Enseigner l informatique

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1 Enseigner l informatique

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3 Werner Hartmann, Michael Näf, Raimond Reichert Enseigner l informatique

4 Werner Hartman PHBern - Zentrum für Bildungsinformatik Muesmattstrasse Bern Suisse Michael Näf Doodle AG Technoparkstrasse Zurich Suisse Raimond Reichert InfoSense Spyristrasse Zurich Suisse Titre original : Informatikunterricht planen und durchführen Auteurs : Werner Hartmann, Michael Näf et Raimond Reichert Copyright Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006 Springer is part of Springer Science+Business Media Tous droits réservés ISBN Springer Paris Berlin Heidelberg New York Springer-Verlag France, 2012 Springer-Verlag est membre du groupe Springer Science + Business Media Cet ouvrage est soumis au copyright. Tous droits réservés, notamment la reproduction et la représentation, la traduction, la réimpression, l exposé, la reproduction des illustrations et des tableaux, la transmission par voie d enregistrement sonore ou visuel, la reproduction par microfilm ou tout autre moyen ainsi que la conservation des banques de données. La loi française sur le copyright du 9 septembre 1965 dans la version en vigueur n autorise une reproduction intégrale ou partielle que dans certains cas, et en principe moyennant le paiement des droits. Toute représentation, reproduction, contrefaçon ou conservation dans une banque de données par quelque procédé que ce soit est sanctionnée par la loi pénale sur le copyright. L utilisation dans cet ouvrage de désignations, dénominations commerciales, marques de fabrique, etc. même sans spécification ne signifie pas que ces termes soient libres de la législation sur les marques de fabrique et la protection des marques et qu ils puissent être utilisés par chacun. La maison d édition décline toute responsabilité quant à l exactitude des indications de dosage et des modes d emploi. Dans chaque cas il incombe à l usager de vérifier les informations données par comparaison à la littérature existante. Traduction réalisée par la société Technicis, avec le concours de l INRIA Mise en page : Nicolas Puech Maquette de couverture : Jean-François Montmarché Illustration de couverture : blackboard and internet gunnar3000 #

5 Collection IRIS Dirigée par Nicolas Puech Ouvrages parus : Méthodes numériques pour le calcul scientifique. Programmes en Matlab A. Quarteroni, R. Sacco, F. Saleri, Springer-Verlag France 2000 Calcul formel avec MuPAD F. Maltey, Springer-Verlag France 2002 Architecture et micro-architecture des processeurs B. Gnossens, Springer-Verlag France 2002 Introduction aux mathématiques discrètes J. Matousek, J. Nesetril, Springer-Verlag France 2004 Les virus informatiques : théorie, pratique et applications F. Filiol, Springer-Verlag France 2004 Computer Viruses: from theory to applications E. Filiol, Springer-Verlag France 2005 Introduction pratique aux bases de données relationnelles. (2 e éd.) A. Meier, Springer-Verlag France 2006 Bio-informatique moléculaire. Une approche algorithmique P. A. Pevzner, Springer-Verlag France 2006 Algorithmes d approximation V. Vazirani, Springer-Verlag France 2006 Techniques virales avancées É. Filiol, Springer-Verlag France 2007 Codes et turbocodes C. Berrou, Springer-Verlag France 2007 Introduction à Scilab. (2 e éd.) J.P. Chancelier, F. Delebecque, C. Gomez, M. Goursat, R. Nikouhah, S. Steer, Springer-Verlag France 2007 Maple : règles et fonctions essentielles N. Puech, Springer-Verlag France 2009 Les virus informatiques : théorie, pratique et applications. (2 e éd.) É. Filiol, Springer-Verlag France 2009 Codes and Turbo Codes C. Berrou, Springer-Verlag France 2010 Optimisation combinatoire : théorie et algorithmes B. Korte, J. Vygen, Springer-Verlag France 2010 Concepts et méthodes en phylogénie moléculaire G. Perrière, C. Brochier-Armanet, Springer-Verlag France 2010

6 Préface Dans un monde où les systèmes et machines numériques (ordinateurs, capteurs, baladeurs etc.) sont de plus en plus répandus, et où notre vie dépend de plus en plus directement du bon fonctionnement de ces systèmes, il est nécessaire de donner aux jeunes, futurs citoyens, une compréhension des mécanismes fondamentaux qui régissent ces systèmes, des risques qu ils présentent mais aussi des opportunités qu ils fournissent. C est pourquoi, progressivement, des enseignements d informatique et de technologies numériques, jadis réservés aux écoles supérieures spécialisées, instituts de technologie et cursus universitaires, sont maintenant proposés dans l enseignement secondaire de certains pays ainsi que dans certains cycles d études supérieures en sciences sociales, humanités, commerce, etc. En Europe centrale, en Grèce, en Allemagne, au Maghreb et en Suisse (et bientôt en France) on enseigne l informatique et les sciences du numérique dans les écoles, collèges, lycées ou gymnases, sous des modalités diverses, avec un niveau de spécialisation et d approfondissement variable, mais le fait est là : c est une nouvelle matière qui s est affirmée et répandue en peu d années. Mais comment enseigne-t-on l informatique? C est la question à laquelle Werner Hartmann, Michael Näf et Raimond Reichert ont tenté de répondre dans un livre précurseur publié par Springer en L extension des enseignements d informatique dans la sphère francophone rendait la traduction du livre indispensable, ce qui a pu être réalisé dans un temps très court grâce à l engagement de nombreuses personnes (voir la page de remerciements). Le titre originel de l ouvrage (Informatikunterricht planen und durchführen, c est-à-dire Préparer et réaliser un cours d informatique) étant un peu long, le titre plus simple et percutant «Enseigner l informatique» a été retenu. Quoi qu il en soit, le message central des trois auteurs est simple : savoir utiliser (l informatique) n est pas savoir enseigner. Ce livre ne vous n apprendra donc ni à vous servir d un tableur ni à faire des recherches sur le web, ni même à programmer! En revanche, il vous montrera comment le tableur, le moteur de recherche, la

7 viii Enseigner l informatique programmation ou encore l imagerie numérique peuvent faire l objet d un enseignement captivant, utile et efficace, et plus généralement suggère ce qu un enseignement d informatique peut être, ce qu il n est pas et ce qu il ne doit surtout pas devenir. Comme la physique, la biologie ou les mathématiques, l informatique ne s enseigne pas n importe comment, mais seulement au prix d une solide réflexion didactique. C est le but du présent ouvrage, entièrement dédié à la didactique de l informatique. Il rendra les plus grands services aux futurs professeurs chargés d enseigner l informatique et les sciences du numérique dans les établissements secondaires comme aux professeurs et chargés de cours en université qui assurent l initiation de leurs étudiants en début d études supérieures. Il sera également précieux pour les responsables de formations professionnelles dans tous les domaines liés au «numérique». De fait, certains chapitres du livre abordent des situations typiques de la formation professionnelle (en stages intensifs, notamment) ; les questions abordées dans ces chapitres sont néanmoins pertinentes pour un enseignement plus traditionnel quitte à faire quelques adaptations. On peut enfin en recommander la lecture aux directeurs des écoles, lycées ou départements universitaires qui sont confrontés à la mise en place d un enseignement d informatique et se demandent quelles en sont les contraintes. Robert Cabane Inspecteur général de l Éducation nationale

8 Avant-propos Que faut-il enseigner et comment l enseigner? C est la question que se posent tous les enseignants et formateurs en informatique en préparant leurs cours, tant dans l enseignement traditionnel qu en formation continue. Il existe de nombreuses publications cernant le contenu de la matière «informatique» à dispenser en fonction du niveau d étude du public concerné, de l école à l université, mais seuls quelques rares documents traitent de la méthodologie de l enseignement de l informatique. C est là qu intervient le présent ouvrage : il apporte un soutien méthodologique à la conception de l enseignement. À qui s adresse ce livre? Ce livre est destiné aux enseignants chargés d un cours d informatique que ce soit en établissement scolaire, que ce soit dans le primaire, dans le secondaire ou dans le supérieur, ou que ce soit dans un contexte professionnel ou en entreprise. Les différents publics visés se retrouvent dans la formulation et les exemples choisis. Le lecteur est invité à transposer les observations et les exemples à ses propres habitudes d enseignement. Il s adresse aussi aux responsables de ces institutions, directeurs d école, proviseurs, directeurs de département à l université, responsables pédagogiques afin qu ils prennent conscience des moyens spécifiques nécessaires à l enseignement de l informatique. Toutefois, une méthodologie de l enseignement de l informatique qui s adresse à la fois aux enseignants du secondaire, aux professeurs d université et aux animateurs de la formation continue professionnelle est-elle réellement possible? Oui, nous en sommes convaincus à l aune de notre longue expérience de l enseignement de l informatique dans différents établissements et instituts. Les problèmes spécifiques à l informatique sont les mêmes, quel que soit le niveau : l informatique est abstraite, elle subit des mutations rapides et son enseignement inclut des travaux sur ordinateur.

9 x Enseigner l informatique Que propose ce livre? Il contient une série d indications pour la planification et la mise en œuvre de l enseignement de l informatique. Tous les chapitres sont organisés selon le même modèle et commencent par un exemple illustrant parfaitement un problème. Cette introduction est suivie d une définition concise du problème évoqué, de son analyse, puis de solutions pratiques éprouvées regroupées sous la forme d une synthèse. Les solutions proposées sont ensuite illustrées au moyen d exemples concrets issus du quotidien de l enseignement. Les problématiques couvrent toute la gamme des sujets abordés dans l enseignement de l informatique, depuis la formation à une application jusqu à l enseignement d un thème de haut niveau en université. Ils sont destinés à fournir au lecteur des idées et des suggestions pour ses propres cours. Un chapitre est donc organisé selon la trame suivante : - exemple de problème rencontré au quotidien - description concise du problème - analyse du problème - obtention de la solution - description concise de la solution - exemples (lorsqu il y a lieu) - bibliographie complémentaire (lorsqu il y a lieu) Que ne propose pas ce livre? Il ne remplace pas la lecture d ouvrages traitant de la pédagogie en général. Nous supposons que nos lecteurs sont déjà familiarisés avec les diverses méthodes et techniques d enseignement ; il existe de bons ouvrages de référence traitant ce sujet. En outre, les aspects méthodicopédagogiques traités dans cet ouvrage sont délibérément présentés à l occasion des exemples choisis. Le livre ne prétend pas non plus offrir l unique solution scientifiquement fondée aux problèmes soulevés. L enseignement est un domaine complexe très difficile à appréhender dans son intégralité et pour rester dans le langage de l informatique que chacun doit modéliser et mettre en œuvre selon sa sensibilité. Qui se cache derrière ce livre? Les trois auteurs de cet ouvrage ont chacun leur propre expérience à différents niveaux de l enseignement et sur différents sujets enseignés. Ce livre n aurait cependant pas pu voir le jour sans les idées et les exemples

10 Avant-propos xi suscités par l interaction avec des élèves au fil des ans lors des enseignements dispensés par les trois auteurs dans le cadre des cours donnés à l École polytechnique fédérale de Zurich (ETH Zurich 1 ), à la Pädagogische Hochschule de Bern ou lors de stages intensifs pour les formateurs en informatique en entreprise. Remerciements Nous souhaitons témoigner de notre reconnaissance aux personnes qui se sont occupées de la version française de cet ouvrage. À l initiative de Robert Cabane, inspecteur général de mathématiques, et de Jacqueline Peter, ancienne directrice adjointe du Centre du professorat suisse à Berne (WBZ CPS), cette traduction a été produite par l INRIA avec l aide de ses chercheurs en sciences du numérique, notamment celle de Thierry Viéville dont l enthousiasme et l énergie ont bien facilité les choses. La traduction a été réalisée par la société Technicis. Elle a été validée par Brice Canvel (enseignant en mathématiques et en informatique, Collège Sainte-Croix à Fribourg), Javier Iglesias (enseignant en biologie et en informatique, Gymnase Provence à Lausanne et chercheur associé à l Université de Lausanne) ; André Maurer (enseignant en mathématiques et en informatique, Gymnase intercantonal de la Broye à Payerne) et Gabriel Thullen (enseignant en mathématiques et en informatique, Collège des Colombières à Versoix). Les éditions Springer-Verlag France et en particulier Charles Ruelle (éditeur responsable de l informatique) ont soutenu ce projet ; Nicolas Puech (professeur de mathématiques et d informatique en Classes Préparatoires), directeur de la collection IRIS, a assuré la relecture et la mise en page de cette traduction française. Qu ils soient tous remerciés pour leurs contributions. Les auteurs 1. L École polytechnique fédérale de Zurich est plus souvent désignée et connue sous sa dénomination allemande de Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich).

11 Àproposdesauteurs Werner Hartmann travaille sur la didactique de l informatique. Il est professeur honoraire à l ETH Zurich, directeur du Centre de l éducation aux médias de la Haute école pédagogique de Berne et auteur de plusieurs manuels sur la didactique informatique et l Internet. Docteur de l Université de Zurich, chercheur dans le domaine de la complexité algorithmique, il est aujourd hui spécialiste de la formation des enseignants aux sciences informatiques. Il a participé au développement de l environnement d apprentissage à la programmation Kara, du moteur de recherche éducationnel Soekia, de l environnement d apprentissage à la logique, aux systèmes dynamiques et aux files d attentes InfoTraffic et il est l un des initiateurs du portail éducatif SwissEduc. Michael Näf est diplômé en informatique et didactique de l ETH Zurich. Il est le co-auteur de plusieurs ouvrages dans le domaine des sciences et technologies de l information et est intervenu comme consultant dans le domaine de la didactique de l informatique. Il présente à ce titre une longue expérience de la formation continue auprès de divers types de public adulte. Il est désormais le PDG de Doodle, entreprise qu il a fondée en Doodle propose un service devenu très populaire de plate-forme Internet permettant de planifier en ligne les rendez-vous entre plusieurs personnes et de gérer des sondages. Raimond Reichert est diplômé en informatique et didactique de l ETH Zurich. Il a développé l environnement d apprentissage à la programmation Kara dans le cadre de son doctorat à l ETH Zurich. Ce logiciel s est vu décerner le Prix européen du logiciel académique Il a travaillé au centre de l innovation en apprentissage à l Université de St-Gall, comme chef de produit technique chez Swisscom et enseigne l informatique à un large public. Le coeur de son travail est de comprendre comment la programmation peut être enseignée et apprise. Il est maintenant directeur technique chez SwissEduc.

12 Sommaire Préface Avant-propos À propos des auteurs vii ix xiii I Classification et délimitation 1 1 L objet du cours d informatique, c est l informatique! 3 2 La mission des enseignants d informatique 11 3 Les professeurs d informatique et la maintenance 13 4 Les enseignants d informatique et l assistance TIC 17 5 Formation continue des enseignants d informatique 19 II Choix du contenu des cours 23 6 Connaissance des concepts et des produits 25 7 Adapter le contenu des cours au public visé 31 8 Idées fondamentales 33 III Organisation de l enseignement 47 9 Les différentes approches Objectifs pédagogiques 53

13 xvi Enseigner l informatique 11 Les cours d informatique doivent être planifiés 59 IV Méthodes d enseignement Méthodes pour l enseignement de l informatique Pédagogie expérientielle Travail en groupe Travaux dirigés Apprentissage par la découverte Pédagogie de projet 105 V Techniques d enseignement Les structurants préalables pour en venir à l essentiel Des abstractions qui deviennent concrètes Les visualisations pour découvrir l invisible Lire avant d écrire 139 VI Mise en œuvre de l enseignement Séparer la théorie et la pratique Distinguer les outils des objets Les enseignants ne doivent pas tout savoir Travail sur ordinateur : haut les mains! Apprendre à gérer ses erreurs 167 Index 175