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UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL Conception et développement d’un environnement favorisan

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL Conception et développement d’un environnement favorisant l’apprentissage des concepts fondamentaux de la programmation par Yves Boudreault Département de didactique Faculté des sciences de l’éducation Thèse présentée à la Faculté des études supérieures En vue de l’obtention du grade de Philosophiae Doctor (Ph.D.) En didactique des sciences Novembre 2003 à compterd “- 2004 O e © Yves Boudreault, 2003 de f Université 1h de Montréal Direction des bibliothèques AVIS L’auteur a autorisé l’Université de Montréal à reproduire et diffuser, en totalité ou en partie, par quelque moyen que ce soit et sur quelque support que ce soit, et exclusivement à des fins non lucratives d’enseignement et de recherche, des copies de ce mémoire ou de cette thèse. L’auteur et les coauteurs le cas échéant conservent la propriété du droit d’auteur et des droits moraux qui protègent ce document. Ni la thèse ou le mémoire, ni des extraits substantiels de ce document, ne doivent être imprimés ou autrement reproduits sans l’autorisation de l’auteur. Afin de se conformer à la Loi canadienne sur la protection des renseignements personnels, quelques formulaires secondaires, coordonnées ou signatures intégrées au texte ont pu être enlevés de ce document. Bien que cela ait pu affecter la pagination, il n’y a aucun contenu manquant. NOTICE The author of this thesis or dissertation has granted a nonexclusive license allowing Université de Montréal to reproduce and publish the document, in part or in whole, and in any format, solely for noncommercial educational and research purposes. The author and co-authors if applicable retain copyright ownership and moral rights in this document. Neither the whole thesis or dissertation, nor substantial extracts from it, may be printed or otherwise teproduced without the author’s permission. In compliance with the Canadian Privacy Act some supporting forms, contact information or signatures may have been removed from the document. While this may affect the document page count, it does not represent any loss of content from the document. UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL Faculté des études supérieures Cette thèse intitulée: Conception et développement d’un environnement favorisant l’apprentissage des concepts fondamentaux de la programmation présentée par Yves Boudreault a été évaluée par un jury composé des personnes suivantes: france Caron présidente rapporteur Pierre Nonnon Directeur de recherche Aude Dufresne Membre du jury Martin Gagnon Examinateur extérieur Jacques Bélair Représentant du doyen de la FES . RESUME L’Environnement Informatique pour l’Apprentissage Humain (EIAH) réalisé dans le cadre de cette recherche de développement se compose d’exercices de programmation à l’aide d’un montage électronique robotisé et d’un tutoriel. Notre principale motivation était la recherche de nouveaux moyens qui permettraient de rejoindre l’ensemble de notre clientèle étudiante fortement hétérogène. Pour ce faire, nous avons conçu notre EIÀH de manière à proposer des moyens différents et diversifiés favorisant l’apprentissage de la programmation. Notre étude nous a dévoilé que ces derniers moyens permettent de créer de nouveaux rapports aux savoirs et au savoir-faire puisque l’environnement englobe différents concepts liés à l’apprentissage tels, l’apprentissage individualisé, l’approche socioconstructiviste, la pédagogie de projets, l’apprentissage collaboratif et l’apprentissage par analogie. Les deux composantes de cet EIAH peuvent être utilisées conjointement, simultanément ou séparément en temps opportun. Cela nous permet d’envisager la composition de plusieurs situations d’apprentissage d’ordre didactique ou a-didactique permettant des rapports aux savoirs variés. Les prototypes matériels et logiciels utilisés ont été évalués puis modifiés au niveau fonctionnel avant de les proposer à nos étudiants. Mots clés didactique, programmation informatique, EJAH, tutoriel, sciences et technologie, u SUMMARY The Intelligent Educative System (TES) realized in this development research content programming exercises with electronic automated material and a tutorial. Our principal motivation was to search the new possibilities that would allow rejoining ail students in class whom strongly heterogeneous. For this, we conceived our TES to propose different and diversified facilities favouring programming learning. Our study unveiled us that the facilities allow creating new reports to the knowledge and to the know-how since environment includes different concepts linked to learning such, individualized learning, socio constructivist approach, projects pedagogy, coilaborative learning and leaming by analogy. The two parts of TES can be used jointly, simultaneously or separately in timely time. That allows us to propose the composition of several teaching Brousseau’s situations such “didactique” and “a-didactique” allowing reports to the varied knowledge. The material and software prototypes were evaluated then modified at the functional level before propose them to our students. Words keys: educational, computer programming, lES, tutoriel, sciences and technology, 111 TABLE DES MATIÈRES 1. Problématique et idée de recherche 1 1.1 Difficultés liées à l’enseignement et à l’apprentissage de la programmation 1 1.1.1 Hétérogénéité de la clientèle 3 1.1.2 Abstraction et transposition dans le langage informatique 5 1.1.3 La détection, l’interprétation et la correction de l’erreur 8 1.1.4 Intégration des connaissances de plusieurs domaines 10 1.2 Idée de recherche et développement 11 1.2.1 Aide à l’apprentissage de la programmation: approches courantes 11 1.2.2 Notre idée de développement 13 2. Méthodologie de la recherche 19 2.1 Une classification des recherches 19 2.2 Le domaine de recherche 21 2.3 Champ disciplinaire 22 2.4 Secteur d’intérêt de la didactique 22 2.5 Quatre types généraux de recherche 24 2.5.1 La recherche descriptive 25 2.5.2 La recherche théorique 26 2.5.3 La recherche expérimentale 27 2.5.4 La recherche action 28 2.6 Le type de production 29 2.7 La recherche de développement 31 2.7.1 La recherche de développement de Van der Marren 31 2.7.2 Un modèle de recherche développement technologique en éducation 32 2.8 Modèle de développement de logiciel 35 2.9 Démarche spécifique à notre recherche 40 iv 3. Considérations pratiques et théoriques .44 3.1 Considérations sur l’enseignement actuel et la clientèle étudiante 44 3.1.1 Pratiques d’enseignement universitaire 44 3.1.2 Étude de la clientèle étudiante 48 3.1.2.1 Intérêt pour l’informatique, intérêt pour le cours 49 3.1.2.2 Connaissance initiale en informatique 50 3.1.2.3 Attentes et préférences 51 3.1.2.4 Expérience en travail collaborati 53 3.2 Considérations sur l’apprentissage de la programmation et le génie logiciel 58 3.2.1 Études en génie logiciel 58 3.2.2 Conception de logiciel 62 3.2.2.1 Approche centrée sur les connaissances 66 3.2.2.2 Approche centrée sur les stratégies 68 3.2.2.2.1 Facteurs de déclenchement des stratégies 71 3.2.2.3 Approche centrée sur l’organisation de l’activité 72 3.2.3 Quelques comparaisons entre l’expert et le novice 74 3.2.4 Le développement orienté objet 75 3.3 Le recours à l’analogie 79 3.3.1 L’analogie 79 3.3.1.1 Rôle conceptuel 81 3.3.2 La théorie de la mise en correspondance de structure de Gentner 82 3.3.3 Trois modèles de processus réalisant l’appariement structurel 86 3.3.3.1 Rôle conceptuel de la transposition 92 3.3.4 Mise en garde sur l’utilisation de l’analogie 93 3.3.5 L’utilisation de l’analogie en informatique 96 3.3.5.1 Les systèmes d’exploitation et les icônes 97 3.3.5.2 Comparaison de l’activité de programmer avec celle d’écrire 97 3.3.5.3 Comparaison de structures de données avec des objets V • courants .98 3.3.5.4 Comparaison de l’exécution d’un programme 99 3.3.5.5 Création de tutoriel d’apprentissage de résolution de problèmes 100 3.3.6 Utilisation envisagée de l’analogie 101 3.3.6.1 Exemples d’analogies 103 3.4 Considérations sur l’enseignement par projets 108 3.4.1 Le constructivisme 110 3.4.2 Le projet: une situation d’apprentissage 115 3.4.2.1 Le rôle du professeur 117 3.4.2.2 Donner du sens aux apprentissages 118 3.4.2.3 Effets et méfaits du projet 118 3.4.3 Intégrer la pédagogie de projet à son enseignement 122 3.4.3.1 À la recherche d’un enseignement renouvelé 122 3.5 Considération d’ordre didactique 128 3.5.1 Relation didactique 128 3.5.2 Contrat didactique 129 3.5.3 Types de situation didactique 131 3.5.4 EIAH et situations didactiques 132 3.5.4.1 Conception d’un EIAH 136 4. Modèle d’action 141 4.1 Description de l’interaction entre l’apprenant et l’environnement d’apprentissage 141 4.2 Intentions didactiques 143 4.3 Prototypage 148 4.3.1 Prototype matériel : montage électronique 149 4.3.1.1 Mise à l’essai fonctionnelle 153 4.3.2 Prototype logiciel: le tutoriel 154 4.3.2.1 Mise à l’essai fonctionnelle 164 4.4 Description de l’environnement informatique pour l’apprentissage vi humain .165 4.4.1 L’ atelier de programmation 166 4.4.1.1 Exercice: Expression booléenne et structures de décision 166 4.4.1.1.1 L’étape de programmation 168 4.4.1.1.2 Particularités 169 4.4.1.2 Exercice: Structures de répétition 170 4.4.2 Le tutoriel 171 4.4.2.1 Rubrique Définition 171 4.4.2.2 Rubrique Analogie 175 4.4.2.3 Rubrique Exercice 177 4.4.2.4 Rubrique Simulation 182 4.4.2.5 Contenu 184 5. Mise à l’essai et résultats 189 5.1 Évaluation des programmes produits lors de l’atelier 189 5.1.1 Évaluation du premier exercice: ouverture des luminodiodes 191 5.1.2 Deuxième exercice : démarrage et arrêt d’un moteur 198 5.2 Évaluation de l’atelier 203 5.3 Évaluation du tutoriel 208 6. Conclusions et perspectives 221 Références 229 Annexes 246 vii Listes des figures figure 1.1 Un environnement informatique pour l’apprentissage humain se composant d’exercices utilisant un montage électronique robotisé et un tutoriel 15 Figure 2.1 Les secteurs d’intérêt de la didactique 23 Figure 2.2 Séquence de trois types de recherche ordonnés selon leur production 30 Figure 2.3 Modèle de recherche développement technologique 34 Figure 2.4 Modèle en cascade classique et modifiée 36 Figure 2.5 Le modèle en spirale 38 figure 3.1 Modèle d’enseignement du cours d’informatique 47 Figure 3.2 Intérêt des étudiant envers l’informatique et le cours 50 Figure 3.3 Nombre de cours suivis concernant l’informatique 50 Figure 3.4 Profil uploads/Litterature/ universite-de-montreal.pdf