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L’enseignement de sciences numériques et technologie en classe de seconde a pour objet de permettre d’appréhender les principaux concepts des sciences numériques, mais également de permettre aux élèves, à partir d’un objet technologique, de comprendre le poids croissant du numérique et les enjeux qui en découlent. La numérisation généralisée des données, les nouvelles modalités de traitement ou de stockage et le développement récent d’algorithmes permettant de traiter de très grands volumes de données numériques constituent une réelle rupture dans la diffusion des technologies de l’information et de la communication. Cette révolution multiplie les impacts majeurs sur les pratiques humaines. Par exemple, l’actuel mobile multifonction est un objet technologique qui permet, comme le téléphone du XX e siècle, de téléphoner, mais qui sert également à bien d’autres activités : envoyer des messages, photographier, filmer, enregistrer, chercher et partager une information, écouter de la musique, regarder des vidéos, repérer où l’on se trouve, réserver des billets de train, vérifier son rythme cardiaque, programmer le chauffage de son appartement, etc. Ainsi, il est devenu une interface universelle d’accès à l’information et de commande d’autres objets.
Cette convergence d’activités encore récemment indépendantes est un phénomène généralisé lié au développement de la science informatique et des technologies associées, et notamment à leur intégration avec le domaine des télécommunications, à l’informatisation massive de domaines variés (communication, audiovisuel, transports, instrumentation scientifique médicale et technique, outillage numérique, objets connectés, etc.), et bien sûr à la création du réseau internet.
Malgré leur grande variété, ces avancées se fondent toutes sur l’universalité et la flexibilité d’un petit nombre de concepts en interaction :

• les données, qui représentent sous une forme numérique unifiée des informations très

diverses : textes, images, sons, mesures physiques, sommes d’argent, etc. ;

• les algorithmes, qui spécifient de façon abstraite et précise des traitements à effectuer sur les

données à partir d’opérations élémentaires ;

• les langages, qui permettent de traduire les algorithmes abstraits en programmes textuels ou

graphiques de façon à ce qu’ils soient exécutables par les machines ;

• les machines, et leurs systèmes d’exploitation, qui permettent d’exécuter des programmes en

enchaînant un grand nombre d’instructions simples, assurent la persistance des données par leur stockage et de gérer les communications. On y inclut les objets connectés et les réseaux.

À ces concepts s’ajoute un élément transversal : les interfaces qui permettent la communication avec les humains, la collecte des données et la commande des systèmes.
L’enseignement de sciences numériques et technologie aide à mieux comprendre les enjeux scientifiques et sociétaux de la science informatique et de ses applications, à adopter un usage réfléchi et raisonné des technologies numériques dans la vie quotidienne et à se préparer aux mutations présentes et à venir de tous les métiers.
La réflexion sur les sciences numériques et sur leur relation à la technologie peut être conduite dans le cadre d’autres enseignements, que ce soit au travers de l’étude d’œuvres littéraires ou artistiques, de la réflexion sur les enjeux éthiques et politiques, d’analyses des conséquences de la révolution numérique sur l’évolution des métiers. Ces perspectives incitent le professeur en charge de l’enseignement de sciences numériques et technologie à collaborer avec ses collègues.
Cet enseignement s’inscrit dans le prolongement de l’enseignement d’algorithmique, d’informatique et de programmation dispensé au collège en mathématiques et en technologie. On approfondit ces notions et cette pratique de la programmation à travers les activités liées aux thèmes du programme : internet ; le Web ; les réseaux sociaux ; les données structurées et leur traitement ; localisation, cartographie et mobilité ; informatique embarquée et objets connectés ; la photographie numérique. Chacun des thèmes a vocation à être enseigné sur une durée d’environ quatre semaines. L’ordre dans lequel sont traités les thèmes est au libre choix des professeurs.
La présentation de chaque thème débute par des éléments de culture scientifique et technologique qui peuvent proposer des repères historiques, expliciter les concepts et décrire les impacts sur les pratiques humaines des technologies présentées. Elle se termine par un tableau qui circonscrit précisément les connaissances et les capacités attendues des élèves, puis d’une liste, non exhaustive ni impérative, d’activités qui peuvent être menées avec les élèves.
Cet enseignement a vocation à multiplier les occasions de mise en activité des élèves, sous des formes variées (exposés, travaux en groupe, mini-projets, productions individuelles ou collectives, etc.) qui permettent de développer des compétences transversales :

• faire preuve d’autonomie, d’initiative et de créativité ;
  
• présenter un problème ou sa solution, développer une argumentation dans le cadre d’un débat ;
  
• coopérer au sein d’une équipe ;
  
• rechercher de l’information, apprendre à utiliser des sources de qualité, partager des ressources ;
  
• faire un usage responsable et critique des sciences et technologies numériques.
  

Un langage de programmation est nécessaire pour l’écriture des programmes : un langage simple d’usage, interprété, concis, libre et gratuit, multiplateforme, largement répandu, riche de bibliothèques adaptées aux thématiques étudiées et bénéficiant d’une vaste communauté d’auteurs dans le monde éducatif est nécessaire. Au moment de la conception de ce programme, le langage choisi est Python version 3 (ou supérieure).

Au collège (cycle 4), les élèves ont découvert et pratiqué les éléments fondamentaux d’algorithmique et de programmation. Le programme de seconde de mathématiques approfondit l’apprentissage de la programmation. Une coordination avec le cours de mathématiques est donc nécessaire pour déterminer à quel moment des éléments de programmation peuvent être utilisés en sciences numériques et technologie.

Grâce à sa souplesse et à son universalité, internet est devenu le moyen de communication principal entre les hommes et avec les machines.

Dès les années cinquante, les ordinateurs ont été mis en réseau pour échanger des informations, mais de façon très liée aux constructeurs d’ordinateurs ou aux opérateurs téléphoniques. Les réseaux généraux indépendants des constructeurs sont nés aux États-Unis avec ArpaNet (1970) et en France avec Cyclades (1971). Cet effort a culminé avec internet, né en 1983.

Internet est défini par le protocole IP (Internet Protocol), ensemble de normes qui permettent d’identifier et de nommer de façon uniforme tous les ordinateurs ou objets qui lui sont connectés. IP est accompagné de protocoles de transmission pour transférer l’information par paquets, le principal étant TCP/IP (Transmission Control Protocol). De nature logicielle, internet s’appuie sur une grande variété de réseaux physiques où IP est implémenté. Il uniformise l’accès à tous les ordinateurs, les téléphones et les objets connectés.

Internet manipule deux types d’information : les contenus envoyés et les adresses du destinataire et de l’émetteur. Ces deux types d’information sont regroupés dans des paquets de taille fixe, de façon uniforme et indépendante du type de données transportées : texte, images, sons, vidéos, etc. Les adresses sont numériques et hiérarchiques mais l’utilisateur connaît surtout des adresses symboliques normalisées, comme wikipedia.fr. Le système DNS (Domain Name System) transforme une adresse symbolique en adresse numérique. Il est réalisé par un grand nombre d’ordinateurs répartis sur le réseau et constamment mis à jour.

Le principal algorithme d’internet est le routage des paquets de leurs émetteurs vers leurs destinataires. Il est effectué par des machines appelées routeurs, qui échangent en permanence avec leurs voisins pour établir une carte locale de ce qu’ils voient du réseau. Chaque paquet transite par une série de routeurs, chacun l’envoyant à un autre routeur selon sa carte locale et la destination prévue. Les routeurs s’ajustent en permanence et de proche en proche quand on les ajoute au réseau ou quand un routeur voisin disparaît. Il n’y a plus besoin de carte globale, ce qui permet le routage à grande échelle. Lors du routage, un paquet peut ne pas arriver pour deux raisons : une panne matérielle d’une ligne ou d’un routeur, ou sa destruction. Chaque paquet contient l’information d’un nombre maximal de routeurs à traverser : pour ne pas encombrer le réseau, il est détruit si ce nombre est atteint. C’est le protocole TCP qui fiabilise la communication en redemandant les paquets manquants. Il garantit que out paquet finira par arriver, sauf panne matérielle incontournable. TCP réordonne aussi les paquets arrivés dans le désordre, et diminue la congestion du réseau en gérant au mieux les redemandes. Mais ni internet ni TCP ne possèdent de garantie temporelle d’arrivée des paquets, ce qui nuit à la qualité du streaming du son ou des vidéos et de la téléconférence. En effet, dans une vidéo on peut perdre une image isolée, mais pas le fil du temps.
D’autres protocoles s’appuient sur ceux d’internet, par exemple les protocoles du Web (HTTP et HTTPS) et le protocole NTP (Network Time Protocol) qui permet de synchroniser finement les heures des ordinateurs et objets connectés.

Réseau mondial, internet fonctionne à l’aide de routeurs, de lignes de transmissions à très hauts débits (fibres optiques) entre routeurs, de réseaux de téléphonie mobile, et de réseaux locaux. Ses protocoles étant logiciels, il peut s’appuyer sur n’importe quel réseau physique qui les implémente : 4G, Ethernet, ADSL, Wi-Fi, Bluetooth, etc. TCP/IP n’est pas implémenté dans l’infrastructure, mais dans chacun des ordinateurs connectés, et un serveur DNS est aussi un ordinateur connecté. Des mécanismes complexes assurent la continuité de la connexion, par exemple pour passer sans interruption de téléphonie 4G au Wi-Fi, ou son ubiquité, par exemple pour passer de façon invisible d’antenne à antenne avec un téléphone portable quand on voyage.
Dans les réseaux pair-à-pair s’appuyant sur internet et souvent utilisé pour le transport de vidéos, chaque ordinateur sert à la fois d’émetteur et de récepteur.

Internet a fait progressivement disparaître beaucoup des moyens de communication précédents : télégramme, télex, le courrier postal pour une bonne partie, et bientôt le téléphone fixe grâce à VoIP (voix sur IP). Son trafic prévu pour 2021 est de 3 300 milliards de milliards d’octets (3,3 × 10 21 octets). Internet a aussi ses problèmes : absence de garantie temporelle sur l’arrivée des paquets, et possibilité d’attaques par saturation en envoyant un très grand nombre de messages à un site donné, pour y provoquer un déni de service.
La neutralité du Net, présente dès l’origine du réseau, exprime l’idée que les routeurs doivent transmettre les paquets indépendamment du type de leur contenu : texte, vidéo, etc. Mais elle est constamment remise en cause par certains lobbies industriels.

Introduction Le Web (toile ou réseau) désigne un système donnant accès à un ensemble de données (page, image, son, vidéo) reliées par des liens hypertextes et accessibles sur le réseau internet. Repères historiques     1965 : invention et programmation du concept d’hypertexte par Ted Nelson ; 1989 : naissance au CERN par Tim Berners Lee ; 1993 : mise dans le domaine public, disponibilité du premier navigateur Mosaic ; 1995 : mise à disposition de technologies pour le développement de site Web interactif (langage JavaScript) et dynamique (langage PHP) ;  2001 : standardisation des pages grâce au DOM (Document Object Model) ;  2010 : mise à disposition de technologies pour le développement d’applications sur mobiles. Normalisation de la présentation de l’information Sur le Web, les textes, photos, vidéos, graphiques, sons, programmes sont exprimés et assemblés dans divers formats normalisés par un consortium mondial (W3C : World Wide Web Consortium), ce qui permet une circulation standardisée de ces informations. Les pages Web sont écrites dans le langage de balises HTML (HypertextMarkupLanguage). Leur style graphique est défini dans le langage CSS (Cascading Style Sheets). Les pages ont une adresse unique, nommée URL (Uniform Ressource Locator). Elles sont accessibles via internet en utilisant le protocole HTTP (Hypertext Transfer Protocol) ou sa version sécurisée HTTPS qui crypte les échanges. L’affichage des pages est réalisé chez l’utilisateur par un programme appelé navigateur. n hypertexte est un texte augmenté de renvois automatiques à des textes, des images ou des sons. Initialement, un hypertexte se restreignait à la mémoire d’un seul ordinateur. Dans une page Web, ce renvoi se fait sur n’importe quelle machine du réseau internet, par le truchement de l’adresse de la page Web du texte (URL) auquel il fait référence. La toile d’araignée construite par les liens peut être représentée sous forme d’un graphe qui matérialise la structure du Web. Moteurs de recherche Les moteurs de recherche permettent de trouver des informations dans des pages dont on ne connaît pas l’adresse, voire dont on ignore l’existence. La méthode de recherche appelée référencement naturel se décompose en trois grandes activités, réalisées par les moteurs de recherche : (1) le parcours automatique du Web pour collecter les pages visitées (aspiration des pages Web effectuée par des robots) ; (2) l’analyse du contenu des pages et leur indexation sur les mots qu’elles contiennent (constitution d’un annuaire inversé qui associe à chaque terme les URL des pages où il apparaît) ; (3) la troisième activité, réalisée à chaque fois qu’un internaute fait une requête, construit une liste ordonnée des pages (classement) comportant les mots clés de la requête. Leur ordre dépend notamment de leur popularité (principe des liens), de leur pertinence (aux mots de la requête), et de l’ordre des termes de la requête. Les concepteurs de site Web peuvent améliorer le référencement de leurs pages en choisissant bien les mots et en les plaçant à des endroits stratégiques dans les pages. Interaction client/serveur Le Web s’appuie sur le dialogue entre clients et serveurs. L’interaction est à l’initiative des clients (les applications qui se connectent au Web, dont les navigateurs), qui envoient des requêtes HTTP aux serveurs. Ces derniers renvoient leur résultat : des pages qu’ils ont stockées ou qu’ils créent dynamiquement en fonction de la requête formulée. Les pages reçues par les clients peuvent contenir des codes exécutables (souvent en JavaScript) qui permettent aux clients d’effectuer des traitements en accédant aux ressources de son ordinateur et en interagissant avec les serveurs. Les applications peuvent être paramétrées pour autoriser ou interdire l’accès à des ressources locales aux programmes téléchargés par les pages. Sécurité et confidentialité En formulant des requêtes sur des sites Web dynamiques et en laissant des programmes s’exécuter sur sa machine, l’utilisateur prend des risques : il peut communiquer des informations personnelles à son insu à des serveurs qui en gardent une trace, à distance ou localement par des cookies, ou encore charger des pages contenant des programmes malveillants, par exemple permettant d’espionner en continu les actions de l’utilisateur. Par ailleurs, un navigateur peut garder un historique de toutes les interactions, et le laisser accessible aux sites connectés. L’utilisateur peut utiliser des services qui s’engagent à ne pas garder de traces de ses interactions, par exemple certains moteurs de recherche. Il peut aussi paramétrer son navigateur de façon à ce que celui-ci n’enregistre pas d’historique des interactions. De fausses pages peuvent encore être utilisées pour l’hameçonnage des utilisateurs. Un nom de lien pouvant cacher une adresse Web malveillante, il faut examiner cette adresse avant de l’activer par un clic.

Dans l’histoire de la communication, le Web est une révolution : il a ouvert à tous la possibilité et le droit de publier ; il permet une coopération d’une nature nouvelle entre individus et entre organisations : commerce en ligne, création et distribution de logiciels libres multi-auteurs, création d’encyclopédies mises à jour en permanence, etc. ; il devient universel pour communiquer avec les objets connectés. Le Web permet aussi de diffuser toutes sortes d’informations dont ni la qualité, ni la pertinence, ni la véracité ne sont garanties et dont la vérification des sources n’est pas toujours facile. Il conserve des informations, parfois personnelles, accessibles partout sur de longues durées sans qu’il soit facile de les effacer, ce qui pose la question du droit à l’oubli. Il permet une exploitation de ses données, dont les conséquences sociétales sont encore difficiles à estimer : recommandation à des fins commerciales, bulles informationnelles, etc. En particulier, des moteurs de recherche permettent à certains sites d’acquérir de la visibilité sur la première page des résultats de recherche en achetant de la publicité qui apparaîtra parmi les liens promotionnels.