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N° 977

THESE présentée à

L'Université de Franche-Comté

Par

Aloys MBALA HIKOLO

Pour obtenir le titre de

Docteur de l'Université de Franche-Comté

Spécialité : Automatique et Informatique

Analyse, conception, spécification et développement d'un système multi-agents pour le soutien des activités en formation à distance soutenue le 16 octobre 2003

Devant la commission d'examen formée de :

Président : Jean-Marc Labat Professeur à l'Université de Paris 5 Rapporteurs : Stefano A. Cerri Professeur à l'Université de Montpellier 2 Pascal Leroux Professeur à l'Université du Maine Examinateurs : Thierry Chanier Professeur à l'Université de Franche-Comté

Directeur de thèse

Christian Depover Professeur à l'Université de Mons-Hainault (Belgique) Jacques Julliand Professeur à l'Université de Franche-Comté Christophe Reffay Maître de Conférences à l'Université de Franche-Comté

Responsable scientifique

Remerciements

Cette thèse est le résultat de l'engagement de plusieurs personnes qui ont décidé de m'accompagner résolument dans cet exaltant parcours. Je voudrais profiter de cet espace pour leur exprimer toute ma gratitude et ma reconnaissance. Mes premières pensées vont à l'endroit du Professeur Awono Onana, Directeur de l'Ecole Nationale Supérieure Polytechnique de Yaoundé, qui le premier a pensé que je pouvais faire une carrière d'enseignant-chercheur. Il n'a pas ménagé sa peine pour me trouver un point

d'accueil et les financements nécessaires à l'accomplissement de mes différents séjours à

Besançon.

Christophe Reffay est sans aucun doute celui grâce auquel j'ai pu effectuer cette thèse au sein

du Laboratoire d'Informatique de l'Université de Franche-Comté. Il a par la suite assumé les

délicates tâches de responsable scientifique de mes travaux de thèse avec amitié et indulgence, sans jamais se départir de la rigueur scientifique nécessaire. Je voudrais lui exprimer toute ma reconnaissance.

Je remercie Thierry Chanier, Professeur à l'Université de Franche-Comté, qui a accepté d'être

mon directeur de thèse et qui a bien voulu me faire profiter de sa rigueur scientifique et de la pertinence de ses remarques. Il aura su me faire saisir les problématiques liées aux environnements informatiques pour l'apprentissage humain qui constituaient un nouveau champ disciplinaire pour moi. Je remercie Pascal Leroux, Professeur à l'Université du Maine et Stefano A. Cerri, Professeur

à l'Université de Montpellier 2, qui m'ont fait l'honneur d'être rapporteurs de ma thèse et

dont les remarques ont contribué à l'améliorer. Je remercie Jean-Marc Labat, Professeur à l'Université de Paris V, Christian Depover, Professeur à l'Université de Mons-Hainault (Belgique) et Jacques Julliand, Professeur et Directeur du Laboratoire d'Informatique de l'Université de Franche-Comté pour avoir accepté de participer à mon jury. 2

Je remercie Françoise Simonot, enseignante à l'IUT de Besançon, qui a accepté de relire une

première version de mon manuscrit, permettant ainsi de supprimer nombre de coquilles et d'incorrections qui s'y trouvaient. Je tiens néanmoins à souligner que les fautes d'orthographe, de grammaire ou de style qui peuvent encore s'y trouver sont de mon seul fait.

Je tiens à saluer Jérôme Nicolet avec qui j'ai partagé trois années de travail au sein de l'équipe

SICAH ainsi que celles et ceux avec qui nous avons travaillé dans le cadre du projet

ICOGAD.

Dû à l'éloignement de mon lieu de vie habituel, il est fort compréhensible que cette thèse n'a

pu se dérouler que grâce au soutien affectif et moral de ma famille et de mes amis. Qu'il me soit alors permis de remercier :

Nathalie, mon épouse qui aura tenu, durant ces dernières années, le rôle d'unique chef de

famille en encadrant au mieux nos enfants : Batman et Toutou ; Byge, dont l'amitié et le soutien ne m'auront jamais fait défaut tout au long de ces quatre dernières années ; Gertrude et Georges, toujours prompts à m'accueillir et à m'héberger lorsque je passais par Paris ; Mireille et Michel qui m'ont ouvert leur maison à Besançon, devenant par là-même une véritable famille pour moi ; et bien sûr, tous ceux et celles que je ne peux citer ici, faute de place ou par oubli.

Sommaire

REMERCIEMENTS ............................................................................................................................................ 1

SOMMAIRE.......................................................................................................................................................... 3

INTRODUCTION................................................................................................................................................. 7

CONTEXTE DE NOS TRAVAUX DE RECHERCHE.................................................................................................... 11

PROBLEMATIQUE............................................................................................................................................... 12

OBJECTIFS DE RECHERCHE................................................................................................................................. 13

APPROCHE METHODOLOGIQUE.......................................................................................................................... 15

PLAN DU MEMOIRE............................................................................................................................................. 16

CHAPITRE 1 : FORMATION A DISTANCE, TELEFORMATION ET E-FORMATION....................... 19

1.1 - FORMATION A DISTANCE ET E-FORMATION................................................................................................ 22

1.1.1 - Définitions.......................................................................................................................................... 22

1.1.2 - FOAD, FAD et e-formation............................................................................................................... 23

1.1.3 - Les enjeux de la FAD......................................................................................................................... 25

1.2 - LA TELEFORMATION.................................................................................................................................. 29

1.2.1 - Présentation générale........................................................................................................................ 30

1.2.2 - Typologie des contextes d'utilisation de la formation en ligne en France......................................... 32

1.2.3 - Les plates-formes............................................................................................................................... 36

1.3 - NORMES ET STANDARDS DE LA E-FORMATION........................................................................................... 43

1.3.1 - Les travaux de normalisation et de standardisation.......................................................................... 43

1.3.2 - Le modèle SCORM............................................................................................................................. 47

CHAPITRE 2 : FONDEMENTS THEORIQUES ........................................................................................... 53

2.1 - APPRENTISSAGE COLLABORATIF................................................................................................................ 55

2.1.1 - La variété des échelles....................................................................................................................... 56

2.1.3 - La variété des significations données au mot "apprentissage»......................................................... 57

2.1.4 - La variété des significations données au mot : collaboration............................................................60

2.2 - LE GROUPE ET LES INTERACTIONS.............................................................................................................. 62

2.3 - LE ROLE DU COORDONNATEUR ET DU TUTEUR........................................................................................... 65

2.4 - LA THEORIE DE L'ACTIVITE........................................................................................................................ 68

2.4.1 - Les niveaux d'une activité.................................................................................................................. 69

2.4.2 - Les propriétés de l'activité................................................................................................................. 72

2.4.3 - La structure basique d'une activité.................................................................................................... 73

2.5 - L'ECHELLE D'ANALYSE DE LA TACHE DANS NOTRE RECHERCHE................................................................. 76

2.6 - LES RAISONS DU CHOIX DU PARADIGME D'AGENT...................................................................................... 77

2.7 - L'APPROCHE COMPOSANTS DANS LES EIAH............................................................................................... 80

2.7.1 Définitions............................................................................................................................................ 80

2.7.2 Quelques types de composants pour les systèmes d'information......................................................... 81

2.7.3 Démarches d'ingénierie de systèmes à base de composants................................................................ 84

2.8 - TERMINOLOGIE.......................................................................................................................................... 86

2.8.1 - PIFAD, SIGFAD, SimuLigne............................................................................................................. 86

2.8.2 - Groupe / Cours:................................................................................................................................. 87

2.8.3 - Espaces / e-monde / e-univers............................................................................................................ 87

2.8.4 - e-personnalité.................................................................................................................................... 88

2.8.5 - Utilisateurs et statuts PIFAD............................................................................................................. 88

2.8.6 - Acteur SimuLigne............................................................................................................................... 90

2.8.7 - Implémentation des fonctions et statuts SimuLigne dans PIFAD :.................................................... 92

2.8.8 - Module de formation / Etape / Activité / Tâche ................................................................................. 93

2.8.9 - Outil PIFAD....................................................................................................................................... 94

2.8.10 - Agent / Système Multi-Agents / rôle MaSE / Tâche informatique concurrente / Objectif MaSE.... 95

2.8.11 - Interaction / Interactivité / Communication..................................................................................... 96

4CHAPITRE 3 - L'EXPERIMENTATION SIMULIGNE : LE MODELE CONCEPTUEL D'ACTIVITE

ET L'ANALYSE DES DONNEES D'INTERACTIONS DANS LES GROUPES........................................ 99

3.1 - SIMULIGNE.............................................................................................................................................. 101

3.1.1 - Contexte de départ........................................................................................................................... 101

3.1.2 - Principes et objectifs pédagogiques de SimuLigne.......................................................................... 103

3.2 - LES INSUFFISANCES CONCEPTUELLES DES PLATES-FORMES DE TELE-FORMATION................................... 116

3.2.1 - Le modèle conceptuel d'activité dans SimuLigne............................................................................ 117

3.3 - L'ANALYSE DES DONNEES D'INTERACTION OBTENUES............................................................................ 124

3.3.1 - Les données d'interaction relatives aux groupes............................................................................. 125

3.3.2 - Les données d'interaction relatives aux utilisateurs du groupe Lugdunensis.................................. 130

3.4 - LIMITES DE PIFAD ET PROPOSITION D'UN SMA : SIGFAD..................................................................... 135

3.4.1 - Les limites des plates-formes existantes........................................................................................... 135

3.4.2 - Les fonctionnalités de SIGFAD........................................................................................................ 138

CHAPITRE 4 : AGENTS, SYSTEMES MULTI-AGENTS ET METHODOLOGIES.............................. 141

4.1 - AGENTS................................................................................................................................................... 144

4.1.1 - Définitions........................................................................................................................................ 144

4.1.2 - Typologie des agents........................................................................................................................ 148

4.2 - LES SYSTEMES MULTI-AGENTS................................................................................................................. 154

4.2.1 - Définitions........................................................................................................................................ 156

4.2.2 - Raisonnement et communication dans les SMA............................................................................... 156

4.2.3 - Méthodologies et plates-formes de développement des systèmes à base d'agents........................... 161

4.3 - APPRENTISSAGE MACHINE ET SYSTEMES MULTI-AGENTS......................................................................... 167

4.3.1 Généralités......................................................................................................................................... 167

4.3.2 - Définition et principes ..................................................................................................................... 168

4.3.3 - L'apprentissage par les agents........................................................................................................ 170

4.3.4 - Les techniques d'apprentissage....................................................................................................... 171

4.4 - LES OUTILS DE DEVELOPPEMENT DE SIGFAD......................................................................................... 172

4.4.1 - La méthodologie Multiagent System Engineering (MaSE).............................................................. 172

4.4.2 - L'architecture JAM.......................................................................................................................... 179

4.4.3 - La communication entre les agents................................................................................................. 183

CHAPITRE 5 : ANALYSE, CONCEPTION, SPECIFICATION ET IMPLEMENTATION DE SIGFAD

............................................................................................................................................................................ 189

5.1 - SIGFAD.................................................................................................................................................. 192

5.1.1 - Analyse, conception et spécification de SIGFAD ............................................................................ 192

5.1.2 - Implémentation de SIGFAD............................................................................................................. 213

5.2 - L'APPLICATION DE SIGFAD AUX DONNEES DE SIMULIGNE.................................................................... 224

5.2.1 - Les informations fournies sur les apprenants ................................................................................. 228

5.2.2 - Les informations portant sur le groupe tout entier.......................................................................... 229

5.2.3 - Les informations portant sur les activités........................................................................................ 231

5.3 - VERS UNE PRISE EN COMPTE DES DONNEES D'INTERACTION DANS LA NORMALISATION ET LA

STANDARDISATION DE LA E

-FORMATION......................................................................................................... 232

BILAN, PERSPECTIVES ET CONCLUSION..............................................................................................235

BILAN DES TRAVAUX....................................................................................................................................... 238

RESULTATS OBTENUS...................................................................................................................................... 240

APPORTS DE NOS TRAVAUX DE THESE.............................................................................................................. 241

PERSPECTIVES.................................................................................................................................................. 243

CONCLUSION................................................................................................................................................... 244

ANNEXES ......................................................................................................................................................... 247

A - LES PRODUCTIONS DE SIMULIGNE............................................................................................................. 249

B - APPLICATION DE LA METHODOLOGIE MASE A L'ANALYSE, LA CONCEPTION ET LA SPECIFICATION DE

SIGFAD.......................................................................................................................................................... 251

B-1 Les diagrammes de séquence décrivant les cas d'utilisation............................................................... 251

B.2 Les automates à états finis décrivant les tâches concurrentes.............................................................253

C - APPLICATION DE SIGFAD AUX DONNEES DE SIMULIGNE......................................................................... 259

D - CODE SOURCE DE SIGFAD....................................................................................................................... 260

Sommaire

5

D - 1 Code source de l'agent superviseur des interactions........................................................................ 261

D.2 - Exemple de code source d'un agent tuteur : L'agent du tuteur du groupe Aquitania ....................... 266

D.3 - Code de ReceiveQueryTutor.java...................................................................................................... 274

D.4 - Un exemple de la primitive : AbsentsInGroup .................................................................................. 275

D.5 - Code de la primitive SendResultToTutor.java................................................................................... 277

LISTE DES ACRONYMES............................................................................................................................. 279

LISTE DES FIGURES ..................................................................................................................................... 283

LISTE DES TABLEAUX................................................................................................................................. 284

INDEX DES MOTS CLES ET D'AUTEURS CITES.................................................................................... 285

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES........................................................................................................ 287

BIBLIOGRAPHIE................................................................................................................................................ 289

SITES INTERNET............................................................................................................................................... 294

TABLE DES MATIERES................................................................................................................................ 295

6

Introduction

8

Introduction

9 tous, tout le temps, partout ; d'autre part, les apprenants ont de plus en plus besoin d'un apprentissage centré sur eux-mêmes, ils demandent que leur vision soit prise en compte. L'une des réponses à l'émergence des nouveaux besoins de formation est la formation à distance (FAD) médiatisée par ordinateur. Dès lors, il n'est pas surprenant de constater que la FAD prend une importance de plus en plus

grandissante dans la société contemporaine. En gardant à l'esprit ce qui vient d'être dit, on

peut affirmer que l'intérêt pour la FAD correspond à une double évolution sur le plan technologique mais aussi sur celui des besoins pédagogiques et didactiques. Du fait de la complexification de la société, les besoins en formation et en apprentissage obligent, d'une part, à imaginer une formation tout au long de la vie et, d'autre part, à mettre en place des formations davantage adaptées aux aspirations de leurs bénéficiaires. Les aspirations des apprenants se situent à deux niveaux : il s'agit premièrement de prendre en compte la

spécificité des objectifs d'apprentissage et des styles d'apprentissage ; et deuxièmement la

formation doit prendre impérativement en compte la variété des espaces et des temps d'apprentissage. Un collectif de professionnels et de chercheurs rassemblés au sein d'une conférence de consensus sur les formations ouvertes et à distance (FOAD) explique l'essor de

ce type d'enseignement et de formation par la montée de plusieurs phénomènes : diffusion des

technologies de l'information et de la communication dans l'ensemble du tissu social et professionnel, accroissement des besoins de compétence face à des effets de seuil dans les

financements publics et privés de la formation, démultiplication des réseaux d'accès à

l'information, critique des formes canoniques de la formation, poussée des thématiques de

l'organisation apprenante, de l'autoformation et de la société dite "cognitive", etc. (Collectif

de Chasseneuil, 2000).

La FAD connaît elle-même des mutations profondes dues à l'avènement des grands réseaux

informatiques et des Technologies de l'Information et de la Communication (TIC), l'on a

désormais une FAD en ligne. En même temps qu'il convient de se réjouir de cette évolution,

on ne peut manquer de s'interroger sur les mécanismes et les phénomènes qui apparaissent dans les nouveaux types de pédagogie induits par cette forme d'enseignement. La FAD en

ligne, peut-être précisément parce qu'elle est entièrement à distance, vient souligner avec

acuité des problèmes d'ores et déjà identifiés à savoir : l'isolement sociologique de l'apprenant ; 10 la perte de motivation ; l'autonomisation de l'apprenant ; la prise d'identité dans le groupe ; l'appréciation de la progression pédagogique du groupe ; etc. Beaucoup d'auteurs (Winn, 1993), (Montgomerry, 1998), (Furness et al., 1998) soulignent

que l'enseignement à l'école se faisait jusqu'à présent en utilisant un symbolisme abstrait qui

reflète davantage la perception et la vision du formateur (enseignant). Aujourd'hui, face à la complexification de notre société et des savoirs (Lebrun, 1999), l'apprenant doit avoir la possibilité de mener des expériences directes avec son environnement pour mettre en avant sa propre perception des choses, c'est ce que Clancey (1993) appelle les " first-hand experiences ». Cette exigence constitue l'un des fondements du constructivisme. Un autre principe sur lequel s'appuie le constructivisme est que l'apprentissage se fait de façon collaborative, c'est une activité (sociale) de groupe (Winn, 1997). Il est d'ailleurs important de noter avec Depover et al. (1999) que l'enseignement à distance a vu son modèle pédagogique évoluer du transfert de connaissances à l'interaction dynamique. Cette nouvelle manière de conceptualiser la relation pédagogique vient aussi bien du constructivisme que de la prise en compte du rôle essentiel joué par le contexte d'apprentissage. Les mêmes considérations voient la banalisation du rôle de l'enseignant qui évolue du statut de pourvoyeur de connaissances vers celui d'acteur parmi d'autres au sein d'un système global. Ce système global intègre des partenaires humains (entre autres, apprenants au niveau de connaissances variable) et des artefacts ou outils cognitifs qui, en modifiant la représentation de la tâche, supportent l'apprenant dans son traitement cognitif de la situation. L'apparition des TICE (Technologies de l'Information et de la Communication appliquées à l'Enseignement) avec l'explosion des ressources informatiques et télématiques constitue, là aussi, une chance pour obtenir un enseignement davantage centré sur l'apprenant. Dans le même temps, on note un intérêt de plus en plus important pour l'apprentissage collaboratif (Renié et Chanier, 1996) ; en effet, non seulement plusieurs problèmes se posent de manière

distribuée, mais encore, dans les administrations, les entreprises et la société en général, la

résolution des problèmes est faite de manière distribuée (Ferber, 1995). L'intérêt pour

l'apprentissage collaboratif est étayé par des travaux très anciens, notamment la théorie de

Introduction

11

Contexte de nos travaux de recherche

Nos travaux se situent dans le champ de l'apprentissage collaboratif à distance. Nous nous intéressons à la construction d'outils et d'artefacts informatiques capables de fournir un soutien et une assistance aux personnes engagées dans cette forme d'enseignement. C'est dire que nous nous situons à l'intersection des sciences humaines, en ce sens qu'il faut identifier,

comprendre et modéliser les phénomènes observés, et des sciences de l'ingénieur, car nous

devons rechercher dans l'informatique et la télématique des paradigmes susceptibles d'aider à

la résolution des problèmes identifiés.

De manière plus générale, nos thématiques de recherche touchent à des communautés d'ores

et déjà organisées comme les communautés CSCL (Computer-Supported Collaborative Learning) et ITS (Intelligent Tutoring Systems) regroupées en France au sein de la communauté EIAH (Environnements Informatiques pour l'Apprentissage Humain). L'utilisation de paradigmes informatiques comme les agents et les systèmes multi-agents (SMA) nous plongent au coeur de la communauté AIED (Artificial Intelligence in Education).

Notre démarche consiste à mener des expérimentations grandeur réelle, à identifier des

problèmes à un niveau macro et à proposer des modèles et problématiques informatiques capables d'accompagner les différents utilisateurs dans la réalisation de leurs activités d'apprentissage. L'originalité de notre démarche nous amène à intégrer : - des théories issues des sciences humaines et sociales comme la théorie de l'activité (TA), et l'analyse par les réseaux sociaux (SNA pour Social Network Analysis), aussi appelée théorie de l'interactionnisme structural ; - des paradigmes informatiques comme l'analyse, la conception, la spécification et le développement des systèmes à base d'agents ; - des problématiques inhérentes à l'intelligence artificielle distribuée (IAD) comme la répartition, la communication entre les systèmes, la modélisation de l'activité humaine et des entités intelligentes. 12

Problématique

La formation à distance pose des problèmes spécifiques. Au nombre de ces problèmes, on

note le sentiment d'isolement éprouvé par les utilisateurs et le déficit d'accompagnement des

apprenants ; tout ceci conduit à un grand taux de déperdition et accroît sensiblement les risques d'éclatement des sessions de formation à distance. Devant le fort taux d'abandon

observé, il serait particulièrement intéressant de dégager les facteurs de réussite et d'échec

d'une session de formation à distance : quels éléments dans les dispositifs informatiques, dans

les approches pédagogiques ou dans le vécu de la formation, font qu'une formation atteint ses

objectifs et va jusqu'à son terme ? Quelles stratégies convient-il de mettre en place pour faire

diminuer les taux d'abandon inhérents à ce type de formation ? Quels sont les indicateurs à mettre en place et à surveiller lorsque l'on est chargé du bon déroulement d'une session de FAD ?

Dans cette catégorie de problèmes qui sont finalement très généraux à la FAD, nous nous

intéressons en particulier à une pédagogie en situation de distance, basée sur une production

collaborative dans des groupes de taille restreinte. Nous empruntons à Fjük et Ludvigsen

(2001) l'expression "apprentissage collaboratif distribué» pour désigner ce type de pédagogie.

On peut observer que ceci induit, en plus des questionnements dégagés plus haut, d'autres

préoccupations spécifiques à l'approche pédagogique choisie. Finalement, la question centrale

de cette thèse concerne la mise au point d'outils informatiques pouvant faciliter le suivi de l'apprentissage collaboratif dans le contexte de la formation à distance. Il est, de ce point de vue, important de comprendre le rôle du groupe d'une part, en tant qu'entité et d'en faire

l'unité d'analyse, d'autre part, le rôle de personnes en charge de l'existence et surtout de la

vitalité de ces groupes. Il est aussi important de comprendre le rôle des interactions qui apparaissent entre les membres du groupe. Quels sont les effets de ces interactions dans l'existence du groupe, quels changements cognitifs induisent-elles sur les apprenants ? En d'autres termes, quel est le rôle des interactions dans la progression et la réussite d'une session de FAD ? On est ainsi amené à s'intéresser très rapidement au comportement de l'apprenant, du tuteur, ... et ainsi à modéliser le comportement des acteurs engagés dans la FAD.

Introduction

13

Objectifs de recherche

Les objectifs de nos travaux de thèse sont de répondre aux différents éléments de

problématique dégagés plus haut. De façon plus précise, il s'agit à travers la conduite d'une

expérimentation de FAD, de cerner le rôle du tuteur et des autres utilisateurs dans la réussite

d'une session de formation à distance basée en particulier sur l'apprentissage collaboratif ; de

construire des outils informatiques (pour le tuteur en particulier) capables de faciliter le suivi de l'apprentissage collaboratif distribué. Nos travaux concernent aussi la compréhension et la mise en place d'interfaces entre les plates-formes informatiques d'e-formation (les anglo- saxons parlent de Learning Management Systems ou LMS, nous utiliserons souvent cette 14 dernière appellation dans la suite) et les utilisateurs. Ceci s'inscrit dans les efforts de normalisation et de définition de standards pour la e-formation entrepris aux niveaux mondial (ISO, IMS, LTSC, IEEE), européen (ARIADNE, CEN) et français (AFNOR). Nous avons indiqué plus haut que notre démarche nous conduit à dégager des questions

inhérentes à la conduite des sessions de formation grandeur réelle. En d'autres termes, notre

souci est de comprendre ce qui se passe dans une session de formation étalée sur plusieurs semaines, engageant de vrais apprenants avec des objectifs pédagogiques réels. L'un de nos

premiers objectifs était donc de concevoir, spécifier, et mettre en oeuvre une expérimentation

avec, comme stratégie pédagogique, l'apprentissage basé sur une production collaborative dans des groupes de taille réduite (8 à 15 personnes). Le second objectif consiste à recueillir, analyser le corpus de données issues de

l'expérimentation en vue d'identifier des éléments de suivi de l'activité des groupes en FAD,

des indices ou indicateurs à mettre en place et à surveiller lorsque l'on gère une session de

FAD. Il s'agissait en fin de compte, à partir du vécu de la formation et des données

recueillies, d'identifier les facteurs ou phénomènes déterminants pour la réussite ou l'échec

d'une session de FAD.quotesdbs_dbs27.pdfusesText_33
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