Approche didactique et instrumentale de la pensée informatique : focus sur le concept de motif

Didactic and instrumental approach to computational thinking : focus on the concept of motif

• Auteur / Autrice : Marielle Léonard
• Direction : Cédric Fluckiger, Yvan Peter, Yann Benoît Daniel Secq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'éducation et de la formation
• Date : Soutenance le 13/11/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'homme et de la société
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre interuniversitaire de recherche en éducation (Villeneuve d'Ascq, Nord) - Centre de Recherche en Informatique, Signal et Automatique de Lille
• Jury : Président / Présidente : Clarisse Dhaenens
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mariam Haspekian, Sandra Nogry
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sébastien George, Béatrice Drot-Delange

Mots clés

Mots clés contrôlés

Informatique

Éducation et informatique

Programmation (informatique)

Mots clés libres

Apprentissage de la programmation

Eiah

Pensée informatique

Pensée algorithmique

Motif

Boucle

Programing learning

Technology Enhanced Learning

Computational thinkink

Algorithmic thinking

Pattern

Loop

Résumé

En France, depuis 2016, l'initiation à la programmation informatique est présente dans les curricula scolaires de l'école obligatoire. L'objectif de cette thèse est de comprendre le processus de conceptualisation lors de la résolution de puzzles de programmation par des sujets âgés de 7 à 15 ans. À cette fin, nous combinons les apports respectifs de la théorie des champs conceptuels (Vergnaud, 1991) et de l'analyse de traces d'interaction dans un EIAH. Nous nous concentrons sur le concept de motif, en particulier lors des premières confrontations avec la notion de boucle en programmation par blocs. Nous définissons un motif comme « une entité repérable au sein d'un ensemble car répétée à l'identique ou avec des variations prédictibles » et mettons en évidence la place essentielle de ce concept lors de l'initiation à la pensée algorithmique. L'approche didactique adoptée vise à positionner le concept de motif au sein d'un champ conceptuel des notions de base de l'algorithmique, champ conceptuel qui a pour périmètre la programmation impérative en langage Scratch au niveau de l'école obligatoire. Au sein de ce champ conceptuel, nous approfondissons l'étude des situations de programmation d'un robot virtuel sur une grille qui requièrent l'utilisation d'une boucle. Notre protocole expérimental est adossé au concours en ligne de programmation Algoréa. Nous avons construit un outillage méthodologique incluant un dispositif de collecte de données à trois échelles, des analyses statistiques sur de larges échantillons, une automatisation du traitement de traces d'interaction avec l'EIAH, et des analyses qualitatives d'enregistrements vidéo d'écran. Cet outillage méthodologique, qui permet de combiner précision des analyses qualitatives et robustesse statistique, constitue l'un des apports de la thèse. Avec cette approche, nous avons d'abord réalisé une étude instrumentale de l'EIAH telle que la définit Rabardel (1995). Son but est de distinguer ce qui, dans l'activité, relève de la maîtrise conceptuelle et ce qui relève de la maîtrise instrumentale d'un environnement de programmation particulier. Nous nous sommes ensuite concentrés sur la conceptualisation-en-acte au sens de Vergnaud (1991). Nous avons identifié les schèmes mis en œuvre par le sujet lors de l'activité de programmation étudiée, notamment les invariants opératoires sous-jacents. Nos analyses nous permettent ainsi d'identifier et de documenter des paliers de difficulté et des erreurs récurrentes lors des premiers apprentissages de la boucle. Une de nos perspectives de recherche est de reproduire cette démarche pour mener des investigations sur l'ensemble des concepts abordés lors de l'initiation à la programmation informatique au niveau de l'école obligatoire. Ces résultats constituent une contribution de nature à outiller les enseignants de l'école élémentaire et du collège pour accompagner leurs élèves et les aider à surmonter les difficultés rencontrées lors de l'apprentissage des concepts fondamentaux de l'algorithmique.

In France, since 2016, introduction to computer programming has been included in compulsory school curricula. The objective of this thesis is to understand the conceptualization process when solving programming puzzles by subjects aged 7 to 15 years old. To this end, we combine the respective contributions of conceptual field theory (Vergnaud, 1991) and the analysis of pupils activity in a TEL environment. We focus on the concept of pattern, in particular during the first confrontations with the loop notion in block programming. We define a pattern as “an entity identifiable within a set because it is repeated identically or with predictable variations” and highlight the essential place of this concept when initiating algorithmic thinking. The didactic approach adopted aims to position the concept of pattern within a conceptual field of basic notions of algorithms, a conceptual field which has as its scope imperative programming in Scratch language at compulsory school level. Within this conceptual field, we deepen the study of programming situations of a virtual robot on a grid which require the use of a loop. Our experimental protocol is backed by the Algoréa online programming competition. We are building methodological tools including a data collection device at three scales, statistical analyzes on large samples, automation of the processing of interaction traces with the EIAH, and qualitative analyzes of screen video recordings. This methodological tool, which makes it possible to combine the precision of qualitative analyzes and statistical robustness, constitutes one of the contributions of this thesis. With this approach, we first carry out an instrumental study of the TEL environmentas defined by Rabardel (1995). Its goal is to distinguish what, in the activity, relates to conceptual mastery and what relates to instrumental mastery of a particular programming environment. We then focus on conceptualization-in-act in the sense of Vergnaud(1991). We identify the schemes implemented by the subject during the programming activity studied, in particular the underlying operational invariants. Our analyzes allow us to identify and document levels of difficulty and recurring errors during the first learning of the loop. One of our research perspectives is to reproduce this approach to carry out investigations on all the concepts covered during the introduction to computer programming at compulsory school level. These results constitute a contribution likely to help elementary and middle school teachers to support their pupils and help them overcome the difficulties encountered when learning fundamental concepts of algorithms.