Construire de jeunes esprits brillants : la robotique Lego pour les ingénieurs émergents
par Grace Bueler, le premier avrilSt, 2024
LEGO est un jouet emblématique. Que vous ayez construit un kit le jour de votre anniversaire ou acquis de grands bacs remplis de pièces, il est rare de rencontrer quelqu'un qui n'a pas entendu parler de ces briques colorées. Historiquement accompagné d'instructions étape par étape pour construire un rendu 3D d'une image sur une boîte, Lego a parcouru un long chemin depuis son invention en 1932, et cette pratique ne fait désormais qu'effleurer la surface de ce que ces pièces peuvent faire.
Entrez dans la robotique Lego. Lançant Lego dans le 21e siècle avec un codage accessible et coloré, cette activité laisse libre cours à ses structures et à l'imagination des enfants. Ce qui est peut-être le plus impressionnant chez Lego Robotics est sa connexion avec STEM. Il existe d’innombrables articles, études et témoignages vantant le pouvoir des STEM dans notre monde à la pointe de la technologie, promouvant le plaisir que les jeunes peuvent avoir en apprenant à coder, à imprimer en 3D ou à éditer des fichiers numériques. Mais pourquoi le « E » en STEM (ingénierie) est-il si intéressant pour les jeunes ? Il inspire la visualisation et la résolution de problèmes tangibles, et exerce des capacités spatiales dans un environnement amusant et dirigé par le joueur, pouvant être pratiqué en démontant un robot, en changeant ses pièces, puis en le programmant pour qu'il danse sur de la musique rock tout en grattant une guitare.
Construisons un robot Lego !
Une étude de 2020 publiée dans la revue Science Education International a demandé à des collégiens turcs d'un club de robotique Lego géré par une école de dessiner à quoi, selon eux, les scientifiques ressemblaient et faisaient. Les résultats étaient extrêmement homogènes : peu d’entre eux présentaient une femme scientifique, tandis que presque tous présentaient des blouses blanches, des laboratoires et d’autres images stéréotypées, telles que des équations scientifiques sur un tableau blanc, des béchers et des lunettes. Les enfants ne voient pas toujours la science qui se déroule autour d’eux. Les hommes aux cheveux gris sauvage mélangeant des concoctions sont un stéréotype populaire, mais ce portrait est limitatif, à la fois quant à qui peut être un scientifique et à ce qu'il fait réellement.
Christine Cunningham, vice-présidente du Museum of Science de Boston, Massachusetts et chercheuse en éducation, a vécu des expériences similaires lorsqu'elle travaillait avec des jeunes.
« Les enfants pensent que les ingénieurs conduisent les trains », a-t-elle déclaré au magazine Discover en 2013. En tant que directrice fondatrice de Engineering in Elementary, un programme proposant des programmes d'ingénierie dans les salles de classe à travers l'Amérique, elle a également demandé aux enfants de dessiner des scientifiques, plus particulièrement des ingénieurs. Ceux-ci mettent généralement en vedette des ouvriers du bâtiment construisant des routes ou des ponts. « Les enfants pensent que les ingénieurs construisent ces structures, pas les conçoivent », poursuit-elle. "Si vous n'avez aucune idée de ce que font les ingénieurs, il est peu probable que vous envisagiez cela comme un cheminement de carrière."
Le bâtiment du monde ouvert de Lego Robotics expose les étudiants à un monde d'ingénierie plus large auquel ils peuvent participer. FIRST (For Inspiration and Recognition of Science and Technology), une organisation internationale à but non lucratif qui organise des programmes de robotique pour les jeunes, organise des concours annuels de construction de robots pour encourager la créativité. résoudre des problèmes dans des domaines que les jeunes connaissent bien, comme le traitement responsable des déchets et la conservation des aliments. Leur Lego League Challenge 2013 a demandé aux participants de résoudre les problèmes rencontrés par la population âgée (un groupe auquel les jeunes sont liés par leurs grands-parents), inspirant les équipes à proposer des solutions intelligentes, comme un robot marcheur équipé d'un plateau magnétique pour ranger les ustensiles. de tomber.
« Trop de lycéens dans ce pays, en particulier les femmes et les minorités, abandonnent les cours de sciences et de mathématiques », a déclaré le fondateur de FIRST, ingénieur et inventeur du Segway, Dean Kamen, au magazine Smithsonian en 2013. « Au lieu de leur dire [aux enfants] pourquoi les concepts abstraits comme l'algèbre ou la trigonométrie sont importants, les professeurs de sciences devraient dire : « Construisons un robot Lego ! »
En participant à mes propres programmes parascolaires Lego Robotics, j'ai constaté à quel point les enfants sont enthousiastes à l'idée de s'imprégner de leurs créations. Bien que les kits puissent être utilisés en suivant un ensemble d’instructions, celles-ci cèdent invariablement la place à la personnalisation et à l’exploration d’intérêts personnels. Un groupe de filles, désireuses d'éclairer la scène de leur groupe Lego people avec des couleurs et des motifs spécifiques, discutaient frénétiquement non seulement des pièces nécessaires et de la séquence dans laquelle glisser et déposer leurs instructions dans le programme de codage du kit, mais aussi de leurs couleurs préférées et de quoi. le genre de musique qu'ils imaginaient que le groupe jouait.
En 2005, l'enseignante Jenny Murphy et la directrice du programme Kathy Bartelmay de la Duke School de Caroline du Nord ont publié une étude dans la revue Science and Children sur une classe d'élèves de deuxième année jouant avec des kits Lego MINDSTORMS®. Les chercheurs ont noté que les étudiants ont immédiatement imaginé des robots conçus pour résoudre les défis qu’ils rencontraient à la maison. foyers et problèmes. Un élève a décidé de construire un robot capable de retrouver les clés de ses parents, tandis qu'un autre a imaginé un « Yard-bot 2000 », une machine capable d'effectuer toutes sortes de tâches ménagères (quoi de plus enfantin que d'éviter les tâches ménagères ?).
Et ces enfants et leurs dessins ? Après quatre semaines de jeu avec les kits Lego Robotics, les élèves ont de nouveau dessiné des images de scientifiques, montrant des résultats différents. Cette fois, les représentations de scientifiques masculins ont diminué de 75% à 52%, le nombre de scientifiques plus âgés a été réduit de moitié et les dessins des étudiants se sont davantage concentrés sur l'environnement des scientifiques plutôt que sur les scientifiques eux-mêmes. Selon les chercheurs, cela révèle un élargissement des perceptions sur qui peut être un scientifique et même une remise en question de l’importance des caractéristiques physiques d’un scientifique.
Les activités Lego Robotics pour les enfants leur confèrent le pouvoir de l'ingénierie et, avec elle, la visualisation des objets qu'ils sont impatients d'utiliser comme bon leur semble. Cela peut élargir leur rôle dans leur monde, en leur apprenant qu’ils peuvent faire de la place à quels que soient leurs intérêts, leurs idées et leur identité.
« Les filles s'intéressent davantage à l'esthétique, à la logistique et au souci du détail », a déclaré un adolescent à un journaliste lors du concours FIRST Robotics 2013. Il est bientôt épaulé par un équipier : « Les gars aiment casser des trucs. »
En entendant cela, une adolescente proche d'une équipe adverse interrompt le groupe de l'équipe pour affirmer "Vous seriez surpris" avant de retourner à son propre robot, conçu pour ramasser les mêmes anneaux en caoutchouc et les placer sur la même pointe verticale que les autres. des équipes, à leur manière.
révélant des possibilités infinies dans toutes les disciplines, enseignant aux enfants que l'ingénierie peut être réalisée à leur manière.
Au-delà de la magie
« Au fond, les ingénieurs sont ceux qui résolvent les problèmes », explique Leigh Abts, de la School of Engineering and College of Education de l'Université du Maryland.
Dans notre article précédent, [hyperlien vers l'article du blog sur les échecs], nous avons discuté de la résolution de problèmes comme l'une des principales leçons des échecs. Alors que la résolution de problèmes aux échecs est principalement psychologique, Lego Robotics vise avant tout à résoudre des problèmes liés au monde tangible, qui peuvent être plus facilement communiqués aux jeunes.
"Si vous introduisez des concepts et des apprentissages en ingénierie de la maternelle à la 12e année, vous les incitez à penser de manière créative et à croire qu'ils peuvent résoudre des problèmes", a déclaré Tameica Jones, Ph.D., professeur adjoint d'enseignement STEM au NC State College of Education dans un communiqué. article pour le journal en ligne du collège. « Si vous ajoutez des mathématiques, de la physique, de la chimie, des structures et des circuits à une idée, cela dépasse la « magie ». »
Cunningham est d'accord : « Cette perspective de résolution de problèmes est mieux enseignée jeune car elle correspond à la façon dont les enfants apprennent. Les exemples concrets qui nécessitent des solutions pratiques signifient bien plus pour les enfants que des concepts abstraits comme les nombres premiers ou les fractions.
La compétitivité fait souvent son chemin dans mes programmes étudiants Lego Robotics ; là où il y a des voitures, il y aura des courses. Deux groupes de garçons d'une école primaire de Toronto ont décidé de faire la course avec les voitures qu'ils avaient construites, désireux de montrer avec quelle expertise ils pouvaient les diriger avec leurs applications de codage. Une fois partis, une équipe s’est immédiatement rendu compte que sa voiture virait à gauche au lieu d’aller tout droit et s’est précipitée pour ajuster ses instructions de codage. Ensuite, lorsque cela n’allait pas assez vite, ils sont retournés à leurs applications pour augmenter la vitesse. Ils ont applaudi, sauté de haut en bas et travaillé ensemble, diagnostiquant et résolvant avec enthousiasme leurs problèmes apparemment à la vitesse de la lumière.
Les problèmes de la robotique Lego sont tangibles, simples et souvent immédiatement pertinents pour la vie quotidienne des enfants. Dans une étude menée en 2013 par deux professeurs adjoints de l'Université du Nord de l'Iowa, des étudiants de 1re, 2e et 3e années du club Lego Robotics d'une école publique du Midwest américain ont reçu deux kits Lego Robotics WeDo 2.0. Les chercheurs ont observé que les enfants allaient bien plus loin que simplement reproduire les robots et le code prédéfinis, mais qu’ils s’engageaient plutôt de manière indépendante dans des solutions alternatives de problèmes grâce à la narration. Un étudiant qui construisait un robot de sauvetage pour un panda fictif coincé sur une falaise a inventé une histoire différente pour chaque stratégie de sauvetage qu'il avait conçue en fonction de différentes circonstances. Les chercheurs ont également observé que les enfants résolvaient des problèmes entre eux : après avoir réalisé que leur voiture de course reculait au lieu d'avancer, un groupe d'élèves a eu une conversation qui comprenait la prise de conscience de leur problème, la communication de ce problème entre eux, la tentative d'en trouver les causes. , et trouver une solution. De manière impressionnante, les étudiants ont également rapidement adopté le vocabulaire de l’ingénierie dans leurs conversations, tel que « ajustement » et « expérimentation ».
Une autre étude sur l'effet des Lego sur les capacités de résolution de problèmes des enfants est parue dans le Journal of Positive School Psychology en 2022. Vingt-cinq élèves de 11 ans ont été sélectionnés parmi un groupe de 1 000 dans les écoles de Téhéran qui avaient mis en œuvre un programme éducatif Lego en 2016. /Année scolaire 2017 et ont été évalués avant et après leur participation. Les étudiants ont reçu des packages Lego Education contenant des kits Lego Robotics mettant l'accent sur les thèmes des sciences humaines et sociales. En utilisant le test d'inventaire de résolution de problèmes de Heppner, les chercheurs ont découvert que le programme avait eu un effet positif significatif sur plusieurs mesures, l'une d'elles étant le caractère décisif. Les étudiants disaient plus facilement et poliment non aux demandes qui ne leur plaisaient pas et étaient moins susceptibles de porter atteinte au droit de leurs camarades de classe de faire de même. La maîtrise de soi a également augmenté : les étudiants sont devenus meilleurs dans la gestion de leurs émotions et dans la prise de décisions fondées sur la raison face à un problème, ce qui leur a permis de mieux s'adapter à une situation et d'acquérir des sentiments de résilience et de stabilité dans des situations problématiques. Les chercheurs ont émis l'hypothèse que cela signifiait que les enfants développaient des compétences d'autogestion grâce à l'environnement sûr de l'éducation Lego, et pouvaient donc résoudre les problèmes avec plus de confiance, sans crainte de jugement.
Cunningham, qui engage ses étudiants dans des scénarios d'ingénierie tout aussi simples et réels, a constaté la même propension chez ses étudiants, affirmant que des exercices simples sont de précieux outils pédagogiques pour relever les défis (une partie naturelle de la vie) en essayant, en échouant, en re- réfléchir, puis essayer encore. « L'idée selon laquelle l'échec est une bonne chose [...] peut être une nouvelle expérience pour les étudiants, mais c'est ainsi que fonctionne l'ingénierie », dit-elle. « La flexion de ces muscles mentaux et l’étoffement de ces concepts peuvent continuer à mesure que les élèves progressent dans le système éducatif. »
Joan Ferrini-Mundy, directrice adjointe de la direction de l'éducation et des ressources humaines de la National Science Foundation, estime que l'ingénierie détient le pouvoir d'enseigner la résolution de problèmes aux très jeunes enfants et que « de telles expériences peuvent leur permettre de le faire plus tard dans la vie, lorsque les enjeux sont plus élevés.
C'est une machine folle, beaucoup de pièces, vraiment sympa
"Oh mon Dieu!" s'est exclamé un élève de cinquième année lorsque le Baseball Bot de son équipe a lancé une balle de ping-pong sur leur table. Cet élève, ainsi que 22 autres élèves de quatrième, cinquième et sixième années, ont participé à une étude de 2015 qui a observé les compétences de raisonnement spatial encouragées par les kits EV3 Lego Robotics et le programme Lego MINDSTORMS.
En termes simples, la capacité spatiale mesure la capacité à comprendre des principes abstraits, à manipuler mentalement des objets et à comprendre des mouvements imaginaires dans l'espace réel. Le professeur Brent Davis, Ph. D, chercheur en éducation et titulaire de la chaire de recherche distinguée en enseignement des mathématiques de l'Université de Calgary, propose des activités plus approfondies associées à ce sujet, telles que la modification, le déplacement, l'interprétation et la détection d'objets.
En utilisant le cadre de Brent, les chercheurs ont observé si ces comportements étaient démontrés par des élèves de 5e et 6e années dans une école primaire urbaine d'Amérique de l'Est jouant avec des kits Lego Robotics. En analysant les notes de terrain, les relevés de notes et les robots des enfants, les chercheurs ont conclu qu'à travers les projets, les étudiants ont démontré de multiples comportements dans ce cadre alors qu'ils apprenaient à construire et à programmer des robots, puis à réaliser des vidéos expliquant comment procéder pour les autres étudiants.
Par exemple, lors de la création de leur Baseball Bot, un groupe de garçons a montré le mouvement en faisant glisser les pièces du robot ensemble, interprétant en comprenant comment le bras de leur robot bougerait tout en le programmant et situant le moment où ils ont vu le bras de leur robot bouger dans le temps et dans l'espace comme un mouvement. résultat de leur programmation. Pendant la production de leur vidéo explicative, après avoir réalisé que leur robot de baseball frappait la balle de ping-pong beaucoup plus loin que prévu, le groupe d'étudiants s'est rapidement lancé dans la détection en positionnant correctement la vue de l'iPad (en insistant immédiatement sur « Recommencez, recommencez). " les uns aux autres), utilisant la situation pour imaginer sa ligne de vue et (dé)construisant en s'adaptant à la trajectoire sans précédent du ballon (en se disant « Reculez »), exposant finalement cinq des six éléments inclus dans le cadre de Davis.
De même, un groupe de filles qui ont fait danser un robot sur une piste musicale a affiché quatre des éléments de Davis pendant le tournage de leur vidéo explicative : imaginer à quoi ressemblerait leur robot 3D en utilisant uniquement une représentation 2D sur leur iPad affichant un changement de dimension (situant ), tandis qu'une fille comprenait que même si elle regardait des objets à 13 trous pour sa guitare électrique, son robot avait besoin d'objets à 15 trous, montrait l'interprétation, et une autre qui demandait prudemment "Comment avons-nous fait la première étape, tout est correct ?" engagés dans la (dé)composition en examinant les étapes et en déterminant s’ils les avaient suivies correctement.
Une autre étude publiée dans le Journal for the Education of the Gifted en 2012 a mesuré les capacités spatiales de 80 enfants du Midwest américain âgés de 9 à 14 ans avant et après leur participation à une compétition simulée de robotique FIRST Lego League avec les kits Lego NEXT Robotics. Les étudiants ont reçu un projet TALENT Spatial Ability Assessments (de l'American Institute for Research) qui mesure les sous-catégories de conscience spatiale, donnant des scores significativement plus élevés dans les sous-catégories du test, non seulement entre eux après le concours, mais par rapport à un groupe d'étudiants qui ne l'ont pas fait. participer au concours.
Le Dr Helen K. Williams, consultante pédagogique et membre de la Société britannique pour la recherche sur l'apprentissage des mathématiques, a analysé les recherches sur le rôle que joue le raisonnement spatial dans le développement mathématique des enfants avec l'aide du Mathematics Education Network de l'Université de Loughborough. « Lorsque les enfants apprennent la composition des nombres ou la composition des nombres à partir de nombres plus petits, les expériences spatiales sont importantes », cite Williams à propos du Dr Sue Gifford, maître de conférences en enseignement des mathématiques à l'Université de Roehampton, « parce qu'elles leur procurent des sensations mémorables. modèles visuels et expériences physiques de réorganisation des objets de manipulation (y compris les doigts) pour construire et connecter des images.
"... Les circuits neuronaux utilisés pour développer la compréhension d'un enfant de son environnement externe, la façon dont il s'oriente spatialement [...] sont également utilisés pour traiter les nombres et une pensée plus abstraite", a également découvert Williams d'Oscar Giles, Ph. D, chercheur en données scientifiques à l'Institut Alan Turing en Angleterre.
L'Institut d'études pédagogiques de l'Ontario (OISE) de l'Université de Toronto a collecté des données, des citations, des études scientifiques et des activités liées au raisonnement spatial en 2022 pour aider les gens à comprendre la portée considérable de ces compétences dans la vie des jeunes apprenants. "Il existe une forte corrélation entre le talent mathématique d'une personne et ses résultats aux tests de perception spatiale, presque comme s'il s'agissait d'une seule et même capacité", citent-ils dans une étude menée par l'Université d'Oxford qui relie les capacités spatiales à des indicateurs et à des encouragements de nombreux mathématiques. compétences chez les jeunes, depuis la compréhension que les nombres ont des propriétés physiques jusqu'à la reconnaissance de modèles. La géométrie est une autre compétence évidente que ces compétences aident, car, en utilisant notre définition précédente, les capacités spatiales sont liées à la visualisation et à la manipulation d'objets 2D et 3D.
En fait, cela a totalement changé ma façon d’enseigner. Période.
L'ingénierie révèle le monde des enfants non seulement comme la somme de ses parties, mais comme un ensemble de choses à démonter, à examiner et à reconstituer. La visualisation, la résolution de problèmes et les capacités spatiales encouragées par Lego Robotics sont des outils puissants pour ignorer les perceptions étroites de ce que font et ressemblent les ingénieurs, conduisant à un sentiment de propriété sur leur monde.
«Mes élèves ont pu se considérer comme des personnes capables, capables d'être des producteurs et pas seulement des consommateurs…», a déclaré une enseignante d'une école primaire urbaine d'Amérique de l'Est à propos de ses élèves après avoir joué avec et réalisé des films sur les kits Lego Robotics.
« En fait, cela a totalement changé ma façon d’enseigner. Période." » a affirmé une autre enseignante de l'école, citant l'initiative qu'elle a constatée chez ses élèves dès qu'ils ont connu les bases de la robotique Lego. Ses élèves non seulement prenaient en charge eux-mêmes, mais aimaient également amener d'autres enfants à faire de même au lieu de simplement attendre les instructions du professeur.
Plus important encore, ces compétences sont quelque chose dont les jeunes sont conscients et prêts à les transmettre à leurs pairs. « Cela demande du dévouement, et parfois c'est difficile. Vous ne pouvez pas abandonner très vite », a déclaré aux chercheurs l'un des étudiants enseignants de l'étude. "Dans le futur", imagine un autre, "si vous faites de la robotique et devenez ingénieur, vous pourrez aider les gens qui n'ont jamais eu cette expérience à apprendre."
Après des années passées à observer des enfants dès l'âge de trois ans renverser des tours et démonter curieusement des jouets, Cunningham estime que malgré les grandes lacunes des concepts d'ingénierie dans le programme scolaire typique, «plus je regarde les jeunes enfants interagir avec le monde qui les entoure, plus je suis convaincus qu’ils sont des ingénieurs naturels.
