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Plongez dans le monde de la robotique avec une leçon conçue pour repousser les limites de votre raisonnement logique et de vos compétences en matière d'application de capteurs.
Niveau: Avancé
Plongez dans le monde de la robotique avec une leçon conçue pour repousser les limites de votre raisonnement logique et de vos compétences en matière d’application de capteurs. Dans ce voyage avancé, les élèves seront confrontés à des défis complexes qui nécessitent des mouvements précis et l’intégration intelligente de divers capteurs et du bras robotique afin de naviguer et de manipuler leur environnement de manière efficace. Cette leçon s’appuie sur les techniques de codage de base, poussant les élèves à développer des solutions innovantes et à utiliser des concepts de programmation avancés. En relevant ces défis complexes, les élèves affineront leur compréhension de la technologie des capteurs, amélioreront leur réflexion stratégique et acquerront des connaissances précieuses sur le potentiel de collaboration du code et du matériel robotique, ce qui les préparera à des applications et à des compétitions de robotique dans le monde réel.
Ce plan de cours est structuré selon le cadre pédagogique des 5E, un modèle d’enseignement largement reconnu qui comprend cinq phases : engager, explorer, expliquer, élaborer et évaluer. Le cadre pédagogique des 5E engage systématiquement les élèves dans un apprentissage basé sur l’enquête, encourageant l’exploration active et la compréhension de sujets complexes.
Au cours de la leçon, les élèves vont:
Comprendre et appliquer le raisonnement logique pour résoudre des défis complexes dans FTC Sim, en intégrant des capteurs et des stratégies de mouvement.
Maîtriser les techniques de codage avancées, y compris la logique conditionnelle et les boucles, pour une navigation robotique précise et l’exécution de tâches.
Combiner les principes de la robotique, comme l’utilisation des capteurs et les commandes de déplacement, pour atteindre stratégiquement les objectifs dans des scénarios difficiles.
Matériels
papillons adhésifs amovibles ou une application collaborative de remue-méninges comme Microsoft Whiteboard, Google Jamboard ou Apple Freeform.
appareils pour vos élèves (ordinateurs Windows, ordinateurs Mac, ChromeBook)
navigateur web Google Chrome ou Microsoft Edge (version Chromium)
accès au site web du simulateur FTC (https://ftcsim.org)
compte « élève » créé pour chacun de vos élèves
projecteur ou tableau blanc interactif
Pour captiver l’attention de vos élèves et éveiller leur curiosité à l’égard de la résolution de problèmes complexes, utilisez votre projecteur ou votre tableau blanc interactif pour partager une vidéo captivante montrant un animal — un corbeau, par exemple — utilisant des outils pour résoudre des problèmes complexes. Cette approche engage visuellement les apprenants et établit un contexte réel convaincant, démontrant l’application des compétences de résolution de problèmes à travers différentes espèces. C’est une façon unique d’introduire le concept de pensée analytique et de créativité, en encourageant les élèves à établir des parallèles entre les stratégies de l’animal et les tâches qu’ils auront à accomplir pour résoudre des énigmes et des défis de codage. https://youtu.be/cbSu2PXOTOc?si=TJbrJTzxjqkTVYO0
Demandez aux élèves s’ils connaissent d’autres animaux qui ont des comportements similaires à ceux des humains dans leur capacité à résoudre des défis. Ils peuvent mentionner:
Les chimpanzés: Connus pour leur capacité à utiliser des outils et à résoudre des problèmes complexes, les chimpanzés peuvent fournir d’excellents exemples d’intelligence et d’adaptabilité.
Corbeaux: Semblables aux corbeaux, les corneilles font preuve d’une remarquable capacité à résoudre des problèmes et à utiliser des outils, ce qui en fait des sujets intéressants pour démontrer les capacités cognitives.
Les pieuvres: Ces créatures marines sont réputées pour leur intelligence, qui leur permet notamment de s’échapper de leur enclos, de dévisser des bocaux et d’utiliser des outils.
Éléphants: Les éléphants sont réputés pour leur mémoire et leur intelligence. Ils font preuve de capacités de résolution de problèmes, notamment en utilisant des bâtons pour atteindre de la nourriture ou en créant des bouchons pour boire de l’eau dans des trous.
Dauphins: Avec des comportements sociaux et une communication complexes, les dauphins font preuve de capacités de résolution de problèmes, comme l’utilisation d’éponges lors de la recherche de nourriture.
Perroquets: Certaines espèces de perroquets, comme le gris d’Afrique, sont capables d’imiter le langage humain et de résoudre des énigmes et d’utiliser des outils.
Cochons: Les cochons ont montré qu’ils pouvaient apprendre et effectuer diverses tâches nécessitant des compétences cognitives, notamment manipuler des objets et jouer à des jeux vidéo avec leur museau.
Après la présentation vidéo, distribuez des papillons adhésifs amovibles à vos élèves et encouragez-les à participer à une séance de remue-méninges pour trouver des exemples dans leur vie quotidienne où ils doivent résoudre des énigmes complexes. Demandez-leur de noter une seule idée par papillon adhésif amovible. Demandez-leur de noter une seule idée par papillon adhésif amovible. Attribuez-leur une zone désignée sur le mur de la classe pour qu’ils puissent y apposer leurs idées. Une fois qu’ils ont émis plusieurs idées, demandez-leur de se rassembler dans l’espace de partage pour y apposer leurs paillons adhésifs amovibles. Si une idée a déjà été affichée sur le mur, ils peuvent la placer par-dessus l’idée existante, tandis que si le concept n’est pas encore affiché, ils doivent trouver un endroit disponible pour l’afficher.
Voici quelques-unes des idées qu’ils peuvent avoir:
Planification et gestion du temps : L’équilibre entre le travail scolaire, les activités parascolaires et le temps personnel exige que les élèves hiérarchisent les tâches et gèrent leur temps de manière efficace, un peu comme s’ils devaient résoudre un puzzle pour tout intégrer dans leur emploi du temps quotidien.
Planification des itinéraires : Décider du meilleur itinéraire pour se rendre à l’école, à un entraînement sportif ou chez un ami, en particulier lorsque l’on jongle avec plusieurs arrêts ou que l’on tient compte de la circulation et des options de transport, implique une planification stratégique et une optimisation.
Préparer les bagages pour les voyages : Savoir comment préparer efficacement ses bagages pour un voyage, en choisissant ce qu’il faut emporter en fonction de la météo, des activités prévues et de l’espace disponible dans les bagages, exige des compétences en matière de raisonnement spatial et de hiérarchisation des priorités.
Budget et gestion de l’argent : L’affectation de l’argent de poche ou des revenus provenant d’un emploi à temps partiel à des dépenses telles que les loisirs, l’épargne et les achats nécessite des calculs, de la prévoyance et des prises de décision.
Projets de groupe : Coordonner les rôles, les tâches et les calendriers avec ses pairs dans le cadre de projets scolaires exige de négocier, de faire des compromis et de planifier stratégiquement pour respecter les délais et atteindre les objectifs.
Planification des repas et cuisine : Décider de ce qu’il faut cuisiner, en tenant compte de l’équilibre nutritionnel, de la disponibilité des ingrédients et du temps de préparation, exige de la planification et de la résolution de problèmes, en particulier lorsqu’il s’agit de cuisiner pour plusieurs personnes ou pour des personnes ayant des restrictions alimentaires.
Stratégie de jeu : Jouer à des jeux vidéo ou à des jeux de société axés sur la stratégie, dans lesquels ils doivent prendre des décisions en fonction des mouvements de leurs adversaires, des résultats possibles et des ressources disponibles.
Planification des devoirs et des études : Répartir le travail en parties gérables pour le réviser, en particulier lors de la préparation d’examens, et décider des sujets sur lesquels se concentrer nécessite une réflexion analytique et l’établissement de priorités.
Organisation de la maison et nettoyage : Décider de la manière la plus efficace de nettoyer ou d’organiser sa chambre, en tenant compte des fournitures nécessaires et de l’ordre dans lequel les tâches doivent être accomplies, implique de résoudre des problèmes et de planifier.
Résolution de problèmes techniques : Résoudre des problèmes avec un ordinateur, un téléphone intelligent ou un logiciel exige de poser un diagnostic, de rechercher des solutions et, parfois, de trouver des solutions créatives.
Animez une discussion en posant des questions qui incitent à la réflexion :
Quelles mesures prenez-vous lorsque vous êtes confronté à un problème complexe que vous n’avez jamais rencontré auparavant ? (p. ex., Tout d’abord, j’essaie de décomposer le problème en éléments plus petits que je comprends. Ensuite, je cherche des modèles ou des problèmes similaires que j’ai déjà résolus pour appliquer ce que je sais. Si j’ai encore besoin d’aide, je demande de l’aide ou je cherche des ressources en ligne).
Pouvez-vous vous souvenir d’une occasion où la résolution d’un défi ou d’un problème dans un jeu vidéo vous a aidé à résoudre un problème de la vie réelle ? (p. ex., Oui, dans un jeu auquel j’ai joué, je devais trouver comment naviguer dans un labyrinthe en me souvenant de points de repère. Cela m’a aidé à trouver mon chemin dans une nouvelle école en me souvenant de points de repère spécifiques).
Que ressentez-vous lorsque vous rencontrez un problème qui semble impossible à résoudre ? Comment gérez-vous cette frustration ? (p. ex., , je me sens d’abord dépassé, mais j’ai appris que faire une pause et y revenir plus tard m’aide beaucoup. Parfois, la solution me vient alors que je n’y pense pas activement).
Préférez-vous résoudre des défis seul ou en groupe ? Pourquoi ? (p. ex., je préfère résoudre des défis avec d’autres personnes parce que nous pouvons partager des idées et des solutions différentes auxquelles je n’aurais peut-être pas pensé tout seul. Célébrer ensemble est également plus amusant lorsque nous avons trouvé la solution).
Comment la résolution de défis complexes peut-elle vous aider dans votre vie ou votre carrière future ? (p. ex., la résolution de défis complexes m’apprend à faire preuve d’esprit critique et de créativité. Ces compétences sont essentielles dans toute carrière, car elles vous aident à trouver des solutions innovantes aux défis et à vous adapter à de nouvelles situations).
Comment pensez-vous que la technologie a influencé notre capacité à résoudre des problèmes complexes ? (p. ex., La technologie a facilité l’accès à l’information et la collaboration avec d’autres personnes dans le monde entier. Elle a également introduit de nouveaux types de problèmes à résoudre, comme les défis de codage, qui peuvent être amusants et gratifiants).
Expliquez que dans la leçon à venir, les élèves vont se plonger dans les subtilités du codage de robots dans FTC Sim, en utilisant diverses stratégies innovantes pour surmonter les obstacles et atteindre leurs objectifs de manière efficace.
Veuillez encourager les élèves à commencer leur expérience d’apprentissage pratique avec la plate-forme FTC Sim en naviguant vers le lien fourni, https://ftcsim.org/. Demandez-leur d’ouvrir une session à l’aide de leur nom d’utilisateur et de leur mot de passe. Une fois connectés, dirigez-les vers la section « Cours » et guidez-les pour qu’ils choisissent le cours intitulé « FTC-Puzzles ». Expliquez aux élèves que ce cours leur permettra d’acquérir les compétences nécessaires pour coder et contrôler efficacement des robots autonomes, en se concentrant sur des défis complexes.
Dans la section FTC — Puzzles, guidez les élèves pour qu’ils accèdent au défi intitulé « 5 — Options »
Invitez les élèves à entamer le code du défi « Options ». Expliquez que le robot doit se placer sur le pavé de déclenchement pour l’activer, puis s’en éloigner. Ajoutez que la durée sera extrêmement importante ici, car le fait de reculer au mauvais moment pourrait fermer toutes les portes.
Pour accéder au panneau de codage, cliquez sur l’icône verte de l’ordinateur sur le côté gauche de l’écran. Vous remarquerez qu’un exemple de code est déjà présent. Il est essentiel d’informer vos élèves que ce code est divisé en trois sections principales, chacune étant marquée par des blocs de commentaires bleus :
Blocs d’initialisation: Cette section contient les renseignements dont le robot a besoin avant de commencer ses tâches.
Blocs d’exécution: La plupart du code que vous écrivez sera placé dans cette section, où les principales actions du robot sont définies.
Blocs en boucle: Ces blocs sont utilisés pour les tâches qui doivent être répétées plusieurs fois. Cependant, pour cette leçon, nous ne travaillerons qu’avec les blocs d’initialisation et d’exécution. La section boucle peut être supprimée pour conserver une structure de code plus propre.
Encouragez les élèves à créer des fonctions pour avancer, reculer et tourner afin qu’ils puissent les réutiliser tout au long du défi. S’ils ont besoin de revoir comment créer et utiliser des fonctions, ils peuvent revoir les leçons n° 4 et n° 5. Voici quelques exemples pour les quatre directions de mouvement:
Ensuite, les élèves doivent commencer à coder leur robot pour qu’il se déplace vers le pavé de déclenchement. Il doit s’agir d’un simple mouvement vers l’avant. (N’oubliez pas que pour utiliser ce code, les élèves doivent avoir créé les fonctions ci-dessus).
Le code doit amener le robot sur la plate-forme. Demandez aux élèves d’observer ce qui se passe avec les portes lorsque le robot est sur la plate-forme. Ils doivent se rendre compte que s’ils s’éloignent de la plate-forme au mauvais moment, toutes les portes peuvent se refermer. Ils doivent donc bien chronométrer leur action.
Encouragez les élèves à ajouter le mouvement vers l’arrière et à tester ce qu’ils obtiennent.
Ils aboutiront probablement à quelque chose comme ceci :
Il est possible de tourner à gauche et à droite pour récupérer le canard et atteindre le pavé. Cependant, l’éclair n’est pas facilement accessible. En modifiant la durée, les élèves devraient se rendre compte qu’il est possible d’ouvrir les deux. Voici un exemple de code qui fonctionne :
Ils devraient aligner les portes de cette manière:
À partir de là, les élèves n’ont plus qu’à se diriger vers le pavé. Pour ce faire, ils doivent ramasser le canard situé à gauche. Encouragez les élèves à verbaliser leur pseudocode avant de le coder:
Tourner à gauche de 90 degrés
Avancer sur une très courte distance
Tourner à droite de 90 degrés
Avancer sur une plus longue distance
Tourner à droite de 90 degrés
Avancer sur une courte distance
Leur code pourrait ressembler à ceci :
Dans cette solution, ils ne ramassent pas l’éclair. Encouragez vos élèves à continuer à travailler au défi jusqu’à ce qu’ils ramassent le canard et l’éclair. Demandez-leur également s’ils ont résolu le défi en utilisant d’autres stratégies. Rappelez-leur qu’il y a souvent plusieurs façons d’atteindre un objectif.
Expliquez que ce défi pourrait également être résolu en utilisant le capteur ultrasonique (distance) pour déterminer quand le robot peut rouler. Demandez aux élèves s’ils ont résolu le problème en utilisant le capteur à ultrasons.
Encouragez vos élèves à passer au défi suivant dans la section « Puzzles : 6- Combine and Conquer »
Expliquez-leur que dans ce défi, ils devront activer le pavé près du canard pour ouvrir la porte et avoir quelque chose sur le pavé près du bloc jaune pour ouvrir la porte et accéder au dernier pavé pour hisser le drapeau.
Demandez aux élèves de discuter des stratégies possibles pour résoudre le défi. Pour commencer, encouragez les élèves à créer leurs fonctions pour avancer, reculer, tourner à gauche et tourner à droite.
Demandez-leur de se déplacer sur le pavé devant le robot pour tester ce qui se passe. Cela devrait les aider à comprendre le fonctionnement du défi et le comportement de la porte.
Ils se rendront compte que le pavé de déclenchement ouvre la porte où se trouve le drapeau. Encouragez ensuite les élèves à ajouter du code pour voir ce qui se passe lorsque leur robot arrive sur le deuxième pavé de déclenchement.
Les élèves verront la porte rouge commencer à tourner et finir par pousser le bloc jaune sur le premier pavé de déclenchement. Ils doivent se rendre compte que s’ils quittent le pavé de déclenchement à ce moment-là, le bloc jaune reste en place et la porte bleue reste ouverte. Ils peuvent alors récupérer le canard et atteindre le drapeau.
Ce code devrait donner suffisamment de temps à la porte pour amener le bloc jaune sur le premier pavé de déclenchement et faire reculer le robot.
À ce stade, les élèves doivent atteindre le dernier pavé assez rapidement en tournant à droite, en avançant, en tournant à gauche et en avançant.
Encouragez les élèves à expliquer comment ils ont résolu le problème, en particulier s’ils avaient une solution différente. Encouragez les élèves à essayer d’augmenter la vitesse d’exécution de leur solution.
Invitez les élèves à ajouter des commentaires à leur code pour expliquer les différents blocs de codage qu’ils ont utilisés. Les blocs de commentaires sont bleus et disponibles dans la section « Miscellaneous ». Expliquez que les ingénieurs en informatique travaillent en équipe et qu’ils doivent documenter leur code avec des commentaires pour s’assurer que leurs collègues peuvent comprendre la signification de leur code. Voici un exemple du code principal du deuxième défi (Défi 6 — Combine and Conquer) auquel des commentaires ont été ajoutés.
Amenez les élèves à communiquer les solutions qu’ils ont trouvées aux deux premiers défis en leur posant des questions d’objectivation, par exemple:
Comment avez-vous abordé la résolution du problème de l’énigme « Options » lorsque vous l’avez rencontrée pour la première fois ? (p. ex,. Lorsque j’ai commencé, j’ai essayé de décomposer le problème en tâches plus petites et je me suis efforcé de comprendre le fonctionnement de chaque pièce du défi. Ensuite, j’ai expérimenté différentes stratégies de synchronisation pour déterminer la séquence d’action optimale).
Pouvez-vous décrire un moment du défi où la synchronisation était cruciale ? Comment avez-vous ajusté votre code pour en tenir compte ? (p. ex., la synchronisation était essentielle lorsque le robot s’éloignait du pavé de déclenchement afin de s’assurer que les portes ne se fermaient pas prématurément. J’ai ajusté la durée des pauses entre les mouvements pour synchroniser les actions du robot avec les mouvements des portes).
Avez-vous trouvé d’autres solutions au défi « options » ? En quoi diffèrent-elles de votre approche initiale ? (p. ex., Oui, j’ai découvert que l’utilisation du capteur à ultrasons pour détecter la distance entre le robot et le pavé de déclenchement constituait un mécanisme de synchronisation plus précis. Cela m’a permis d’ouvrir les deux portes, offrant ainsi une autre façon de réussir).
Quelles stratégies avez-vous utilisées pour optimiser la vitesse et l’efficacité de votre code ? (p. ex., je me suis efforcé de minimiser les mouvements et les pauses inutiles afin de simplifier les mouvements du robot. En outre, j’ai expérimenté différentes vitesses de moteur pour trouver l’équilibre optimal entre vitesse et précision).
En réfléchissant à cette expérience de résolution d’un défi, quelles compétences ou leçons pouvez-vous appliquer à des situations de la vie réelle ou à des projets futurs ? (p. ex., Cette expérience m’a appris l’importance de l’adaptabilité et de la persévérance face à des défis complexes. J’ai appris à aborder les problèmes de manière systématique, à les décomposer en étapes gérables et à tirer parti de la technologie pour trouver des solutions innovantes).
Encouragez les élèves à mettre en pratique les compétences qu’ils viennent d’acquérir pour s’attaquer aux défis n° 7 et n° 8 de FTC Sim. Ces défis offrent des situations plus complexes pour les élèves. Pour le défi n° 7, les élèves doivent tester les différents éléments du jeu et utiliser les mouvements chronométrés ou le capteur ultrasonique (capteur de distance) pour éviter de se faire prendre par les portes tournantes. Pour le défi n° 8, les élèves devront utiliser le moteur avant pour attraper ce bloc sans le grappin pour le tirer et le mettre dans la fosse.
L’évaluation de la leçon doit se faire par le biais d’observations et de conversations avec les élèves pendant qu’ils codent. L’évaluation de l’efficacité de la leçon doit comprendre l’observation des élèves pendant qu’ils codent et l’engagement d’un dialogue constructif avec eux sur leur processus de réflexion, leurs défis et leurs stratégies. Cette approche permet de mieux comprendre leur compréhension et leur application des concepts enseignés, y compris la manière dont ils résolvent les problèmes et affinent leur code pour obtenir les mouvements et la navigation souhaités avec le robot virtuel. Grâce à ces interactions, les éducateurs peuvent évaluer la compréhension des concepts par chaque élève, fournir une rétroaction ciblée et ajuster l’enseignement en fonction des besoins pour favoriser les résultats d’apprentissage.
Voici une liste de « points de repère » pour guider vos observations et votre évaluation:
Engagement et participation: Observez si les élèves s’engagent activement dans la tâche, s’ils expérimentent le code, s’ils participent aux discussions ou s’ils posent des questions.
Compétences en matière de résolution de problèmes: Notez la capacité des élèves à identifier les problèmes dans leur code, à déboguer les erreurs et à appliquer un raisonnement logique pour surmonter les difficultés.
Application des instructions: Vérifiez si les élèves appliquent correctement les instructions et les lignes directrices fournies pour la leçon, par exemple en utilisant les bons blocs ou la bonne syntaxe de code pour le mouvement et la navigation.
Créativité et innovation: Recherchez des approches créatives ou des solutions innovantes que les élèves pourraient appliquer dans leurs stratégies de codage, au-delà des exigences de base de la leçon.
Compréhension des commandes du moteur: Observez la compréhension par les élèves de la manière dont les commandes du moteur affectent le mouvement du robot, y compris la vitesse, la direction et l’exécution de virages ou de manœuvres spécifiques.
Utilisation des encodeurs rotatifs: Évaluer la maîtrise des élèves dans l’utilisation des encodeurs rotatifs pour obtenir un contrôle précis des mouvements, y compris la définition des positions cibles, l’ajustement de la vitesse et la réinitialisation des encodeurs pour les mouvements suivants.
Utilisation des fonctions: Évaluer la capacité des élèves à mettre en œuvre efficacement des fonctions pour segmenter le code, promouvoir la réutilisation du code et améliorer la lisibilité du code, en démontrant une compréhension des principes de la programmation modulaire.
Gestion des entrées: Surveillez la manière dont les élèves gèrent les entrées dans leur code, en veillant à ce qu’ils utilisent correctement les variables ou les paramètres pour adapter leur code à différents scénarios et configurations.
Réaction à l’échec: Soyez attentif à la façon dont les élèves réagissent à l’échec ou à des résultats inattendus, en recherchant la résilience, la persistance et la volonté d’expérimenter et d’apprendre à partir des erreurs.
Raisonnement logique: Évaluer la capacité des élèves à appliquer un raisonnement logique pour analyser l’énigme, la décomposer en étapes gérables et élaborer des stratégies efficaces pour la résoudre.
Pensée algorithmique: Observez la capacité des élèves à développer des algorithmes pour guider les actions du robot de manière systématique, en tenant compte de divers facteurs tels que le temps, les données des capteurs et les conditions environnementales.
Efficacité du code: Évaluez l’efficacité du code des élèves en termes de lisibilité, d’organisation et de vitesse d’exécution, en évaluant leur utilisation des fonctions, des boucles et des instructions conditionnelles pour optimiser les performances.