Recueil de traces pour le suivi de
l'activité
d'apprenants en travaux pratiques dans un environnement de réalité
virtuelle.
Cyrille BAUDOUIN*, Michel BENEY**, Pierre CHEVAILLIER*,
Agnès LE
PALLEC** *
LISyC – ENIB , Brest - **LISyC – UBO ,
Brest![](../../../img/crochet_d.gif)
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RÉSUMÉ : Ce
travail s’inscrit dans le cadre d’un projet de paillasse virtuelle
pour la réalisation de travaux pratiques en sciences. L’objectif
est de suivre et analyser d’un point de vue didactique
l’activité des apprenants afin de la modéliser. La
réalité virtuelle permet une grande richesse
d’activité entraînant un volume important
d’observables. Nous proposons un environnement pour recueillir les
traces
nécessaires à l’analyse de l’activité des
apprenants et une modélisation pour l’identification de leurs
procédures manipulatoires. La paillasse virtuelle a été
réalisée en utilisant Mascaret, un environnement virtuel
d’apprentissage humain dans lequel tous les objets, actions et
évènements sont réifiés en s’appuyant sur un
méta-modèle. Ce modèle permet de décrire
formellement les observables qui constituent les traces de
l’activité. Nous avons mis en place une expérience avec des
élèves ingénieurs et nous avons analysé les
problèmes posés par le suivi des actions et leur traitement en
termes d’activités. L’étude met en évidence les
particularités de l’analyse des traces dans le cadre de travaux
pratiques en réalité virtuelle.
MOTS
CLÉS : réalité
virtuelle, apprentissage, recueil de traces, travaux pratiques.
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ABSTRACT : This
work is part of a project which intends to build a virtual work surface
for lab
work. Our aim is to monitor and analyse learner’s activity in such
environments in order to model it and to improve learning. Virtual
Reality
allows a lot of various activities to take place, leading to a high
amount of
observables. We proposed an environment for detecting and recording
traces
needed to analyze the learners’ activity. We also detailed a model
which
enables the identification of learners’ actions and processes. The
virtual
work surface has been built using Mascaret. In this virtual environment
for
learning, each object, action and event is an instance of a formal
meta-model.
This model allows us to formally define every observable corresponding
to the
traces. This study points out the specificities of trace analysis
regarding lab
work in virtual reality.
KEYWORDS : virtual
reality, learning, trace recording, lab work.
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1. Introduction
Le travail
présenté dans cet article s’inscrit dans un projet de
création d’une paillasse virtuelle destinée à mettre
en place des travaux pratiques scientifiques. Cette paillasse a pour
vocation
d’être utilisée dans le contexte classique des travaux
pratiques. L’objectif du projet est de favoriser les apprentissages en
utilisant les potentialités de la réalité virtuelle et des
systèmes tutoriels autonomes (Buche et al., 2004b),
tout en conservant la nature manipulatoire et expérimentale d’un
travail guidé. L’étudiant est immergé dans un monde
virtuel ; il peut manipuler des objets dans un contexte proche
de la
réalité en utilisant des interfaces motrices adaptées.
La conception d’un tel Environnement Virtuel
d’Apprentissage
Humain (EVAH) nécessite de prendre en compte les
spécificités des activités de travaux pratiques et de la
réalité virtuelle. L’objectif de cet article est,
d’une part de définir la nature des traces d’interaction dans
un environnement virtuel afin de les recueillir de manière
contrôlée et automatique, et d’autre part
d’évaluer en quoi elles fournissent des éléments
pertinents d’analyse de l’activité des apprenants.
La problématique du recueil des traces est
double : des traces
pour qui ? et pour faire quoi ? Si les traces sont
destinées
à un enseignant, celui-ci cherche à savoir si
l’activité proposée est réussie, ou bien à
repérer où sont les difficultés des apprenants (Héraud et al., 2005).
Si ces traces sont destinées à l’apprenant, c’est pour
qu’il puisse visualiser son activité (Katz et al., 1992) et détecter des informations signifiantes pour lui (Ollagnier–Beldame,
2006).
Si ces traces sont utilisées par un chercheur en didactique, c’est
pour analyser l’activité des apprenants afin de la modéliser
et d’améliorer l’efficacité de l’apprentissage.
C’est ce point de vue du chercheur en didactique qui nous intéresse
ici.
La formalisation des traces d’utilisation repose sur
deux composantes
de l’EVAH MASCARET : les modèles d’environnement (VEHA)
et d’activités (HAVE). Ces modèles permettent de formaliser
la nature des observables qui constituent ces traces, leur production
étant assurée par un agent artificiel. Les traces recueillies
doivent décrire les activités effectives des apprenants, que ce
soit en termes de procédures opératoires ou bien de recherches
d’information (Tricot, 2003).
Grâce à ces traces, le chercheur en didactique peut suivre et
analyser l’utilisation de ressources spécifiques dans
l’environnement virtuel. Il peut également chercher à
reconnaître la réalisation de plans d’actions, à
identifier des situations prototypiques.
Dans la partie 2 de l’article nous faisons un état des
lieux des
questions posées par les chercheurs en didactique concernant les
travaux
pratiques et nous précisions les caractéristiques des TP
classiques qui nous concernent ici. Nous identifions également les
particularités des interactions en réalité virtuelle et la
nature des traces dans ce double contexte. En partie 3, nous
définissons
les différents types de données observables dans MASCARET. Afin
d’évaluer la pertinence de nos traces, nous avons mené une
expérimentation dont les résultats sont présentés et
analysés en partie 4. Elle a porté sur l’analyse de
l’activité d’apprenants, manipulant seuls, dans
l’environnement.
2. Description des activités de travaux pratiques en
réalité virtuelle
2.1. Les travaux pratiques en science
Classiquement,
les apprenants manipulent debout, le
matériel est déjà installé sur une paillasse et les
apprenants peuvent se déplacer face au matériel (rarement
derrière). Ils disposent d’un protocole expérimental
écrit, ont à faire des mesures et à tirer des conclusions
à partir des valeurs des mesures obtenues. Les mesures sont à
faire en temps limité. Un enseignant vérifie
l’activité des apprenants et répond à leurs
questions.
Les étudiants apprennent des méthodes, des procédures de
mesures et des démarches en prenant comme situation de
référence, celle du laboratoire. Cet apprentissage se fait par
l'action et par l'exemple, en suivant des consignes opératoires. Ce
type
de situation d'apprentissage classique favorise l’utilisation de
connaissances prototypiques construites en référence aux
activités antérieures (Beney et Séré, 2001).
2.2. Les traces d’activité en travaux pratiques
Il y a plusieurs problématiques concernant le recueil
des traces pour
des activités expérimentales en sciences. Le chercheur peut
vouloir se servir de traces pour tester l’efficacité du guidage
proposé en terme d'apprentissage (Beney et
Guinard, 2004),
étudier les activités d'apprentissage (Séjourné et
Tiberghien, 2001),
mettre en évidence le type de raisonnement des apprenants (Bécu-Robinault, 1997), (Reyde et Leach,
1999) ou pour caractériser les connaissances spécifiques qu’ils se
construisent (Pateyron, 1997).
Il peut vouloir décrire les activités des apprenants afin de les
caractériser (difficultés, modes de raisonnement) soit dans un
environnement naturel, soit en mettant en place des situations ad
hoc (Vince, 2000).
Pour toutes ces situations, les traces recueillies sont de nature
différente. Elles ne prennent sens que mises en perspective avec les
tâches à accomplir, les apprentissages visés et les
difficultés des apprenants.
Les traces que le chercheur utilise sont issues
d’observations en temps
réel sous forme d’enregistrements vidéo ou audio, ou
d’observations en différé par rapport à
l’activité, sous forme d’entretiens d’explicitation de
l’activité ou de réponses à des questionnaires (Dimitracopoulou
et al., 2005).
Une première difficulté réside dans l’analyse des
enregistrements, souvent fastidieuse (allers-retours fréquents sur les
enregistrements). Une seconde difficulté concerne la comparaison des
actions des nombreux sujets à partir d'observables variés et pas
toujours pertinents. Par ailleurs l’analyse reste subjective et repose
sur
une interprétation des données d’observation par le
chercheur. Dans l’observation des manipulations qu’effectue
l’apprenant, le chercheur s’attache à repérer des
associations de deux ou plusieurs actions qui deviennent significatives
de son
point de vue, car indicatrices d’une solution en germe. Il ne tient
donc
pas compte d’hésitations dans les déplacements
d’objets, il ne s’arrête pas aux paramètres gestuels,
mais infère un sens aux manipulations qu’il observe.
2.3. Les interactions en réalité virtuelle
La
réalité virtuelle offre un grand
nombre de possibilités pour réaliser l’interfaçage
comportemental d’un utilisateur avec un monde virtuel (Fuchs, 1996).
En
conséquence, les traces d’utilisation peuvent être de nature
très diverse. Potentiellement, l’utilisateur peut exercer une
commande motrice en utilisant différents types de
périphériques auxquels sont associés un grand nombre de
variables. Outre les classiques claviers et souris, il existe divers
systèmes de pointage, de déplacement et de manipulation. Un
dispositif tel qu’une souris 3D (spacemouse) offre 6
degrés
de liberté pour les déplacements : elle fournit une
information de localisation (en 3 dimensions) et d’orientation (selon 3
axes). Les dispositifs haptiques fournissent en plus, une information
sur la
force exercée par l’utilisateur. Un gant de données permet
d’obtenir des informations sur la préhension d’objets. Des
périphériques dotés
d’accéléromètres (tel que la Nintendo Wiimote)
peuvent donner des informations sur le mouvement dans l’espace. Dans
les
environnements immersifs où l’utilisateur est
représenté sous forme d’un mannequin, celui-ci peut
être équipé d’un système de suivi de
mouvement qui permet de connaître la position et l’orientation
de sa tête et de certains segments de son corps (membres, épaules,
bassin...).
En règle générale, lorsque l’on conçoit un
environnement virtuel, on cherche à offrir à l’utilisateur
une interface sensori-motrice aussi naturelle que possible, de façon
à ce qu’il utilise des schèmes comportementaux
importés du monde réel. Ceci parce que la boucle sensori-motrice
est souvent biaisée par les limites technologiques des dispositifs
d’interface. Cependant, pour différentes raisons, il est parfois
impossible de mettre en œuvre ces schèmes et il faut donc introduire
des artifices pour réaliser l’interfaçage comportemental.
Une première catégorie d’artifices est celle des
métaphores d’interaction qui consistent à proposer une
représentation symbolique de l’action. Par exemple,
l’utilisateur pourra simplement cliquer sur un robinet pour remplir un
récipient placé sous celui-ci ; pour vider le
récipient, il devra le faire pivoter au-dessus d’un objet
évier.
Dans un EVAH, il est intéressant de pouvoir faire varier
les
modalités de réalisation d’une manipulation : lorsque
l’apprenant est peu familiarisé avec l’environnement (ou
lorsque l’apprentissage n’est pas concerné par ces
modalités), il est possible de simplifier la manipulation en recourant
à des Aides Logicielles Comportementales, ALC (Fuchs, 2006).
L’aide peut être de nature sensori-motrice ou cognitive. Les ALC
sensori-motrices ont pour objectif de pallier les défauts des
dispositifs
technologiques d’interface. Par exemple, le signal issu d’un
dispositif de navigation avec capteurs d’orientation doit être
filtré afin de ne pas provoquer de déplacement lorsqu’il est
au voisinage de la position neutre. Les Aides Logicielles
Comportementales
cognitives les plus utilisées concernent la navigation dans
l’environnement et le placement d’objets. Dans le premier cas, les
trajectoires possibles (ou des points de passage) sont prédéfinies
et contraignent le déplacement de l’utilisateur. Dans le second
cas, on simule une sorte de "magnétisme" entre les objets qui fait que,
lorsqu’un objet est placé à proximité d’un
autre, il est automatiquement placé et orienté comme il se doit.
La définition des aides cognitives repose donc sur une hypothèse
de l’intention de l’utilisateur.
2.4. Les traces de l’activité dans un EVAH
Les choix sur l’interfaçage comportemental
conditionnent, bien
entendu, la nature des traces d’utilisation en réalité
virtuelle. Leur interprétation doit se faire en connaissance des choix
de
conception de l’environnement de réalité virtuelle.
L’information portée par une trace doit donc exprimer la nature de
l’interaction. Il y a, à la fois des données sur la commande
motrice, par exemple sur l’utilisation d’un dispositif de pointage
avec ses coordonnées, et des données sur la fonction qui lui a
été allouée lors de la conception du mode
d’interaction avec le monde virtuel.
En définissant une trace d’utilisation comme toute
information
permettant de suivre et comprendre l’activité d’un apprenant,
on regroupe sous ce terme une grande variété d’informations
spécifiques à la réalité virtuelle : commandes
motrices des utilisateurs (associées aux informations sur
l’interaction), retours sensoriels et conséquences – directes
ou indirectes – des actions des utilisateurs. Les traces que l’on
peut enregistrer automatiquement dans un système de réalité
virtuelle se présentent donc sous deux formes. Il s’agit, soit
d’enregistrement d’évènements informés, soit de
vidéogrammes correspondant au rendu visuel et sonore dans
l’environnement. Les vidéogrammes peuvent être
enregistrés selon divers points de vue comme par exemple ce
que
perçoit l’apprenant, ce que voit le formateur ou une vue globale de
l’environnement.
3. MASCARET
MASCARET (Multi-Agent
System for Collaborative,
Adaptive and Realistic Environment for Training) est un
environnement
virtuel pour l’apprentissage humain développé au CERV,
Centre Européen de Réalité Virtuelle, (Buche et al., 2004b).
Il s’agit d’une plate-forme logicielle permettant à plusieurs
utilisateurs, apprenants et formateurs, d’agir ensemble dans un
environnement virtuel. Cette plate-forme offre les fonctions d’un
système tuteur intelligent. Toute entité active dans
l’environnement est considérée comme un agent,
c’est-à-dire une entité capable de percevoir son
environnement local, de choisir une action adaptée, éventuellement
guidée par un but explicite (principe de rationalité) et
d’agir en conséquence par le biais d’interactions avec
l’environnement ou d’autres agents. Les agents sont donc de diverses
natures. Il s’agit tout d’abord des entités
représentées dans le monde virtuel et exhibant un comportement
autonome (non commandé par une autre entité). Les utilisateurs
sont eux-mêmes considérés comme des agents ; ils
exercent une activité orientée vers un but et interagissent entre
eux, via l’environnement virtuel. Leur activité peut
éventuellement être de nature collaborative, ainsi que la
stratégie pédagogique. Enfin la fonction de tuteur est
assurée par des agents pédagogiques. Dans cet article, nous
n’exploitons que partiellement la plate-forme Mascaret puisque nous
n’utilisons pas ses potentialités adaptatives et que nous ne nous
intéressons pas à la collaboration entre utilisateurs.
MASCARET dispose d’une fonction de suivi de l’activité
des
utilisateurs, apprenants et formateurs, et plus généralement de
tout agent de l’environnement. Elle est assurée par des agents
pédagogiques particuliers jouant le rôle d’"observateurs".
L’analyse de l’activité peut être conduite en ligne
(par le biais d’un agent pédagogique) ou hors ligne (fichier de log
en XML). Ce mécanisme de suivi a été conçu de
façon à être indépendant du domaine
d’apprentissage et de la stratégie pédagogique.
L’interprétation des traces, qui dépend
nécessairement du contexte pédagogique, n’est pas
assurée, pour l’instant, par un agent artificiel.
L’intérêt de MASCARET est qu’il repose sur un
méta-modèle formel de l’environnement et des
activités, et que tous les objets, actions et évènements du
monde virtuel sont réifiés. Deux sous-systèmes de MASCARET
servent de support à la détection des traces
d’utilisation : VEHA et HAVE ; ils sont décrits dans
la
suite.
VEHA (pour Virtual Environment supporting
Human Activities) est un
méta-modèle d’environnement virtuel informé et
structuré ; il sert à la description du monde virtuel dans
lequel l’apprenant réalise sa tâche. HAVE (pour Human
Activities in a Virtual Environment) est le pendant de VEHA
qui
décrit les activités réalisées, ou potentiellement
réalisables, par un humain dans un monde virtuel décrit avec VEHA.
Ces méta-modèles sont des extensions du méta-modèle
UML 2 (Unified Modelling Language) dont la vocation
première est
la modélisation de logiciels (Booch et al., 2005) mais qui a aussi été utilisé comme langage de description
d’ontologies (Cranefield
et Purvis, 1999).
Le choix d’UML est motivé par ses propriétés de
langage de description de données, support à la description de
connaissances, et sa sémantique opérationnelle qui permet de
décrire une exécution du modèle.
Dans MASCARET, le monde virtuel est donc entièrement
décrit
selon le méta-modèle VEHA ; il s’agit d’un
environnement informé en ce sens qu’il est sa propre description
sémantique. L’environnement est géométriquement et
logiquement structuré. Il s’agit d’un monde tridimensionnel
composé d’objets identifiables sur lequel il est possible de
définir des relations topologiques. Le comportement des entités
qui composent ce monde, ainsi que le résultat des actions des agents
artificiels et humains qui agissent dans ce monde, sont aussi décrits
en
utilisant VEHA. La réalisation des actions et leur organisation en
activités sont définies avec HAVE.
Les sections qui suivent décrivent les éléments de VEHA
et HAVE qui sont utilisés pour l’observation et l’analyse des
traces d’utilisation dans MASCARET.
3.1. Le modèle d’environnement virtuel structuré et
informé VEHA
Le modèle VEHA de MASCARET permet de modéliser les
objets qui
constituent l’environnement physique de l’apprenant. Ce
modèle fournit une description de la composition de cet environnement
ainsi que des comportements. Il offre donc à la fois une vue statique
et
dynamique de l’environnement d’apprentissage. Ce monde est
considéré comme discret : il est composé
d’objets identifiables et leur évolution se fait par des
changements instantanés d’état.
3.1.1. La vue statique de l’environnement
Un monde VEHA est composé d’entités spatialement
localisées et éventuellement interconnectées. Les
entités peuvent être typées : on utilise pour cela la
notion de classe d’UML. Une classe définit les
propriétés communes à toutes les entités qui en sont
des instances. Les propriétés des entités sont, soit de
nature statique, soit de nature comportementale. Les propriétés
statiques sont des attributs ayant des valeurs numériques ou
symboliques,
des états ou des associations possibles vers d’autres types
d’entités. L’existence de relations entre entités
permet de propager l’effet d’une action sur un objet à
d’autres objets. Cela permet aussi de définir des entités
composées de différentes parties et donc d’obtenir des
informations à la fois sur les parties et sur le tout.
La manipulation d’un objet VEHA peut se faire par
l’intermédiaire d’une "poignée virtuelle" à
l’instar des "smart objects" (Kallmann et
Thalmann, 1998).
Une poignée est un médiateur d’interaction (on lui associe
une méthode pour interagir avec l’objet). L’existence de ces
poignées permet de savoir comment un objet à été
manipulé : a-t-il été pris par le dessus ou
poussé par un de ses côtés ? Une poignée peut
également contraindre les modalités de l’interaction avec
l’objet, en particulier en définissant des niveaux de détail
dans le geste à réaliser pour manipuler l’objet. Elle
fournit donc une information sémantique sur une manipulation comme
ouvrir
une porte avec une poignée, complétée éventuellement
sur un mode opératoire (utilisation ou non d’une aide
logicielle comportementale) : positionnement approximatif de
la "main" de
l’utilisateur à proximité ou réalisation d’un
geste de préhension puis d’une rotation.
Les entités sont géographiquement
référencées, selon deux systèmes qui se
complètent sémantiquement. Le premier associe à chaque
objet une position et une orientation dans un repère global ;
la
position d’une entité est un point de l’espace et son
orientation est une base de trois vecteurs. Cette information est
utilisée pour observer des déplacements d’objet
(translations et rotations). La notion de localisation est
complétée par la notion de zone de l’espace : il est
ainsi possible d’exprimer qu’une entité est située
dans une zone donnée, ce qui permet de contrôler qu’un objet
a été placé au "bon endroit", même si ce
positionnement est approximatif (par exemple. "sur la table").
Enfin les
entités ont une forme géométrique tridimensionnelle ce qui
permet de raisonner sur la proximité de deux objets, sur
l’occurrence d’éventuelles collisions ou l’inclusion
d’objets (par exemple "un cube dans une boîte").
3.1.2. La vue dynamique de l’environnement
Classiquement un environnement est composé d’entités
inertes et d’entités pouvant exhiber un comportement. Ce
comportement peut être lié à une évolution interne,
autonome, de l’entité, mais le plus souvent, il est provoqué
par l’occurrence d’une perturbation de l’environnement
à laquelle réagit l’entité. Le comportement est alors
réactif, de type stimulus - réponse.
Ceci est
modélisé dans VEHA en utilisant un sous-ensemble des machines
à états d’UML et la notion de signal. Il est possible que le
comportement d’une entité influence celui d’autres
entités. Ceci est simulé par la synchronisation des machines
à états des différentes entités réactives (Chevaillier et
al., 1999).
Avec VEHA, tous les changements d’état sont donc observables ;
si un tel changement d’état est la conséquence –
indirecte – de l’action d’un apprenant, il est
intéressant de pouvoir l’enregistrer.
Certaines actions de l’apprenant se traduisent par le
déclenchement d’une opération sur un objet,
spécialement lorsque l’on a recours à des métaphores
d’interaction. L’exécution d’une opération est
un type d’évènement observable en VEHA. L’information
qui lui est associée est le déclencheur de
l’opération, l’objet sur lequel elle porte et les
paramètres de son exécution.
3.2. Le modèle des activités HAVE
Le modèle
HAVE de MASCARET décrit
les activités d’un collectif d’agents. Ces agents
représentent des acteurs humains ou des personnages artificiels
(humains
virtuels). Le modèle des activités est supporté par une
modélisation de la structure organisationnelle de ce collectif.
Le modèle organisationnel permet de définir le rôle des
agents au sein du collectif. Comme dans MOISE (Hübner et al., 2002),
la description abstraite du collectif est nommée "structure
organisationnelle" et une réalisation concrète "entité
organisationnelle". Cette notion est fondamentale dans un EVAH
collaboratif car
il est essentiel dans l’analyse des traces de savoir quel rôle est
alloué à l’utilisateur ayant produit un observable.
Dans HAVE, les activités sont décrites comme un ensemble
d’actions à réaliser par une structure organisationnelle
afin d’atteindre un objectif. Par exemple, une séance
pédagogique est structurée en exercices dont la réalisation
est décrite sous forme d’un modèle des activités qui
précise les actions de chacun des agents en fonction de leur rôle.
Ceci permet de spécifier la tâche que doit réaliser
l’apprenant au cours de chaque exercice. Les activités sont
décrites sous forme d’enchaînements possibles
d’actions ; on parle alors de description procédurale. La
prise de rôle et, symétriquement, son abandon est un
évènement observable, de même que le démarrage et la
fin d’une activité.
Une action est définie par des conditions de faisabilité
et des
effets attendus ; ces conditions sont formalisées sous forme
d’expressions logiques sur les entités VEHA qui composent
l’environnement des agents. La réalisation d’une action peut
à son tour être décrite comme une séquence
d’opérations à réaliser. Ces dernières
correspondent à l’atome de la description d’une
activité. Aucune information n’est donc directement observable sur
leur déroulement. Il est cependant possible d’observer le
résultat de l’exécution d’une opération.
Comme cela a été évoqué en 2.3,
l’identification des actions de l’utilisateur est complexe en
réalité virtuelle. Tout d’abord, il faut formaliser la
manière dont sont supportées les interactions. Ensuite, il faut
tenir compte du fait qu’une action est réalisée par une
série de commandes motrices et qu’elle est éventuellement
assistée d’une aide logicielle comportementale. La reconnaissance
d’une action nécessite donc d’identifier ces séquences
qui sont formalisables sous forme d’automates (cf. Figure 1). Les
actions
peuvent ensuite être catégorisées en utilisant le concept de
"Primitive Comportementale Virtuelle" (PCV) introduit par Fuchs. Les
actions des
utilisateurs peuvent ainsi être
class&ea(Burkhardt et
al., 2003)es
(Burkhardt et al., 2003) : (i)
observation, (ii) déplacement,
(iii) manipulation d’objet et (iv) communication (avec le système
ou un autre agent).
Figure 1 :
automate formalisant
l’enchaînement des observables lors de la réalisation
d’une action de placement d’un objet avec Mascaret (ALC : Aide Logicielle
Comportementale)
3.3. Les agents
Les traces de l’activité des agents qui sont toujours
identifiables, sont leurs interactions avec l’environnement et les
autres
agents. Leur processus interne de décision est par essence non
observable. L’interaction avec les objets du monde a été
envisagée précédemment. Les actions de communication
liées à l’activité de l’apprenant correspondent
à leurs échanges avec les autres utilisateurs (apprenant et
formateur), avec des personnages de l’environnement virtuel ou avec des
agents pédagogiques. Dans MASCARET, toutes les communications avec le
système sont réalisées par des échanges de messages
entre agents et sont donc potentiellement observables.
Prenons l’exemple de la situation dans laquelle
l’apprenant pose
une question au formateur. Cette question est formulée sous forme
linguistique dont le medium peut être la voix ou le texte. Dans
MASCARET,
cette communication est supportée par un échange de messages entre
les agents qui représentent l’apprenant et le formateur dans le
système. Cela permet d’avoir un mécanisme unique de suivi
des interactions entre agents, qu’ils soient artificiels ou humains.
Ceci
est nécessaire, car une situation identique pourrait se produire entre
un
apprenant et un agent pédagogique artificiel. Un échange de
message entre agents est une action de communication qui se
décompose en une opération de production d’un acte et sa
consommation par un ou plusieurs agents. Dans MASCARET, les différents
types d’action de communication correspondent aux performatifs de KQML (Labrou, 1996).
3.4. Enregistrement des traces élémentaires
La responsabilité de la construction des traces à partir
des
évènements présentés dans les sections
précédentes et de leur enregistrement revient à un agent
observateur. Les éléments à tracer sont définis sous
forme de filtres sur les propriétés des
évènements potentiellement produits par les entités de
MASCARET. Le comportement de l’agent observateur est
d’interpréter les filtres de sélection
d’évènements de façon à déterminer,
à partir du modèle de l’environnement, quelles
entités devront lui notifier les occurrences
d’évènement. Ceci est possible dans MASCARET car tous les
éléments du modèle, et le modèle lui-même,
sont réifiés. Les principaux termes utilisés dans cet
article sont présentés dans le tableau.
Terme |
Définition |
Interaction |
tout ce que l'utilisateur peut faire dans le monde
virtuel. |
Opération |
élément de base de l'interaction. |
Action |
ensemble d’opérations réalisées par un sujet,
centrées sur un but. |
Activité |
ensemble observable d’actions identifiées et
organisées. |
Procédure |
plan d’actions, élaboré par le sujet, centré vers
un but. |
Evènement |
occurrence d’un changement dans le monde ou de la
réalisation
d’une opération. |
Observable |
évènement ou élément du monde qui peut
être détecté. |
Observé |
observable faisant l’objet d’une surveillance. |
Trace |
inscription temporisée et informée d’un
évènement observé. |
Indicateur |
outil d’évaluation calculé ou inféré
depuis les traces, en vue d’une analyse spécifique. |
Tableau
1 : Glossaire des termes
À tout évènement, on peut associer des informations sur
la source de l’évènement ou sur les objets
concernés (leurs propriétés, leur localisation). Pour
faciliter l’identification du contexte de son occurrence il
est
possible d’ajouter des informations telles que : l’état
d’un sous-ensemble des objets du monde, l'activité d'un agent
artificiel, les déplacements d'entités dans une zone ou des
évènements extérieurs à l'environnement virtuel. La
figure 2 présente les différents types de traces, chacun
étant lié à un type d’observable de Mascaret.
Figure 2 :
Types d’observables de Mascaret
constituant des traces (modèle de classes en UML)
3.5. Outils pour l’analyse des traces
Les traces issues de MASCARET étant enregistrées dans un
format
standard (XML), leur analyse n’est pas dépendante d’un outil
particulier. Elles peuvent être consultées par
l’intermédiaire d’un simple éditeur de texte ou
d’un navigateur web et altérées grâce à des
outils de manipulation de texte (par exemple GNU sed).
Pour une analyse plus aisée, nous utilisons des outils
spécifiques à l’analyse des traces. MASCARET propose un
outil intégré de visualisation des traces sous forme de
chronogrammes. Il est possible, grâce à une transformation de
modèle (XSLT) d’adapter le format et la sémantique de nos
traces pour les exploiter dans un outil tel que TATIANA qui utilise lui
aussi un
format XML (Dyke et al., 2007) ou tel que CoLAT (Avouris et al.,
2005) qui permet la fusion de traces issues de plusieurs sources.
Néanmoins, chaque élément de la trace étant
lié à un ou plusieurs éléments du monde
réifié grâce au modèle VEHA, l’analyse est
facilitée lorsque l’outil permet de manipuler explicitement ces
observables (ce que permet l’outil de visualisation intégré
à MASCARET). Par exemple, on veut pouvoir filtrer les traces pour ne
refléter que l’occurrence des actions d’un certain
utilisateur (ici, le formateur ou l’apprenant) ou l’utilisation
d’un objet particulier. On peut aussi vouloir fabriquer des indicateurs
spécifiques pour mettre en évidence certaines tendances, comme par
exemple, pour évaluer la fréquence d’utilisation d’un
périphérique ou comparer l’utilisation de deux ressources en
ligne (Bratitsis
et Dimitracopoulou, 2006).
4. Expérimentation sur des travaux pratiques de
physique dans une
paillasse virtuelle
Comme
première utilisation de notre paillasse
virtuelle, nous avons choisi de reproduire un TP de physique qui a fait
l’objet d’une étude précédente (Beney et
Guinard, 2004).
La tâche à réaliser est la mesure par différence de
la vitesse de la lumière dans l’air, dans un cube de résine,
puis dans l’eau. Nous avons mené une expérimentation afin de
vérifier si les traces de l’activité recueillies,
permettaient de repérer des actions, telles que l'utilisation d'aides
virtuelles (Baudouin et al.,
2007),
des plans d’actions, des situations prototypiques et de comparer ce que
les apprenants font par rapport à ce qu’ils disent avoir fait. Ce
dernier point n’est pas abordé dans cet article.
4.1. Méthodologie
4.1.1. Les sujets
Quatorze étudiants d’une école d’ingénieurs
(ENIB), en première année après le baccalauréat,
participent librement à l’expérimentation. Tous les sujets
sont de sexe masculin et ont un parcours scolaire équivalent en ce qui
concerne l'apprentissage de la physique. En échange de leur
acceptation,
une visite du CERV et des démonstrations en réalité
virtuelle leur sont proposées. Les conditions matérielles sont
proches de celles qui pourraient être mises en place dans un cadre
scolaire classique ; mais l'expérience est présentée
aux étudiants comme une expérience de recherche et les personnes
présentes sont des chercheurs.
4.1.2. La paillasse virtuelle
Une paillasse virtuelle spécifique a été conçue
pour cette expérience en utilisant MASCARET (Figure3). L'affichage de
la
scène 3D utilise un vidéoprojecteur classique,
non-stéréoscopique. Elle permet de réaliser
l'expérience debout, à environ 1,30m de l'écran, avec un
angle de vue assez large. La paillasse virtuelle apparaît dans une
taille
et une orientation proche d'une paillasse réelle. L'interface motrice,
posée sur un pupitre, utilise un clavier (15 touches utiles), une
souris
et une souris 3D à 6 degrés de liberté.
![](images/baudouin_fig3_600.jpg)
Figure 3: la
paillasse virtuelle
réalisée avec Mascaret
Les consignes opératoires sont fournies sous forme d’un
texte
écrit sur une feuille que l’élève a en permanence
à sa disposition. Durant la séance, l'apprenant doit mesurer la
vitesse de la lumière dans l'air, dans la résine (le cube jaune)
et dans l'eau (le tube noir). La règle permet de repérer les
positions des objets posés sur le socle. L'oscilloscope affiche deux
signaux correspondants à l'émission et à la
réception de la lumière. Le temps mis par la lumière pour
parcourir le chemin peut être déduit de la mesure du
décalage entre les deux signaux (déphasage). La difficulté
de ce TP réside dans l'impossibilité de mesurer
précisément certains paramètres comme la distance entre les
miroirs et la position exacte de l'émetteur / récepteur de
lumière. Pour obtenir la vitesse précise, l'apprenant doit
obligatoirement réaliser une mesure de référence.
La navigation dans l'environnement passe par des points
de vue fixes
prédéfinis. L'apprenant peut passer d'un point de vue à un
autre en utilisant les touches flèches du clavier.
Les
flèches gauche et droite permettent de déplacer le point de vue
latéralement, tandis que les flèches haut et bas permettent
respectivement d’avancer ou de reculer le point de vue. Ce mode de
navigation évite à l’apprenant de se perdre dans
l’environnement et lui permet d’effectuer des déplacements
rapides.
La manipulation des objets s'effectue avec la souris
classique et la souris
3D dont nous n’utilisons que la rotation selon l’axe des z. Il est
possible de déplacer les objets dans le plan de la table et de les
orienter sans les soulever. Pour manipuler un objet, l'apprenant doit
le
"saisir" en le sélectionnant avec la souris. Pour cela, il place le
pointeur sur l'objet et clique avec le bouton gauche. Une fois l'objet
saisi, le
pointeur disparaît et la position de l'objet sur la table est liée
à la position de la souris (axes x et y). L'apprenant peut donc
déplacer l'objet sur le plan de la table en déplaçant la
souris. Lorsqu'il veut poser l'objet, il clique à nouveau pour
lâcher l'objet. Pour tourner les objets, nous utilisons l’axe de
rotation selon z de la souris 3D. Ceci permet d’orienter les objets et
de
tourner le bouton de l’oscilloscope. Ces deux interfaces motrices,
assez
classiques, permettent de conserver la nature du geste du bras et de la
main.
Le TP nécessite une manipulation précise des objets
traversés par la lumière. Ces derniers doivent avoir une
orientation exacte pour limiter la réfraction qui compliquerait la
simulation du trajet du rayon lumineux. Afin de faciliter ces
manipulations,
deux Aides Logicielles Comportementales sont mises en place :
un guide de
positionnement et un guide en translation. Lorsqu'un objet subit une
rotation et
que l’orientation finale est proche d'un angle plat (0,π) ou d'un
angle droit (π/2, 3π/2) par rapport au rayon lumineux, l'angle est
ajusté exactement à ces valeurs, de façon automatique.
Quand l'utilisateur approche un objet suffisamment près du socle, il
est
"magnétisé" sur le socle et guidé en translation. Pour
enlever l'objet du socle, l'apprenant doit le saisir et "tirer" ou
"pousser"
l'objet. Cette manipulation assistée d’une ALC est donc conforme
à l’automate de la figure1.
4.1.3. Procédures
Chaque apprenant manipule seul en présence d’un
didacticien de
la physique. Ce dernier intervient pour annoncer le début et la fin des
étapes et pour donner une information évaluative à
l’apprenant, portant sur sa méthode et sur son résultat.
Chaque étape correspond à une activité au sens du
modèle HAVE de MASCARET (c.f. 3.2).
Le
déroulement de l'expérience est le suivant :
- Description de l’interface par
l’expérimentateur, puis manipulation par l’apprenant
d’un environnement simplifié (tutoriel 1 : 5 min).
- Présentation de la paillasse
virtuelle par
l’expérimentateur. Description et manipulations des objets
(tutoriel 2 : 5 min).
- Apprentissage dans la paillasse
virtuelle :
réalisation des trois mesures de la vitesse de la lumière (30 ~ 45
min).
- Entretien d'explicitation, mené
dès la fin de
l'expérimentation, de type semi directif (10 min).
- Questionnaire à questions
fermées en trois parties
sur le profil de l'apprenant en rapport avec la réalité virtuelle
(simulateur, jeux 3D), l’utilisabilité de l'EVAH et
l’auto-évaluation des performances de l'apprenant.
L’apprentissage est découpé en trois étapes
évolutives, au cours desquelles l'apprenant mesure la vitesse de la
lumière dans l'air, dans le cube de résine puis dans l'eau. Chaque
étape est constituée de plusieurs phases. L'apprenant a un temps
alloué pour résoudre seul le problème. À
l’issue de ce temps, l’expérimentateur donne à
l’apprenant un retour informatif sur sa prestation. Pour les deux
premières étapes, en cas de blocage ou d'échec,
l’apprenant bénéficie d’un temps supplémentaire
au cours duquel il peut utiliser des aides virtuelles. Puis, en cas de
nouvel
échec, l’expérimentateur lui montre la bonne
procédure de manipulation et lui demande de refaire cette
manipulation.
4.2. Recueil et mise en forme des traces
4.2.1. Les observations directes sur l’activité
Nous recueillons pendant l’expérimentation, des
enregistrements
informatiques, des enregistrements audiovisuels et des notes de
passation. Les
enregistrements audiovisuels sont collectés par un caméscope fixe
filmant l’apprenant et la scène virtuelle projetée. Les
notes de passation fournissent des indications des performances
communiquées aux apprenants (méthode et résultat). Les
enregistrements informatiques sont produits par MASCARET. Le modèle
d’activité HAVE permet de spécifier les
éléments que nous souhaitons retrouver dans ces traces
informatiques. Nous enregistrons toutes les interactions de l'apprenant
avec
l’environnement virtuel et nous obtenons des traces reflétant son
activité.
Figure 4 : actions,
opérations de l’utilisateur et interfaces motrices utilisées
(en couleur : évènements observés durant
l’expérience)
Les actions des utilisateurs peuvent être classées selon
le type
de PCV auquel elles correspondent (Figure 4) :
manipulation, déplacement, communication et observation. Les traces
enregistrées durant l’expérience sont les
éléments directement détectables, mis en couleur sur la
figure. Elles reflètent soit la réalisation d’une
opération ou d’une action, soit l’utilisation d’une
interface motrice.
4.2.2. Génération de frises chronologiques
Il est possible d'exploiter les traces informatiques
sans modification ou
ajouts sémantiques, en réalisant des comptages statistiques ou en
utilisant des représentations graphiques spécifiques. Nous
utilisons l’un des outils de MASCARET pour générer des
frises chronologiques qui permettent de visualiser l’enchaînement
des traces à différentes échelles. Ces frises peuvent
être confrontées à l’enregistrement vidéo et
aider à l’analyse des traces textuelles. Elles permettent
d’effectuer des premiers repérages et de sélectionner des
épisodes intéressants. L’information
élémentaire est un évènement observé,
figuré par une barre verticale grise. Chaque ligne regroupe les
évènements liés à un agent (par exemple
l’apprenant), une entité (par exemple les miroirs) ou à
l’utilisation d’une interface motrice.
Figure 5: Exemple de
frise chronologique montrant l'utilisation des aides virtuelles par un
apprenant
Par exemple, bien que le nombre d'évènements soit très
élevé, une représentation sous forme de frise donne une vue
d'ensemble de l’utilisation des aides (Figure 5).
La
première ligne correspond à tous les évènements
déclenchés par l’apprenant. Elle fait clairement
apparaître les temps d’inactivité de l’apprenant. Les
autres lignes montrent les activations et désactivations des aides. Les
bandes colorées correspondent aux repérages dans les traces
textuelles des périodes d’affichage des aides (intervalle temporel
entre l’activation et la désactivation d’une aide).
Ce diagramme permet de distinguer clairement les
différentes
étapes et phases de l’apprentissage et permet de visualiser quelles
aides ont été déclenchées, dans quel ordre et
pendant combien de temps (Baudouin et al.,
2007).
4.2.3. Les observations indirectes de l’activité
L’étude de ces observations indirectes est mentionnée
sans être présentée en détail dans cet article. Elle
participe à l’affinement et à l’évaluation du
dispositif d’apprentissage (Tchounikine, 2002).
L’expérience terminée, l’entretien avec le sujet
permet de recueillir ses impressions, constats et réflexions à la
fois sur sa prestation, les aides utilisées et son appréciation
sur l’environnement virtuel. Le questionnaire à questions
fermées montre que tous les apprenants sont familiers des applications
informatiques et ont déjà été en contact avec des
environnements virtuels, tels que des simulateurs ou des jeux. Les
utilisateurs
ne sont donc pas novices vis-à-vis de la réalité
virtuelle.
4.3. Analyse et interprétation des
observations directes
Hulshof caractérise quatre formes d’analyse de fichiers
de
trace : l’analyse fréquentielle centrée sur les
opérations réalisées et leur fréquence,
l’analyse séquentielle centrée sur l’ordonnancement
des opérations, l’analyse des transitions centrée sur les
raisonnements, l’analyse du protocole centrée sur la verbalisation
des processus à voix haute (Hulshof, 2005).
Les deux premiers types d’analyse produisent des résultats qui
concernent l’activité observable tandis que les deux derniers
s’intéressent davantage au raisonnement et à
l’état cognitif de l’utilisateur.
L’analyse de l’activité des apprenants porte ici sur le
repérage de l’utilisation d’aides virtuelles (analyse
fréquentielle), la reconnaissance des procédures manipulatoires
des apprenants (analyse séquentielle et analyse du protocole) et
l’identification de situations prototypiques (analyse
séquentielle). Nous en donnons quelques exemples dans les sections qui
suivent.
4.3.1. Identification des actions à partir des traces
Dans certains cas, une action est clairement définie
comme une suite
ou un assemblage d'opérations (cf. Figure 4)
: de simples
règles permettent alors de mettre en valeur avec certitude les actions
de
l'utilisateur (exemple : une touche = une action). De la même
façon, certaines activités peuvent être déduites
directement de la trace des actions. Ces règles sont connues de l'agent
observateur de Mascaret ; il est alors capable de générer
directement des traces de plus haut niveau faisant apparaître des
actions,
voire des activités.
Mais, en général, les actions ne peuvent pas être
définies clairement ou indépendamment les unes des autres. La
déduction des actions à partir des traces nécessite la
formalisation de l'action, c'est-à-dire l’expression de
l’action sous la forme d’un ensemble d’opérations,
liées par des contraintes de contexte. Selon le type de l’action
(PCV), l’identification ne repose pas sur les mêmes
éléments.
Pour les déplacements, nous identifions une seule
action, naviguer,
qui se traduit par un déplacement de la caméra virtuelle dans
l’environnement, vers l’un des points de vue atteignables. Cette
action est réalisée par l’exécution d’une suite
d’opérations ChangerPointDeVue,
qui correspondent
chacune, au passage d’un point de vue à un autre parmi les points
de vue adjacents (devant, derrière, à droite et à gauche).
Le pavé directionnel du clavier permet donc de s’approcher, de
s’éloigner, de regarder à droite et de regarder à
gauche.
Les actions de communication sont limitées dans notre
environnement
à l’appel des aides virtuelles. Les autres actes de communication
importants de l’expérience sont les retours évaluatifs qui
se déroulent entre l’apprenant et l’expérimentateur,
sans passer par l’environnement. Ils n’apparaissent donc pas dans la
trace informatique.
Les manipulations d’objets apparaissent dans les traces,
mais ces
actions ne sont pas directement déductibles des opérations. Nous
considérons qu’un déplacement consiste à prendre un
objet, puis l’amener d’une position A à une position B, en
effectuant autant de micro-déplacements que nécessaire et enfin,
à le poser (cf. automate de la figure1). Dans le cas
général, une action déplacer est
donc
bornée par les actions prendre et poser.
Néanmoins, il arrive parfois que l’apprenant réalise
plusieurs actions de déplacement avant de désélectionner
l’objet (il lâche réellement la souris, sans cliquer). Dans
ce cas, l’environnement ne peut pas détecter la fin du
déplacement réel. Il faut donc modifier l’automate pour
considérer ce cas. Nous considérons alors que l’apprenant a
terminé son déplacement, s’il marque une pause suffisante
entre deux opérations bouger ou
s’il réalise
une autre action.
Les prises d’information, comme la lecture d’une
position sur la
règle ou de la phase entre les deux courbes de l’oscilloscope, ne
sont que partiellement médiées par l’environnement. En
effet, il est possible de savoir quand l’information est visible par
l’apprenant, mais on ne peut que supposer que ce dernier lise bien la
valeur. La seule action d’observation directement disponible est
l’appel de l’aide de lecture qui permet d’afficher une copie
de l’écran de l’oscilloscope en surimpression dans le coin de
l’écran. Néanmoins, pour pouvoir effectuer une mesure
précise, l’apprenant est obligé de naviguer
jusqu’à l’un des points de vue, au plus près de
l’oscilloscope sur la table. Pour lire précisément les
positions des objets, il doit aussi se rapprocher de la règle. De ce
fait, il est possible de faire des hypothèses sur les prises
d’informations à partir de ses opérations de
déplacements. L’identification des actions d’observation est
donc réalisée grâce à un automate tel que celui de la
figure 1.
4.3.2. Repérage de la bonne procédure de manipulation
Pour réussir l’exercice, l’apprenant doit réaliser
une procédure de mesure correcte puis effectuer un calcul à partir
des mesures effectuées. Bien que plusieurs procédures
différentes soient possibles pour trouver un résultat bon ou
approché, le chercheur en didactique de la physique estime que certains
éléments sont indispensables à la réussite. Nous
privilégions une méthode de manipulation efficace sans
approximation.
Dans le contexte de notre TP, plusieurs distances ne
sont pas connues et ne
sont pas mesurables. Par ailleurs le déphasage des courbes qui permet
la
mesure des temps peut être fixé arbitrairement. Pour faire des
mesures de distance et de temps, l’apprenant doit mettre en place une
situation de référence. Chaque exercice nécessite une
procédure spécifique de mesure. Nous présentons ici le
repérage de la bonne procédure pour réussir la mesure de la
vitesse de la lumière dans l’air qui pose le plus de
problèmes, car peu d’objets sont manipulés. Cette
procédure est définie comme suit :
1. L’apprenant place les miroirs à une position
quelconque A sur
le socle. Il note la position des miroirs par rapport à la règle.
2. L’apprenant note le déphasage entre les deux courbes
sur
l’oscilloscope ou met les courbes en phase grâce au bouton
déphaseur.
3. L’apprenant place les miroirs à une autre position
quelconque
B. Il note la position des miroirs.
4. L’apprenant note le déphasage entre les deux courbes.
Durant toute la procédure, le cube de résine et le tube
d’eau ne doivent pas se trouver sur le socle entre les miroirs et
l’émetteur/récepteur. L’apprenant peut réaliser
d’autres actions comme déplacer les objets pendant la
procédure sans nuire aux mesures. Par contre, l’apprenant ne doit
pas modifier le déphasage à l’aide du bouton après la
partie deux de la procédure. Grâce aux prises d’information,
l’apprenant dispose à la suite de cette manipulation, des
données nécessaires et suffisantes pour calculer la vitesse de la
lumière, c’est-à-dire la distance parcourue par la
lumière et le temps correspondant.
![](images/baudouin_fig6_600.jpg)
Figure 6 :
traces d’utilisation -
réalisation de la bonne procédure dans le cas de la mesure dans
l’air
La frise de la figure6 montre un extrait des traces
d’utilisation sur
lequel nous avons mis en évidence une bonne procédure de
manipulation. Les quatre premières lignes correspondent aux
opérations de déplacement dans l’environnement. Les lignes Souris et Souris3D reflètent
l’utilisation de ces périphériques. Miroirs et BoutonDephasage regroupent
toutes les opérations de
manipulation sur ces entités.
Nous avons repéré manuellement cette procédure à
partir de la frise de manipulation complète. Les bandes colorées
et les ellipses vertes ont été ajoutées manuellement pour
faciliter la lecture de la frise. Chaque ellipse correspond à l’une
des parties attendues de la bonne procédure, nous les avons
numérotées ici de 1 à 4. Les quatre étapes sont
facilement repérables : positionnement des miroirs (1), mise à
zéro du déphasage des courbes (2), deuxième positionnement
des miroirs (3), lecture du déphasage des courbes à
l’écran de l’oscilloscope (4). On peut remarquer que dans
l’étape 2, l’apprenant se rapproche le plus près
possible de l’oscilloscope pour plus de précision. La frise ne nous
permet pas de savoir si l’apprenant met effectivement les courbes en
phase, mais nous pouvons le vérifier dans le fichier de traces XML
(évènement de type PropertyChange, figure2).
Le fait que l’apprenant déplace les miroirs en plusieurs
fois
(pour l’étape 1 et 3) s’explique en regardant le fichier XML.
Dans le cas 1, l’apprenant place grossièrement les miroirs puis
effectue un placement de précision. Dans le cas 3, l’apprenant
n’a pas un point de vue assez large pour voir, à la fois, les
positions initiale et finale des miroirs. Il est trop près de la
règle, et doit donc s’éloigner pour déplacer les
miroirs sur la distance voulue puis se rapprocher pour les positionner
précisément.
Les données qui nous manquent le plus ici concernent les
prises
d’information. Lors des placements précis des miroirs et de la mise
en phase des courbes, les positions A et B sont choisies par
l’apprenant.
Nous faisons l’hypothèse qu’il a bien noté ces deux
valeurs. Le repérage de la partie 4 de la procédure est plus
problématique. L’apprenant ne se déplace pas dans
l’environnement pour se rapprocher de l’oscilloscope. Les traces
nous ont permis de savoir qu’à cet instant, l’aide de lecture
permettant de voir l’oscilloscope en permanence était active.
L’apprenant a donc eu la possibilité de faire une mesure quand il
le désirait. Nous sommes obligés ici de faire
l’hypothèse que la non-activité de l’apprenant
regroupe une prise d’information puis un calcul. Les notes de passation
de
l’expérimentateur nous ont permis ensuite de vérifier que
cet apprenant avait bien réalisé une bonne procédure.
4.3.3. Identification de situations prototypiques
Il est possible d’identifier l’occurrence d’autres
procédures ou situations intéressantes. Certaines erreurs typiques
sont identifiables car elles entraînent une procédure de
manipulation caractéristique. Nous donnons quatre exemples.
L’apprenant tente d’annuler le problème de la mesure des
longueurs inconnues en rapprochant le plus près possible les
éléments les uns des autres. L’agent observateur
détecte alors des collisions entre les objets sur le socle
(évènements de type Collision entre objets de type
lentille, cube et miroirs, cf. figure2). Ce type de procédure peut
être formalisé et est donc détectable dans la trace.
L’apprenant oublie ou ne se rend pas compte que la
lumière
n’effectue pas un aller-retour dans le tube d’eau. La
procédure de manipulation, qui est proche de la mesure dans le cube,
est
alors presque correcte. Seuls les miroirs sont mal positionnés, car
l’apprenant les déplace d’une distance égale à
la longueur du tube d’eau au lieu de la moitié.
L’apprenant n’a qu’une représentation partielle du
problème et considère que toutes les mesures de distance doivent
partir de l’origine de la règle. Il positionne alors les miroirs ou
le cube à la position zéro de la règle pour faire une
mesure absolue. Néanmoins, certains apprenants positionnent le cube
à l’origine pour en mesurer la longueur.
L’absence d’action de la part de l’apprenant peut
s’interpréter comme une phase de réflexion ou de calcul ou
comme une situation de blocage. C’est l’analyse de
l’activité précédente qui permettra
d’identifier la situation. Si, par exemple, les actions que
l’apprenant vient de réaliser permettent d’identifier une
procédure proche de celle attendue, on peut supposer que l’absence
d’activité dans les traces correspond à la phase de calcul,
qui se déroule en dehors de l’environnement. Si, au contraire,
l’activité ne correspond à rien de prévu, on peut
faire l’hypothèse que l’apprenant est dans une situation de
blocage.
Nous avons également noté que certains apprenants
tentent des
opérations interdites ou impossibles dans l’environnement comme par
exemple aller plus loin que les points de vue définis. Même si
elles n’ont pas de conséquences sur le monde virtuel, ces actions
reflètent un comportement de l’utilisateur qui peut être
intéressant. L’agent observateur enregistre ces opérations
et elles sont donc disponibles dans les traces.
5. Conclusion et perspectives
Dans ce
bilan, nous reviendrons sur la
spécificité des traces en réalité virtuelle,
l’apport de MASCARET et notre modèle de description des traces.
Nous dégagerons ensuite quelques perspectives à moyen terme et
identifierons certains problèmes qui restent à
résoudre.
Les EVAH sont riches en interactions de différentes
natures et les
activités y sont multiples. L’activité en travaux pratiques
est fortement manipulatoire et nécessite par ailleurs l’observation
attentive du dispositif, la prise de mesures et la réalisation de
calculs. L’utilisation de la réalité virtuelle modifie
inévitablement la réalisation de ces activités par rapport
à un environnement réel ; elle permet aussi d’autres
actions, comme l’ajout d’informations non textuelles dans
l’environnement ou des changements d’échelle. Les
spécificités sont liées à l’interfaçage
comportemental, à la prise en compte du champ visuel de l’apprenant
et au réalisme de la simulation du monde manipulé (modèles
géométriques et comportementaux). Cependant, l’analyse de
l’activité de l’apprenant dans de tels environnements partage
un certain nombre de questionnements avec d’autres études sur les
EIAH comme l’utilisation de ressources ou la durée de
réalisation d’exercices, (Dimitracopoulou
et Bruillard, 2006).
La nature des informations à traiter est conditionnée
par ces
spécificités et par les questions abordées.
L’intérêt d’un EVAH comme MASCARET est de
définir formellement les observables à partir d’un
modèle de l’environnement et de l’activité et
d’assurer automatiquement leur recueil.
L’expérimentation conduite sur la paillasse virtuelle
montre
qu’il est possible d’identifier certaines activités de
l’apprenant et de répondre, en partie, aux questions
posées : repérage d’actions, identification de plans
partiels, identification de situations prototypiques. Les frises
chronologiques
générées à partir des traces informatiques offrent
une vue d’ensemble qui permet un repérage rapide des actions. Les
traces des fichiers de log permettent une analyse très précise
mais requièrent la manipulation d’un gros volume de données.
L’étude a mis en évidence la difficulté de
repérage des prises d’information. La reconnaissance de ces actions
pourrait être partiellement résolue en utilisant un dispositif de
suivi du regard : mouvement de tête et mouvement oculaire (Duchowsky, 2003).
Une autre difficulté réside dans la reconnaissance exacte des
actions de déplacement d’objet. Pour limiter l’incertitude
sur les déplacements, nous envisageons d’utiliser un bras à
retour d’effort et de simuler la gravité. En plus d’augmenter
le réalisme de la scène, le poids des objets obligera
l’apprenant à soulever les objets virtuels et l’incitera
à réellement les poser avant d’exécuter une nouvelle
action, levant ainsi l’ambiguïté de la reconnaissance des
actions de type déplacer.
Nous disposons à l’issue de l’expérience,
d’un gros volume de traces informatiques. Dans les conditions
d’exploitation didactique de ces traces, le traitement reste semi
automatisé et difficile. La possibilité de traiter en partie ces
données par des frises montre que l'on peut utiliser cet outil pour
alléger le travail d'un chercheur qui veut caractériser
l'activité des apprenants : reconnaissance d'actions et de phase
d’inactivité, nombre d'objets manipulés avec leur ordre
d'utilisation et le type de relation avec les autres objets, fréquence
d'utilisation des objets, recherche d'information... Ceci lui permet
d'afficher
les actions qui l'intéressent. Cependant l'’analyse a
nécessité d’utiliser les autres observations directes
(vidéo et notes de passation) pour lever certaines
ambiguïtés. Pour permettre un traitement plus rapide et plus
précis, nous pensons qu’il faudra transformer ces observations en
traces informatiques pour pouvoir les fusionner avec les traces
d’utilisation (Avouris et al.,
2005).
Il faut alors formaliser les notes manuelles et annoter les vidéos.
Au-delà du repérage de la réalisation d’actions
dans l’environnement, il est nécessaire d’aller plus loin
dans la reconnaissance des plans d’actions de l’apprenant ou de
situations non souhaitables. Nous pouvons identifier trois voies
d’amélioration. Tout d’abord, le volume important des
données nécessite de recourir à des méthodes
d’identification de patterns récurrents dans le corpus de traces (Betbeder et al.,
2007).
Ensuite, il faut être en mesure de reconnaître le plan
d’action de l’apprenant afin de disposer d’une indication sur
ses intentions (El-Kechaï et
Desprès, 2006), (Robinet et al.,
2007).
Nous avons montré une variabilité de l’activité
manipulatoire des apprenants dans un article précédent (Baudouin et al.,
2007).
Cette variabilité doit être prise en compte pour individualiser le
guidage. Il serait donc intéressant de définir des indicateurs
spécifiques aux activités manipulatoires en réalité
virtuelle. La définition des indicateurs étant très
liée à leur utilisation (Dimitracopoulou
et Bruillard, 2006),
nous envisageons de définir un langage permettant de les construire et
de
les calculer directement à partir des traces issues de MASCARET.
Dans cette étude, nous nous sommes centrés sur l’analyse
de l’activité d’un apprenant dans un environnement virtuel.
L’objectif du projet de paillasse virtuelle est de disposer d’un
environnement qui reproduise plus complètement la situation réelle
d’une séance de travaux pratiques. Deux axes se dégagent de
cette perspective. Le premier concerne la dimension collaborative du
travail en
binôme, ce que permet MASCARET. L’analyse de l’activité
collaborative nécessitera d’intégrer des indicateurs de la
qualité de cette collaboration (Barros et
Verdejo, 2000).
Le deuxième axe est de renforcer l’immersion des apprenants dans
l’environnement virtuel. Nous travaillons à la construction
d’un nouveau prototype de la paillasse virtuelle avec un rendu visuel
stéréoscopique, un suivi de mouvement de tête et
l’utilisation d’interfaces motrices comme des bras à retour
d’effort et des dispositifs sans fil munis
d’accéléromètres. Cette paillasse permettra à
deux apprenants de collaborer dans le même monde en étant en face
à face. Ce nouvel environnement ouvre des pistes intéressantes
pour l’analyse de l’activité des apprenants en
réalité virtuelle et le développement d’outils
d’analyse adaptés.
6. Références
AVOURIS
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A
propos des auteurs
Cyrille BAUDOIN est doctorant
au LISyC, Laboratoire
d’Informatique des Systèmes Complexes. Il effectue ses recherches
au CERV, Centre Européen de Réalité Virtuelle. Sa
problématique de recherche est la conception d’agents
pédagogiques pour les environnements virtuels de formation. Dans le
cadre
de sa thèse, il conçoit une paillasse virtuel destiné aux
travaux pratiques en science. Parallèlement il participe au projet
MASCARET, en particulier sur les problématiques multi-agents et
traces.
Adresse : CERV,
25 rue Claude Chappe,
BP38 29280 PLOUZANé
Courriel : baudouin@enib.fr
Toile : http://www.enib.fr/~baudouin
Michel BENEY est Maître de
conférences en
sciences de l'éducation (didactiques de la physique) et enseigne la
physique et la didactique des sciences à l'Université de Bretagne
Occidentale (UBO) à Brest. Il poursuit ses recherches au sein du LISyC
et
dans ce cadre, après avoir fait ses recherches sur les apprentissages
en
TP de physique, il travaille sur les apprentissages en réalité
virtuelle dans le cadre de paillasses virtuelles. Ses domaines de
recherche
concernent les apprentissages et leur transfert. Par ailleurs il
travaille
également sur la formation des formateurs.
Adresse : Université
de Bretagne
Occidentale – 20 avenue Le Gorgeu, CS 93837, 29238 Brest cedex 3.
Courriel : michel.beney@univ-brest.fr
Toile : http://pageperso.univ-brest.fr/~beney/
Pierre CHEVAILLIER, maître de
conférences en
informatique est membre du LISyC, Laboratoire d’Informatique des
Systèmes Complexes. Il effectue ses recherches au CERV, Centre
Européen de Réalité Virtuelle. Ces travaux sont une
contribution au développement d’environnements virtuels adaptatifs
dans lesquels la fonction pédagogique est assurée par un
système multi-agents. Il est l’un des concepteurs du système
MASCARET.
Adresse : CERV,
25 rue Claude Chappe,
BP38 29280 PLOUZANé
Courriel : pierre.chevaillier@enib.fr
Toile : http://www.enib.fr/~chevaill
Agnès LE PALLEC est
professeure
agrégée à l’Université de Bretagne Occidentale
(Brest), docteur qualifiée en Sciences de l’Education. Ses travaux
de recherche portent sur les savoirs et pratiques de référence, le
guidage de l’apprenant, les activités duelles. En tant que membre
du Laboratoire LISyc (équipe SARA),elle a participé au Projet
ARéViRoad et collabore actuellement à celui de la
« paillasse virtuelle ».
Adresse : Université
de Bretagne
Occidentale - 20 avenue Le Gorgeu, CS 92837, 29238 Brest cedex 3
Courriel : agnes.lepallec@univ-brest.fr
Toile : http://pageperso.univ-brest.fr/~alepalle/
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