Modeling High-Dimensional Audio Sequences with Recurrent Neural Networks

Cette thèse étudie des modèles de séquences de haute dimension basés sur des réseaux de neurones récurrents (RNN) et leur application à la musique et à la parole. Bien qu'en principe les RNN puissent représenter les dépendances à long terme et la dynamique temporelle complexe propres aux séquences d'intérêt comme la vidéo, l'audio et la langue naturelle, ceux-ci n'ont pas été utilisés à leur plein potentiel depuis leur introduction par Rumelhart et al. (1986a) en raison de la difficulté de les entraîner efficacement par descente de gradient. Récemment, l'application fructueuse de l'optimisation Hessian-free et d'autres techniques d'entraînement avancées ont entraîné la recrudescence de leur utilisation dans plusieurs systèmes de l'état de l'art. Le travail de cette thèse prend part à ce développement. L'idée centrale consiste à exploiter la flexibilité des RNN pour apprendre une description probabiliste de séquences de symboles, c'est-à-dire une information de haut niveau associée aux signaux observés, qui en retour pourra servir d'à priori pour améliorer la précision de la recherche d'information. Par exemple, en modélisant l'évolution de groupes de notes dans la musique polyphonique, d'accords dans une progression harmonique, de phonèmes dans un énoncé oral ou encore de sources individuelles dans un mélange audio, nous pouvons améliorer significativement les méthodes de transcription polyphonique, de reconnaissance d'accords, de reconnaissance de la parole et de séparation de sources audio respectivement. L'application pratique de nos modèles à ces tâches est détaillée dans les quatre derniers articles présentés dans cette thèse. Dans le premier article, nous remplaçons la couche de sortie d'un RNN par des machines de Boltzmann restreintes conditionnelles pour décrire des distributions de sortie multimodales beaucoup plus riches. Dans le deuxième article, nous évaluons et proposons des méthodes avancées pour entraîner les RNN. Dans les quatre derniers articles, nous examinons différentes façons de combiner nos modèles symboliques à des réseaux profonds et à la factorisation matricielle non-négative, notamment par des produits d'experts, des architectures entrée/sortie et des cadres génératifs généralisant les modèles de Markov cachés. Nous proposons et analysons également des méthodes d'inférence efficaces pour ces modèles, telles la recherche vorace chronologique, la recherche en faisceau à haute dimension, la recherche en faisceau élagué et la descente de gradient. Finalement, nous abordons les questions de l'étiquette biaisée, du maître imposant, du lissage temporel, de la régularisation et du pré-entraînement.

La formation continue à distance des enseignants du secondaire au Bénin : réalités et perspectives

Cette recherche porte sur la pertinence et la faisabilité d’un programme de formation continue à distance des enseignants qualifiés de l’enseignement secondaire général public du Bénin. Elle a deux objectifs spécifiques : l’identification et l’analyse des besoins de formation continue des enseignants du secondaire du Bénin et l’étude des modalités administratives, pédagogiques et techniques de mise en place d’un tel programme dans le contexte béninois. Les recherches sont effectuées sur la base de la mise en œuvre de la technique du groupe nominal (TGN) qui a permis de générer un premier questionnaire soumis à un échantillon de 278 enseignants représentatifs des 1 488 enseignants qualifiés de l’enseignement secondaire général public du Bénin et trois autres questionnaires, basés sur la technique Delphi, adressés à 13 experts du système éducatif béninois. Il apparaît qu’un futur programme de formation continue à distance des enseignants du secondaire devrait comporter, principalement, les trois thèmes ci-après, classés par ordre de priorité : «Technologies de l’information et de la communication »; «Méthodes pédagogiques» et « Matière de spécialité ». L’utilisation de la technique Delphi a permis d’établir une liste de 23 items correspondant aux modalités administratives, pédagogiques et techniques pour la mise en œuvre de la formation. L’analyse des résultats de la technique Delphi et celle des réponses au questionnaire adressé aux enseignants ont permis d’opérer un choix de médias à utiliser et/ou à intégrer pour transmettre le savoir et soutenir l’apprentissage. Il ressort des résultats de la recherche que les enseignants béninois du secondaire ont d’importants besoins de formation continue et que la conception et la mise en œuvre d’un programme de formation à distance axée sur l’utilisation des TIC sont pertinentes et faisables au Bénin. Un modèle organisationnel de formation continue à distance a été proposé.

Changements et évolution des universités conventionnelles sous l’influence des technologies de l’information et de la communication (TIC): le cas du contexte universitaire nord-américain

Cette recherche part du constat de l’utilisation des nouvelles technologies qui se généralise dans l’enseignement universitaire (tant sur campus qu’en enseignement à distance), et traite cette question sous trois aspects institutionnel, pédagogique et technologique. La recherche a été menée à travers quinze universités canadiennes où nous avons interrogé vingt-quatre universitaires, nommément des responsables de centres de pédagogie universitaire et des experts sur la question de l’intégration des technologies à l’enseignement universitaire. Pour le volet institutionnel, nous avons eu recours à un cadre théorique qui met en relief le changement de structure et de fonctionnement des universités à l’ère d’Internet, suivant le modèle théorique de l’Open System Communications Net de Kershaw et Safford (1998, 2001). Les résultats, à l’aune de ce modèle, confirment que les universités conventionnelles sont dans une phase de transformation due à l’utilisation des technologies de l'information et de la communication (TIC). De plus, les cours hybrides, la bimodalité, des universités entièrement à distance visant une clientèle estudiantine au-delà des frontières régionales et nationales, des universités associant plusieurs modèles, des universités fonctionnant à base d’intelligence artificielle, sont les modèles principaux qui ont la forte possibilité de s’imposer dans le paysage universitaire nord-américain au cours des prochaines décennies. Enfin, à la lumière du modèle théorique, nous avons exploré le rôle de l’université, ainsi en transformation, au sein de la société tout comme les rapports éventuels entre les institutions universitaires. S’agissant de l’aspect pédagogique, nous avons utilisé une perspective théorique fondée sur le modèle du Community of Inquiry (CoI) de Garrison, Anderson et Archer (2000), revu par Vaughan et Garrison (2005) et Garrison et Arbaugh (2007) qui prône notamment une nouvelle culture de travail à l’université fondée sur trois niveaux de présence. Les résultats indiquent l’importance d’éléments relatifs à la présence d’enseignement, à la présence cognitive et à la présence sociale, comme le suggère le modèle. Cependant, la récurrence -dans les trois niveaux de présence- de certains indicateurs, suggérés par les répondants, tels que l’échange d’information, la discussion et la collaboration, nous ont amenés à conclure à la non-étanchéité du modèle du CoI. De plus, certaines catégories, de par leur fréquence d’apparition dans les propos des interviewés, mériteraient d’avoir une considération plus grande dans les exigences pédagogiques que requiert le nouveau contexte prévalant dans les universités conventionnelles. C’est le cas par exemple de la catégorie « cohésion de groupe ». Enfin, dans le troisième volet de la recherche relatif à la dimension technologique, nous nous sommes inspirés du modèle théorique d’Olapiriyakul et Scher (2006) qui postule que l’infrastructure dans l’enseignement doit être à la fois une technologie pédagogique et une technologie d’apprentissage pour les étudiants (instructional technology and student learning technology). Partant de cette approche, le volet technologique de notre recherche a consisté à identifier les fonctionnalités exigées de la technologie pour induire une évolution institutionnelle et pédagogique. Les résultats à cet égard ont indiqué que les raisons pour lesquelles les universités choisissent d’intégrer les TIC à l’enseignement ne sont pas toujours d’ordre pédagogique, ce qui explique que la technologie elle-même ne revête pas forcément les qualités a priori requises pour une évolution pédagogique et institutionnelle. De ce constat, les technologies appropriées pour une réelle évolution pédagogique et institutionnelle des universités ont été identifiées.

Développement d’une grille pour l’analyse de la culture e-learning dans des forums de discussion en ligne

La formation à distance (FAD) est de plus en plus utilisée dans le cadre de la formation des enseignants aux technologies de l’information et de la communication (TIC). Dans les pays en voie de développement, elle permet non seulement de réduire les coûts par rapport à une formation traditionnelle, mais aussi de modéliser des pratiques pédagogiques exemplaires qui permettent de maximiser le recours aux TIC. En ce sens, la formation continue des enseignants aux TIC par des cours à distance qui intègrent des forums de discussion offre plusieurs avantages pour ces pays. L’évaluation des apprentissages réalisés dans les forums reste cependant un problème complexe. Différents modèles et différentes procédures d’évaluation ont été proposés par la littérature, mais aucun n’a encore abordé spécifiquement la culture e-learning des participants telle qu’elle est définie par le modèle IntersTICES (Viens, 2007 ; Viens et Peraya, 2005). L’objectif de notre recherche est l’élaboration d’une grille opérationnelle pour l’analyse de la culture e-learning à partir des contenus de différents forums de discussion utilisés comme activité de formation dans un cours à distance. Pour développer cette grille, nous utiliserons une combinaison de modèles recensés dans la revue de littérature afin de circonscrire les principaux concepts et indicateurs à prendre en compte pour ensuite suivre les procédures relatives à l’analyse de la valeur, une méthodologie qui appelle la production d’un cahier des charges fonctionnel, la production de l’outil, puis sa mise à l’essai auprès d’experts. Cette procédure nous a permis de mettre sur pied une grille optimale, opérationnelle et appuyée par une base théorique et méthodologique solide.

Connaissances et gestion de la scoliose idiopathique adolescente parmi les médecins de famille, les pédiatres, les chiropraticiens et les physiothérapeutes

Les médecins de famille, les pédiatres, les chiropraticiens et les physiothérapeutes sont parmi les professionnels de la santé les plus susceptibles de rencontrer des patients atteints d’une scoliose idiopathique adolescente. Les recherches démontrent que certaines lacunes existent à l’égard des connaissances acquises, par ces professionnels, dans le domaine musculosquelettique, incluant la scoliose. De plus, il ne semble pas exister d’informations sur le niveau de connaissances et la démarche clinique de ces professionnels en matière de scoliose, bien que les bonnes pratiques actuelles dictent une détection hâtive de cette condition pour en optimiser la gestion thérapeutique. Les objectifs de notre étude visaient donc à évaluer les connaissances ainsi que les aptitudes en matière de démarche clinique des professionnels les plus susceptibles à traiter des patients atteints d’une scoliose idiopathique adolescente. À l’aide d’un questionnaire semi-structuré, 51 professionnels de la santé ont été interviewés. Parmi ces professionnels recrutés par l'entremise de leur ordre professionnel respectif, on retrouvait 21 médecins de famille, 10 pédiatres, 10 chiropraticiens et 10 physiothérapeutes. Les entrevues évaluaient les connaissances en matière de signes cliniques, de facteurs de risque, de démarche clinique et de processus référentiel vers les soins spécialisés. De plus, les préférences des professionnels à l’égard des guides de bonne pratique ont été abordées. Parmi les professionnels interviewés, 59 % étaient des femmes, 43 % étaient âgés de moins de 40 ans et la moyenne d’années de pratique était de 20,3 ans. Les résultats démontrent qu’il existe des lacunes à l’égard des connaissances des signes cliniques et des facteurs de risque : moins du tiers des professionnels interviewés pouvaient mentionner au moins 2 signes cliniques et 31 % d’entre eux ne pouvaient se souvenir des facteurs de risque associés à la scoliose idiopathique adolescente; les médecins de famille étaient les moins connaissants dans ces domaines. De plus, en présence d’une mise en contexte nécessitant une référence urgente en soins spécialisés, 70 à 90 % des professionnels auraient référé le patient en dépit du fait que seulement 38 à 60 % d’entre eux considéraient cette situation comme urgente. Près de 40 % des professionnels mentionnaient qu’ils seraient inconfortables à gérer un patient atteint d’une scoliose. Néanmoins, la majorité d’entre eux reconnaissaient qu’il existe un problème en ce qui a trait à l’accessibilité aux soins spécialisés en orthopédiatrie. Presque la totalité c’est-à-dire, 98 % étaient favorables à la production de guides de bonne pratique et les accueilleraient positivement dans leur pratique quotidienne. Les conclusions de cette étude ont montré qu’il existe des vides en matière de connaissances de signes cliniques et de facteurs de risque de progression de la scoliose idiopathique adolescente; ces lacunes ont particulièrement été remarquées chez les médecins de famille. La majorité des professionnels reconnaissent l’importance de référer les conditions urgentes en soins spécialisés. Néanmoins, tous semblent souligner des difficultés dans ce processus référentiel. Une meilleure collaboration interprofessionnelle semble prometteuse en ce qui concerne la gestion de patients atteints d’une scoliose idiopathique adolescente.

La protection des données de santé des athlètes dans le cadre de la lutte contre le dopage

Le dopage fait l’objet d’une intense lutte par les autorités sportives. Cet article s’intéresse à l’encadrement des renseignements personnels des athlètes qui y sont soumis. En effet, la lutte au dopage s’opère principalement par le traitement des nombreuses informations de santé que les athlètes fournissent dans le cadre de certaines procédures. L’article étudie dans une première partie les fondements de la lutte antidopage et la structure du sport aux niveaux international et canadien dans le but de contextualiser l’analyse de la protection des renseignements personnels. La seconde partie porte dans un premier temps sur le cadre général de la protection des renseignements personnels, puis sur les deux « outils » de la lutte au dopage : les autorisations pour usage à des fins thérapeutiques et les contrôles antidopage. Dans le premier cas, la protection des renseignements personnels s’effectue selon le modèle des aires de partage, où plusieurs personnes ont un accès simultané aux renseignements afin de fournir une prestation donnée. Dans le second cas, la protection est plus classique mais a la particularité de se confondre partiellement avec les mesures visant à protéger l’intégrité ­ et la validité ­ des contrôles.

Conception et développement d'un environnement informatisé d'expérimentations contrôlées et assistées à distance par ordinateur (Ex@O)

La démarche scientifique (ou expérimentale) en milieu scolaire nécessite des savoir-faire expérimentaux qui ne s’acquièrent habituellement qu’en présentiel, c’est-à-dire en laboratoire institutionnel où l’enseignant ou le technicien sont présents et peuvent, à tout moment, assister pleinement l’apprenant dans sa démarche d’investigation scientifique et technologique. Ils peuvent l’orienter, le diriger, susciter sa réflexion, faire des démonstrations réelles ou contrôler son expérimentation en lui montrant comment paramétrer les outils d’expérimentation assistée par ordinateur (ExAO). Pour répondre aux besoins de la formation à distance, cette recherche de développement en didactique des sciences et de la technologie propose de mettre à la disposition des apprenants et des enseignants un environnement de laboratoire informatisé, contrôlé et assisté à distance. Cet environnement, axé sur un microlaboratoire d’ExAO (MicrolabExAO), que nous avons nommé Ex@O pour le distinguer, a été testé de manière fonctionnelle, puis évalué en situation réelle par des étudiants-maîtres et des élèves de l’éducation des adultes qui ont pratiqué et expérimenté la démarche scientifique, en situation de laboratoire réel, mais à distance. Pour ce faire, nous avons couplé le logiciel MicrolabExAO à un logiciel de prise en main à distance avec outils audio et vidéo (Teamviewer). De plus, nous avons créé et inséré, dans le logiciel MicrolabExAO, une aide en ligne pour télécharger et faciliter la prise en main à distance. Puisque cet environnement Ex@O permet de multiplier les contacts des apprenants avec une expérimentation concrète, ce prototype répond bien à l’un des objectifs du Programme de formation de l’école québécoise (PFEQ) qui est de rendre l’apprenant plus actif dans ses apprentissages. Et parce que ce premier prototype d’environnement Ex@O permet d’effectuer des activités en laboratoire à distance, nous avons pu vérifier qu’il met aussi l’accent, non seulement sur les savoirs, mais également sur les savoir-faire expérimentaux en sciences et technologie, traditionnellement développés dans les locaux des laboratoires institutionnels. Notons ici que la démarche expérimentale s’acquiert très majoritairement en laboratoire en pratiquant, souvent et régulièrement, le processus inductif et déductif propre à cette démarche. Cette pratique de la démarche expérimentale, à distance, avec la technologie Ex@O qui l’accompagne, nous a permis de vérifier que celle-ci était possible, voire comparable à la réalisation, pas-à-pas, d’un protocole expérimental effectué dans un laboratoire institutionnel.

Accounting for residential and non-residential environments to measure contextual effects on health behavior : the case of recreational walking behavior

Thèse réalisée en cotutelle entre l'Université de Montréal et l'Université Pierre et Marie Curie, Paris 06, Sorbonne Universités.