Le projet AMBRE

Au sein du LIRIS, le projet AMBRE a pour objectif la conception d’Environnements Informatiques pour l'Apprentissage Humain (EIAH) destinés à l’enseignement de méthodes. Ce projet se fonde sur des recherches en didactique des disciplines sur l’enseignement de méthodes. Nous proposons d’utiliser le cycle du Raisonnement à Partir de Cas (RàPC) pour faire acquérir à l’apprenant des méthodes fondées sur le classement des problèmes et des outils de résolution. Dans le cadre de ce projet, nous avons mis en plance une collaboration avec des chercheurs en psychologie cognitive, dans le but d’étudier les processus d’apprentissage de connaissances théoriques à partir de la résolution de problèmes par analogie.

Les problématiques informatiques de ce projet de recherche résident dans la définition de modèles et architectures génériques pour des systèmes à base de connaissances permettant dans le cadre du projet AMBRE d'assurer les fonctionnalités suivantes :

Historique des travaux de recherche

Pour mener à bien ce projet, les étapes de conception, d’implémentation et d’évaluation se sont succédées au sein d’une équipe pluridisciplinaire.

2000-2001 : Prémisses du projet : le principe AMBRE et sa première évaluation

Afin de concevoir des environnements informatiques pour l’enseignement de méthodes, nous nous fondons sur des recherches en didactique des disciplines qui proposent d'enseigner explicitement des méthodes. Pour le projet AMBRE, une méthode permet de reconnaître la classe d’un problème et d’être capable de savoir quelle technique de résolution appliquer pour résoudre ce problème. Nous utilisons le cycle du Raisonnement à Partir de Cas comme une démarche proposée à l’apprenant pour faciliter sa tâche de résolution de problèmes. Nous espérons montrer que l’utilisation de cas pour résoudre des problèmes et la comparaison entre cas permet à l’apprenant d’acquérir des connaissances abstraites (schémas, classes de problèmes).

Le cycle AMBRE

Une séance de travail avec un EIAH AMBRE se divise en deux phases. La première phase est destinée à présenter à l’apprenant des problèmes-types résolus qui serviront de référence par la suite. Après plusieurs séances, l’apprenant aura vu un problème-type correspondant à chaque classe de problèmes définie au sein de la méthode.
La deuxième phase de la séance est consacrée à la résolution par l’apprenant de plusieurs problèmes. L’EIAH guide l’apprenant dans sa résolution à travers cinq étapes inspirées du cycle du RàPC (cf. Figure 1).

Le cycle AMBRE (activités de l'apprenant)

Après une première étape destinée à la lecture de l’énoncé, l’apprenant doit reformuler le problème en identifiant les éléments de l’énoncé pertinents pour la résolution. Dans une troisième étape, l’apprenant choisit parmi les problèmes-types qui lui ont été présentés celui qui lui semble le plus proche du problème à résoudre. Il identifie ainsi de manière implicite la classe du problème à résoudre. Ensuite, l’apprenant doit rédiger la solution du problème en s’inspirant de la solution du problème-type. Nous espérons que cette adaptation l’amène par généralisation à identifier une technique de résolution adaptée aux problèmes de cette classe. Enfin, la dernière étape consiste pour l’apprenant à associer le problème qu’il vient de résoudre à un problème-type, de manière à constituer des groupes de problèmes correspondant aux classes, un groupe étant représenté par un problème-type. A chaque étape, le système peut tester les réponses de l’élève et l’aider à les réviser.

Premier prototype et première évaluation

Sur ce principe, Sandra Nogry a développé dans le cadre de son DEA un premier prototype d’EIAH appliqué au domaine des dénombrements au niveau de la terminale scientifique : AMBRE-dénombrement. Ce prototype implémentait le principe de AMBRE avec un nombre de problèmes limités et des fonctionnalités limitées (il n’y avait pas de résolveur de problèmes intégré au logiciel). Elle l’a ensuite évalué en classe de terminale scientifique afin de mesurer son impact sur l’apprentissage en utilisant une méthode comparative. Dans le cadre de cette première évaluation, conduite selon les techniques de psychologie cognitive, elle a comparé cette maquette à une maquette contrôle n’intégrant pas le RàPC. Les résultats de cette évaluation n’ont pas permis de mettre en évidence un effet du logiciel sur l’apprentissage mais l'ont conduit à identifier les difficultés d’utilisation rencontrées par les apprenants et à spécifier de nouvelles recommandations.

Sur ces travaux, vous pouvez consulter l'article publié à TICE'2002. Pour plus de détails, le rapport de DEA de Sandra Nogry est en ligne.

2001-2002 : Études en psychologie cognitive sur l'apprentissage à partir d'exemples

La première expérimentation sur AMBRE-dénombrement a surtout montré la nécessité de réaliser des expériences complémentaires en psychologie cognitive sur l’apprentissage à partir d’exemples afin de mieux comprendre comment induire certains processus d’apprentissage, et de favoriser ainsi l’enseignement de méthodes. Dans le cadre de sa thèse, Sandra Nogry a effectué ces études pour préciser les activités réalisées par l’apprenant au cours des différentes étapes proposées par AMBRE. Pour chaque étape du cycle AMBRE, elle a ainsi explicité les activités et les processus de généralisation que nous souhaitons induire à travers l’utilisation du logiciel. Pour faciliter la mise en œuvre de ces processus, elle a proposé différentes recommandations sur la base des études existantes sur l’apprentissage à partir d’exemples. Ces recommandations portent sur le contenu des consignes, la manière de présenter les problèmes-types, les traits de surfaces des problèmes-types et des problèmes à résoudre et le type de diagnostic.

Ces recommandations sont décrites dans un article publié par Sandra Nogry à la session jeunes chercheurs de EIAH'2003.

2002-2003 : Conception de l'EIAH AMBRE-add

Suite à un changement des programmes scolaires de terminale scientifique supprimant presque totalement les dénombrements :-( , nous avons choisi un nouveau domaine d'application pour AMBRE : celui des problèmes additifs, niveau CE1-CE2. Les problèmes additifs décrivent une situation concrète, par exemple un jeu de billes : « Alex avait 32 billes. À la fin de la récréation, il en a 45. Combien a-t-il gagné de billes pendant la récréation ? »

Nous sous sommes fondées sur des études en didactique des mathématiques portant sur les problèmes additifs pour expliciter la méthode que nous souhaitons enseigner et les classes de problèmes concernées. En appliquant le cycle AMBRE et les recommandations produites par Sandra Nogry, nous avons conçu l'EIAH AMBRE-add, destiné à enseigner une méthode de résolution de problèmes additifs.

L’EIAH AMBRE-add comporte principalement une interface et un système à base de connaissances. Ce système à base de connaissances, CHAMADE-add, est issu de l’architecture CHAMADE. Réalisé en Prolog, il modélise les connaissances du domaine ainsi que des connaissances pédagogiques afin de fournir à l’apprenant des messages d’aide et de diagnostic de ses réponses. L’interface, réalisée en Delphi, fait appel à CHAMADE-add lorsque c’est nécessaire. Des fichiers texte et XML servent à faciliter la communication entre l’interface et CHAMADE-add.

L’EIAH AMBRE-add et l’architecture CHAMADE sont présentés dans l’article publié à TICE'2004.

2003-2004 : Évaluation de AMBRE-add et conception de AMBRE-enseignant

Évaluation de AMBRE-add

Dans le cadre de sa thèse, Sandra Nogry a évalué l’utilisabilité de AMBRE-add et son impact sur l’apprentissage. Pour cela, elle a conduit plusieurs expériences combinant différentes méthodes issues de l'IHM, de la psychologie cognitive et des sciences humaines.Elle a d’abord réalisé une première expérience qui consistait à observer cinq enfants individuellement dans une situation « neutre », le laboratoire. Cette expérience avait pour objectif de déceler les difficultés rencontrées par les enfants et d’identifier les problèmes d’utilisabilité. Les résultats nous ont amenées à effectuer des modifications sur le logiciel. Ensuite une seconde expérience a été réalisée pour évaluer l’impact du logiciel sur l’apprentissage. Sandra a adopté une méthode comparative en comparant AMBRE-add avec deux maquettes contrôle. Cette expérience a été réalisée dans une situation "réelle" d’utilisation, dans une école avec trois classes de CE1. Pour prendre en compte les caractéristiques de la situation d’utilisation, elle a complété la méthode comparative par différentes méthodes qualitatives (observation, entretiens, questionnaire). Les résultats de cette expérience ne nous ont pas permis de montrer un meilleur impact de AMBRE-add sur l'apprentissage que les maquettes contrôle. Nous avons remarqué que l'utilisation du logiciel était trop complexe pour des élèves de CE1, et que les activités réalisées par les apprenants lors de leur utilisation du logiciel différaient souvent des activités prescrites et ne permettaient sans doute pas plus la mise en œuvre de processus de généralisation que les logiciels contrôles.
Nous avons donc effectué des modifications du logiciel, en travaillant particulièrement les messages d'aide et de diagnostic. Nous avons ensuite réalisé une expérience pilote avec des élèves de CE2, afin d'évaluer l’adéquation de AMBRE-add à des élèves de CE2. Nous avons observé que les élèves de CE2 sont beaucoup plus autonomes, mettent beaucoup moins de temps pour résoudre un problème et ont plus de facilités à utiliser AMBRE-add que les élèves de CE1. Une partie importante des élèves semble utiliser le logiciel comme nous l’avons prévu (particulièrement dans l’étape d’adaptation). Ces résultats sont encourageants et permettent de considérer que AMBRE-add est adapté à ce public. Nous avons toutefois noté deux difficultés persistantes : une compréhension superficielle des schémas pour beaucoup d’élèves, et une mauvaise compréhension du vocabulaire AMBRE.

Les expériences destinées à évaluer AMBRE-add ont été décrites dans l'article publié à ITS'2004. Une version longue est disponible en rapport interne. Sur l'évaluation des EIAH en général, vous pouvez consulter l'article publié par Sandra Nogry, Stéphanie Jean-Daubias et Magali Ollagnier-Beldame à TICE'2004.

Conception d'un module pour l'enseignant : AMBRE-enseignant

Si les enseignants utilisent peu d’EIAH avec leurs élèves, c’est peut-être parce qu’ils n’ont pas la possibilité d’agir sur les environnements qu’on leur propose. Or, pour s’approprier un EIAH, il faut que l’enseignant puisse l’adapter au contexte d’apprentissage et à sa démarche pédagogique. C’est pourquoi nous avons conçu un module destiné à l’enseignant pour AMBRE-add. Ce module, AMBRE-enseignant, permet à l’utilisateur de configurer l’EIAH destiné à être utilisé en classe avec ses élèves. Nous avons, en collaboration avec des enseignants, identifié les fonctionnalités de AMBRE-enseignant nécessaires à l’adaptabilité de l’EIAH. Nous avons en particulier conçu un système à base de connaissances, GenAMBRE, qui permet à l’enseignant de générer les problèmes de son choix pour les proposer à ses élèves dans l’EIAH.

Le module AMBRE-enseignant est décrit dans un article publié à EIAH'2005. Une version longue est disponible en rapport interne.

2004-2005 : Vers un EIAH facilement utilisable en classe

Nous avons mené un ensemble de travaux destinés à faciliter l'intégration de AMBRE-add dans la classe. Dans cet esprit, nous avons continué notre travail sur AMBRE-enseignant, afin que le module pour l'enseignant et celui pour l'apprenant fonctionnent bien de concert. Pour que l'EIAH AMBRE-add puisse être utilisé sans notre intervention en classe, nous avons conçu un didacticiel destiné à remplacer la démonstration que nous faisions aux élèves. Dans ce didacticiel, nous insistons sur l'explication des schémas et du vocabulaire de AMBRE, puisque nous avons remarqué que ces deux points posent des difficultés aux élèves. Nous avons intégré un synthétiseur vocal à ce didacticiel ; ce synthétiseur pourrait servir tout au long de l'utilisation du logiciel aux élèves ayant des difficultés de lecture. Enfin, pour une utilisation plus large de l'EIAH, du CP au CM2, nous avons conçu des activités périphériques, destinées à travailler de manière isolée les compétences utilisées dans AMBRE pour la résolution de problèmes. Ces activités pourraient être utilisées en préparation, remédiation ou approfondissement de l'utilisation de AMBRE-add.

L'expérience pilote conduite en CE2 nous ayant indiqué que les élèves de CE2 semblaient constituer un bon public pour AMBRE-add, nous avons conduit une nouvelle expérimentation destinée à évaluer l'impact de AMBRE-add sur l'apprentissage, mais auprès de classes de CE2.

2005-2006 : Vers un profil de l'apprenant

Suite aux résultats encourageants de l'expérimentation de l'année précédente, nous avons mené une nouvelle expérimentation auprès de 4 classes de CE2 afin de comparer AMBRE-add à un logiciel contrôle.

Nous avons également commencé un travail destiné à établir un profil d'apprenant pour AMBRE-add. En effet, pour l'instant les messages d'aide et de diagnostic de AMBRE-add sont générés en fonction de la réponse de l'apprenant à chaque étape du cycle, mais pour deux élèves ayant saisi la même réponse à cette étape, le message du logiciel sera le même. En vue de personnaliser l'EIAH en adaptant les interactions ainsi que les activités proposées, nous souhaitons que AMBRE-add construise un profil contenant des informations sur le comportement ainsi que sur les connaissances et compétences de chaque apprenant. Nous avons pour cela commencé à définir une architecture afin que le système analyse les traces laissées par l'apprenant au cours de son utilisation du logiciel de manière à déterminer les valeurs des éléments du profil que nous avons défini. Ces travaux ont lieu dans le cadre du projet "Personnalisation des EIAH" du cluster ISLE de la région Rhône-Alpes.

2006-2008 : Personnalisation de AMBRE-add grâce à Eprofilea

Dans le cadre de la personnalisation de AMBRE-add, nous souhaitons à partir du profil de l'apprenant pouvoir personnaliser les fonctionnalités de l'EIAH, ses rétro-actions ainsi que les activités proposées à l'apprenant (problèmes ou activités périphériques). Pour cela, nous collaborons avec le projet PERLEA. En effet, le module Adapte de l'environnement Eprofilea a pour finalité d'adapter les activités proposées à chaque apprenant à partir de son profil et de stratégies pédagogiques définies par l'enseignant. Nous envisageons donc d'appliquer les travaux sur Adapte à AMBRE-add, en prévoyant deux scénarios : l'un implique l'enseignant qui utilise Adapte et AMBRE-enseignant, l'autre peut fonctionner sans l'enseignant.

Sur le plan des expérimentations, nous souhaitons en particulier évaluer AMBRE-enseignant en le faisant utiliser à un nombre significatif d'enseignants.

2009-2010 : Vers un AMBRE-conjugaison

Nous étudions actuellement la possibilité d'appliquer le cycle AMBRE au domaine de l'apprentissage de la conjugaison à l'école primaire.

Publications

EIAH'2005
Duclosson N., Jean-Daubias S., Riot S. : "AMBRE-enseignant : un module partenaire de l’enseignant pour créer des problèmes", Environnements Informatiques pour l'Apprentissage Humain, EIAH'2005, Montpellier, 25-27 mai 2005, p.353-358.
L'article en pdf, et une version longue sortie en rapport interne