De la conception à l'exploitation des travaux pratiques en ligne : application d'une approche générique à l'enseignement de l'informatique

par Mohamed El Amine Bouabid

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Philippe Vidal.

Soutenue en 2012

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    La mise en ligne des travaux pratiques est une problématique de recherche étudiée depuis plus d'une décennie en raison des enjeux pédagogiques et économiques qu'elle engendre. En effet, il s'agit d'une catégorie d'enseignements indispensables aux disciplines scientifiques, technologiques et mathématiques et d'ingenierie visant à atteindre des objectifs d'apprentissage particuliers liés à l'acquisition de compétences professionnelles et scientifiques, mais aussi au travail de groupe et de communication. Des recherches dans le domaine des télé-TPs ont permis de mettre en évidence des problèmes d'ordre pédagogiques et techniques qui entravent le développement et l'acceptation des télé-TPs par les acteurs de la formation, dont nos travaux tentent d'apporter des réponses. En particulier, cette thèse traite les problématiques liées (1) aux fondements théoriques de l'apprentissage en ligne dans le cadre de télé-TPs, (2) aux avancées tant techniques que pédagogiques des Environnements Informatiques pour l'Apprentissage Humain (EIAH), et (3) aux avancées techniques et technologiques pour la mise en ligne de dispositifs de laboratoires distribués et mutualisés. En d'autres termes, il s'agit d'atteindre l'efficacité pédagogique des télé-TPs tout en les intégrant aux EIAHs utilisés pour les autres types d'activités d'apprentissage. Nos propositions s'articulent autour de deux éléments clés : (1) une architecture structurée en couches assurant une communication transparente entre les contextes d'apprentissage (EIAH) et d'expérimentation (laboratoires en ligne), et (2) un méta-modèle qui, d'une part, décrit de façon formelle les éléments inhérents à l'activité de télé-TP (laboratoires, dispositifs et expériences) ainsi que les activités réalisées par les utilisateurs sur ces entités, et d'autre part dirige le contrôle et la supervision des expériences et laboratoires. D'un point de vue technique, nos contributions concernent la proposition d'un méta-modèle standard pour le pilotage et la gestion du cycle de vie des expériences qui facilite la représentation homogène des dispositifs hétérogènes de laboratoires tout en favorisant le déploiement et l'exploitation d'expériences distribuées sur plusieurs sites, ainsi que l'introduction d'interfaces de contrôle et de supervision uniformes masquant les détails spécifiques des laboratoires distants aux applications de haut niveau telles que les EIAHs. D'un point de vue pédagogique, nous introduisons l'objet pédagogique " Expérience " afin d'encourager la pratique, le partage et la réutilisation des télé-TPs dans les cursus en ligne, et supportons différentes fonctions pédagogiques telles que l'apprentissage collaboratif et le tutorat (synchrone et asynchrone) à travers un ensemble d'IHMs adaptées dont le développement est rendu aisé par la décomposition du système global en différentes couches. Nos propositions ont été expérimentées dans le cadre de télé-TPs relatifs à notre domaine d'enseignement, l'informatique. Les différents méta-modèles génériques ont été spécialisés pour décrire et superviser l'environnement d'expérimentation ainsi que les expériences qui y prennent place, mais également afin de modéliser, stocker et exploiter les traces des interactions entre les utilisateurs et ces expériences. Enfin, des composants spécifiques assurent le lien entre les modèles abstraits et les ressources de bas niveau, alors que des outils et IHMs de haut niveau supportent différentes fonctions pédagogiques : * La conception pédagogique est étendue à la conception des expériences en ligne à travers une IHM intuitive proposée aux enseignants, qui leur permet de concevoir et de tester des expériences avec un niveau de complexité arbitraire. * L'apprentissage en ligne est supporté par une interface Homme-Machine réaliste qui assure à la fois la réalisation d'opérations sur les expériences distantes, une navigation efficace parmi les composants d'une expérience en ligne, mais également l'apprentissage collaboratif. * Le tutorat en ligne est supporté par une interface qui étend l'IHM d'apprentissage avec des privilèges élargis et des outils supplémentaires permettant aux tuteurs distants de détecter les situations de blocage, de venir en aide aux apprenants en difficulté, et enfin d'évaluer les travaux de ces apprenants.

  • Titre traduit

    From design to operation of online lab works : application of a generic approach to computer science eduction


  • Résumé

    Bringing online practical learning activities is a research problem studied for over a decade due to educational and economic challenges it engenders. Indeed, it is a category of courses required for scientific, technological, engineering and mathematics disciplines to achieve specific learning objectives related to the acquisition of professional and scientific skills, but also teamwork and communication skills. Research in the field of remote lab-works helped to highlight pedagogical and technical problems hindering the development and acceptance of remote lab-works by the human actors, which our work attempt to provide answers. In particular, this thesis addresses issues related (1) to the learning theoretical foundations in the context of remote lab-works; (2) Advances both technical and pedagogical of the Technology Enhanced Learning (TEL), and (3) Technical and Technological advances in online distributed and shared laboratories devices. In other words, it is to achieve the pedagogical effectiveness of remote lab-works while integrating them in LMS (Learning Management Systems) used for the other types of learning activities. Our proposals center around two key elements: (1) A structured layered architecture ensuring seamless communication between learning context (LMS) and experimental context (online labs), and (2) A meta-model that, on one hand, describes formally the elements inherent to the lab-work activity (labs, experiments and devices) and the activities performed by users on these entities, and on the other hand, drives the control and supervision of laboratories and experiments. From a technical standpoint, our contributions concern the proposal of a meta-model standard for controlling and managing the lifecycle of experiments that facilitates uniform representation of heterogeneous laboratories' devices while promoting the deployment and the operating of distributed experiments across multiple sites, as well as the introduction of uniform interfaces for control and monitoring, hiding the specific details of remote laboratories to high-level applications such as LMSs. From an educational point of view, we introduce the learning object "Experiment" to encourage the practice, sharing and the reuse of remote lab-works in the online curriculum, and support the different educational functions such as collaborative learning and tutoring (synchronous and asynchronous) through a set of tailored GUIs whose development is made easy by the decomposition of the overall system into different layers. Our proposals have been tested in the context of remote lab-works on our field of education: The Computer Science. The various generic meta- models were specialized to describe and monitor the environment of experimentation and the experiments that take place within them, but also to model, store and use the traces of interactions between user and these experiments. Finally, specific components provide the link between abstract models and concrete low-level resources, whereas high-level HCI and tools support the different pedagogical functions: * The instructional design is extended to the design of online experiments through an intuitive GUI offered to teachers, allowing them to design and test experiments with an arbitrary level of complexity. * Online learning is supported by a realistic interface that ensures both performing operations on remote experiments; navigate efficiently among the components of an online experience, but also collaborative learning. * The online tutoring is supported by an interface that extends the learning HCI with extended privileges and additional tools enabling remote tutors detect deadlocks, to help struggling learners, and finally to evaluate the work of these learners.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (367 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 299-323

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2012 TOU3 0141
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