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UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À MONTRÉAL

RÔLE DES ONTOLOGIES EN INGÉNIERIE DES EIAH : CAS D'UN SYSTÈME D'ASSISTANCE AU DESIGN PÉDAGOGIQUE

THÈSE

PRESENTÉE

COMME EXIGENCE PARTIELLE

DU DOCTORAT EN INFORMATIQUE COGNITIVE

PAR

VALÉRY PSYCHÉ

JUILLET 2007

REMERCIEMENTS

Je dédie cette thèse à

ma famille, à ma belle-famille, et tout particulièrement à mon père, Fernand Psyché, parti trop tôt. Il aurait donné beaucoup pour pouvoir assister à l'aboutissement de ce projet de thèse dont il m'a lui-même insufflé l'idée. Un remerciement particulier à mon conjoint Marc Blanchard et à mon fils Gabriel. Marc m'a assuré un soutien inconditionnel sans lequel je n'aurais jamais pu terminer mon doctorat. Merci et pardon à mon fils Gabriel à qui j'ai volé ses premiers mois de vie pour terminer la rédaction de cette thèse. Merci à mon ami Jean-Pierre Asselin de Beauville, vice-recteur aux programmes de l'Agence Universitaire de la Francophonie (AUF). Il a su me faire profiter de son expérience en tant que professeur d'université, directeur de centre de recherche et maintenant directeur d'un organisme scientifique d'envergure internationale. Je désire exprimer ma sincère reconnaissance

à mon directeur et ma co-directrice de

recherche, les professeurs Roger Nkambou et Jacqueline Bourdeau pour leur disponibilité ainsi que leur aide tant logistique que financière tout au long de mon doctorat et durant la préparation de cette thèse. Sans eux, il n'est pas certain que je me serais rendue jusqu'au bout. Roger et Jacqueline m'ont toujours poussée dans les moments de découragement.

Je les

remercie aussi pour la relation que je crois spéciale qui s'est établie entre nous. Je pense qu'une telle relation contribue fortement à la réalisation de bons travaux, et nous en avons réussis quelques bons, salués par la communauté internationale. On peut dire que maintenant, je me sens appartenir à leur famille scientifique. Je leur dois cela. Je tiens à remercier spécialement Roger pour ses conseils toujours pertinents, ses idées et ses prises de position affirmées. Je remercie spécialement Jacqueline pour son intelligence, pour tous les week III ends de travail qu'elle m'a consacrés. Je remercie les deux pour leur enthousiasme et leur sympathie à mon égard. Je remercie particulièrement Riichiro Mizoguchi, professeur à l' "

Institute ofScientiflc

and Industrial Research» (ISIR) de l'université d'Osaka, dont l'expertise du sujet a été substantielle durant les premières phases de ce projet, et qui fût toujours au fil des années une source d'inspiration, ainsi qu'une référence fiable en cas de litige sur une question de recherche donnée. Je tiens à saluer la gentillesse du professeur Mizoguchi qui a toujours pris le temps de répondre à mes courriels malgré son emploi du temps extrêmement chargé. Je tiens à remercier mon jury de thèse à savoir Ghislain Lévesque, Josianne Basque, Cyrille Desmoulins, Mounir Boukadoum. Ghislain Lévesque est professeur au département d'informatique de l'UQÀM Il m'a bien connue en tant que directeur du programme de doctorat en informatique cognitive. Josianne Basque est professeur à la TÉLUQ, l'université à distance de l'UQÀM. Je l'ai côtoyée au centre de recherche LICEF ou j'ai travaillé comme agent de recherche et où elle est chercheur régulière. Cyrille Desmoulins est maître de conférences à l'université Joseph Fourier de Grenoble, chercheur titulaire au laboratoire

CLIPS.

Il intervient comme membre externe du jury. J'ai eu l'occasion de le rencontrer lors des colloques de la société AIED à Sydney, puis à Amsterdam. Mounir Boukadoum est l'actuel directeur du programme de doctorat en informatique cognitive et professeur au département d'informatique de l'UQAM. Merci à Patrick Ako-Goudjo pour sa contribution au développement du prototype dans

le cadre de sa maîtrise en génie logiciel, et à Ophélie Tremblay, doctorante en éducation pour

sa participation à la description du domaine de l'ontologie élaborée.

Pour finir,

je tiens à remercier les membres du centre de recherche LICEF. Tout

d'abord, merci à sa directrice Claude Rigault, pour son efficacité à régler les problèmes et

pour son écoute. Merci à mes chers collègues que j'ai côtoyés pendant quatre ans, pour leurs conseils ou feedbacks toujours adéquats ainsi que pour leur amitié. Je pense notamment aux discussions enrichissantes ou au soutien moral que m'ont apporté Danièle Allard, Michel Léonard, Karin Lundgren-Cayrol, Marcelo Maïna, Olga Marino, Olavo Mendes, Joséphine iv

Pelleu Tchétagni, Délia Rogozan,

loan Rosca, Diane Ruelland, Isabelle Savard. Merci à Mihai Tabaras d'avoir toujours trouvé une réponse à mes problèmes d'ordre technique. Un remerciement particulier à Gilbert Paquette directeur scientifique de LORNET, chercheur titulaire au LICEF, détenteur de la chaire de recherche du Canada en ingénierie cognitive du téléapprentissage, et directeur des services académique et technologique de la

TÉLUQ.

Après avoir remercié

les personnes, je tiens à remercier les institutions qui m'ont soutenue financièrement ou qui m'ont donné accès aux infrastructures nécessaires à l'aboutissement de ce travail de recherche. Je pense: au Conseil de Recherches en Sciences

Naturelles et

en Génie du Canada (CRSNG) ; aux centres de recherches " Laboratoire en

Informatique Cognitive

et Environnements de Formation» (L1CEF) et " Gestion Diffusion

Acquisition des Connaissances» (GDAC);

au réseau canadien de recherche " Learning

Object RepositOfY

Network» (LORNET) : et pour finir au département d'informatique de l'UQÀM.

UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À MONTRÉAL

Service des bibliothèques

Avertissement

La diffusion de cette thèse se fait dans le respect des droits de son auteur, qui a signé le formulaire Autorisation de reproduire et de diffuser un travail de recherche de cycles supérieurs (SDU-522 -Rév.ü1-2üü6). Cette autorisation stipule que "conformément à l'article 11 du Règlement no 8 des études de cycles supérieurs, [l'auteur) concède à l'Université du Québec à Montréal une licence non exclusive d'utilisation et de publication de la totalité ou d'une partie importante de [son] travail de recherche pour des fins pédagogiques et non commerciales. Plus précisément, [l'auteur] autorise l'Université du Québec à Montréal à reproduire, diffuser, prêter, distribuer ou vendre des copies de [son] travail de recherche à des fins non commerciales sur quelque support que ce soit, y compris l'Internet. Cette licence et cette autorisation n'entraînent pas une renonciation de [la) part [de l'auteur] à [ses] droits moraux ni à [ses] droits de propriété intellectuelle. Sauf entente contraire, [l'auteur] conserve la liberté de diffuser et de commercialiser ou non ce travail dont [il] possède un exemplaire.»

TABLE DES MATIÈRES

LISTE DES FIGURES xi

LISTE DES

ACRONYMES xxii

RÉSUMÉ xxiv

Sujet de

recherche: Une preuve de l'importance du rôle des ontologies dans l'ingénierie des LISTE DES

TABLEAUX xvi

INTRODUCTION 1

Contexte de recherche 1

EIAH -Application aux systèmes auteurs 4

État de la question et problèmes résultants à résoudre 5

Objectifs à atteindre 7

Méthode de recherche utilisée 9

Structure de la thèse

11

CHAPITRE 1

ÉTAT DE L'ART SUR L'ONTOLOGIE DANS LE DOMAINE DES EIAH 13

1.1 Introduction 13

1.2 Perspective historique sur les ontoJogies 14

1.2.1 Origine de l'ontologie 15

1.2.2 Fondement métaphysique: La science de l'être 15

1.2.3 Fondements épistémologiques 17

1.3 Vision contemporaine en lA 19

1.3.1 Une première transition: de la philosophie à l'lA 19

1.3.2 Deuxième transition: le besoin d'une représentation partagée et explicite 20

1.3.3 Ontologie et représentation des connaissances

21

1.4 Qu'est-ce que l'ontologie en lA ? 24

1.4.1 Quelques définitions 24

1.4.2 Composantes

d'une ontologie 25 vi

1.5 Langages de représentation de l'ontologie

26

1.6 Typologies d'ontologies 27

1.6.1 Typologie selon l'objet de la conceptualisation 27

1.6.2 Typologie selon le niveau de granularité 29

1.6.3 Typologie selon le niveau de représentation des connaissances 29

1.6.4 Typologie selon le niveau de formalisation de la représentation des

connaissances 32

1.7 Quel serait l'apport spécifique de l'ontologie pour les EIAH ? 33

1.7.1 Les besoins des EIAH 33

1.7.2 Anticipation des usages dans le

domaine des EIAH 36

1.7.3 Exemples de positionnement de l'ontologie dans le domaine des EIAH 38

1.8 Premières prévisions quant à l'usage des ontologies pour le domaine des EIAH 43

1.9 Problèmes à surmonter dans le domaine des EIAH pour atteindre ces prévisions 44

1.9.1 Formulation d'hypothèses de travail pour le cas de l'ingénierie des EIAH 44

1.9.2 Proposition d'un contexte d'utilisation pour la problématique de l'ingénierie des

EIAH 47

1.9.3 Proposition d'une solution spécifique pour l'ingénierie des EIAH 48

CHAPITRE Il

LA REPRÉSENTATION DES CONNAISSANCES DANS LES SYSTÈMES DE DESIGN

PÉDAGOGIQUE 50

2.1 Introduction 50

2.2 Définition du Design Pédagogique 51

2.3 Systèmes de design pédagogique ou systèmes auteurs 52

2.3.1 Systèmes orientés vers la performance

54

2.3.2 Systèmes orientés vers la modélisation pédagogique 55

2.3.3 Systèmes orientés vers les technologies du web et les standards du design

pédagogique 58

2.4 Présentation

d'une partie de la solution spécifique au problème de représentation des systèmes auteurs 61

2.4.1 Choix d'une représentation basée sur les standards du design pédagogique 61

2.4.2 Choix d'une représentation basée sur les paradigmes de l'éducation 67

2.4.3 Choix de quelques théories issues des paradigmes de l'éducation pour la

représentation de l'OTPAED 77

2.5 Conclusion du chapitre 84

VII

CHAPITRE III

PROPOSITION

D'UNE MÉTHODE INTÉGRÉE D'INGÉNIERIE ONTOLOGIQUE 85

3.1 Introduction 85

3.2 Fondements de l'ingénierie ontologique 85

3.2.1 Méthodes d'ingénierie ontologique

85

3.2.2 Principes d'ingénierie ontologique 93

3.2.3 Conclusion de la première partie 97

3.3 M120: une Méthode Intégrée d'Ingénierie Ontologique 97

3.3.1 Phase 1 : Étude de faisabilité et de l'environnement... 98

3.3.2 Phase II. Modélisation ontologique 99

3.3.3 Phase III. Mise en oeuvre de l'ontologie 105

3.3.4 Phase IV. Évaluation de l'onto!ogie 106

3.3.5 Phase

V. Documentation de l'ontologie 112

3.3.6 La question de la mise

à jour 112

3.4 Conclusion du chapitre 113

CHAPITRE IV

UTILISATION DE LA

MÉTHODE MI20 POUR LA MODÉLISATION ET

L'OPÉRATIONNALISATION DE L'ONTOLOGIE 114

4.1 Introduction 114

4.2 Étape 1 : Capture des besoins 1

15

4.2.1 Étape 1.1 : Domaine représenté par l'ontologie 115

4.2.2 Étape

1.2: Contexte d'utilisation de l'ontologie 116

4.2.3 Étape

1.3 : But de l'application exploitant l'ontologie 116

4.2.4 Étape 1.4 : Caractéristiques de l'application exploitant l'ontologie 116

4.2.5 Étape 1.5 : Directives de conception de l'ontologie 117

4.2.6 Étape 1.6 : Sources d'information 117

4.2.7 Étape

1.7 : Scénarios d'utilisation de l'ontologie 118

4.2.8 Étapes 1.8 : Questions

de compétences 120

4.3 Étape

2: Analyse des sources d'information 121

4.4 Étape 3 : Conceptualisation de l'OTPAED 121

4.4.1 Étape 3.1 : Construction de l'ontologie initiale des TPAED 121

4.4.2 Étape 3.2 : Réutilisation et intégration de modèles tirés d'EML et d'IMSL-LD

124
VIII

4.4.3 Présentation de l'ontologie conceptuelle 130

4.5 Étape 4: Évaluation de l'ontologie conceptuelle 137 4.6 Étape 5 : Documentation de l'ontologie conceptuelle 138

4.7 Étape 6: Formalisation de l'ontologie 144

4.7.1

Outils de formalisation de l'ontologie 147

4.7.2

Langages de formalisation 157

4.8 Étape 7: Évaluation de l'ontologie formelle 164 4.9 Étape 8: Documentation de l'ontologie formelle 166 4.10 Étape 9: Vers une opérationnalisation de l'ontologie 168

CHAPITRE V

PROPOSITION

D'UN SYSTÈME D'ASSISTANCE AU CONCEPTEUR EXPLOITANT

UNE ONTOLOGIE 172

5.1 Introduction 172

5.2 Partie 1: Conception de CIAO 172

5.2.1 Acteurs du système 172

5.2.2

Diagrammes des cas d'utilisation 175

5.2.3

Cas d'utilisation 179

5.3

Partie Il : implémentation de CIAO 186

5.3.1 Choix technologiques liés à l'implémentation de CIAO 186 5.3.2 Architecture de l'environnement d'implémentation de CIAO 191

5.3.3 CIAO et ses services d'assistance 195

5.4

Conclusion du chapitre 226

CHAPITRE VI

ÉVALUA

T10N QUALITATIVE DE L'ONTOLOGIE À TRAVERS LES SERVICES

D'ASSISTANCE DE CIAO 228

6.1 Introduction 228

6.2

Objectifs de l'évaluation 228

6.3

Choix de l'approche d'évaluation 229

6.4

Type d'évaluation 231

6.5 Méthodologie d'une inspection experte basée sur des critères d'évaluation 232 6.6

Collecte des données 232

6.6.1

Participants 232

6.6.2

Dispositif expérimental 233

ix

6.6.3 Protocole 235

6.6.4 Instruments 235

6.7 Présentation et analyse des résultats 236

6.7.1 Transcription

et codage des données 236

6.7.2 Compilation des résultats 241

6.7.3 Interprétation des résultats 244

CONCLUSION DE LA THÈSE 253

Originalité de notre contribution

à la recherche en EIAH 253

Rappel des problèmes

à résoudre et objectifs résultants 254

Rappel

de la démarche adoptée et résultats obtenus 255

Conclusions

et pistes de recherche 256

APPENDICE A

SCÉNARIOS D'UTILISATION ET MODÈLES DE SCÉNARIOS PÉDAGOGIQUES BASÉS SUR LES THÉORIES DE GAGNÉ-BRIGGS, DE MERRILL ET DE COLLINS

UTILISÉS

POUR LA CONSTRUCTION DE L'ONTOLOGIE INITIALE 259

APPENDICE B

PRÉSENTATION DE L'ONTOLOGIE FORMELLE EN OWL, RDF-S ET RDF 273

APPENDICE C

AUTRES INTERFACES DE CIAO ET EXTRAITS DE PROGRAMMES 339

APPENDICE D

ÉLÉMENTS IMS-LD UTILISÉS DANS L'ANALYSE DE SCÉNARIOS, SUIVIS D'EXEMPLES DE SCÉNARIOS ET DE MANISFESTES ASSOCIÉS EN XML IMS-LD ...................................................................... 354

APPENDICEE

COMPILATION DU VERBATIM DE L'ÉVALUATION 370

APPENDICE F

TRANSCRIPTION DES ENREGISTREMENTS EFFECTUÉS LORS DE

L'ÉVALUATION , 385

APPENDICE G

FORMALISMES DE REPRÉSENTATION GRAPHIQUE DE MOT+ 466

APPENDICE H

LISTE DE

REQUÊTES À L'ONTOLOGIE ISSUES DES QUESTIONS DE COMPÉTENCES ET DE LA STRUCTURE DU LANGAGE OWL 479

APPENDICE 1

LISTE DES

DOCUMENTS UTILISÉS LORS DE L'ÉVALUATION 485

x

BIBLIOGRAPHIE

Figure

Figure

1.1

Figure 1.2

Figure 2.1

Figure 2.2

Figure 2.3

Figure 2.4

Figure

3.1

Figure 3.2

Figure 3.3

Figure 3.4

Figure 3.5

Figure 3.6

Figure 3.7

Figure 3.8

Figure 3.9

Figure 3.10

Figure

4.1

Figure 4.2

Figure 4.3 LISTE DES FIGURES

page Ontologie de l'être selon Aristote (Mendes dans Psyché et al, 2003)
16 Illustration du processus d'indexation d'objets pédagogiques 35

Le méta-modèle pédagogique

d'EML (en format UML) 63 Le méta-modèle d'EML détaillé (en format UML) 63

Le Unit ofStudy Model de EML 64

Le modèle conceptuel global

d'IMS-LD (format UML) 65 Processus de On-To-Knowledge (Staab S. et al., 2001) 88

Processus de la méthode d'Uschold

et King (Uschold M. et King

M., 1995) 89

Processus de la méthode de Grüninger et Fox (Grüninger M. et

Fox M.S., ]995) 90

Processus de KACTUS

91

Processus de METHONTOLOGY 92

Un des cinq processus de SENSUS 93

Le processus de

MI20 103

Le processus détaillé de

M120 104

Exemple d'erreurs circulaires dans l'ontologie formelle (adapté de (Gamez-Pérez A., 2003» 110
Exemple d'erreurs de partition dans l'ontologie formelle (adapté de (Gamez-Pérez

A., 2003» III

Éléments de recherche qui ont permis la conception de l'OTPAED

........................................................................�............................ 115

Ontologie initiale des

TPAED résultant de 1'10, sous forme

d'arbre et sous forme graphique (première itération) 122 Ontologie initiale des TPAED résultant de 1'10, sous forme d'arbre et sous forme graphique (deuxième itération) 123 xii

Figure 4.4

Figure 4.5

Figure 4.6

Figure 4.7

Figure 4.8

Figure 4.9

Figure 4.10

Figure 4.11

Figure 4.12

Figure 4.13

Figure 4.14

Figure 4.15

Figure 4.16

Figure 4.17

Figure 4.18

Figure 4.19

Figure 4.20

Figure

4.21

Figure 4.22

Figure 4.23

Figure 4.24

Figure 4.25

Figure 4.26

Figure 4.27 Instance de scénario selon la théorie de Gagné-Briggs 124

EML/IMS-LD 126

Ontologies résultantes 126

L'OTPAED intégrant EML et IMS-LD (en format UML) 129 L'OTPAED intégrant EML et IMS-LD (dans Hozo) 129

Les deux sous-ontologies des TPAED et du DP 130

Taxinomie du concept "theory" dans la sous-ontologie des TPAED ............................ 131 Taxinomie du concept "paradigm" dans la sous-ontologie des

TPAED 131

Taxinomie du concept "principle" dans la sous-ontologie des

TPAED 132

Taxinomie du concept "Iearning-concept" dans la

SOUs-o:l.tologie

des TPAED 132

Taxinomie du concept

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