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Méta-modélisation UML pour la conception et la mise en œuvre de situations-problèmes coopératives Soutenance de thèse présentée par Pierre Laforcade Laboratoire.

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1 Méta-modélisation UML pour la conception et la mise en œuvre de situations-problèmes coopératives Soutenance de thèse présentée par Pierre Laforcade Laboratoire dInformatique de lUniversité de Pau et des Pays de lAdour Directeur de thèse : Franck Barbier Encadrants : Thierry Nodenot, Christian Sallaberry

2 2 Plan Introduction aux modèles pour la e-formation Étude des situations-problèmes, plates-formes et UML Contribution Langage de conception CPM Modèle de composant éducatif CPL Bilan et perspectives

3 3 Plan Introduction aux modèles pour la e-formation Domaine des EIAH Cadre de travail : situation-problème et plate-forme Processus de e-formation et phase de conception Notre problématique Objectif, orientations et méthodologie Étude des situations-problèmes, plates-formes et UML Contribution : langage CPM et composant CPL Bilan et perspectives

4 4 Domaine des EIAH EIAH (Environnement Informatique pour lApprentissage Humain) Tout environnement informatique conçu pour favoriser un apprentissage humain Recherche pluridisciplinaire : Sciences Humaines et Sociales + Informatique Ingénierie des EIAH Fournir des moyens reproductibles et/ou réutilisables pour faciliter la mise en place de situations dapprentissage dans leur articulation avec les dispositifs informatiques [Tchounikine, 02]

5 5 Problématique générale Comment modéliser la complexité dune situation dapprentissage ? Analyse didactique du contexte Étude des comportements émergents, activité réelle, usage effectif des outils Identification des objectifs dapprentissage Conception et spécification de lactivité proposée : Conception de la tâche à réaliser Identification des acteurs et de leurs rôles Articulation acteurs/outils … Étude du contexte dinsertion de lactivité Problèmes inter-reliés

6 6 Cadre de travail : PBL et plates-formes EIAH : Intention didactique + environnement informatique Situation-problème coopérative (PBL) Plates-formes de formation à distance (FAD) Ingénierie des EIAH : E-formation Processus industrialisé Importance des modèles de conception

7 7 Processus de e-formation Formation Module Processus dutilisation Instanciation de la formation Exécution de la formation Processus itératif de conception Unité pédagogique objectifs de formation pré-requis contenu durée Conception Mise en œuvre

8 8 Phases de conception et de mise en œuvre en détail Scénario pédagogique Description (informelle) de la tâche Informations sur la plate-forme cible Ressources pédagogiques met à disposition nouvelles fonctionnalités à développer ressources à développer

9 9 Notre problématique Comment faciliter lélaboration de modèles pour la conception et la mise en œuvre de situations- problèmes coopératives sur des plates-formes de formation à distance ?

10 10 Objectif, orientations et méthodologie Objectif Fournir un langage de modélisation Dédié aux PBL et aux plates-formes de FAD Public cible langage lingénieur pédagogique modèles élaborés léquipe pluridisciplinaire de conception Usages des modèles Outils de communication et dabstraction Orientation pour le langage Langage graphique Spécialisation dUML PBL plates-formes de FAD Modélisation UMLMéta-modélisation UML

11 11 Plan Introduction aux modèles pour la e-formation Étude des situations-problèmes, plates-formes et UML Situations-problèmes coopératives Plates-formes de formation à distance Modélisation et méta-modélisation UML Contribution : langage CPM et composant CPL Bilan et perspectives

12 12 Situations-problèmes coopératives (PBL) Tâche/objectif Objectifs pédagogiques/apprentissage Cas détude : SMASH (enfants 8-12 ans) Problème/obstacle effectué en surmontant lié à la réalisation Situation authentique accident de vélo Rôles enquêteurs chef de police reconstituer laccident trouver responsable plusieurs responsables responsabilisation sécurité/prévention routière code de la route Ressources témoignages carte village feuille de notes Contraintes témoignages différents nombre limité Présentation Analyses/productions Présentations individuelle et production dune solution commune Correction Activités

13 13 Plates-formes de formation à distance Définition Dispositif de formation à distance utilisant les réseaux informatiques comme support Suivi des apprenants Interactivité (chat, forum, classe virtuelle,…) applications synchronesSupport dapprentissages coopératifsapplications distribuées (composant) Apport pour architecture et structure : environnement ouvert et flexible Nouveaux usages ? Constat Concepteur doit sadapter aux plates-formes Objets dapprentissage et services Diffusion de cours individualisé en asynchrone temps Technologies Évolutions plates-formes

14 14 Le langage UML Utilité visualiser, spécifier, construire, documenter les éléments dun système Langage semi-formel 12 diagrammes (UML 2) Diagrammes statiques (classe, objet, paquetage, etc.) Diagrammes dynamiques (états/transitions, activités, etc.) Syntaxe UML abstraite : méta-modèle UML, enrichi par contraintes OCL concrète : la notation

15 15 Méta-modélisation UML Utilité Spécialisation dUML à un domaine Représentation partagée pour le public cible « Outil » de communication « Outil » de partage de modèles Solution : profil UML Mécanisme dextension Ensemble cohérent de : Éléments sélectionnés Stéréotypes, définitions de valeurs marquées Contraintes, règles Utilité des outils supportant les profils UML Aide à lélaboration des modèles Exploitation des modèles

16 16 Plan Introduction aux modèles pour la e-formation Étude des situations-problèmes, plates-formes et UML Contribution Contribution globale Langage de conception CPM Modèle de composants éducatifs CPL Bilan et perspectives

17 17 Constat, positionnement et contribution globale Contribution 1 Un langage support pour la modélisation de PBL dédié à la phase de conception indépendant des plates-formes sous la forme dun profil UML Contribution 1 Un langage support pour la modélisation de PBL dédié à la phase de conception indépendant des plates-formes sous la forme dun profil UML Contribution 2 Un modèle de composant éducatif pour réduire lécart entre : les besoins de conception les fonctionnalités fournies par la plate- forme Contribution 2 Un modèle de composant éducatif pour réduire lécart entre : les besoins de conception les fonctionnalités fournies par la plate- forme

18 18 Plan Introduction aux modèles pour la e-formation Étude des situations-problèmes, plates-formes et UML Contribution Contribution globale Langage de conception CPM Modèle de composants éducatifs CPL Bilan et perspectives

19 19 M0 M1 M2 M3 Le réel « perçu », run-time instances Méta-méta-modèle Méta-modèle Modèle Démarche de spécification du langage CPM Le langage CPM (Cooperative PBL Metamodel ) MOF UML conforme à Sémantique : Descriptions et règles (langage naturel & OCL) Syntaxe abstraite (concepts et relations) : le méta-modèle CPM Méta-modèle CPM conforme à Profil CPM spécialise Syntaxe concrète (notation) : le profil CPM

20 20 Le modèle conceptuel Personne RôleType apprenant tuteur > Rôle roleType : RôleType * * joue Ressource * 1 estResponsableDe * * produit Activité pédagogique * réalise * * utilise * enCollaborationAvec objet dapprentissage service savoir savoir-faire représentation mentale événement pédagogique

21 21 Construction du méta-modèle CPM DARE SIMULIGNE [Guareis,00] SPEM IMS-LD Basé sur Étude de structures dorganisation pour lactivité Aspects sociaux Rôles/activités Collaboration Droits/outils Aspects structurels Décomposition interne Composition externe Aspects pédagogiques Règles/contraintes Pré-requis/objectifs Ressources/outils Modèle conceptuel CPM

22 22 Le méta-modèle CPM Les différents paquetages du méta-modèle CPM > CPM_Foundation > CPM_BasicElements > CPM_SocialPackage > CPM_PedagogicalPackage > CPM_StructuralPackage CPM_Extensions Sous-ensemble dUML 1.4 >

23 23 Le méta-modèle CPM : extraits CPM_StructuralPackage CPM_SocialPackage Context ActivityStructure inv: self.subStructure->forall( v | v.oclIsKindOf(ActivityStructure) or v.oclIsKindOf(Activity) ) Context ActivityStructure inv: self.subStructure->forall( v | v.oclIsKindOf(ActivityStructure) or v.oclIsKindOf(Activity) )

24 24 Le profil CPM Diagrammes privilégiés pour la notation : Diagramme de classes Permet de modéliser lensemble des relations statiques entre concepts dune PBL Diagramme de cas dutilisation Permet en amont de définir les activités et les rôles impliqués Diagramme détats Permet de détailler lévolution temporelle des états des ressources Diagramme dactivités Permet de détailler la dynamique de lenchaînement des activités

25 25 Le profil CPM : extraits StéréotypeMéta-classe ContrainteIcône LearningPhase Core::Operation ActivityGraphs::ActionState ActivityGraphs::SubactivityState UseCases::UseCase Core::Classifier Activity Core::Operation ActivityGraphs::ActionState ActivityGraphs::SubactivityState UseCases::UseCase Core::Classifier oui Role UseCases::Actor ActivityGraphs::Partition oui Classes alternatives Définition valeur marquéeType valeurSur stéréotype phaseKindStringLearningPhase roleKindStringRole activityKindStringActivity

26 26 Exemples de modèles CPM : aspects structurels Diagramme de classes Diagramme de classes > Acte 1 - Présentation {phaseKind="Acte"} Class

27 27 Exemples de modèles CPM : aspects structurels Diagramme de classes Diagramme de classes > Act 3 – Result pooling {phaseKind="Acte"} Class > Scene X - … {phaseKind="Scene"} Operation

28 28 Exemples de modèles CPM : aspects structurels Diagramme dactivités Diagramme dactivités > Act 3 – Result pooling {phaseKind="Acte"} SubActivityState > Scene X - … {phaseKind="Scene"} ActionState

29 29 Exemples de modèles CPM : aspects sociaux Diagramme de cas dutilisation Diagramme de cas dutilisation > Chef de la police {roleKind="Tuteur"} Actor > … UseCase > Les enquêteurs {roleKind="Apprenant"} Actor

30 30 Exemples de modèles CPM : aspects sociaux Diagramme dactivités Diagramme dactivités > {roleKind="Apprenant"} Partition > {roleKind="Tuteur"} Partition > ActionState

31 31 M0 M1 M2 M3 UML Réel perçu Méta-méta-modèle Méta-modèle Modèle Profil CPM spécialise Vérifications et mises à lessai conformes à des modèles pour SMASH Profile Builder Modeler Profile Builder Modeler mis en œuvre

32 32 Outillage avec un AGL existant : Objecteering Objectifs Implémenter le langage CPM Outillage avec un AGL existant : Objecteering Objectifs Implémenter le langage CPM Vérifier lélaboration de modèles conformes au langage CPM Outillage avec un AGL existant : Objecteering Objectifs Implémenter le langage CPM Vérifier lélaboration de modèles conformes au langage CPM Prototyper un système-auteur adapté à lingénieur pédagogique Outillage avec un AGL existant : Objecteering Objectifs Implémenter le langage CPM Vérifier lélaboration de modèles conformes au langage CPM Prototyper un système-auteur adapté à lingénieur pédagogique Expérimenter la plus-value de modèles graphiques et interprétables par la machine Réalisations Extrait du profil implanté dans Objecteering Profile Builder Élaboration de modèles avec Objecteering Modeler Ajout déléments Onglet de propriétés Recherche guidée dinformations Vérification des modèles (contraintes syntaxiques) Projection vers dautres langages

33 33 Les modèles produits avec CPM Mise à lessai de SMASH Sur la base de documents pédagogiques validés en amont par des pédagogues/enseignants Expression initiale des besoins AnalyseConception Modèle = ensemble de vues Vue = ensemble de diagrammes Définition des objectifs de la fiche de tâche des critères de succès de lobstacle des rôles Définition des objectifs de la fiche de tâche des critères de succès de lobstacle des rôles Spécification dun scénario : rôles, ressources activités individuelles activités collaboratives coopération événements Spécification dun scénario : rôles, ressources activités individuelles activités collaboratives coopération événements Analyse détaillée des rôles des ressources des activités des connaissances Analyse détaillée des rôles des ressources des activités des connaissances

34 34 Plan Introduction aux modèles pour la e-formation Étude des situations-problèmes, plates-formes et UML Contribution Contribution globale Langage de conception CPM Modèle de composants éducatifs CPL Bilan et perspectives

35 35 Contribution 2 : le problème de la mise en oeuvre

36 36 Contribution 2 : notre approche Idée : ajouter de nouvelles fonctionnalités aux plates-formes capturer les activités de base récurrentes dans les modèles de conception de PBL Proposition : Le composant éducatif CPL capture une activité élémentaire réutilisable (pour les concepteurs) est implémenté comme un composant logiciel « métier » sur la plate-forme (pour les développeurs de composants)

37 37 Contribution 2 : détails des réalisations Un modèle spécifique pour le composant CPL Basé sur le modèle de composant UML 2 Permet de décrire, spécifier les composants CPL sur la base des composants logiciels des plates-formes Composé de Une vue dassemblage « boîte noire » Des vues comportementales Démarches 1.Construction dune bibliothèque de modèles de CPL (pour les développeurs de composants et les concepteurs) 2.Réutilisation des modèles de CPL (pour les concepteurs) Extension du langage CPM Ajout du concept dactivité réutilisable (pour les concepteurs) Modélisation des composants CPL (pour les développeurs de composants)

38 38 Contribution 2 : illustration des démarches Plates-formes de FAD ChatAgendaForumInstant messaging MailingLectureFAQTimerVisioconf CPL abstraction Modèles de CL Chat Mettent en valeur Besoins en activités élémentaires Modèles de CPL Gestion Conflit Question/ réponse Nouveaux modèles de conception avancée Situations-problèmes coopératives Modèles de conception Langage CPM

39 39 Plan Introduction aux modèles pour la e-formation Étude des situations-problèmes, plates-formes et UML Contribution Bilan et perspectives

40 40 Objectif Aide à la conception de PBL en phases amont : décrire, spécifier, documenter, abstraire complexité, favoriser communication équipe pluridisciplinaire Réalisations Langage CPM pour lingénieur pédagogique Prototype denvironnement-auteur via un AGL existant Mise à lessai sur un cas détude riche Objectif Aide à la mise en œuvre de PBL sur des plates-formes Réalisations Composant éducatif CPL Modélisation UML 2 Double démarche (1-spécification de CPL, 2-réutilisation de CPL) Extension du langage CPM Bilan Langage CPM Aide à la conception et la mise en œuvre de PBL Expression initiale des besoins Conception avancée ImplémentationDéploiementTestÉvaluation Phase de conception Analyse Conception Modèles Modèle CPL

41 41 Bilan sur les apports de la contribution Le modèle de composants CPL Approche originale et novatrice Nécessite un travail en profondeur Le langage CPM : identifier et décrire les apports de la (méta)-modélisation UML Conceptualisation explicite Meilleure capitalisation des connaissances Améliore communication Exploitation des modèles via les AGL Vers des nouveaux usages pour les modèles CPM Difficulté de modélisation Choix de représentation Complexité des modèles

42 42 Perspectives Validation des modèles CPM Comment : Expérimentation du langage CPM par Communauté UML et communauté EIAH Pour quoi : Cadrer les usages du langage Servir de base pour lélaboration dune méthode Méthode adaptée au langage CPM Comment : Méthodes UML (RUP, 2TUP, etc.) Méthodes de design pédagogique (MISA, etc.) Pour quoi : Guider la conception des modèles Vers une ingénierie des modèles ?

43 43 Merci de votre attention Méta-modélisation UML pour la conception et la mise en oeuvre de situations-problèmes coopératives

44 44 M0 M1 M2 M3 Le réel « perçu », run-time instances Méta-méta-modèle (MOF) Méta-modèle (Ex. UML) Modèles Illustration du modèle en couche de lOMG Chef_Police nom : string :Chef_Police nom= "Nicolas" > Attribute > Instance > Class > Un chef de police > Chef_Police {type="tuteur"} > Role { > type : string[1] }

45 45 Exemple de modèles de CPL Modélisation UML 2 Gestion conflit

46 46 Exemple de CPL (2) State Machine associé à linterface Ituteur

47 47 Exemple de CPL (3) State Machine associé à linterface Iapprenant

48 48 Techniques et langages existants Méta-données Ontologies éducatives Langage de modélisation pédagogique Définition Données décrivant des données Définition explicite dune conceptualisation Modèle dinformation et de binding Usages Décrire, identifier, rechercher, assembler, délivrer des contenus de formations Décrire des contenus, supporter et guider la conception de scénarios, formalisation des scénarios Spécifier formellement un scénario, modèle interprétable par la machine ExemplesLOM, LRSTravaux de MizoguchiEML-OUNL, IMS-LD Public Fournisseur de ressources Ingénieur Pédagogique Ingénieur Pédagogique « expert » Limites Pas adapté à la scénarisation dactivités Modèles non destinés aux « humains » « Usine à gaz » Modèles non destinés aux « humains » Prise en charge PBL non peu

49 49 Propriétés du langage CPM Reproductibilité, réutilisation, indépendance médium/configuration/plates-formes, personnalisation Propriétés de personnalisation : Terminologie « ouverte » : peut être enrichie selon besoins des concepteurs Via : Les stéréotypes : Relation, Activity, StaticPBLElement, DynamicPBLElement, resource, PBLConstraint Et leurs valeurs marquées : relationKind, activityKind, … Exemples : Une contrainte de durée pour les activités : > avec {constraintKind=Duration} Une relation déquivalence entre 2 ressources : > avec {relationKind=IsEquivalentOf}

50 50 Le méta-modèle CPM Les concepts

51 51 Proposition 2 : démarche à la IMS-LD Fonctionnalités plates-formes = services dans le scénario

52 52 I-EIAH Ingénierie des connaissances Définition « L'ingénierie des connaissances propose des concepts, méthodes et techniques permettant de modéliser, de formaliser, d'acquérir des connaissances dans les organisations dans un but d'opérationalisation, de structuration ou de gestion au sens large. Ces mêmes connaissances sont des informations destinées à être, in fine, interprétées par un humain, dans son interaction avec l'artefact, i.e. le système à base de connaissances (SBC) construit » [IC2001] IC modélisation de la connaissance du domaine dapprentissage des connaissances des apprenants, etc. modélisation de la connaissance du domaine dapprentissage des connaissances des apprenants, etc. nouveaux points de convergence : construction et lutilisation dontologies, la modélisation de documents pédagogiques avec XML, les hypermedia adaptatifs, travaux sur CSCL/CSCW [Tchounikine,STE] Un usage de CPM ???

53 53 Correspondances Terminologie PBL et terminologie CPM

54 54 Correspondances Terminologie IMS-LD et terminologie CPM

55 55 Exemple de CPL (4) Extrait de modèle de conception avancée

56 56 Publications IRMA03 IT04 Méta-modèle CPM Profil CPM Proposition 1 Modèle de CE Expérimentation ITRE03 ICCI03 AIED03 WWW04 Prototype Extension du profil Proposition 2 Contexte – État de lart Projet équipe IDEE Revue Chapitre Conférence Internationale Conférence nationale Divers STICEF05 ? INFORSID02 ITS02 TICE02 WCC02 EJC02 SCI02 Perspectives ??05 ? EIAH05 ?

57 57 Le langage CPM et la théorie de lactivité CPM est basé sur une approche centrée sur lactivité des modèles conceptuels de lactivité Toutefois, fondation théorique limitée car Son potentiel est dans létude de lactivité effective Nous sommes dans un contexte prescritif où lactivité est déjà « formatée » par de nombreux travaux.

58 58 Comparaison de lapproche par « profil UML » avec autres approches de méta-modélisations


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