Introduction

Définition

Ces deux jeux didactiques ciblent des enfants en classe d'école primaire, âgés de 8 à 12 ans.  Leur but est de faire comprendre les fonctions de base des réseaux informatique.

Les jeux occupent toute une classe pendant un après-midi.  Ils sont de préférence joués dans une salle plus grande qu'une classe normale et nécessitent quelques accessoires.

Le premier jeu illustre la transmission de données sur le réseau, en transmettant une petite image.

Le deuxième jeu montre comment fonctionne l'internet, en envoyant des messages en petits paquets à travers des routeurs.

Les jeux simulent fidèlement les bases de ces technologies sans rentrer dans les complexités.

Nous avons eu une très bonne expérience réelle dans plusieurs classes.

Situation et accessoires

Les jeux sont pensés pour un maximum de 30 enfants, divisés en plusieurs groupes.  Pour le premier jeu ça ferait 6 groupes, et 4 pour le deuxième.  Il est recommandé d'avoir un assistant par groupe, avec en plus un animateur si possible. Nous avons travaillé avec un clown professionnel, qui est venu habillé comme tel, mais n'importe quel adulte avec qui les enfants ne sont pas familier fera l'affaire. Son but est d'être le centre d'une certaine autorité.

Dans le deuxième jeu les enfants se déplacent beaucoup et une classe normale n'est généralement pas assez grande, un hall ou une salle de gym est préférable.

Il faut quelques accessoires, pour la plus grande partie des feuilles pré-imprimés ou photocopiés, des chaises et tables, des crayons feutre de couleur, quelques batons et du ruban autocollant large, mais aussi des appareils de transmission. Ces derniers sont réutilisables pour d'autres classes ou d'autres écoles. Leur fabrication est détaillée en bas.

Pour maintenir l'attention on peut prévoir des “prix” à gagner.

Le budget total est faible, de l'ordre de 10€ à 20€ (sans compter les appareils de transmission réutilisables)

Dans la photo les chaises qui feront lieu de routeurs (voir en bas) dans le deuxième jeu sont en attente sur la plateforme avec leurs noms sur les drapeaux des tiges bambou, le réseau est déjà marqué sur le sol avec le ruban adhésif (voir jeu 2).

Liste des accessoires nécessaires:

Les enfants sont divisés en groupes d'au moins 2 et au maximum 6 à 10.  Il faut:

• une assez grande salle
• deux tables par groupe plus une table pour les objets (voir en bas)
• 1 chaise par enfant
• de long batons ou tiges (1.5 to 2m, peuvent être en bambou).
• du papier, pre-imprimés en plusieurs formulaires (voir en bas)
• un jeu de crayons feutre par groupe
• du ruban adhésif large (min. 5cm) de couleur qui contraste avec celle du sol; approx. 50m est nécessaire.
• ciseaux, rouleau de ruban adhésif de bureau
• petits objets comme des voitures jouets, crayons, dés, animaux en peluche, etc. qui representent les objets dont les images seront transmises.  Il faut autant d'objets de chaque sorte qu'il y a de groupes d'enfants.
• appareils de transmission-réception (voire en bas)
• des écrans (panneaux) de séparation si disponibles.

Les appareils sont chacun composé de deux boîtes avec des boutons et lampes, et reliées entre elles avec un cable d'approximativement 10m:

Leur fabrication est détaillée dans le chapitre “Appareil”.

Jeu 1:  Transmission de données

Le premier jeu donne une impression de comment les ordinateurs transmettent des données.  Pour introduire les enfants à la technologie, on commence par projeter depuis un ordi une image quelconque.  Puis on agrandit une partie, de plus en plus, jusqu'à ce que les pixels deviennent visibles.

Cela montre que les images sont composées de petits carrés, chacun de couleur uniforme. Ensuite on présente des petits “pixel-art” (voir exemple en bas)

Les enfants sont ensuite divisés en équipes.  Chaque équipe est elle-même divisée en deux groupes:  les “transmetteurs” et les “recepteurs”.  Les transmetteurs doivent envoyer des images aux récepteurs sur une ligne de transmission avec l'appareil de transmission.

L'équipe qui réussit la tâche en premier gagne.

Explication du processus

Dans chaque équipe les transmetteurs et les récepteurs sont séparés suffisamment qu'il ne peut y avoir un contact direct entre eux.  S'il y a des écrans (panneaux) de séparation à disposition on peut placer chaque groupe d'une équipe à une table de chaque coté, sinon on peut les mettre aux cotés opposés de la salle.

Pour rendre le jeux plus attractif nous avions posé des représentations des objets sur une table et les équipes les “gagnaient” à la fin du jeu.

Les images sont très simplifiées mais reconnaissables.  Par exemple cette image d'un sapin:

Cet arbre ne fait que 5x8 pixels mais c'est suffisant pour reconnaître l'objet. Toutes les équipes reçoivent la même image à transmettre.  Les transmetteurs connaissent l'objet mais les récepteurs n'ont aucune idée autre que c'est l'image d'un des objets sur la table.

Chaque équipe utilise un appareil de transmission, câble déroulé, une boîte pour les transmetteurs, l'autre pour les recepteurs.  L'appareil étant symmétrique, l'ordre n'est pas important.

Une boîte de l'appareil comporte deux lampes de couleur différente (p.ex. jaune et vert) et deux boutons.  Pousser un des boutons allume la lampe correspondente sur les deux boîtes, à travers le câble qui les relie.  Ainsi les récepteurs voyent quel bouton les transmetteurs ont poussé.

Pour transmettre une image, nous utilisons des codes et des procédures assez proches de la liaison sérielle entre ordinateurs.  On transmet chaque pixel à son tour, de gauche à droite et de haut en bas de l'image quadrillée.  On utilise un code pour chaque couleur de pixel et un code spécial pour signaler la fin d'une rangée de pixels.  On utilise un codage binaire.  Si nous nous limitons à sept couleurs plus le code fin-de-rangée, nous avons besoin de seulement 3 bits par code.  Pour une explication plus détaillée voir en bas.

Avec les sept couleurs et le fin-de-rangée nous avons utilisé cette table de codes:

Pour transmettre l'image du sapin, un enfant transmetteur allumerait la lampe verte (V) et jaune (J) dans cet ordre dans le temps:

VVV (pause) VVV (pause) JVV (pause) VVV (pause) VVV (pause) JJJ (pause, et c'est aussi la fin de la première rangée) VVV (pause) JVV (pause) JVV (pause) etc.

Les enfants les plus malins se rendront compte qu'il n'est pas nécessaire de transmettre les pixels blancs à la fin de chaque rangée, et on peut utiliser cette découverte pour expliquer les principes de la compression qui réduit le temps de transmission.

Voici quelques dessins que nous avons utilisés:

Ils représentent un sapin, une tasse, un marteau, un dé, un hélicoptère, un verre, un crayon, une enveloppe, un parapluie, un camion, une bougie, une fourchette, un autre camion, une autre enveloppe.

Pour que chaque enfant ait quelque chose à faire, nous avons coupé la tache en plusieurs étapes:

• parmi les transmetteurs un enfant utilise la table des codes et lit le code de chaque pixel
• un deuxième enfant colorie le code en feutre jaune/vert sur un ruban de codes
• un troisième reçoit le ruban et transmet les codes avec les boutons. 

Pour les récepteurs le processus inverse se déroule:  ils reçoivent les codes, les notent, puis les traduisent en pixels de couleur et disposent ces pixels sur un papier quadrillé.

Nous avons utilisé des rubans imprimés sur papier et photocopiés comme:

Les autres enfants peuvent observer, vérifier, et changer de rôle à un certain point. Des groupes de 5 à 6 semblaient bien fonctionner.  La taille d'une équipe dépend bien entendu du nombre d'appareils à disposition.

On commence par une ronde d'entrainement, avec une image petite et simple.

L'animateur avait le rôle d'évaluer la qualité générale de la transmission de chaque équipe.  Dans les premières tentatives beaucoup de pixels sont mal interprétés ou mal transmis.  La classe entière perd l'intérêt après trois images:  celle de l'entrainement, et une pour chaque coté de l'équipe.

Une astuce que nous avons utilisée pour éviter qu'une équipe devine l'objet avant la transmission complète, était de marquer l'image avec un pixel de couleur aléatoire dans le coin en bas à droite et différent pour chaque équipe. Il est alors obligatoire qu'ils finissent correctement. Sur la table on avait aussi marqué chaque objet avec un point de cette couleur.

Accessoires nécessaires

• un appareil transmission-réception pour chaque équipe.  C'est le seul support qui demande quelques compétences mécaniques et électriques.  La construction est expliquée en bas.
• un jeu d'objets, de préférence des choses petites et bon marchées, qui peuvent être données à la fin.  Pour chaque objet il faut le même nombre d'exemplaires qu'il y a d'équipes. Donc si il y a quatre équipes il faudrait quatre voitures, quatre petits sapins, quatre crayons etc.
• deux feuilles de codes par équipe
• un jeu d'images des objets, pré-inprimés.  Puisque les images sont très simplifiés, les objets doivent avoir des couleurs et des formes bien distinctes.
• des pages vierges quadrillées sur lesquels les récepteurs peuvent dessiner les pixels reçus
• des rubans pre-imprimés pour les codes
• un jeu de feutres couleur pour chaque équipe.
• tables et chaises

L'appareil de transmission

Chaque équipe doit donc utiliser un appareil pour communiquer entre les transmetteurs et les récepteurs.  Cet appareil est assez facile à fabriquer et peut être réutilisé (dans d'autres classes, écoles, groupes).  Néanmoins la fabrication préconise une certaine habilité à souder des circuits électroniques.

L'appareil consite d'un câble à quatre fils d'une longuer d'environ 10m, avec de chaque coté une boîte.  Les boîtes ont deux lampes et deux boutons.  Les lampes représentent les deux états d'une information binaire (bit).

Pour transmettre un bit nous avons en principe besoin que d'un bouton chez les transmetteurs et une lampe chez les récepteurs.  Mais cela ne donnerait aucun rétrocontrole à l'enfant qui pousse le bouton. Nous avons mis une lampe et un bouton de chaque coté, ce qui a aussi l'avantage de rendre l'appareil symmétrique. Le schéma le plus simple pour cela est:

Les deux lampes s'allument dès qu'un des deux boutons est poussé.

Mais nous avons besoin de deux lampes puisque nous n'avons pas d'horloge (séquenceur, voir section sur les choix faits), en simplement doublant le schéma ça devient:

Les lumières jaunes s'allument avec une paire de boutons, les vertes avec l'autre.

Finalement, les paires de lampes et boutons doivent être suffisamment éloignées et mis dans des boîtes:

Le câble entre les boîtes doit avoir quatre fils.  Les câbles de téléphone classique ont quatre fils et sont assez bon marché, disponibles dans les magasins de bricolage.

Si vous utilisez les lampes LED il faut des résistances pour les protéger de courants trop forts.  Pour une batterie de 9V ceux-là devraient être de 100Ω à 200Ω.  Pour faire plus professionel on peut utiliser des connecteurs du type “RJ11” sur les boîtes et le câble. Cela se présenterai comme:

Le câble entre les boîtes devrait être de 10m de long.

Nous avons trouvé des boutons poussoir, des LEDs avec leurs résistances, des attaches pour batterie 9V et des boîtes de dérivation électrique dans un magasin de bricolage en proximité.  Voici des photos de nos appareils:

La batterie est une batterie normale de 9V, fixé au fond d'une des boites avec un bout de bande autocollante double face.  Un noeud dans le câble prévient qu'on l'arrache du circuit.  Les soudages sont assez primitifs et peuvent être mieux faits.  Pour bien fixer les LED 5mm dans le couvercle en plastic assez mou, on a utilisé un foret de 4.8mm (pas 5mm).

Choix

Quelques réflexions sur les choix que nous avons faits:

Dans les systèmes réels la transmission de signaux est accompagnée d'un signal cadenceur, une “horloge”. A chaque battement de l'horloge on observe le voltage sur le câble: s'il est haut on note “ON” (ou 1 binaire), s'il est bas on note “OFF” (ou 0 binaire).

Mais en classe ce serait compliquer la chose à outrance:  d'abord, un enfant devrait “être l'horloge”, puis cela forcerait une cadence que certains enfants auraient peut-être du mal à suivre. Si un enfant rate un battement de l'horloge, il y a confusion: comment rattraper? Nous avons aussi pensé qu'utiliser un code sans horloge du genre Morse à signaux courts et longs était trop ambigu pour les enfants.  Mais notons que ni l'une ni l'autre de ces présomptions ont été vérifiées dans l'expérience.

Nous avons opté pour un système où les deux états “ON” et “OFF” ont chacun son propre bouton de transmission et sa lampe de signalisation.  Nous avons aussi voulu éviter de confondre les enfants avec les notions de “0” et “1”, “nombres binaires” etc. qui en fait ne sont autres que des réliques d'une ère où les ordinateurs etaient prèsque exclusivement utilisés pour des calculs numériques. Nous évitons même de dire “ON” et “OFF” et nous avons choisi des couleurs neutres, dépourvues de sens traditionnel (comme le rouge et vert des feux de traffic routier).  Le jaune et bleu aurait été mieux encore, mais les LEDs bleus ne sont pas faciles à obtenir.

Nous avons d'abord pensé à un cadre quadrillé de largeur et hauteur fixe pour les images.  Mais il faut alors un compteur implicite pour commencer une nouvelle ligne de pixels.  Si un pixel est perdu, toute l'image risque de devenir brouillée.  Le code fin-de-rangée donne une procédure plus robuste, et permet d'utiliser aussi bien des images larges mais pas hautes (camion) que des images minces et hautes (crayon).

Si la classe est assez avancée, on peut même mentionner la caractéristique auto-correcteuse du code fin-de-rangée.

Jeu 2:  communication par paquets

Ce jeu permet de comprendre comment les messages circulent sur le réseau à commutation de paquets qu'est l'internet.

On commence par parler d'envoyer des messages écrits comme des SMS d'une personne à une autre avec le réseau entre les deux.  Il n'y a que des petits paquets qui peuvent circuler, chaque message doit être coupé en petit morceaux de taille égale, appelés paquets.  On peut mentionner Louis Pouzin qui est un des inventeurs de ce système qui est à la base de l'internet (à ne pas confondre avec le web, son application la plus connue!).

Les paquets transitent sur le réseau d'un noeud à un autre, comme les lettres à la poste vont d'un centre de tri à un autre avant d'être livrées à destination.  Ces noeuds s'appellent des routeurs et il y en a partout.  Le jeu simule d'assez près ce que font les paquets réels sur le réseau réel.  La raison qu'ils arrivent à destination est que chaque noeud possède une table de routage qui indique à quel prochain noeud il doit passer un paquet pour une certaine destination.

Sur le sol de la pièce on a en avance tracé un réseau avec un ruban autocollant de couleur vive.

On divise ensuite les enfants en deux groupes:  ceux qui vont être des routeurs et ceux qui vont être des utilisateurs.

Les routeurs prennent place sur des chaises auquels on a fixé une tige ou un baton avec drapeau (p.ex. utilisant du ruban adhésif de bureau).  Les drapeaux portent les noms de grandes villes connues.  Voici un exemple de réseau ainsi conçu:

Les noeuds oranges sont des routeurs, les noeuds bleus, verts et jaunes des utilisateur.

Les utilisateurs sont divisés en equipes.  Chaque équipe est encore divisée un deux groupes dont un prend place d'un coté du réseau et l'autre du coté opposé (prenant des couleurs correspondantes dans le dessin, p.ex Desiré avec Isidore).  Les utilisateurs sont assis à une table qui représente un ordi ou un téléphone mobile, sur le sol il est “reliée au réseau” par un bout de ruban autocollant qui mène à un seul noeud (“Paris” pour le cas de “Désiré”).

Les deux groupes de chaque équipe s'envoyent des messages, l'équipe qui passe le plus de messages correctement a gangnée.

Le réseau essaye de passer les paquets malgé les pannes:  l'animateur se balade dans le réseau et aléatoirement il détruit un paquet, ou il met un noeud temporairement hors service, ou il bloque une ligne entre deux noeuds.

Explication du processus

Les messages sont d'abord écrit sur un formulaire qui montre déjà les coupures en paquets.  L'image ci-dessous montre un formulaire avec au maximum 20 paquets de cinq lettres chacun, un champ pour le destinataire, l'expéditeur et le numéro du message:

Une fois qu'un enfant d'un groupe utilisateur à écrit un message, un autre enfant va le recopier sur des petits bouts de papier qui représentent les paquets:

Prenons comme exemple le message “Comment allez-vous?”.  Il a 19 caractères (y compris l'espace, le trait d'union et le point d'interrogation) et doit donc être coupé en quatre morceaux.

Il y a dans ce message quatre “paquets de transmission normale” dont chacun doit répéter le destinataire, l'expéditeur, le no. de message, le no. de paquet, et puis donner le contenu. Ces paquets seront:

• Désiré Isidore 01 01 Comme
• Désiré Isidore 01 02 nt al
• Désiré Isidore 01 03 lez-v
• Désiré Isidore 01 04 ous?

Le message est terminé par un paquet de fin de transmission:

Chaque paquet est individuellement donné à l'enfant qui est le noeud auquel l'utilisateur est connecté.  Cet enfant regarde le destinataire, consulte son tableau de routage et choisit un prochain noeud auquel il donne le paquet.  Le paquet passe ainsi de noeud en noeud pour finalement arriver à destination.

Les paquets peuvent ne pas arriver dans l'ordre:  l'animateur peut avoir bloqué une ligne, forçant un paquet de faire un long détour.

L'autre groupe de l'équipe doit remettre les paquets dans le bon ordre et s'assurer que tous les paquets sont arrivé.  S'ils trouvent qu'un paquet manque, ils peuvent envoyer un avis de non-reçu:

Les autres peuvent alors simplement refaire le paquet manquant et l'envoyer.

Parce que l'animateur peut perturber le réseau, les enfants sur les noeuds doivent consulter leur table de routage.  Voici un exemple d'une telle table pour l'enfant au noeud “Helsinki”:

Il reçoit tous les paquets pour Isidore, ne va jamais les donner ailleurs et cette ligne est donc vide.  S'il reçoit un paquet destiné à Magda il va de préférence le passer au noeud Berlin. Si ce noeud est hors service ou la ligne bloquée, il fait un autre choix, p.ex. CERN ou Stockholm.

ATTENTION:  il faut faire très attention à ne pas permettre des boucles dans ces tables. Supposons que le noeud CERN est hors service. Amsterdam ne pourra pas utiliser le CERN comme son premier choix, et si son second choix est Paris, alors la table de routage de Paris ne doit pas avoir Magda comme second choix après CERN, sinon il y a une boucle.  Le vrai réseau détecte ces boucles et les contourne, ce jeux simplifié ne comporte pas de mécanisme similaires.  Il vaut donc mieux inspecter les tables pour les éviter d'office.

Accessoires nécessaires

• une table à chaque noeud et pour chaque utilisateur.  Une chaise pour chaque enfant.
• Formulaires pré-imprimés pour les messages.
• petits papiers pour les paquets normaux.
• petits papiers pour les paquets d'exception (fin de message, paquet non reçu), de préférence sur papier couleur.