Guide de l'enseignant qui souhaite accompagner une classe à la First Lego League.

58 Pages·2013·5.29 MB·French

Guide à l’intention des enseignantEs qui souhaitent
accompagner une équipe d’élèves du cycle 2-3 en vue
de la participation à un concours de robotique avec des
LEGO Mindstorms

Anne-Christine Gugler
[email protected]
Lausanne, août 2013
Remerciements

Je tiens à remercier Madame Quinche pour avoir accepté de superviser ce travail et pour ses
remarques constructives lors du premier jet. Je remercie particulièrement Madame Pauline
Ruffiot du Centre Roberta de l’EPFL pour son aide. Merci aux enseignants de l’Ecole
Internationale de Haut-Lac-Vevey, de l’établissement secondaire de Vevey, des Trois Sapins
d’Echallens et de l’école primaire de Saint-Imier qui ont pris le temps de répondre à mon
questionnaire. J’en profite pour féliciter toute l’équipe du Bureau de l’égalité des chances et
du Centre Roberta qui organisent de fantastiques événements en lien avec les robots
Mindstorms.

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Table des matières
1. Objectif et contenu ....................................................................................................................................... 5
2. Qu’est-ce qu’une coupe de robotique ? .............................................................................................. 6
3. Les apprentissages liés à un concours de robotique ................................................................ 11
3.1. Les apprentissages liés aux disciplines .................................................................................. 12
3.2. Les apprentissages liés à la formation générale ................................................................ 12
3.3. Les capacités transversales .......................................................................................................... 13
4. L’apprentissage de la robotique à l’école dans le PER, cycle 3 - spécification Vaud . 14
4.1. Option spécifique vaudoise VP: « mathématiques et physiques » ............................ 14
4.2. Options de Compétences Orientées Métiers OCOM – MITIC (VG)............................. 15
5. Le robot LEGO Mindstorms NXT 2.0 ou EV3 ................................................................................ 16
6. La programmation du Mindstorms .................................................................................................. 18
7. Prérequis pour encadrer une équipe ............................................................................................... 19
8. Les différents concours de robots Mindstorms .......................................................................... 20
8.1. La compétition FIRST® LEGO® League ................................................................................ 21
8.1.1. Description de la partie « robot match » ...................................................................... 24
8.1.2. Description de la partie « robot design », construction et programmation 27
8.1.3. Description de la partie « projet de recherche » ....................................................... 32
8.1.4. Description de la partie « esprit d’équipe » ................................................................ 36
8.2. La Coupe Roberta .............................................................................................................................. 37
8.2.1. Défi « Live Challenge » ........................................................................................................... 37
8.2.2. Robot match ............................................................................................................................... 37
9. Les élèves que vous préparerez à un concours de robotique .............................................. 38
10. Matériel, logistique et budget .......................................................................................................... 39
10.1. Matériel robotique ....................................................................................................................... 39
10.2. Table, tapis de jeu et objets de missions ........................................................................... 40
10.3. Logistique ......................................................................................................................................... 42
10.4. Budget ................................................................................................................................................ 42
10.5. Idées de financement .................................................................................................................. 43
11. Idées de planification et d’encadrement .................................................................................... 43
11.1. Préparation à la FLL .................................................................................................................... 44
11.2. Préparation à la Coupe Roberta ............................................................................................ 46
12. Guide de démarrage rapide - robot + programmation ........................................................ 46
12.1. Les documents de référence pour le concours FLL ..................................................... 46
12.2. Suggestions de construction du robot de base .............................................................. 47
12.3. Comment concevoir des accessoires ou outils pour le robot ................................ 48
3
12.4. Des astuces pour programmer efficacement .................................................................. 50
13. Conclusion ................................................................................................................................................. 53
14. Bibliographie ........................................................................................................................................... 55
14.1. Livres .................................................................................................................................................. 55
14.2. Fournitures matériel ................................................................................................................... 57
14.3. Sites internet................................................................................................................................... 57
14.4. Forum ................................................................................................................................................. 58
14.5. Tutoriels ............................................................................................................................................ 58
14.6. Vidéos ................................................................................................................................................. 58

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1. Objectif et contenu

L’objectif de ce guide est d’encourager le plus d’enseignantEs et donc d’élèves en Suisse
Romande à se lancer dans cette expérience enrichissante, en terme de savoir, de gestion de
projet et de collaboration qu’est un concours de robotique.

Ce document s’adresse à vous enseignantEs des cycles 2 et 3 qui souhaitez enseigner la
robotique à des élèves en vue d’un concours de robotique LEGO Mindstorms. Il n’est pas
nécessaire d’avoir fait des études techniques pour utiliser des robots Mindstorms. Cependant,
avoir suivi un cours d’introduction vous permettra d’enseigner de manière plus efficace et
vous fera gagner du temps. Le contenu de ce guide est tiré de mon expérience extrascolaire
comme encadrant d’une équipe de robotique constituée de jeunes entre 10-11 ans. Il est aussi
la synthèse de discussions et de réflexions que j’ai eues avec des enseignantEs ayant déjà
participés à des concours en 2012 – 2013, ainsi que la compilation des réponses à un
questionnaire auxquels certains d’entre eux ont eu la gentillesse de répondre.

Vous découvrirez ici les différents concours qui utilisent les LEGO Mindstorms et leur
déroulement. Ce document met en évidence les compétences développées selon le Plan
d’Etude Romand – PER. Ce sont des apprentissages liés aux sciences mais aussi aux
technologiques de l’information et de la communication MITIC1 ainsi qu’à la gestion de
projet. Dans le canton de Vaud, la robotique est un objet d’apprentissage dans le cas de
l’option spécifique ou orientée métier. Elle peut aussi être un moyen de mettre en pratique des
objets d’apprentissage liés à d’autres disciplines que la robotique. Je me focaliserai ici sur la
préparation à la participation à un concours de robotique LEGO Mindstorms. Je ferai le lien
lors de l’explication détaillée des différentes parties des concours de robotique avec les
apprentissages du PER. Le calendrier des concours et l’occasion pendant laquelle vous
pratiquez la robotique devraient vous permettre de choisir le/s concours adaptés/s à vos élèves
en fonction de leur niveau ainsi que d’avoir une vision d’ensemble du travail préparatoire à
effectuer. Au fil du document vous trouverez des liens vers des ressources essentielles ce qui
devrait faciliter les premiers pas de l’équipe. Dans cette optique, le dernier chapitre donne des
solutions et des conseils pour commencer rapidement.

1 Médias, Image, Technologies de l'Information et de la Communication
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2. Qu’est-ce qu’une coupe de robotique ?

1. Tables de jeu en duo au Rolex Learning Center. Sur le tapis imprimé, on voit les objets des
missions

Le premier concours de robotique eut lieu en 1992. Il était organisé par une association à but
non lucratif nommée FIRST fondée par Dean Kamen en 1989 aux Etats-Unis. FIRST est
l’acronyme de For Inspiration and Recognition of Science and Technology. Dean Kamen est
plus connu comme inventeur du Segway. Son idée était d’avoir un terrain de compétition sur
lequel les élèves plutôt intellectuels pourraient s’affronter à l’image des sportifs sur un terrain
de sport. Le concours spécifique aux LEGO : First LEGO League est né en 1999 aux Etats-
Unis. (Kelly, 2008).

Les concours de robotique avec des LEGO Mindstorms sont des événements, en Suisse
romande, organisés par des hautes écoles et L’EPFL auxquels plusieurs équipes d’enfants de
10 à 16 ans participent. Une équipe est composée de deux à dix enfants et est supervisée par
un « coach » ou unE enseignantE. L’action se déroule sur une table recouverte d’un tapis de
jeu imprimé. Des éléments de construction LEGO fixés à l’aide de bandes Velcro™
composent les objets des missions

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Les équipes s’affrontent lors de matchs organisés sous la forme de manches un contre un. Les
équipent doivent faire effectuer à leur robot des missions connues à l’avance afin de gagner
un maximum de points. Leur robot LEGO Mindstorms est autonome car il a été programmé
au préalable grâce à un logiciel graphique qui lui est propre. Sur la table, il y a une zone
appelée base qui est le seul endroit où on peut manipuler le robot pour lui connecter des
accessoires. Il faut noter que le robot est construit uniquement avec des pièces LEGO.

Zone de base
+ hauteur de
40 cm

2. Schéma de la table de jeu, vue de dessus. Le robot part de la base et effectue un aller - retour en
ligne droite pour aller prendre la chaise

« La base est une boite imaginaire. Elle est représentée par le périmètre inscrit sur le tapis,
elle est formée par ces lignes, les bordures intérieures de la table adjacentes et a un plafond à
40 cm. La base est un volume, pas une surface. La base est le lieu de service du robot, soit de
préparation, de départ et d’arrivée. » 2

« Une mission est une tâche que le robot doit accomplir pour gagner des points. Plus le robot
remplit de missions plus le score sera élevé. »3On trouve sur Youtube une vidéo officielle
dans laquelle les missions sont expliquées. Cependant il est quand même nécessaire de lire les
divers règlements ayant trait à la compétition.

2 Règlement du concours FLL
3 Règlement du concours FLL
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3. Le film explique les missions et les points gagnés lorsqu'elles sont réussies.
http://www.youtube.com/watch?v=QqNKI0PyakI

Un exemple de mission issue du challenge Senior Solutions 2012 :
Zone de base MENUISERIE, le robot doit aller chercher une chaise cassée et la ramener à la base.

4. Extrait du FLL Robot Game - Missions 2012 – mission MENUISERIE
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La mission MENUISERIE réalisée par l’équipe les SAPtellites :

5. Mission : le robot doit aller chercher une chaise et la ramener à la base. On l’oriente de telle
sorte qu’il soit en ligne droite avec la chaise

Axe moteur du robot
Objet de la mission, chaise à réparer

Accessoire qu’on attache à
l’axe moteur du robot et qui
sert d’outil à attraper la
chaise

6. Avant du robot : on voit un moteur et l'outil formé de LEGO qui y sera connecté
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Le robot est parti de la base.
Il avance en ligne droite,
s’arrête, fait tourner son
moteur ce qui descend l’outil
crochet.

7. Accessoire actif qui attrape la chaise par rotation de haut en bas

Puis le robot recule en ligne
droite vers la base tout en
ramenant la chaise

8. Les déplacements du robot lors de la mission menuiserie

Et en vidéo avec un autre robot : http://www.youtube.com/watch?v=Peeko0AhBT0

Le robot, lors des missions, doit saisir, poser ou pousser des objets. On lui fixe donc des
accessoires, appelé aussi outils, passifs ou actifs qui permettent de réaliser ces différentes
actions. Les accessoires passifs dépendent du mouvement du robot et les accessoires actifs
sont mus grâce à un moteur. Vous trouverez plus de détails sur les accessoires au chapitre sur
la conception des accessoires ou outils pour le robot.

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