La programmation informatique à l’école primaire : pratiques effectives de programmation et mobilisation d’habiletés de résolution collaborative de problèmes (RCP)

Abstract

L’objectif de cette recherche doctorale est de décrire et comprendre les effets de la programmation informatique sur l’apprentissage et la mobilisation de compétences d’élèves du primaire. Notre intérêt pour ce phénomène se justifie sous deux considérations : d’abord, la programmation est une activité qui a connu une démocratisation au cours des dernières années, notamment dans le milieu scolaire. Puis, en ce qui concerne la résolution collaborative de problèmes (RCP), il s’agit de compétences appartenant à ce que certains appellent les compétences du 21e siècle (voir notamment Chalkiadaki, 2018; van Laar et al., 2017), et que d’autres appellent les compétences du futur (Conseil des compétences futures, 2020; Gouvernement du Canada, 2020). Les recherches empiriques menées en contextes authentiques de classe sont très peu nombreuses dans la littérature (Lye et Koh, 2014), ce qui atteste pour nous la nécessité de porter un regard contemporain et imprégné des nouvelles tendances technopédagogiques sur ce phénomène d’envergure internationale.

Les principaux référents conceptuels sont associés au champ de l’apprentissage collaboratif à l’aide de l’ordinateur (en anglais le Computer-supported collaborative learning, CSCL), un champ dont nous citons plusieurs travaux réalisés dans les années 1990 (Koschmann et al., 1996; Scardamalia et Bereiter, 1994). Il nous a permis d’aborder les aspects techniques (programmation, ordinateur), sociaux (interactions, médiatisation) et pédagogiques (apprentissage, développement de compétences) du phénomène que nous souhaitions étudier.

À l’aide d’un devis qualitatif et interprétatif de type étude de cas multiples, nous avons mis en place un scénario pédagogique dans trois écoles primaires au Québec. Amenant les élèves à découvrir graduellement les concepts fondamentaux de la programmation informatique, le scénario Deviens un maître NAO mise sur la programmation visuelle et tangible pour mobiliser, voire développer, un ensemble d’habiletés et de compétences, tant transversales que disciplinaires. Une série de 20 niveaux sont proposés aux élèves, qui doivent réaliser des programmes ayant pour but d’animer un robot humanoïde nommé NAO. Le premier cas a été observé dans une école alternative de Montréal. Les élèves (n=29) ont été séparés en équipes multiniveau, ce qui a amené la collaboration d’élèves d’âges et de niveaux scolaires différents. Les cas 2 à 5 ont été étudiés dans une école de Montréal et présentent des élèves de quatrième, cinquième et sixième année (n=70). Enfin, le dernier cas se situait dans une classe de cinquième année de la grande région de Québec (n=10). Plusieurs de ces élèves ont des difficultés d’apprentissage ou sont en situation de handicap.

Nous avons observé les pratiques effectives de programmation ainsi que la mobilisation des compétences de RCP à l’aide d’un appareillage méthodologique considérable : (a) une caméra filmant l’activité des élèves dans leur environnement immédiat, (b) la caméra intégrée de l’ordinateur qui filmait le visage des élèves et leurs interactions verbales, et (c) l’enregistrement de l’écran d’ordinateur que les élèves utilisaient pour faire la programmation visuelle et tangible du robot NAO. Nous avons ensuite utilisé ce corpus de données vidéos pour déterminer une typologie des pratiques effectives de programmation d’élèves du primaire, pour créer une grille d’observation de la RCP à partir d’observations empiriques et authentiques et pour comprendre le processus de RCP dans le cadre d’une activité de programmation au primaire.

Parmi les principaux résultats, nous proposons une typologie des pratiques de programmation visuelle fortement basée sur nos observations empiriques, ce qui l’ancre fortement dans la réalité du terrain de recherche. Puis, nous avons également été en mesure de concevoir une grille d’observation de la RCP en nous appuyant sur les travaux scientifiques antérieurs et, surtout, sur nos observations empiriques. Cette grille, présentant 3 dimensions et 15 indicateurs, permet d’observer les processus et habiletés mis en œuvre par les élèves de façon collaborative. Enfin, l’utilisation de cette grille a mené à l’analyse systématique et compréhensive de la façon dont les élèves parvenaient à compléter les activités de programmation de façon collaborative. Nous soulignons d’une part la prépondérance de certaines habiletés (échanges à propos du problème, attribution explicite ou implicite des rôles, vérification des solutions, etc.), et d’autre part la faible mobilisation d’habiletés comme l’adaptation des interventions, l’identification des forces et des faiblesses et la vérification des actions.

The objective of this doctoral research is to describe and understand the effects of computer programming on the learning and mobilization of skills of elementary school students. Our interest in this phenomenon is justified by two considerations: first, programming is an activity that has been democratized in recent years, especially in the school environment. Second, with respect to collaborative problem solving (CPS), these are skills that belong to what some call 21st century skills (see, for example, Chalkiadaki, 2018; van Laar et al., 2017), and others call future skills (Future Skills Council, 2020; Government of Canada, 2020). Empirical research conducted in authentic classroom contexts is very scarce in the literature (Lye and Koh, 2014), which attests to the need for us to take a contemporary look at this international phenomenon, infused with new techno-pedagogical trends.

The main conceptual referents are associated with the field of Computer-supported collaborative learning (CSCL), a field from which we cite several studies conducted in the 1990s (Koschmann et al., 1996; Scardamalia and Bereiter, 1994). It allowed us to address the technical (programming, computer), social (interactions, mediatization) and pedagogical (learning, skill development) aspects of the phenomenon we wanted to study.

Using a qualitative and interpretative multiple case study design, we implemented a pedagogical scenario in three elementary schools in Quebec. By gradually introducing students to the fundamental concepts of computer programming, the Become a NAO Master scenario relies on visual and tangible programming to mobilize and even develop a set of skills and competencies, both transversal and disciplinary. A series of 20 levels are offered to students, who must create programs to animate a humanoid robot named NAO.

The first case was observed in an alternative school in Montreal. The students (n=29) were separated into multi-level teams, which led to the collaboration of students of different ages and grade levels. Cases 2-5 were studied in a Montreal school and featured students in grades 4, 5, and 6 (n=70). Finally, the last case was in a fifth grade class in the greater Quebec City area (n=10). Many of these students have learning difficulties or disabilities.

We observed the effective programming practices as well as the mobilization of CPR skills using a considerable methodological apparatus. Indeed, for each team in each class, we had: (a) a camera filming students' activity in their immediate environment, (b) the computer's built-in camera that filmed students' faces and verbal interactions, and (c) the recording of the computer screen that students used to do the visual and tangible programming of the NAO robot. We then used this video data set to determine a typology of elementary students' effective programming practices, to create a CPS observation grid based on empirical and authentic observations, and to understand, using the created grid, the process of CPS in an elementary programming activity.

Among the main results, we propose a typology of visual programming practices strongly based on our empirical observations, which anchors it strongly in the reality of the research field. Then, we were also able to design a CPS observation grid based on previous scientific works and, above all, on our empirical observations. This grid, presenting 3 dimensions and 15 indicators, allows us to observe the processes and skills implemented by the students in a collaborative manner. Finally, the use of this grid led to a systematic and comprehensive analysis of the way in which students managed to complete programming activities in a collaborative manner. On the one hand, we note the preponderance of certain skills (exchanges about the problem, explicit or implicit assignment of roles, verification of solutions, etc.), and on the other hand, the weak mobilization of skills such as adapting interventions, identifying strengths and weaknesses, and verifying actions.