fins, par exemple la conception et la fabrication numériques, les animations multimédia, les illustrations, l'ingénierie et l'architecture, et la communication. La maîtrise de logiciels de dessin général comme Inkscape ou Illustrator, de programmes de CAO ou même de modules de traitement de texte exige un effort que de nombreux utilisateurs ne veulent pas faire. La création d'objets utilisables en 2D ou 3D peut être motivante et encourager les gens à s'engager dans l'apprentissage du dessin technique. Les dessins de broderie et de découpe laser peuvent être réalisés avec des logiciels de dessin général et les compétences acquises peuvent être utilisées dans d'autres contextes. Notre propre expérience en tant qu'enseignants montre qu'il existe une motivation accrue pour apprendre des fonctionnalités avancées, en particulier dans le domaine de la conception de broderies informatiques, et donc un effet d'apprentissage. Cependant, nous n'avons trouvé aucun soutien dans la littérature.

Conception et programmation informatiques

Il existe un certain nombre d'environnements de programmation permettant de créer des objets physiques ou de programmer diverses cartes électroniques. En ce qui concerne l'utilisation plus populaire de la robotique et des micro-mondes dans l'éducation, la programmation d'objets manufacturables peut ajouter une motivation supplémentaire, puisque les apprenants créeront un objet qu'ils pourront posséder. Toutes les formes ne peuvent pas être programmées facilement. Toutefois, une série d'objets, tels que les compagnons Lego ou les motifs de broderie à base de motifs, peuvent être programmés avec une relative facilité. Le tableau 1 énumère quelques environnements disponibles. Tous ont été explicitement conçus pour la fabrication par ordinateur, c'est-à-dire qu'ils comprennent des fonctionnalités permettant de créer des motifs pouvant être fabriqués avec une ou plusieurs machines de fabrication, par exemple une imprimante 3D, un découpeur laser ou une machine à broder.

'Table 1: Some programming languages for makers

Name	Domain	Type	Pages EduTechWiki
BlockSCAD https://www.blockscad3d.com/	3D printing	Visual block language	BlocksCAD
OpenSCAD https://www.openscad.org/	3D printing	Functional scripting language	Tutoriel OpenSCAD
MadeUp https://madeup.xyz/	3D printing	Turtle language
BeetleBlocks http://beetleblocks.com	3D printing and other 3D objects	Visual block turtle language
PEembroider https://github.com/CreativeInquiry/PEmbroider	Embroidery	Scripting language (Processing)	PEmbroider
TurtleStitch https://www.turtlestitch.org/	Embroidery (laser cutting)	Visual block language	TurtleStitch
MakeCode http://makecode.org	Electronics	Visual block language	MakeCode
Twoville https://twodee.org/twoville/	2D SVG (laser cutting)	Logo-like programming language
Sverchok http://nikitron.cc.ua/sverchok_en.html	2D / 3D mathematical modeling	Node language
Tinkercad Codeblocks https://www.tinkercad.com/	3D printing	Visual block language	Tinkercad

Chytas a trouvé que l'interface de programmation par blocs de BlocksCAD semblait plus attrayante pour les participants ayant peu ou pas d'expérience approfondie. Les participants ayant une expérience de la programmation ont trouvé l'interface très simple au début. La démonstration de projets plus sophistiqués avec le même outil de conception paramétrique et l'introduction d'une utilisation plus complexe des commandes ont créé une expérience plus stimulante qui a répondu à leurs besoins éducatifs. Les participants ayant une connaissance approfondie de la programmation et des attentes plus élevées, ont davantage apprécié de travailler avec OpenSCAD et n'ont pas été frustrés par l'interface de l'éditeur de texte". Dans notre propre enseignement, nous avons fait le même constat.

Une rapide revue de la littérature d'environ 50 publications révèle que la plupart des recherches se sont concentrées sur l'analyse de ce que nous pourrions appeler des expériences de conception. Un certain nombre d'observations intéressantes ont été faites et nous allons en citer quelques-unes :

Les sentiments d'engagement et d'autonomisation suscités par ces expériences indiquent que les outils de conception informatique pour les novices pourraient constituer un moyen puissant de modifier positivement la compréhension des gens quant à la pertinence et aux applications de la programmation, tout en favorisant l'alphabétisation technologique et esthétique dans le processus. La création d'artefacts informatiques comme moyen d'expression pourrait être un moyen passionnant de développer la culture informatique. En plus du constructionnisme, l'interaction entre le corps et l'esprit, la créativité et la technologie, le soi et l'environnement, c'est-à-dire Les données montrent que la réalisation de projets dans le cadre de notre programme d'études structuré a un impact sur l'auto-efficacité technologique des constructeurs, ce qui accroît le confort, le plaisir et l'intérêt des élèves pour la programmation et l'électronique" (18). Une école peut acheter une imprimante 3D à des fins éducatives, mais ses élèves-maîtres impriment les modèles d'autres personnes sans apprendre à réaliser les leurs. Pour éviter ce genre de situation, les éducateurs doivent capitaliser sur le mouvement des fabricants de manière à faciliter ce que nous appelons la fabrication informatique, qui implique à la fois une cognition significative et la fabrication d'artefacts. .

De ces citations, nous pouvons extraire quatre dimensions principales : Le calcul augmente la motivation à s'engager et, par conséquent, l'efficacité personnelle. D'un point de vue plus pragmatique, la fabrication par ordinateur est un bon moyen d'utiliser l'équipement de making-room. Enfin, la fabrication engage les apprenants dans une expérience holistique qui développe un apprentissage profond et ancré.

Enseignement de la fabrication numérique aux étudiants en technologie éducative et aux enseignants en activité

En l'absence de recherches généralisables sur l'utilisation de la "fabrication" comme moyen d'apprentissage de la pensée informatique, nous ferons également état de certaines de nos propres expériences. Depuis près de 7 ans, nous enseignons le "making" aux étudiants en technologie de l'éducation. Tous les cours proposés entre 2015 et 2019 comprenaient les éléments suivants : (i) introduction à la technologie par une activité de réveil avec un thème commun, comme la conception de compagnons de jeu pour envoyer un message à un enseignant, (ii) définition et mise en œuvre d'un projet de conception individuellement ou en petits groupes, y compris une documentation partagée, (iii) participation à une documentation commune des technologies et des concepts (iv) participation à un événement hors de la classe. Après une première expérience axée sur la technologie, nous avons décidé de nous concentrer sur un sujet spécifique chaque année. En 2015, "kits de construction" avec impression 3D ; en 2016, "outils pour activités de groupe" avec découpe laser ; en 2017, "broderie pour le changement", en 2018, "physicalisations" avec toutes les technologies ci-dessus et en 2019 "communiquer à travers des vêtements" avec des cartes électroniques .

À l'automne 2018, nous avons créé un cours pour les enseignants en service intitulé "Concevez vos outils pédagogiques en 2D : introduction à la découpe laser" et il a été reconduit au printemps 2019. Les résultats montrent que les enseignants sont capables de créer des outils pédagogiques intéressants dans le cadre d'un cours de courte durée . Les projets réalisés par les enseignants peuvent être consultés en ligne .

Observations : Les activités de lancement ont révélé plusieurs difficultés techniques : les premiers objets en 3D étaient difficiles à imprimer. L'adaptation et la fusion des modèles 3D ont été plus difficiles que prévu. La manipulation de l'imprimante 3D a été problématique. La conception en 2D pour la découpe laser et la broderie était plus facile en soi, mais les spécificités à observer pour la gravure, la découpe ou la broderie ont posé des problèmes. L'utilisation de la découpe laser ou de la machine à broder était relativement facile. Dans l'ensemble, nous avons observé que la technologie de "fabrication" nécessite soit une formation initiale spécialisée suivie d'un encadrement, soit des praticiens très réfléchis. Nous avons également observé que certains participants sont réticents à écrire pendant une tâche de conception ou de fabrication et que le partage systématique qui inclut l'écriture nécessite un encadrement . La plupart des objets créés par les participants, qu'il s'agisse d'étudiants en master ou d'enseignants en service, appartiennent à l'une des trois catégories suivantes : (i) les projets innovants à bon potentiel, (ii) les objets classiques "sûrs" et utiles (par exemple, les puzzles et les maquettes) et (iv) certains autres, par exemple, les jeux.

Discussion : Nous corroborons que la fabrication numérique, malgré les défis technologiques, permet de créer des objets intéressants, utiles et utilisables pour les autres. Certains objets ainsi que les rapports qui peuvent être consultés en ligne montrent que la conception d'outils physiques a amené les participants à penser différemment à une activité pédagogique et il est donc possible de formuler l'hypothèse que la fabrication numérique, en particulier la technologie de découpe laser, a le potentiel d'aider à transformer les pédagogies, y compris les sujets informatiques. Les participants rencontrent effectivement des difficultés techniques, mais elles pourraient être surmontées grâce à l'aide des pairs et au tutorat individuel. Nous n'avons pas suffisamment de données d'observation pour confirmer les effets de transformation.

Conclusion

La conception et la fabrication numériques ont le potentiel d'améliorer les pédagogies - y compris la pensée informatique - grâce à une authenticité, une saisissabilité, une auto-efficacité et une structure (améliorées). Nous concluons en formulant une hypothèse de travail qui devrait être explorée dans le cadre de recherches futures:# Les environnements de fabrication informatique permettent d'enseigner les composantes clés de la pensée informatique

1. Les frais généraux de la "fabrication" sont contrebalancés par d'autres avantages, notamment la motivation et l'efficacité personnelle.
2. Le "making" favorise l'intégration des connaissances et l'authenticité
3. La fabrication pourrait développer les compétences humaines du 21e siècle comme la réflexion sur le design, la collaboration, la créativité et le partage
4. La fabrication numérique permet aux enseignants de créer des objets utiles (efficaces) et utilisables.
5. La conception d'outils physiques amène les enseignants à penser les activités éducatives d'une manière différente.
6. La fabrication numérique peut attirer différentes populations vers les TIC.

Remerciements

Nous tenons à remercier les organisateurs de la conférence Connecting Technologies and Didactics - The IDEA Project Experience (Cagliari,&nbsp ; Février 10^th to 11^th 2020) de nous avoir invités à donner une conférence principale, qui est résumée dans ce document.