Contribution à l'étude de la construction des concepts scientifiques au cours de l'apprentissage par problèmes en médecine

L’approche d’apprentissage par problèmes (APP) a vu le jour, dans sa forme contemporaine, à la Faculté de médecine de l’Université MacMaster en Ontario (Canada) à la fin des années 1960. Très rapidement cette nouvelle approche pédagogique active, centrée sur l’étudiant et basée sur les problèmes biomédicaux, va être adoptée par de nombreuses facultés de médecine de par le monde et gagner d’autres disciplines. Cependant, malgré ce succès apparent, l’APP est aussi une approche controversée, notamment en éducation médicale, où elle a été accusée de favoriser un apprentissage superficiel. Par ailleurs, les étudiants formés par cette approche réussiraient moins bien que les autres aux tests évaluant l’acquisition des concepts scientifiques de base, et il n’a jamais été prouvé que les médecins formés par l’APP seraient meilleurs que les autres. Pour mieux comprendre ces résultats, la présente recherche a voulu explorer l’apprentissage de ces concepts scientifiques, en tant que processus de construction, chez des étudiants formés par l’APP, à la Faculté de médecine de l’Université de Montréal, en nous appuyant sur le cadre théorique socioconstructivisme de Vygotski. Pour cet auteur, la formation des concepts est un processus complexe de construction de sens, en plusieurs étapes, qui ne peut se concevoir que dans le cadre d’une résolution de problèmes. Nous avons réalisé une étude de cas, multicas, intrasite, les cas étant deux groupes de neuf étudiants en médecine avec leur tuteur, que nous avons suivi pendant une session complète de la mi-novembre à la mi-décembre 2007. Deux grands objectifs étaient poursuivis: premièrement, fournir des analyses détaillées et des matériaux réflectifs et théoriques susceptibles de rendre compte du phénomène de construction des concepts scientifiques de base par des étudiants en médecine dans le contexte de l’APP. Deuxièmement, explorer, les approches de travail personnel des étudiants, lors de la phase de travail individuel, afin de répondre à la question de recherche suivante : Comment la dynamique pédagogique de l’APP en médecine permet-elle de rendre compte de l’apprentissage des concepts scientifiques de base? Il s’agissait d’une étude qualitative et les données ont été recueillies par différents moyens : observation non participante et enregistrement vidéo des tutoriaux d’APP, interview semi-structuré des étudiants, discussion avec les tuteurs et consultation de leurs manuels, puis traitées par diverses opérations: transcription des enregistrements, regroupement, classification. L’analyse a porté sur des collections de verbatim issus des transcriptions, sur le suivi de la construction des concepts à travers le temps et les sessions, sur le role du tuteur pour aider au développement de ces concepts Les analyses suggèrent que l’approche d’APP est, en général, bien accueillie, et les débats sont soutenus, avec en moyenne entre trois et quatre échanges par minute. Par rapport au premier objectif, nous avons effectivement fourni des explications détaillées sur la dynamique de construction des concepts qui s'étend lors des trois phases de l'APP, à savoir la phase aller, la phase de recherche individuelle et la phase retour. Pour chaque cas étudié, nous avons mis en évidence les représentations conceptuelles initiales à la phase aller, co-constructions des étudiants, sous la guidance du tuteur et nous avons suivi la transformation de ces concepts spontanés naïfs, lors des discussions de la phase retour. Le choix du cadre théorique socio constructiviste de Vygotski nous a permis de réfléchir sur le rôle de médiation joué par les composantes du système interactif de l'APP, que nous avons considéré comme une zone proximale de développement (ZPD) au sens élargi, qui sont le problème, le tuteur, l'étudiant et ses pairs, les ressources, notamment l'artefact graphique carte conceptuelle utilisée de façon intensive lors des tutoriaux aller et retour, pour arriver à la construction des concepts scientifiques. Notre recherche a montré qu'en revenant de leurs recherches, les étudiants avaient trois genres de représentations conceptuelles: des concepts corrects, des concepts incomplets et des concepts erronés. Il faut donc que les concepts scientifiques théoriques soient à leur tour confrontés au problème concret, dans l'interaction sociale pour une validation des attributs qui les caractérisent. Dans cette interaction, le tuteur joue un rôle clé complexe de facilitateur, de médiateur, essentiellement par le langage. L'analyse thématique de ses interventions a permis d'en distinguer cinq types: la gestion du groupe, l'argumentation, les questions de différents types, le modelling et les conclusions. Nous avons montré le lien entre les questions du tuteur et le type de réponses des étudiants, pour recommander un meilleur équilibre entre les différents types de questions. Les étudiants, également par les échanges verbaux, mais aussi par la construction collective des cartes conceptuelles initiales et définitives, participent à une co-construction de ces concepts. L'analyse de leurs interactions nous a permis de relever différentes fonctions du langage, pour souligner l'intérêt des interactions argumentatives, marqueurs d'un travail collaboratif en profondeur pour la co-construction des concepts Nous avons aussi montré l'intérêt des cartes conceptuelles non seulement pour visualiser les concepts, mais aussi en tant qu'artefact, outil de médiation psychique à double fonction communicative et sémiotique. Concernant le second objectif, l’exploration du travail personnel des étudiants, on constate que les étudiants de première année font un travail plus approfondi de recherche, et utilisent plus souvent des stratégies de lecture plus efficaces que leurs collègues de deuxième année. Ceux-ci se contentent, en général, des ouvrages de référence, font de simples lectures et s’appuient beaucoup sur les résumés faits par leurs prédécesseurs. Le recours aux ouvrages de référence essentiellement comme source d'information apporte une certaine pauvreté au débat à la phase retour avec peu d'échanges de type argumentatif, témoins d'un travail profond. Ainsi donc, par tout ce soutien qu'elle permet d'apporter aux étudiants pour la construction de leurs connaissances, pour le type d'apprentissage qu'elle offre, l’APP reste une approche unique, digne d’intérêt. Cependant, elle nécessite d'être améliorée par des interventions au niveau du tuteur et des étudiants.

Formulation interactive des requêtes pour l’analyse et la compréhension du code source

Nous proposons une approche basée sur la formulation interactive des requêtes. Notre approche sert à faciliter des tâches d’analyse et de compréhension du code source. Dans cette approche, l’analyste utilise un ensemble de filtres de base (linguistique, structurel, quantitatif, et filtre d’interactivité) pour définir des requêtes complexes. Ces requêtes sont construites à l’aide d’un processus interactif et itératif, où des filtres de base sont choisis et exécutés, et leurs résultats sont visualisés, changés et combinés en utilisant des opérateurs prédéfinis. Nous avons évalués notre approche par l’implantation des récentes contributions en détection de défauts de conception ainsi que la localisation de fonctionnalités dans le code. Nos résultats montrent que, en plus d’être générique, notre approche aide à la mise en œuvre des solutions existantes implémentées par des outils automatiques.

Utilisation de la visualisation interactive pour l’analyse des dépendances dans les logiciels

La compréhension de la structure d’un logiciel est une première étape importante dans la résolution de tâches d’analyse et de maintenance sur celui-ci. En plus des liens définis par la hiérarchie, il existe un autre type de liens entre les éléments du logiciel que nous appelons liens d’adjacence. Une compréhension complète d’un logiciel doit donc tenir compte de tous ces types de liens. Les outils de visualisation sont en général efficaces pour aider un développeur dans sa compréhension d’un logiciel en lui présentant l’information sous forme claire et concise. Cependant, la visualisation simultanée des liens hiérarchiques et d’adjacence peut donner lieu à beaucoup d’encombrement visuel, rendant ainsi ces visualisations peu efficaces pour fournir de l’information utile sur ces liens. Nous proposons dans ce mémoire un outil de visualisation 3D qui permet de représenter à la fois la structure hiérarchique d’un logiciel et les liens d’adjacence existant entre ses éléments. Notre outil utilise trois types de placements différents pour représenter la hiérarchie. Chacun peut supporter l’affichage des liens d’adjacence de manière efficace. Pour représenter les liens d’adjacence, nous proposons une version 3D de la méthode des Hierarchical Edge Bundles. Nous utilisons également un algorithme métaheuristique pour améliorer le placement afin de réduire davantage l’encombrement visuel dans les liens d’adjacence. D’autre part, notre outil offre un ensemble de possibilités d’interaction permettant à un usager de naviguer à travers l’information offerte par notre visualisation. Nos contributions ont été évaluées avec succès sur des systèmes logiciels de grande taille.

Un système d'aide à la visualisation interactive de logiciels

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Étude des caractéristiques et du processus de scénarisation d'une installation interactive

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

L'influence de la formation multimédia/interactive sur le leadership d'habilitation

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Rendu de matériaux semi-transparents hétérogènes en temps réel

On retrouve dans la nature un nombre impressionnant de matériaux semi-transparents tels le marbre, le jade ou la peau, ainsi que plusieurs liquides comme le lait ou les jus. Que ce soit pour le domaine cinématographique ou le divertissement interactif, l'intérêt d'obtenir une image de synthèse de ce type de matériau demeure toujours très important. Bien que plusieurs méthodes arrivent à simuler la diffusion de la lumière de manière convaincante a l'intérieur de matériaux semi-transparents, peu d'entre elles y arrivent de manière interactive. Ce mémoire présente une nouvelle méthode de diffusion de la lumière à l'intérieur d'objets semi-transparents hétérogènes en temps réel. Le coeur de la méthode repose sur une discrétisation du modèle géométrique sous forme de voxels, ceux-ci étant utilisés comme simplification du domaine de diffusion. Notre technique repose sur la résolution de l'équation de diffusion à l'aide de méthodes itératives permettant d'obtenir une simulation rapide et efficace. Notre méthode se démarque principalement par son exécution complètement dynamique ne nécessitant aucun pré-calcul et permettant une déformation complète de la géométrie.

Construction interactive de BRDFs par simulation 2D de micro-géométries en couches multiples

Les modèles de réflexion complexes, avec leurs nombreux paramètres dont certains restent non intuitifs, sont difficiles à contrôler pour obtenir une apparence désirée. De plus, même si un artiste peut plus aisément comprendre la forme de la micro-géométrie d'une surface, sa modélisation en 3D et sa simulation en 4D demeurent extrêmement fastidieuses et coûteuses en mémoire. Nous proposons une solution intermédiaire, où l'artiste représente en 2D une coupe dans un matériau, en dessinant une micro-géométrie de surface en multi-couches. Une simulation efficace par lancer de rayons en seulement 2D capture les distributions de lumière affectées par les micro-géométries. La déviation hors-plan est calculée automatiquement de façon probabiliste en fonction de la normale au point d'intersection et de la direction du rayon incident. Il en résulte des BRDFs isotropes complètes et complexes, simulées à des vitesses interactives, et permettant ainsi une édition interactive de l'apparence de réflectances riches et variées.

Histoire formelle du jeu d’aventure sur ordinateur (le cas de l’Amérique du Nord de 1976-1999)

Cette étude s’intéresse à l’évolution formelle du jeu d’aventure de 1976 à 1999. Elle se propose de mieux comprendre les facteurs historiques contribuant à l’apparition du genre, son institution et ses transformations. La recherche est fondée sur l’analyse du discours de la presse spécialisée en jeux d’ordinateur et d’un corpus étendu d’œuvres. L’une des thèses proposées est que l’identité générique du jeu d’aventure est fondée sur une expérience vidéoludique demeurant relativement constante malgré des variations importantes de formes. Cette expérience est assurée par la reproduction des principaux éléments d’une architecture générale de design de jeu inaugurée par Adventure en 1977. Les variations formelles ponctuelles résultent d’une négociation entre la volonté de s’adapter aux changements de contexte de l’écologie du jeu d’ordinateur et la résistance d’une architecture ludique établie. La pertinence d’une histoire d’un genre vidéoludique est justifiée au premier chapitre en fonction de l’état actuel des connaissances sur l’histoire du jeu vidéo et du jeu d’aventure. On y précise également le cadre théorique, la méthodologie et les sources étudiées. Le deuxième chapitre s’intéresse à la genèse d’Adventure de Crowther et Woods (1976; 1977) en fonction des diverses pratiques culturelles dans lesquelles l’œuvre s’inscrit. Cette analyse permet d’en dégager l’architecture ludique. Le troisième chapitre porte sur le « tournant narratif » du jeu d’aventure ayant lieu au début des années 1980. On y décrit différents facteurs historiques poussant le genre vers l’enchâssement d’histoires pré-écrites afin d’en faire un véhicule narratif. Le quatrième chapitre décrit le contexte du « tournant graphique », passage du jeu d’aventure d’une représentation textuelle à un régime visuel, ainsi que ses conséquences expérientielles. Le « tournant ergonomique » décrit au cinquième chapitre traite de l’apparition du modèle « pointer et cliquer » en fonction des avancées des connaissances concernant les interactions humain-machine ainsi que de la maturation du design de jeu comme pratique autonome. Le dernier chapitre relate l’apogée du jeu d’aventure au début de la révolution multimédia sous ses formes de film interactif et « Myst-like » puis du ralentissement – voire de l’arrêt – de son évolution formelle.

Video-based postural sway analysis in a controlled environment

À mesure que la population des personnes agées dans les pays industrialisés augmente au fil de années, les ressources nécessaires au maintien du niveau de vie de ces personnes augmentent aussi. Des statistiques montrent que les chutes sont l’une des principales causes d’hospitalisation chez les personnes agées, et, de plus, il a été démontré que le risque de chute d’une personne agée a une correlation avec sa capacité de maintien de l’équilibre en étant debout. Il est donc d’intérêt de développer un système automatisé pour analyser l’équilibre chez une personne, comme moyen d’évaluation objective. Dans cette étude, nous avons proposé l’implémentation d’un tel système. En se basant sur une installation simple contenant une seule caméra sur un trépied, on a développé un algorithme utilisant une implémentation de la méthode de détection d’objet de Viola-Jones, ainsi qu’un appariement de gabarit, pour suivre autant le mouvement latéral que celui antérieur-postérieur d’un sujet. On a obtenu des bons résultats avec les deux types de suivi, cependant l’algorithme est sensible aux conditions d’éclairage, ainsi qu’à toute source de bruit présent dans les images. Il y aurait de l’intérêt, comme développement futur, d’intégrer les deux types de suivi, pour ainsi obtenir un seul ensemble de données facile à interpréter.

L'interférence musicale au cinéma, à la télévision et dans le jeu vidéo

L’omniprésence de la musique populaire dans le paysage médiatique contemporain fait en sorte qu’il est fréquent de retrouver la même chanson dans plusieurs trames sonores. En s’appuyant sur des théories de l’intertextualité et de la communication, ce mémoire cherche à définir la relation qui s’établit entre deux ou plusieurs oeuvres narratives et / ou interactives partageant une chanson, ainsi qu’à appréhender les effets de ces recontextualisations multiples sur l’expérience spectatorielle et vidéoludique. Le premier chapitre examine les principales fonctions narratives et ludiques de la musique à l’aide d’une synthèse des principaux travaux sur la musique de film, de télévision et de jeu vidéo. Le deuxième chapitre interroge la notion de référence dans le contexte des usages répétés d’une même chanson populaire. Le concept d’interférence musicale est proposé à partir de différentes déclinaisons du terme « interférence » issues des travaux de Michel Serres, Sébastien Babeux et Philip Tagg. Les assises théoriques sont appliquées à l’analyse des trajectoires médiatiques respectives de deux chansons aux chapitres trois et quatre. La figure du réseau est finalement déployée afin d’illustrer la complexité des relations entre les œuvres intégrant une même chanson à leur mise en scène.

Video-based analysis of Gait pathologies

L’analyse de la marche a émergé comme l’un des domaines médicaux le plus im- portants récemment. Les systèmes à base de marqueurs sont les méthodes les plus fa- vorisées par l’évaluation du mouvement humain et l’analyse de la marche, cependant, ces systèmes nécessitent des équipements et de l’expertise spécifiques et sont lourds, coûteux et difficiles à utiliser. De nombreuses approches récentes basées sur la vision par ordinateur ont été développées pour réduire le coût des systèmes de capture de mou- vement tout en assurant un résultat de haute précision. Dans cette thèse, nous présentons notre nouveau système d’analyse de la démarche à faible coût, qui est composé de deux caméras vidéo monoculaire placées sur le côté gauche et droit d’un tapis roulant. Chaque modèle 2D de la moitié du squelette humain est reconstruit à partir de chaque vue sur la base de la segmentation dynamique de la couleur, l’analyse de la marche est alors effectuée sur ces deux modèles. La validation avec l’état de l’art basée sur la vision du système de capture de mouvement (en utilisant le Microsoft Kinect) et la réalité du ter- rain (avec des marqueurs) a été faite pour démontrer la robustesse et l’efficacité de notre système. L’erreur moyenne de l’estimation du modèle de squelette humain par rapport à la réalité du terrain entre notre méthode vs Kinect est très prometteur: les joints des angles de cuisses (6,29◦ contre 9,68◦), jambes (7,68◦ contre 11,47◦), pieds (6,14◦ contre 13,63◦), la longueur de la foulée (6.14cm rapport de 13.63cm) sont meilleurs et plus stables que ceux de la Kinect, alors que le système peut maintenir une précision assez proche de la Kinect pour les bras (7,29◦ contre 6,12◦), les bras inférieurs (8,33◦ contre 8,04◦), et le torse (8,69◦contre 6,47◦). Basé sur le modèle de squelette obtenu par chaque méthode, nous avons réalisé une étude de symétrie sur différentes articulations (coude, genou et cheville) en utilisant chaque méthode sur trois sujets différents pour voir quelle méthode permet de distinguer plus efficacement la caractéristique symétrie / asymétrie de la marche. Dans notre test, notre système a un angle de genou au maximum de 8,97◦ et 13,86◦ pour des promenades normale et asymétrique respectivement, tandis que la Kinect a donné 10,58◦et 11,94◦. Par rapport à la réalité de terrain, 7,64◦et 14,34◦, notre système a montré une plus grande précision et pouvoir discriminant entre les deux cas.

Création interactive de mondes virtuels : combiner génération procédurale et contrôle utilisateur intuitif

Réalisé en cotutelle avec l'Université de Grenoble.

De la musique au-delà des frontières du son

La musique aujourd’hui est régulièrement accompagnée d’environnements visuels. Depuis les propositions en provenance du vidéoclip jusqu’aux œuvres installatives en passant par l’art web ou le cinéma, l’audiovisuel occupe une place considérable dans notre monde médiatisé et constitue un foyer important du développement des pratiques musicales. L’alliage entre son et image est souvent rattachée à l’histoire du cinéma mais les prémisses entourant l’audiovisuel remontent en réalité à l’Antiquité. Les correspondances entre sons et couleurs ont pris racine en premier chez les Pythagoriciens et cet intérêt se poursuit encore aujourd’hui. L’avènement de différentes technologies est venu reformuler au fil des siècles cette recherche qui retourne du décloisonnement artistique. L’arrivée de l’électricité permet au XIXe siècle le développement d’une lutherie expérimentale avec entre autres l’orgue à couleur d’Alexander Rimington. Ces instruments audiovisuels donnent naissance plus tard au Lumia, un art de la couleur et du mouvement se voulant proche de la musique et qui ne donne pourtant rien à entendre. Parallèlement à ces nouvelles propositions artistiques, il se développe dès les tout début du XXe siècle au sein des avant-gardes cinématographiques un corpus d’œuvres qui sera ensuite appelé musique visuelle. Les possibilités offertes par le support filmique vient offrir de nouvelles possibilités quant à l’organisation de la couleur et du mouvement. La pratique de cet art hybride est ensuite reformulée par les artistes associés à l’art vidéo avant de connaitre une vaste phase de démocratisation avec l’avènement des ordinateurs domestiques depuis les années 1990. Je retrace le parcours historique de ces pratiques audiovisuelles qui s’inscrivent résolument sur le terrain du musical. Un parcours appuyé essentiellement sur des œuvres et des ouvrages théoriques tout en étant parsemé de réflexions personnelles. Je traite des enjeux théoriques associés à ces propositions artistiques en les différenciant d’un autre format audiovisuel majeur soit le cinéma. Cet exposé permet de préparer le terrain afin de présenter et contextualiser mon travail de création. Je traite de deux œuvres, Trombe (2011) et Lungta (2012), des propositions qui héritent à la fois des musiques visuelles, de l’art interactif et de l’art cinétique.

Interactive quantum information theory

La théorie de l'information quantique s'est développée à une vitesse fulgurante au cours des vingt dernières années, avec des analogues et extensions des théorèmes de codage de source et de codage sur canal bruité pour la communication unidirectionnelle. Pour la communication interactive, un analogue quantique de la complexité de la communication a été développé, pour lequel les protocoles quantiques peuvent performer exponentiellement mieux que les meilleurs protocoles classiques pour certaines tâches classiques. Cependant, l'information quantique est beaucoup plus sensible au bruit que l'information classique. Il est donc impératif d'utiliser les ressources quantiques à leur plein potentiel. Dans cette thèse, nous étudions les protocoles quantiques interactifs du point de vue de la théorie de l'information et étudions les analogues du codage de source et du codage sur canal bruité. Le cadre considéré est celui de la complexité de la communication: Alice et Bob veulent faire un calcul quantique biparti tout en minimisant la quantité de communication échangée, sans égard au coût des calculs locaux. Nos résultats sont séparés en trois chapitres distincts, qui sont organisés de sorte à ce que chacun puisse être lu indépendamment. Étant donné le rôle central qu'elle occupe dans le contexte de la compression interactive, un chapitre est dédié à l'étude de la tâche de la redistribution d'état quantique. Nous prouvons des bornes inférieures sur les coûts de communication nécessaires dans un contexte interactif. Nous prouvons également des bornes atteignables avec un seul message, dans un contexte d'usage unique. Dans un chapitre subséquent, nous définissons une nouvelle notion de complexité de l'information quantique. Celle-ci caractérise la quantité d'information, plutôt que de communication, qu'Alice et Bob doivent échanger pour calculer une tâche bipartie. Nous prouvons beaucoup de propriétés structurelles pour cette quantité, et nous lui donnons une interprétation opérationnelle en tant que complexité de la communication quantique amortie. Dans le cas particulier d'entrées classiques, nous donnons une autre caractérisation permettant de quantifier le coût encouru par un protocole quantique qui oublie de l'information classique. Deux applications sont présentées: le premier résultat général de somme directe pour la complexité de la communication quantique à plus d'une ronde, ainsi qu'une borne optimale, à un terme polylogarithmique près, pour la complexité de la communication quantique avec un nombre de rondes limité pour la fonction « ensembles disjoints ». Dans un chapitre final, nous initions l'étude de la capacité interactive quantique pour les canaux bruités. Étant donné que les techniques pour distribuer de l'intrication sont bien étudiées, nous nous concentrons sur un modèle avec intrication préalable parfaite et communication classique bruitée. Nous démontrons que dans le cadre plus ardu des erreurs adversarielles, nous pouvons tolérer un taux d'erreur maximal de une demie moins epsilon, avec epsilon plus grand que zéro arbitrairement petit, et ce avec un taux de communication positif. Il s'ensuit que les canaux avec bruit aléatoire ayant une capacité positive pour la transmission unidirectionnelle ont une capacité positive pour la communication interactive quantique. Nous concluons avec une discussion de nos résultats et des directions futures pour ce programme de recherche sur une théorie de l'information quantique interactive.