Présentation de l'atelier 3 Objectifs pédagogiques 3 Déroulement de l'atelier 3 Matériel utilisé 3 Mission Bennu 4 Introduction 4 Tutoriels 4 Mission finale 5 Bilan 5 Programmation et robot 6 Ressources documentaires 8 Liens avec les programmes scolaires 8 Annexe 9 Programmation robot 2
Présentation de l'atelier Aujourd'hui, le numérique est utilisé partout et par tous. Ordinateur, tablette, smartphone... Tous ces objets numériques font partie du quotidien. Mais comment fonctionnent tous ces objets digitaux? Grâce à des programmes informatiques qui permettent à des ordinateurs, des robots d exécuter des actions. La compréhension des mécanismes de base de la programmation permet aux jeunes de comprendre le monde qui les entoure, de les rendre acteurs et non simples utilisateurs, de développer leur culture numérique Cet atelier «Programmation Robot» permet d'initier les élèves à la programmation. Objectifs pédagogiques - S'initier aux algorithmes et à la programmation - S'initier à la robotique - Aborder les sciences, la technologie et les mathématiques Déroulement de l'atelier L'atelier dure 90 minutes et se déroule en plusieurs temps : Introduction (15 min) : un flash-info en vidéo introduit le scénario puis des notions autour de la programmation sont abordées. «Tutoriels» (35 min) : les élèves s'exercent à programmer en apprenant à écrire des algorithmes correspondant à des fonctions types de programmation. Les élèves, répartis en groupes de 3, ont à leur disposition une tablette qui donne les instructions pour accomplir les 2 à 3 tutoriels. «Mission Bennu» (30 min) : en autonomie, les élèves écrivent un programme en réutilisant les fonctions vues précédemment pour assurer une mission précise. Les élèves doivent programmer leur robot qui doit se rendre sur la zone de conditionnement en évitant les obstacles et déposer le minerai. Bilan (10 min) : Le médiateur et les élèves échangent sur les différents programmes réalisés. Le médiateur aborde les différents éléments d'un programme, l'importance de la programmation dans le monde numérique... Matériel utilisé Tablettes, robots Lego Mindstorm EV3, le logiciel de programmation Robot C, ordinateur, tapis de parcours. Programmation robot 3
Mission Bennu Introduction Scénario : un flash-info vidéo introduit le scénario En 2040, une journaliste rappelle le discours de Barack Obama de 2010 annonçant les objectifs de la NASA. Elle informe du lancement d'un programme d'exploitation de minerais sur l astéroïde Bennu. Les élèves incarnent une équipe de programmeur de la NASA qui a pour mission de programmer des robots sur la plate-forme d'exploitation de minerais de l'astéroïde Bennu. Notions autour de la programmation Comment communiquons-nous avec les machines? Comment écrit-on un programme informatique? Quels appareils peut-on programmer? Architecture d'un robot. Les tutoriels Les tutoriels permettent aux élèves de s'exercer à programmer en apprenant à écrire des algorithmes correspondant à des éléments types d'un programme. Ils découvriront les variables, les boucles (répéter, attendre jusqu'à), les conditions (si alors) Le médiateur mène le 1 er tutoriel avec toute la classe. Les élèves font ensuite les tutoriels en autonomie sur la tablette et le pc : 2 ou 3 tutoriels différents en fonction du niveau. A chaque tutoriel, ils exécuteront le programme et verront le robot de déplacer sur le tapis. Les tutoriels leur permettront de réaliser la mission finale. Chaque tutoriel comprend les étapes suivantes : Visualisation d'une vidéo : les élèves observent les mouvements et les réactions du robot Texte à trous : ils complètent le texte à trous qui récapitule les actions du robot le programme en langage naturel : l'algorithme. Rédaction du programme guidé : ils utilisent les blocs du logiciel de programmation «Robot C» tout en étant guidés : quand on sélectionne un bloc, la traduction en français apparaît en info-bulle et le texte du programme en langage naturel se surligne en vert. Une fois le programme validé, les élèves peuvent revoir la vidéo du robot en action en synchronisation avec le programme. Programmation sur le pc : ils recopient le programme créé sur la tablette sur le pc avec le logiciel de programmation «Robot C». Puis, ils connectent le robot à l'ordinateur et téléchargent le programme sur le robot. Le robot se déplace sur le tapis de parcours en fonction du programme exécuté. Tous les tutoriels sont en annexe. Programmation robot 4
La mission finale «mission Bennu» En autonomie, les élèves doivent programmer leur robot en réutilisant les fonctions découvertes dans les tutoriels pour assurer la mission finale «Mission Bennu» : «Pour déposer le minerai, programmez votre robot pour qu'il se rende sur la zone de conditionnement verte en évitant les obstacles rouge et blanc. Vous disposez de différents capteurs pour mener à bien votre mission sur l'astéroïde Bennu.» Les élèves font leur programme directement sur l'ordinateur en utilisant le logiciel de programmation «Robot C» Ils ont accès sur la tablette à une aide comprenant : - le lexique des blocs : image du bloc, sa traduction et sa description - le rappel des tutoriels : visualisation des tutoriels - l'utilisation de Robot C : étapes de connexion et téléchargement du programme. Exemple de programme d'une mission finale après avoir fait les 3 tutoriels 1, 3 et 4. Bilan Échanges sur les programmes réalisés Le médiateur et les élèves échangent sur les différents programmes qui leur ont permis de mener à bien leur mission. Les différents éléments d'un programme et les enjeux de la programmation. Le médiateur fait un point sur les différents éléments d'un programme : les variables, les fonctions (conditions et boucles) sur l'interface graphique de «Robot C» puis en langage C. Il aborde l'importance de la programmation dans le monde numérique et quelques métiers du numérique. Programmation robot 5
Programmation et robot compris et exécuté par le microprocesseur d'un robot, d'un ordinateur... Un programme est composé de différentes parties : les variables : nom qui va être donné à un élément qui va contenir une valeur. Les variables peuvent être de plusieurs types : les chaînes de caractères, les valeurs numériques et les booléens. La variable sert à stocker en mémoire des valeurs, de manière à ce qu'elles puissent être réutilisés plus tard. En fonction du langage de programmation choisi, les termes permettant de communiquer avec la machine sont différents. Les boucles : sont des instructions permettant de répéter plusieurs fois une même action. Quelques exemples : attendre que, répéter, répéter jusqu'à... Les conditions : permettent d afficher des résultats en fonction de l existence ou non de paramètres précis. Quelques exemples : si alors si alors sinon La combinaison de variables, de boucles et de conditions est la base de tout algorithme. Programmes réalisés avec le logiciel de programmation de «Robot C» Interface graphique Langage C RobotC est un langage de programmation basé sur le langage C. C'est le premier langage en robotique, spécialisé dans le domaine de l'éducation. RobotC permet de programmer des robots tels que VEX, NXT, EV3 tout comme les Arduino MEGA 1280 et MEGA 2560. La syntaxe se rapproche beaucoup de celle d'autres langages de programmation tels que C++ ou Python. Programmation robot 6
Histoire des langages de programmation Il existe de multiples langages de programmation. Chacun étant adapté à des besoins spécifiques. Initialement, les instructions du programme étaient rentrées dans la machine en code binaire, spécifique à chaque type d ordinateur. L assembleur fut le premier langage qui a facilité cette saisie. Par la suite des langages plus évolués ont été développés, comme FORTRAN (1956) destiné aux calculs scientifiques ou COBOL (1959) utilisé pour la gestion des entreprises, mais ils sont lourds et complexes. Avec l avènement des micro-ordinateurs, des langages simplifiés destinés au grand public comme BASIC (1963) apparaissent. Le langage C (1972) est accessible à tous. Dès 1980, son évolution C++ est employée dans les jeux vidéo. Avec Internet, apparaît JAVA (1995) utilisé dans les applications Web et dans tous les objets connectés. La programmation des robots Mindstorms se fait grâce à une interface graphique spécifique à LEGO, mais il également possible de les programmer en langage JAVA. Les robots Tout robot est équipé de microprocesseurs pour exécuter un programme, d'actionneurs servant à effectuer différentes actions, différents ordres (comme l'activation d'un moteur), de capteurs qui permettent aux robots de recevoir des informations sur l'environnement (présence d'un objet, température, luminosité ) ou sur les composants internes (comme la position d'un moteur). Les robots Lego Mindstorms possèdent : - un logiciel de programmation par un système de blocs graphiques ; - une brique programmable intelligente (sur laquelle il est également possible de créer un programme) qui commande des moteurs et des capteurs et permet aussi une communication sans fil (Wi-Fi et Bluetooth) ; - des capteurs : à ultrason (permettant d'éviter des obstacles, suivre une cible mobile ou détecter un mouvement), tactile, de température, de couleur (détecte des couleurs ou une intensité lumineuse), infrarouge, gyroscopique (mesure la vitesse et l'angle de rotation du robot) ; - deux grands moteurs et un moteur moyen (moins puissant mais plus rapide). Le kit robotique Lego MINDSTORMS EV3 est utilisé dans les collèges et lycées pour l'apprentissage des sciences et de la robotique. Il est également utilisé à des niveaux supérieurs grâce à sa capacité à être programmé par des langages plus puissants comme RobotC et grâce à sa capacité à accueillir un grand nombre de capteurs et accessoires supplémentaires. Programmation robot 7
Ressources documentaires Sites Internet Programmation, langages de programmation Interstices : les ingrédients des algorithmes : https://interstices.info/jcms/c_43821/les-ingredients-desalgorithmes Interstices : la naissance des langages de programmations : https://interstices.info/jcms/c_39194/naissance-des-langages-de-programmation Comment-ça marche? http://www.commentcamarche.net/contents/6-algortihme-definition-et-introduction http://www.commentcamarche.net/contents/617-les-langages-informatiques http://www.commentcamarche.net/contents/618-programme-informatique Logiciel en ligne pour une inititiation à la programmation Scratch : https://scratch.mit.edu/ Studio.org : studiocode.org Light-bot : https://lightbot.com/ Tangara : http://tangara.colombbus.org/server/web/ Robot et pédagogie : Robot en classe : http://www.robotsenclasse.ch/la-robotique-pedagogique Edurobot : www.edurobot.ch Eduscol : ressources pour l'isn initiation robotique http://cache.media.eduscol.education.fr/file/isn_tle_s/24/5/lyceegt_ressource_isn_20_06_tle_s_32 _Initiation_Robotique_218245.pdf Liens avec les programmes scolaires Collège Mathématique Technologie Socle commun de connaissances et de compétences 3- Les principaux éléments de mathématiques et la culture scientifique et technologique 4- La maîtrise des techniques usuelles de l information et de la communication Le B2i : Brevet Informatique et Internet Éducation aux médias et à l information Lycée Maths Sciences de l ingénieur, création et innovation technologique, Informatique et création numérique (enseignement d exploration en seconde) Sciences de l'ingénieur (1 ère + terminale S ) - Informatique et sciences du numérique (terminale S) Système d information et numérique (1 ère et terminale sti2d) Système électronique et numérique (filière professionnelle) Programmation robot 8
Annexe Tutoriels Tutoriel n 1 : Le robot avance lentement de 3 tours de roues, tourne à droite et baisse la pelle. Avancer, tourner, actionner un moteur (baisser la pelle) sur un nombre de rotation moteur bien précis. Tutoriel n 2 : Le robot avance lentement et attend d être à 10 cm de l obstacle pour tourner à gauche et baisser la pelle. Avancer à l'infini, tourner, actionner un moteur (baisser la pelle) sur un nombre de rotation moteur bien précis, utilisation de la fonction «attendre que» avec le capteur ultrason. Tutoriel n 3 : Le robot avance lentement et attend d être à 10 cm de l obstacle pour s'arrêter. Avancer à l'infini, utilisation de la fonction «attendre que» avec le capteur ultrason. Tutoriel n 4 : Si le robot voit du rouge, il tourne à droite. Si le robot voit du vert, il tourne gauche. Tourner, fonction «si/alors» avec capteur couleur. Programmation robot 9
Tutoriel n 5 : Le robot répète l'action «avancer lentement» jusqu'à ce qu'il voit du vert puis il s'arrête. Avancer à l'infini, «répéter jusqu'à» avec capteur couleur. Tutoriel n 6 : Le robot répète l'action «avancer lentement» jusqu'à ce qu'il soit à 10 cm de l'obstacle puis il s'arrête. Avancer à l'infini, «répéter jusqu'à» avec capteur ultrason. Tutoriel n 7 : Si le robot voit du vert, il tourne à gauche sinon il tourne à droite. Tourner sur un nombre de rotation moteur bien précis, fonction «si/alors/sinon» avec capteur couleur. Tutoriel n 8 : Si le robot est à moins de 10 cm de l obstacle, il recule sinon il baisse la pelle. Avancer reculer, actionner un moteur (baisser la pelle) sur un nombre de rotation moteur bien précis, fonction «si/alors/sinon» avec capteur ultrason. Tutoriel n 9 : Le robot répète 4 fois l action : avancer et tourner à droite. Avancer, tourner sur un nombre de rotation moteur bien précis et la fonction boucle numérique. Programmation robot 10
Ce dossier a été réalisé par l'équipe de médiation scientifique de la Cité des télécoms de Pleumeur-Bodou / 2015-2016 Pour toute information pédagogique, vous pouvez joindre l'équipe de médiation au 02 96 46 68 50