Apprentissage de la programmation informatique : analyses et ressources pour accompagner la transition collège-lycée

Computer programming education : analyses and resources to support the transition from middle school to high school

• Auteur / Autrice : Matthieu Branthome
• Direction : Ghislaine Gueudet, Cédric Fluckiger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'éducation
• Date : Soutenance le 11/10/2023
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : Éducation, langages, interactions, cognition, clinique, expertise (Rennes ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur l'éducation, les apprentissages et la didactique (Rennes)
• Jury : Président / Présidente : Patricia Marzin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ghislaine Gueudet, Cédric Fluckiger, Patricia Marzin, Sébastien George, Vanda Luengo, Gilles Dowek, Jean-Marie Gilliot, Agathe Merceron
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien George, Vanda Luengo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Programmation (informatique)

Étude et enseignement (secondaire)

Informatique

Mots clés libres

Enseignement-apprentissage de la programmation

Transition blocs-texte

Jeux sérieux

Rétroactions automatiques

Analytique des apprentissages

Apprentissage automatique

Computer programming education

Block-to-text transition

Serious games

Automatic feedback

Learning analytics

Machine learning

Résumé

L’objectif de cette thèse est d’abord d’analyser la transition collège-lycée afin de mettre au jour les discontinuités que peuvent rencontrer les élèves lorsqu’ils apprennent à programmer, puis de concevoir une ressource d’enseignement à même de les accompagner dans ces différents changements. Pour ce faire, nous commençons par réaliser une analyse épistémologique portant sur la programmation informatique, puis effectuons une étude approfondie des curriculums s’appuyant sur la Théorie anthropologique du didactique, et examinons en détails les différences entre les langages Scratch et Python. Nous menons ensuite une enquête auprès de 480 enseignants visant à connaitre leurs pratiques d’enseignement. En nous basant sur ces analyses préalables, nous concevons l’application en ligne Pyrates sous la forme d’un jeu sérieux d’apprentissage du langage Python. Son environnement est aménagé afin de faciliter la transition blocs-texte, et ses huit niveaux mettent en jeu les concepts fondamentaux de la programmation à travers des situations ludiques conçues selon la Théorie des situations didactiques. Nous évaluons ensuite cette application dans les classes auprès de 240 élèves de seconde. L’étude des traces d’activités générées nous permet de valider globalement cette conception. Enfin, nous créons un système de rétroactions automatiques sélectionnées par des modèles d’IA afin d’améliorer l’autonomie des élèves. Ces modèles, qui font des prédictions en fonction de l’activité des élèves, sont entrainés à partir de données étiquetées par des enseignants lors d’une seconde expérimentation dans les classes de seconde impliquant 215 élèves.

The aim of this thesis is first to analyse the teaching and learning of programming at the transition between lower and upper secondary school (from grade 9 to grade 10) in France in order to enlighten the discontinuities that students may encounter when they learn to program, and then to design teaching materials that can support them through these various changes. We began with an epistemological analysis of computer programming, followed by an in-depth study of curricula based on the anthropological theory of didactics, and a detailed investigation of the differences between the Scratch and Python programming languages. We then conduct a survey with 480 teachers to find out about their teaching practices. Based on these preliminary analyses, we designed the Pyrates online application as a serious game for learning the Python language. Its environment was tailored to facilitate the transition from blocks to text, and its eight levels involve the fundamental concepts of programming through playful situations conceived according to the Theory of didactical situations. We then evaluated this application in the field with 240 tenth-grade students. By studying the generated activity traces, we were able to validate the overall design. Finally, we created an automatic feedback system based on AI models to improve students’ autonomy. These models make predictions relying on student activity, and were trained on data labelled by teachers during a second field experiment involving 215 students.