EIAH des points de repres Historique des recherches

EIAH, des points de repères Historique des recherches en informatique et éducation Elisabeth. delozanne@upmc. fr 1

EIAH ? n Enseignement programmé (années 50) n Logo et micro-mondes n Enseignement Assisté par Ordinateur (années 70, début 80) n Enseignement Intelligemment Assisté par n Environnements d'apprentissage ouverts Ordinateur (années 80) n Systèmes coopératifs n Hypertextes n Environnements d'apprentissage contrôlé n Environnements Interactifs d'Apprentissage avec Ordinateur (années 90) n Environnements Informatiques pour l'Apprentissage Humain (EIAH) 2

Plusieurs visions (1) n par discipline concernée : F Informatique : H calculateur, gros systèmes, PC, informatique distribuée, nomade, vestimentaire H augmentation des performances des ordinateurs, interfaces multimodales, réalité augmentée F Intelligence Artificielle H systèmes experts, IAD, intelligence collective F Psychologie H behaviorisme, cognitivisme, Cognition située, distribuée, écologique, théorie de l'action, etc. F Sciences de l'éducation, Pédagogie, Sociologie F Didactique des disciplines : théorie anthropologique et institutionnelle, théorie de situations didactiques, approches épistémologique et 3 sémiologique, approche instrumentale, approche cognitive

Plusieurs visions (2) n par disciplines concernées F rapports complexes entre les disciplines concernées n par thèmes de recherche F modélisation des domaines (connaissances et raisonnements) F modélisation de l'apprenant F interface et interaction systèmes-apprenants F gestion de l'apprentissage, assistance à l'apprenant et au formateur F architectures logicielles et modèles généraux F hypermédias F exploration de différents paradigmes d'apprentissage n Points de repères : adoption d'un point de vue F partiellement chronologique, grands courants de pensée : leur évolution et leurs interactions F points clés : rôle des machines dans l'apprentissage, statut pour la 4 connaissance

Plan n enseignement programmé et EAO n Application de l'IA à l'éducation : Tuteurs intelligents et Enseignement Intelligemment Assisté par Ordinateur n Logo et micromondes n Hypertextes n Environnements Interactifs d'Apprentissage avec Ordinateur et Environnements Informatiques pour l'Apprentissage Humain 5

Enseignement programmé. . . n enseignement : art vs une science et des techniques n enseignement vu comme l'exécution d'un programme n point de départ : la machine de Pressey (1926) F critique de la récitation par un élève en classe, délai entre la production d'une solution et la correction F apprentissage par l'action et la correction immédiate F libérer l'enseignant des tâches fastidieuses de répétiteur n fondement théorique : Skinner et le behaviorisme F participation active du sujet F séquences courtes F progression graduée selon le rythme personnel de l'élève F réponse juste à la question posée n relation précepteur/élève pensée méthodiquement 6

. . . et des machines à enseigner sans ordinateur n La matière à enseigner est présentée sous forme d'un programme comportant F analyse F organisation F progression n L'élève est mis en présence de ce programme (suite de séquences ou d'unités) par l'intermédiaire d'un support (livre, fiche ou machine) n Distinction F programme : division en unités élémentaires de la matière à enseigner, articulation de ces unités, leur formulation, la progression des difficultés F machine : dispositif mettant en œuvre le programme 7

Quatre principes et un exemple n Principe de structuration de la matière à enseigner en unités élémentaires (principe des petits pas) n Principe d'adaptation aux différences individuelles dans le rythme d'apprentissage n Principe de stimulation qui fonde l'apprentissage sur une participation active de l'élève sollicité par des questions auxquelles il doit fournir une réponse effective n Principe de contrôle et de connaissance immédiate de la solution (principe du feedback immédiat) 8

Limites de l'enseignement programmé n enseignement par questions-réponses (méthode interrogative) F ne concerne que des domaines très limités F prépare idéalement à ce qui lui sert de critères : les tests n toutes les connaissances ne peuvent être définies facilement en terme de performances observables et mesurables n risque de morcellement du contenu et de défaut de synthèse n l'individualisation F "le travail individualisé n'a de sens que s'il est intégré à la vie sociale coopérative"(Freinet, 1966) F nécessite une technologie adéquate pour assurer un enseignement réellement adaptatif H l'informatique : occasion de développement après essoufflement • ordinateur personnel : EAO • multimédia : logiciels éducatifs multimédia 9 • Internet

EAO, instrument d'enseignement n utilisations : F exercices répétés (drill and practice) F tutoriel F résolution de problèmes F laboratoire F jeux F dialogue n au point de vue technique F programmes linéaires (tourne page) F programmes à branchement F programmes adaptatifs F programmes génératifs 10

Variations sur le sigle EAO (Vivet 1989) n Enseignement F Assisté par Ordinateur, Assuré par Ordinateur, F Administré par Ordinateur (au sens administrer un médicament, au sens gérer) n Évaluation Assistée par Ordinateur n Enseignant F Assisté par Ordinateur, F Assujetti à l' Ordinateur n Enseigné Assisté par Ordinateur n Environnement Accessible par Ordinateur n Échanges Améliorés par Ordinateur n Exploration Assistée par Ordinateur 11

Variations sur le sigle EAO (Vivet 1989) Mais pas Enseignant Aboli par l'Ordinateur 12

Apports n théorie de l'apprentissage reposant sur des machines dont le rôle consiste F à contrôler les variables d'apprentissage F pour améliorer l'efficacité de l'enseignement n mise au point de connaissances et de méthodes scientifiques sur les processus d'enseignement et d'apprentissage F définir de buts éducatifs précis et F les exprimer en terme de comportement observables n activités permettant à l'élève de travailler à son rythme, de participer à des simulations ou expériences 13

Difficultés F aucune loi d'apprentissage ne garantit l'efficacité d'une action susceptible de modifier un comportement F analyse fine de l'activité de l'élève H outils pour la comprendre H l'observer H pour mieux la guider F prise en compte de la nature de la connaissance en jeu, des activités et du contexte dans les apprentissages 14

Limites et perspectives n limites F rigidité des programmes (questions et réponses pré-enregistrées) F représentation sommaire de l'élève et représentation atomisée de la matière à enseigner F pauvreté des interactions et incapacité à répondre aux questions de l'élève n perspectives (influence de Piaget et du constructivisme) F participation active de l'élève, marge d'initiative plus grande accordée à l'élève F tâches de recherche, création, résolution de problèmes complexes 15

Naissances de deux courants de recherche : n poursuivre sur la programmation de l'enseignement F applications de l'IA : H tuteurs intelligents pour améliorer les capacités d'adaptation à l'élève et au contexte n promouvoir l'ordinateur comme un moyen d'expression, d'expérimentation et de création pour les élèves F Logo, micromondes 16

Plan 4 enseignement programmé et EAO * Application de l'IA à l'éducation : Tuteurs intelligents et Enseignement Intelligemment Assisté par Ordinateur n Logo et micromondes n Hypertextes n Environnements Interactifs d'Apprentissage avec Ordinateur, Environnements Informatiques pour l'Apprentissage Humain 17

Enseignement Intelligemment assisté par ordinateur n point de départ : F limites de l'EAO F attente très forte dans les techniques issues de l'intelligence artificielle n idée de base (milieu des années 80): F les systèmes experts (SE) résolvent les problèmes en manipulant des connaissances du domaine et des connaissances sur la façon de résoudre des problèmes (des métaconnaissances) F un SE présente 3 caractéristiques intéressantes pour l'éducation H il résout les problèmes posés à et par l'apprenant • représentation des connaissances du domaine H il explique les solutions qu'il a trouvées • représentation des métaconnaissances du domaine H il peut gérer une session pédagogique en tenant compte de 18 l'apprenant et du contexte (adaptabilité)

Tuteurs Intelligents n qu'est-ce que c'est ? F un logiciel expert dans le domaine à enseigner et expert en pédagogie n situation d'apprentissage envisagée : F le TI dialogue avec un apprenant notamment à propos de la résolution d'un problème n thèmes de recherche dominant : F modélisation de l'expertise d'un domaine H le TI est compétent dans le domaine F modélisation de l'apprenant H le TI doit comprendre ce que fait et sait l'élève F modélisation de la connaissance pédagogique H le TI doit savoir quelles activités proposer à l'élève et comment le guider 19 F modélisation du dialogue pédagogique

Architecture des tuteurs intelligents quatre modules sont classiquement développés n module expert n modèle de l'apprenant n module pédagogique n interface 20

Fondements théoriques n constructivisme (Piaget et successeurs) F rôle déterminant du sujet qui construit ses connaissances H par interaction avec le milieu qui l'entoure; H en adaptant ses connaissances à travers des phases de ruptures et de ré-équilibrations. F rôle déterminant de l'action (résolution de problèmes, ou tâche intellectuelle) n cognitivisme (théorie du traitement de l'information) F métaphore du processeur humain F le monde extérieur est représenté en mémoire par des structures F à partir du comportement d'un sujet on infère des traitements et des processus sur ces structures cognitives internes F enseignement : faire correspondre les structures cognitives des experts avec celles de l'élève H en gérant la charge cognitive 21 H en favorisant des changements dans les schémas conceptuels

Des réalisations par exemple n Mycin, Neomycin (Clancey (1983, 1987) n Camelia (Vviet 1984), Amélia (Vivet 1988) , Elise (Delozanne 1992) n A+X(Nicaud) n Chypre(Bernat) n Pat et Algebra Brain (Koedinger, Singley, Anderson) 22

Apports n recueil de connaissances F auprès des experts sur la résolution de problème F auprès des élèves sur les erreurs, les conceptions partielles ou erronées, les représentations F auprès des enseignants sur leur stratégies, sur la façon dont ils pratiquent leur métier n représentation des connaissances et l'ingénierie des connaissances F enrichissement des formalismes de représentation des connaissances H base de faits, base de règles et de méta-règles, graphes conceptuels H raisonnement sur des connaissances incertaines H modèles conceptuels utilisant différents niveaux de connaissance n prise de décision dynamiquement en cours de session 23 n expériences (cruelles pour les concepteurs) ont permis une évolution des problématiques : de l'intelligence vers l'interaction

Limites n développement d'un seul des 4 modules ou de plusieurs modules mais de façon très limitée F domaines très restreints F peu sortent des labos n insuffisance des modélisations de l'apprenant pour prendre des décisions pédagogiques n le TI suppose une certaine conceptualisation du domaine forçant la performance de l'apprenant dans ce cadre F les résolutions, le diagnostic se fait sur la base de ce cadre F pas sur les conceptualisations de l'élève n les stratégies d'enseignement sont assez intuitives et peu formalisables n l'interaction avec l'apprenant est très sommaire 24

Les leçons apprises n remise en cause de l'idée fondatrice d'un transfert possible de compétence entre un expert et un débutant par l'intermédiaire d'une représentation en machine n importance du rôle du maître : F abandon de l'idée de machine tuteur F idée de machine lieu de l'activité et assistante à l'activité n importance de l'interaction entre l'élève et le système n importance de l'interaction entre les élèves entre eux 25

Plan 4 enseignement programmé et EAO 4 Application de l'IA à l'éducation : Tuteurs intelligents et Enseignement Intelligemment Assisté par Ordinateur * Logo et micromondes n Hypertextes n Environnements Interactifs d'Apprentissage avec Ordinateur n Environnements Informatique pour l'Apprentissage Humain 26

Logo et les micromondes n rupture avec l'enseignement programmé n fonder l'éducation F sur l'activité des apprenants et l'analyse de leurs besoins et de leur intérêts F plutôt que de partir d'une organisation détaillée des connaissances à apprendre n rôle de la machine : F moyen d'expression et de création F sous contrôle de l'apprenant F donner à l'apprenant la possibilité de programmer la machine 27

Logo n Papert, Le jaillissement de l'esprit (1981) F faciliter l'apprentissage par la programmation et non apprentissage de la programmation F reconnaître l'importance des aspects moteurs et non langagiers dans les apprentissages n Introduit en France en 1977 F expérimentations dans IREM et les écoles normales F utilisé en France dans les écoles primaires mais aussi en formation professionnelle (Renault) F utilisé à l'étranger pour faciliter des apprentissages mathématiques 28

Les micromondes n Papert : F Ce sont des objets qui d'une certaine façon sont semblables à ceux avec lesquels on travaille dans le monde réel et, d'une autre façon, sont semblables à des objets abstraits n Définition : F objets transitionnels : aident à manipuler des objets abstraits, des passerelles entre les apprentissages intuitifs et formels F mondes artificiels : l'utilisateur agit sur des objets dont le comportement respecte certaines contraintes de fidélité et de cohérence n Les expériences montrent l'importance de la structuration des activités et de leur gestion par un enseignant compétent et motivé n Tension entre F exploration libre pour favoriser la motivation, la prise de risque et le développement de l'autonomie F structuration d'activités pas entièrement planifiées mais soigneusement 29 régulées

Extensions de la notion de micromonde n Les multimondes : permettent de travailler sur plusieurs représentations d'un même concept F exemple : Repères (Dubourg 1995) n Robotique pédagogique F exemple : Roboteach (Leroux 1995) n Les simulations actives F exemple : Arcade n Outils de construction géométrique F exemple : Cabri-Géomètre, Géoplan F problème de la géométrie dynamique 30

Environnements ouverts n outils informatiques pour produire, modéliser et explorer n exemples : F Outils logiciels : H Progiciels (tableurs, traitement de texte, organisateur d'idées etc. ) H Langage de programmation H Systèmes de calcul formel H Résolveurs F Micromondes H Micromondes transitionnels H Multimondes H outils de constructions géométrique 31

Apports et limites n très controversés n complexité de l'apprentissage due à l'interaction entre trois modèles F le modèle représenté à l'écran F le modèle sous-jacent à cette représentation F le modèle mental de l'usager où de l'aprenant n potentialités éducatives très importantes F en particulier il permet de partager une expérience de façon non verbale (aspect socio-constructiviste) n nécessité d'une assistance durant l'activité F par l'enseignant : quelle compétence ? F par le système : difficulté de choisir le niveau d'intervention 32

Plan 4 enseignement programmé et EAO 4 Application de l'IA à l'éducation : Tuteurs intelligents et Enseignement Intelligemment Assisté par Ordinateur 4 Logo et micromondes * Hypertextes : cours prochain n Environnements Interactifs d'Apprentissage avec Ordinateur n Environnements Informatique pour l'Apprentissage Humain 33

Plan 4 enseignement programmé et EAO 4 Application de l'IA à l'éducation : Tuteurs intelligents et Enseignement Intelligemment Assisté par Ordinateur 4 Logo et micromondes 4 Hypertextes *Environnements Interactifs d'Apprentissage avec Ordinateur n Environnements Informatique pour l'Apprentissage Humain 34

Environnements Interactifs d'Apprentissage avec Ordinateur n vers une synthèse tuteurs et micromondes ? n oppositions F environnements prescriptifs/ environnement de travail ou productif ou d'exploration F théories de l'apprentissage H acquisition de structures et procédures cognitives H activité située dans des contextes physiques et sociaux n une convergence F le déficit d'usage des TI amène à se centrer sur les activités de l'apprenant davantage que sur la structuration du domaine à enseigner F la nécessité d'une assistance à l'activité dans les micromondes conduit à la nécessité d'une modélisation explicite des connaissances pour prendre des décisions appropriées 35

Par rapport aux Tuteurs Intelligents n Enseignement vers Apprentissage F moins d'attention à la structuration a priori de la matière F plus d'attention portée aux activités d'apprentissage n Intelligent vers Interactif F grande attention accordée à l'interaction et aux activités non verbales F grande attention accordée à la représentation des connaissances à l'interface H interface multimédia H le système doit posséder une représentation explicite des connaissances ? H la connaissance est embarquée dans l'interaction, l'interface les activités proposées ? n Assisté par vers Avec F l'ordinateur est un des éléments du dispositif (maître, co-apprenants, 36 réseaux)

Par rapport aux micromondes n n Guidage Activités structurées Aide à l'enseignant et au formateur Nécessité d'un enseignement explicite 37

Thèmes de recherche n n n méthode de conception et d'évaluation centrée utilisateur modélisation des situations d'interaction diagnostic de compétences environnement d'apprentissage à distance apprentissage collaboratif systèmes d'assistance aux formateurs ou aux enseignants F instrumenter le métier d'enseignant 38

Concepts principaux n interaction (EIAO) F activité réelle avec une machine pas simplement une stimulation F sens construit par l'apprenant au cours de ces activités F conception de l'interaction au sens de situations d'apprentissage plus globales n visions de la connaissance F intérêts des processus métacognitifs F connaissances implicites F représentations intermédiaires F points de vue multiples n diversité des formes d'apprentissages : styles d'interaction différents n rôle de la machine : enseignant, instrument, simulant un co-apprenant n prise en compte des aspects coopératifs F entre apprenants, avec l'enseignant, avec d'autres agents artificiels 39 ou humains

EIAH Environnements Informatiques pour l'apprentissage humain n met l'accent sur l'accès distribué, en réseau des interactions et des apprentissages n coopérations d'agents humains et artificiels 40