E learning et résolution de problème

ENST Bretagne Département IASC Institut de la Francophonie pour l’Informatique Mémoire de fin d’études E-Learning et résolution de problème Etudiante : PHAM Thi Ngoc Diem Promotion Encadré : Serge GARLATTI Brest 08/2003 Remerciements Remerciements Je voudrais remercier ici Tous ceux qui, par leur présence, leurs conseils ou leur soutien au cours de ces deux années de DEPA Je remercie avant tout l’IFI (Institut de la Francophonie pour l'informatique), permanents, secrétaire et surtout les professeurs pour leur soutien pendant mes études l’IFI Je remercie tout particulièrement M Serge Garlatti, mon tuteur de stage, qui m’a accepté pour ce stage, pour ses conseils et son amitié Il est toujours présent, disponible et m’a beaucoup aidé durant tout le stage Enfin, comment pourrais-je ne pas remercier mes parents et surtout mon mari qui, depuis le début de mes études, a su me pousser, me soutenir, m’écouter ? E-learning et résolution de problème Table des matières Table des matières Résumé Abstract Introduction L’apprentissage par résolution de problèmes 1.1 Définitions de la PBL 1.2PBL et la théorie constructiviste 1.3Caractéristiques de la PBL 1.4La PBL versus la méthode éducative traditionnelle 1.5Avantages et inconvénients de la PBL 1.5.1Avantages de la PBL 1.5.2Inconvénients de la PBL 1.6Programme d’étude de la PBL 1.6.1Le processus de PBL 1.6.2Les problèmes appropriés 1.6.3Planification d’un problème 1.7PBL en ligne versus PBL en face face 1.8Conclusion Modélisation du processus de la PBL 2.1Les différents modèles de la PBL en ligne 2.2Modélisation de la PBL 2.2.1La modélisation des ressources 2.2.2La modélisation d’un problème 2.2.3Modélisation pour l’apprentissage pa 2.2.3.1 Principes 2.2.3.2 Description du modèle 2.3Modèle de tâches 2.3.1Tâche 2.3.2Le modèle de la PBL et le modèle de E-learning et résolution de problème Table des matières 2.4 Conclusion 34 Les documents virtuels personnalisables 35 3.1 Introduction 35 3.2 Document Virtuel Personnalisable 37 3.3 Principes de conception de SCARCE 38 3.4 Moteur de composition adaptatif 40 3.5 Conclusion 42 Le processus d’apprentissage par résolution de problème comme un DVP .43 4.1 Les réutilisations 43 4.2 Les modifications 45 Conclusion 49 Annexe A 50 Descriptions du processus de la PBL (étapes et actions) 50 A.1 Processus de la PBL (E0) 50 A.1.1 Présentation de problème (E1) 50 A.1.2 Définition de ce qui est connu (E2) 50 A.1.3 Définition des enjeux d’apprentissage (E3) 51 A.1.4 Enonciation du problème (E4) 51 A.1.5 Plan de travail (E5) 52 A.1.6 Recherche des ressources (E6) 52 A.1.7 Résolution du problème(E7) 53 A.1.8 Réflexion (E8) 53 A.2 Les actions de l’étape « présentation de problème» 54 A.3 Les actions de l’étape «définition des enjeux d’apprentissage» 54 A.4 Les actions de l’étape «plan de travail» 55 A.5 Les actions de l’étape «résolution de problème» 56 A.6 Les actions de l’étape «réflexion» 58 Annexe B 60 OntoBroker et la F-Logic 60 B.1 Introduction 60 B.2 Le langage 61 B.2.1 Les opérateurs 61 E-learning et résolution de problème Table des matières B.2.2 Utilisation du langage 61 B.2.3 La liste des prédicats prédéfinis dans le système 63 Références 64 E-learning et résolution de problème Résumé Résumé La méthode d’apprentissage par résolution de problèmes ou Problem-Based Learning – PBL – est utilisée depuis de nombreuses années Notre modèle de la PBL en ligne proposé contient les étapes, chaque étape peut se composer les actions En effet, il existe plusieurs modèles de PBL en ligne Celui que nous avons proposé repose sur un modèle traditionnel Il contient des étapes (ou actions) et un ordre d’exécution sur ces étapes L’apprenant doit suivre et passer chaque étape du modèle selon une expression de contrôle Avec ce modèle, il sait où il commencera et où il finira son apprentissage par résolution de problème Cela aide étudiant ainsi que l’enseignant surmonter des difficultés quand ils commencent la PBL première fois Ce modèle est conceptuellement proche d’un modèle de tâche Il est donc possible de réutiliser les travaux sur les modèles de tâches pour réaliser ce modèle de la PBL D’autre part, le processus d’apprentissage par résolution de problème peut également être passé comme un Document Virtuel Personnalisable (DVP) E-learning et résolution de problème Abstract Abstract Problem-Based Learning is used since many years Our on line PBL model contains the steps, each step can compose sub-steps (steps or actions) Indeed, there are several on line PBL models The model that we proposed bases on a traditional model It contains steps (or actions) and an order of execution on these steps Learner must follow and pass each step of the model according to an expression of control With this model, he knows where he will start and where he will finish his problem-based learning This helps student as well as the teacher to overcome difficulties when they begin the PBL at first time Therefore, it is possible to reuse works on task model to realize this PBL model Furthermore, the process of problem based learning can also be considered as a adadtive vitual document E-learning et résolution de problème Introduction Introduction Les sciences et technologies de l’information et de la communication ont une contribution particulière apporter aux dispositifs d'éducation et de formation et plus universellement l'apprentissage humain : outils et infrastructures favorisant la diffusion et la mutualisation de connaissances, conception et réalisation d'environnements informatiques dont la finalité explicite est de susciter et accompagner l'apprentissage humain C'est aux questions scientifiques et technologiques soulevées par la conception, l’évaluation et l’usage de ces environnements informatiques pour l’apprentissage humain (EIAH) [29] Des EIAH et le développement de l’E -Learning permettent de mettre en œuvre différentes approches dans l'étude des phénomènes d'éducation et de formation (pédagogie, didactique, épistémologie, psychologie, sciences du langage, ergonomie, sociologie, etc.) De nos jours, l’industrie et l’université sont confrontées des problèmes de plus en plus complexes qui nécessitent de se former continuellement et d’apprendre résoudre ce type de problèmes Les connaissances et les compétences développées par l’enseignement traditionnel sont insuffisantes pour faire face ce type de problèmes En effet, les problèmes abordés par ces enseignements sont des problèmes bien structurés dont les solutions sont prévisibles et bien souvent uniques Tandis que les problèmes rencontrés dans la vie professionnelle et la vie sont complexes et mal structurés possédant souvent plusieurs solutions La résolution de ces problèmes demande de chercher, d’organiser et de synthétiser les informations concernant le problème Cela demande également des interactions entre individus et des activités collaboratives - en équipe Ces compétences ne sont pas souvent enseignées par la méthode traditionnelle C’est pour cela que les enseignants utilisent des approches alternatives La méthode d’apprentissage par résolution de problèmes ou ProblemBased Learning – PBL – est utilisée depuis de nombreuses années Elle est de plus en plus populaire dans l’enseignement ces dernières années En plus du développement incessant des technologies de l’information et la communication, l’utilisation des cours en ligne est devenue populaire dans le domaine éducatif Plusieurs universités ont proposé des programmes d’éducation distance dont la plupart des cours sont en ligne De nombreux systèmes en ligne fondés sur la PBL sont également développés Internet offre un accès un vaste ensemble d'informations Aujourd'hui, de nombreux services sont disponibles sur Web : système d’information en ligne, e-learning, musée virtuel, etc L'objectif du Web de troisième génération est l'amélioration de la recherche d'informations: le partage et la réutilisation des connaissances et des documents par l'utilisation d'ontologies, de mécanismes d'inférence et l'association de méta-données sémantiques aux connaissances et documents L’adaptation/personnalisation est également un des enjeux principaux pour des services web Un Document Virtuel Personnalisable (DVP) est une bonne approche pour la personnalisation, l'automatisation et la réutilisation En effet, un document virtuel personnalisable compose dynamiquement des documents partir d'informations provenant de sources diverses Dans le cadre de travaux précédents (projet E-learning et résolution de problème Introduction Iccars1, Candle2 et une thèse [1]), la spécification déclarative et la composition sémantique d’un document virtuel personnalisable ont été étudiées et implantées Elles permettent de concevoir plus simplement des applications Internet/Intranet avec une approche de type «Semantic Web» La spécification et la composition sont fondées sur une architecture structurant différentes ontologies et des propriétés sémantiques qui en assurent la généricité Le sujet de ce stage obéit deux motivations principales La première, c’est la nécessité de prendre en compte dans les environnements informatiques pour l’apprentissage humain la pédagogique et la didactique Dans le cadre du projet européen Candle, l’organisation des cours est fondée sur la notion de structure narrative Cette dernière utilise la théorie des structures rhétoriques pour formaliser un niveau connaissance le savoir-faire d’un enseignant Une proposition est en cours de rédaction pour lier une structure narrative une approche pédagogique afin de guider les auteurs pour la réalisation de cours en ligne Mais il existe pour l’instant un « fossé » entre les outils informatiques développés et la prise en compte effective pédagogie et la didactique Il s’agit de combler ce « fossé » Pour cela, il est nécessaire de choisir une approche particulière pour des cours en ligne : la PBL et de l’appliquer dans un cadre précis avec le concours de spécialistes en didactique et en pédagogie Ce stage n’est qu’une première étape vers cet objectif Il sera suivi d’un projet de recherche avec des partenaires experts en éducation et en psychologie cognitive Dans le cadre de ce stage, il s’agit d’étudier les besoins pour une approche par résolution de problème dans l’environnement développé pour le projet européen CANDLE La deuxième, c’est la recherche de nouvelles technologies tels que le développement des hypermédia, de l'apprentissage collaboratif assisté par ordinateur, des documents virtuels, de l’enseignement distance et de l’apport des ontologies et du Web Sémantique pour celles-ci Contexte du stage Les travaux du stage sont réalisés au Laboratoire d'Intelligence Artificielle et de Sciences Cognitives (LIASC3), laboratoire de recherche de l'Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications (ENST4) de Bretagne, situé Brest, France L’ENST Bretagne est une grande école d’ingénieurs dont l’enseignement est dédié aux sciences et technologies de l’information et de la communication Elle est également un centre de recherche de haut niveau dans ce domaine Membre du Groupe des Ecoles des Télécommunications (GET), elle est présente dans tous les grands projets nationaux et européens liés aux technologies de l’information et de la communication Ce stage réutilise des résultats (la spécification déclarative et la composition sémantique d’un document virtuel personnalisable) dans le projet ICCARS et CANDLE Le projet ICCARS (Integrated and Cooperative Computer-Assisted Reporting System) correspond ce qui pourrait être appelé un poste de journalisme assisté par ordinateur Il s'agit d'un prototype de système auteur pour la composition dynamique de dossiers thématiques personnalisables Il ne s'agit en aucun cas de remplacer le journaliste, mais bien de l'aider rédiger des dossiers personnalisables sous forme de documents électroniques Ces dossiers sont personnalisés selon différents points, le contenu, l'organisation de l'information et sa présentation ICCARS: Integrated Cooperative Computer Assisted Reporting System, http://iccars.enst-bretagne.fr CANDLE: Collaborative And Network Distributed Learning Environment (http ://www.candle.eu.org) IASC, ENST de Bretagne, http://www-iasc.enst-bretagne.fr ENST de Bretagne, http://www.enst-bretagne.fr E-learning et résolution de problème Introduction Le projet CANDLE (Collaborative and Network Distributed Learning Environment) est un projet européen IST (Information Society Technologies) Ce projet a pour objet l'utilisation d'Internet pour améliorer la qualité et réduire les coûts d'enseignement en Europe Il s'agit d'utiliser le Web, la technologie multimédia et de permettre la coopération entre les universités et l'industrie dans la création, le partage et la réutilisation de matériaux pédagogiques Il s'agit donc de composer des cours en ligne dans un domaine particulier : les télécommunications et les réseaux Organisation du rapport La première partie va présenter la PBL : ses définitions, les relations entre la PBL et une approche constructiviste de l’apprentissage, ses caractéristiques, les différences principales de la PBL et de la méthode traditionnelle, ses avantages et ses inconvénients qu’on rencontre, les différences principales entre la PBL en ligne et la PBL en face face La deuxième partie abordera la modélisation du processus de la PBL en ligne La troisième partie va introduire un résume des caractéristiques de la spécification déclarative et la composition sémantique d’un document virtuel personnalisable qui ont été étudiées et implantées au LIASC [1] Pour finir, nous allons parler du processus d’apprentissage par résolution de problème comme un DVP E-learning et résolution de problème 10 Annexe A – Descriptions du processus de la PBL (étapes et actions) A.2 Les actions de l’étape « présentation de problème» Tâche Agent Entrées But Super-tâche Tâche suivante Tâche Agent Entrées sorties But Super-tâche Tâche précédente A.3 Les actions de l’étape «définition des enjeux d’apprentissage» Tâche Agent entrées Sorties But Super-tâche Tâche suivante E-learning résolution de problème 54 Annexe A – Descriptions du processus de la PBL (étapes et actions) Tâche Agent entrées Sorties But Super-tâche Tâche précédente A.4 Les actions de l’étape «plan de travail» Tâche Agent entrées Sorties But Super-tâche Tâche suivante Tâche Agent entrées Sorties But E-learning résolution de problème 55 Annexe A – Descriptions du processus de la PBL (étapes et actions) Super-tâche Tâche précédente Tâche suivante Tâche Agent entrées Sorties But Super-tâche Tâche précédente Tâche suivante Tâche Agent Entrées Sorties But Super-tâche Tâche précédente A.5 Les actions de l’étape «résolution de problème» Tâche Agent E-learning résolution de problème 56 Annexe A – Descriptions du processus de la PBL (étapes et actions) Entrées Sorties But Super-tâche Tâche suivante Tâche Agent Entrées Sorties But Super-tâche Tâche précédente Tâche suivante Tâche Agent Entrées Sorties But Super-tâche Tâche précédente E-learning résolution de problème 57 Annexe A – Descriptions du processus de la PBL (étapes et actions) A.6 Les actions de l’étape «réflexion» Tâche Agent Entrées Sorties But Super-tâche Tâche précédente Tâche suivante Tâche Agent Entrées Sorties But Super-tâche Tâche précédente Tâche suivante Tâche agent entrées E-learning résolution de problème 58 Annexe A – Descriptions du processus de la PBL (étapes et actions) sorties But Super-tâche Tâche précédente E-learning résolution de problème 59 Annexe B – Ontobroker et la F-Logic Annexe B OntoBroker et la F-Logic Les informations dans cette partie sont extraites de la thèse de IKSAL [1] B.1 Introduction En ce qui concerne le formalisme de définition de nos ontologies, nous avons tenu suivre les orientations du Web Sémantique, et par conséquent nous avons recherché des environnements de gestion d'ontologies référencés par le Web Sémantique ou au moins fondés sur des langages du W3C Notre choix s'est porté sur OntoBroker pour les raisons suivantes : - Il s'agit d'un environnement de gestion de connaissance - Il possède un système de requête basé sur un moteur d'inférence - Il permet le filtrage et la recherche d'information dans l'espace d'information - les fragments - comme dans l'ontologie - le modèle - Il prend en compte le langage DAML+OIL basé sur RDFS OntoBroker est une suite logicielle pour la gestion de connaissance au travers d'ontologies Elle possède un éditeur d'ontologies, un logiciel d'annotation de documents partir d'une ontologie ainsi qu'un logiciel permettant d'interroger le serveur Ontobroker gère différents langages tels que RDF/RDFS, DAML+OIL, SQL ou encore la F-Logic qui constitue le langage de requête et d'inférence du système La F -Logic est un langage déductif de base de données orientée objets qui combine la sémantique déductive et l'expressivité des langages de bases de données déductives avec la richesse de modélisation des modèles de données orientés objets En ce qui concerne l'interrogation du modèle et des instances, la F-Logic possède une syntaxe simple et qui est quasiment identique selon qu'on interroge le modèle ou les instances Par exemple : FORALL X; Y > Y La traduction de cette requête est : Je veux toutes les instances d'"Objet" ainsi que la valeur de leur attribut "APourValeur" FORALL X; Y < - X :: Objet AND X[APourV aleur =>> Y ] La traduction de celle-ci est : Je veux tous les sous-concepts d'"Objet" ainsi que le type de la valeur correspondant la relation "APourValeur" Il s'agit d'un langage unique pour : - Créer la base - Interroger la base - Définir des prédicats - Définir des règles d'inférence E-learning résolution de problème 60 Annexe B – Ontobroker et la F-Logic B.2 Le langage Nous allons présenter dans un premier temps les opérateurs du langage, puis dans un deuxième temps leur utilisation B.2.1 Les opérateurs AND OR NOT EXISTS FORALL : :: ->> =>> [] # @ B.2.2 Utilisation du langage B.2.2.1 Les concepts et les relations La description des concepts nécessite l'utilisation des opérateurs suivants : " : :", "=>>", "->>" et "[ ]" Création d'un sous-concept : "concept1 est sous-concept de concept2" se traduit : concept1 :: concept2 Description du concept : Il existe deux types de relations pour les concepts, celles qui permettent de décrire les instances des concepts et les attributs de concept "concept1 a pour relation relation1 qui prend ses valeurs dans les instances de concept2, et la relation relation2 qui a pour valeur un élément du type STRING" se traduit : E-learning résolution de problème 61 Annexe B – Ontobroker et la F-Logic concept1 [relation1 =>> concept2 ; relation2 =>> STRING] "concept1 a la valeur "iccars" pour l'attribut relation3" se traduit : concept1 [relation3 - >> "iccars"] B.2.2.2 Les instances La description des instances nécessite les opérateurs suivants : " :", "->>" et "[]" Création d'une instance : "instance1 est instance de concept1" se traduit : instance1 : concept1 Description de l'instance : "instance1 a pour valeur des relations relation1 et relation2, "Iccars Project" instance de concept2 et "blabla" de type STRING" se traduit : instance1 [relation1 - >> "IccarsProject"; relation2 - >> "blabla"] B.2.2.3 Les règles Les règles sont constituées de deux parties, la tête et le corps La tête contient la connaissance inférée par la règle ainsi que la déclaration des variables Le corps contient les informations pour obtenir cette connaissance Il est possible d'utiliser dans le corps des prédicats comme des conditions FORALL variablesresultat < - condition Exemple : FORALL X,Y X[son - >> Y ] X] B.2.2.4 Les requêtes La structure d'une règle est proche de celle d'une règle, sauf que la requête d'infère pas de nouvelle connaissance Ce qui signifie que la tête de la requête ne comporte que les variables permettant d'obtenir le résultat de la requête FORALL variables Y [father - > abraham]] B.2.2.5 Les prédicats E-learning résolution de problème 62 Annexe B – Ontobroker et la F-Logic Un prédicat correspond une fonction déclarée dans le langage La tête est composée des paramètres qui seront instanciés ou non lors de l'appel ainsi que le nom du prédicat Le corps correspond l'algorithme de la fonction FORALL param1, param2 NomDuPredicat(param1, param2 ) < - query Exemple : FORALLXEqu(X;X) < _X :: Root: (B.13) B.2.3 La liste des prédicats prédéfinis dans le système B.2.3.1 Les prédicats mathématiques Comparateurs : less, lessorequal, greater, greaterorequal Opérations simples : +,-,*,/ Trigonométrie : sin, cos, tan, asin, acos Autres : ceil, _oor, exp, rint, sqrt, round, max, min, pow Egalité et uni_cation : equal, unify B.2.3.2 Les prédicats de manipulation de chnes isString : Vérifie si le paramètre est une chne de caractères concat : Concatène les deux premiers paramètres dans le troisième constant2string : Convertit le nom d'une fonction en chne string2number : Convertit une chne en nombre E-learning résolution de problème 63 Références Références IKSAL, S., Spécification Déclarative et Composition Sémantique pour des Documents Virtuel Persanalisables, in IASC-ENST Bretagne 2002, ENST Bretagne: Brest p 223 Camp, G.P., Problem-based learning: A Paradigm Shift or a Passing Fad Medical Education Online(MEO)., 1996 CUTSD, Problem base learning http://www.ntu.edu.au/education/oll/pbl/pbl_about_what.html, 2000 ETE-Team, Problem-Based Learning http://www.cotf.edu/ete/teacher/teacherout.html, 2002 Samford-University, Problem base learning http://www.samford.edu/pbl/pbl_main.html Kiley, M., et al., Problem based learning Adelaide-University http://www.adelaide.edu.au/ltdu/leap/leapinto/prob_based_lrng.pdf, 2000 He, S., et al., Adaptivity in Problem-based Learning: Use of Granularity Proceedings of the International Conference on Computers in Education (ICCE’02), 2002 R.Savery, J and T M.Duffy, Problem-based learning: An instructional model and its constructivist framework Medical Education Online(MEO)., 1994 Southern-Illinois-University, Generic problem based learning essentials http://www.pbli.org/pbl/generic_pbl.htm, 1999 10 Hemstreet, S., The Characteristics of Problem-Based Learning http://www.edb.utexas.edu/mmresearch/Students97/Hemstreet/pbl2.htm, 1997 11 San-Diego-State-University, The Learning tree , Problem base learning http://edweb.sdsu.edu/clrit/learningtree/Ltree.html, 1996 12 WATSON, G., et al., La Pédagogie par Problèmes University of Delaware, Newark, Delaware, USA, 2002 13 Corrent-Agostinho, S., J Hedberg, and G Lefoe, Constructing Problems in a Web-Based Learning Environment Educational Media International v35 n3 p173-80 Sep, 1998 14 E Mahling, D., B B Sorrows, and I Skogseid, A Collaborative Environment for Semi-Structured Medical Problem Based Learning Department of Information Science, University of Pittsburgh, 1995 15 Suthers, D and A Weiner, Groupware for Developing Critical Discussion Skills CSCL '95 Proceedings, 1995 16 Suthers, D., A Weiner, and E.E Toth, An Integrated Approach to Implementing Collaborative Inquiry in the Classroom CSCL ‘97 Proceedings, 1997 17 Suthers, D., Representational Support for Collaborative Inquiry IEEE Proceedings of the Hawai’i International Conference on System Sciences, January 5-8, 1999, Maui, Hawai’i., 1999 18 Miao, Y., Design and Implementation of a Collaborative Virtual ProblemBased Learning Environment Thesis, 2000 19 Gooding, K., Problem based learning online Chisholm Institute, 2001 E-learning résolution de problème 64 Références 20 Malopinsky, L., et al., An Instructional Design Model for Online Problem Based Learning (PBL) Environments: The Learning to Teach with Technology Studio Association for Educational Communications and Technology Conference, Denver, Colorado., 2000 21 Duursma, C., Task Model definition and Task Analysis process An Advanced and Comprehensive Methodology for Integrated KBS Development, 19938 22 IKSAL, S., Coopération Homme-Machine pour des Hypermédias Adaftatifs l'aides de la Modélisation Utilisateur Stage du DEA, 1999 23 Gensel, J and P Girard, Expression d’un modèle de tâches l’aide d’une représentation par objets Projet SHERPA — IRIMAG-LIFIA 24 Björck, U., On-line Problem-Based Learning in Social Economy Department of Education, Göteborg University, Sweden, 1999 25 Miao, Y., et al., An activity-Oriented approach to Visually Structured Knowledge Representation for problem based learning in Virtual learning environments 2000 26 Miao, Y., et al., PBL-protocols: Guiding and Controlling Problem based learning processes in Virtual learning environments Proceedings of the fourth International Conference of the Learning Sciences., 2000 27 Miao, Y., An activity-theoretical approach to a virtual Problem based learning environment 2000 28 Christopher, T.K and ESSC-Team., PBL Model http://atlantis.cs.ecsu.edu/hil912/intro/pbl.html 29 Apprentissage éducation et formation, http://www-rtp39.imag.fr/Ecole/Presentation.html 30 Garlatti, S., A Flexible Environment for Adaptive Virtual Documents in a Semantic Web Framework Revue d'Intelligence Artificielle Volume X - n° X/2003, 2003 31 Graphic Organizers, http://lessonplancentral.com/lessons/Education/Graphic_Organizers/ E-learning résolution de problème 65 ... l’évaluation et l’usage de ces environnements informatiques pour l’apprentissage humain (EIAH) [29] Des EIAH et le développement de l? ?E -Learning permettent de mettre en œuvre différentes approches dans... confrontées des problèmes de plus en plus complexes qui nécessitent de se former continuellement et d’apprendre résoudre ce type de problèmes Les connaissances et les compétences développées par l’enseignement... sémantique web Les différentes ressources sont indexées par des méta-données sémantiques et les ontologies correspondantes Elle est le résultat de deux études différentes: le projet ICCARS et le projet