Cette thèse de doctorat est centrée sur la conception et l'expérimentation d'un outil pour soutenir l'apprentissage collaboratif, en petits groupes autonomes, lors de sorties sur le terrain. À cette fin, nous avons développé SPART, un dispositif d'augmentation de surfaces planes, par exemple des cartes ou des images, qui peut être utilisé avec des smartphones ou des tablettes standards. Il offre un grand espace de travail et des interactions intuitives similaires aux tables interactives. Ce dispositif a été testé dans le cadre d'une activité en classe, d'une sortie pédagogique et d'une exposition scientifique. Cette thèse propose également des contributions plus théoriques comme la définition d’un cadre conceptuel pour mieux comprendre les éléments et les mécanismes inhérents à l’apprentissage collaboratif instrumenté. Le cadre de conception, nommé PAC Framework, a été construit en considérant un grand nombre de travaux scientifiques, dans le but de devenir un artefact collaboratif pour la communauté CSCL (Computer Supported Collaborative Learning). Nous proposons également une méta-analyse des fonctionnalités collaboratives existantes et de leurs impacts sur les activités et les apprentissages pour guider la conception de logiciels CSCL.