Slide 1

Méta-modélisation UML
pour la conception et la mise en œuvre
de situations-problèmes coopératives
Soutenance de thèse présentée par
Pierre Laforcade
Directeur de thèse : Franck Barbier
Encadrants : Thierry Nodenot, Christian Sallaberry

Laboratoire d’Informatique de
l’Université de Pau et des Pays de l’Adour


Slide 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

2


Slide 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

3


Slide 4

Domaine des EIAH
EIAH

(Environnement Informatique pour l’Apprentissage Humain)

Tout environnement informatique conçu pour favoriser un
apprentissage humain
Recherche pluridisciplinaire : Sciences Humaines et Sociales +
Informatique

Ingénierie des EIAH

[Tchounikine, 02]

Fournir des moyens reproductibles et/ou réutilisables pour faciliter
la mise en place de situations d’apprentissage dans leur
articulation avec les dispositifs informatiques

4


Slide 5

Problématique générale
Comment modéliser la complexité d’une situation
d’apprentissage ?
Problèmes inter-reliés
Analyse didactique
du contexte
Identification des objectifs
d’apprentissage
Étude du contexte
d’insertion de l’activité

Étude des comportements
émergents, activité réelle,
usage effectif des outils
Conception et spécification de l’activité
proposée :
Conception de la tâche à réaliser
Identification des acteurs et de leurs rôles
Articulation acteurs/outils
…

5


Slide 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

6


Slide 7

Processus de e-formation
Processus itératif de conception
Mise en œuvre
Conception

Implé
plém
meennAnalys
lysee eett Im
Ana
tatio
tionn
nceeptio
ptionn ta
ccoonc

E xpre s s io n
initia le
de s
be s o ins

D é plo ie m e nt

Formation
T est
E va lua tio n

Processus d’utilisation
Instanciation
de la formation

Exécution de
la formation

Module
Module
Module
Module
Unité pédagogique
objectifs de formation
pré-requis
contenu
durée
7


Slide 8

Phases de conception et de mise en œuvre en détail
Ressources
pédagogiques

met à
disposition F o ur ni sse ur de
r e sso ur c e s
pé dag o g i que s

ressources
à développer
Description
(informelle)
de la tâche

Scénario
pédagogique
Ing é ni e ur
pé dag o g i que

nouvelles
fonctionnalités
à développer

Informations
sur la plate-forme
cible

Ense i g nant

Expre ssion initiale
de s be soins

C o nc e ptio n

D é ve l o ppe ur
c o m po sants

Analyse e t conce ption

Im plém e ntation

M ise e n o e uvre

8


Slide 9

Notre problématique

Comment faciliter l’élaboration de modèles pour la
conception et la mise en œuvre de situationsproblèmes coopératives sur des plates-formes de
formation à distance ?

9


Slide 10

Objectif, orientations et méthodologie
Objectif
Fournir un langage de modélisation
Dédié aux PBL et aux plates-formes
plates-formes de
de FAD
FAD

Public cible
langage  l’ingénieur pédagogique
modèles élaborés  l’équipe pluridisciplinaire de conception

Usages des modèles
Outils de communication et d’abstraction

Orientation pour le langage
Langage graphique
Spécialisation d’UML

Modélisation UML
Méta-modélisation UML

10


Slide 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

11


Slide 12

Situations-problèmes coopératives (PBL)
Cas d’étude : SMASH
Activités

Objectifs pédagogiques/apprentissage

• Présentation
• Analyses/productions
• Présentations individuelle et
production d’une solution
commune
• Correction

• responsabilisation
effectué en
• sécurité/prévention
routière
surmontant
• code de la route

Problème/obstacle

(enfants 8-12 ans)

Ressources
• témoignages
• carte village
• feuille de notes

Contraintes
• plusieurs responsables

lié à la
réalisation

Situation
authentique

• accident de vélo

Tâche/objectif

• reconstituer l’accident
• trouver responsable

• témoignages différents
• nombre limité

Rôles

• enquêteurs
• chef de police

12


Slide 13

Plates-formes de formation à distance
Définition
Dispositif de formation à distance utilisant les réseaux
informatiques comme support
Technologies

temps

Évolutions plates-formes

Diffusion de cours individualisé en asynchrone
applications synchrones

applications distribuées
(composant)

Suivi des apprenants
Interactivité (chat, forum, classe virtuelle,…)
Support d’apprentissages coopératifs
Apport pour architecture et structure :
environnement ouvert et flexible

Nouveaux usages ?

Constat
Concepteur doit s’adapter aux plates-formes
Objets d’apprentissage et services
13


Slide 14

Le langage UML
Utilité
visualiser, spécifier, construire, documenter les éléments d’un
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

14


Slide 15

Méta-modélisation UML
Utilité
Spécialisation d’UML à un domaine
Représentation partagée pour le public cible
« Outil » de communication
« Outil » de partage de modèles

Solution : profil UML
Mécanisme d’extension
Ensemble cohérent de :
Éléments sélectionnés
Stéréotypes, définitions de valeurs marquées
Contraintes, règles

Utilité des outils supportant les profils UML
Aide à l’élaboration des modèles
Exploitation des modèles
15


Slide 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

16


Slide 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 d’un profil UML

Contribution 2

Un modèle de composant éducatif pour
réduire l’écart entre :
• les besoins de conception
• les fonctionnalités fournies par la plateforme

Ph as e de con ce ption

Ph as e d'im plém e n tation
I MS -LD
EML

Lan gage
n atu re l

UML

O n tologie s
édu cative s
Méta-don n ée s

Etape d'expres s ion
initiale des bes oins

Etape d'analys e
et c onc eption

Evalu ation

Etape de c onc eption
avanc ée

17


Slide 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

18


Slide 19

Le langage CPM (Cooperative PBL Metamodel )
Démarche de spécification du langage CPM
Syntaxe abstraite (concepts et relations) :
le méta-modèle CPM
Syntaxe concrète (notation) :
le profil CPM

Sémantique :
Descriptions et règles (langage naturel & OCL)
M3

MOF

Méta-méta-modèle

conforme à

M2

Méta-modèle

UML
spécialise

conforme à

Méta-modèle
CPM

Profil CPM
M1 Modèle
M0 Le réel « perçu », run-time instances
19


Slide 20

Le modèle conceptuel
<>

enCollaborationAvec

RôleType
0..1

*

Activité pédagogique
*

1

*
réalise

apprenant
tuteur

Rôle
roleType : RôleType

*
1

joue

*

produit

utilise

*

*

*

*

Personne

Ressource

savoir
service

représentation mentale

savoir-faire

événement pédagogique

objet d’apprentissage
20


Slide 21

Construction du méta-modèle CPM
Basé sur
Modèle conceptuel CPM

Étude de structures d’organisation pour l’activité

DARE

SIMULIGNE

Aspects
structurels
Décomposition interne
Composition externe

[Guareis,00]

Aspects
sociaux
Rôles/activités
Collaboration
Droits/outils

SPEM

IMS-LD

Aspects
pédagogiques
Règles/contraintes
Pré-requis/objectifs
Ressources/outils

21


Slide 22

Le méta-modèle CPM
Les différents paquetages du méta-modèle CPM
Sous-ensemble d’UML 1.4

<>

CPM_Foundation
<>

CPM_Extensions

<>

CPM_SocialPackage
<>

CPM_BasicElements

<>

CPM_PedagogicalPackage
<>

CPM_StructuralPackage

22


Slide 23

Le méta-modèle CPM : extraits
CPM_SocialPackage

CPM_StructuralPackage
::CPM_Foundation::Core::Operation

::CPM_Foundation::Core::Classifier
+parentStructure
ActivityConcept

0..1
*

+subStructure
Role
*

LearningPhase
phaseKind : string

ActivityS tructure

performs

+activity

1

roleKind : string

+performer

structureKind : StructureKind
<>
S tructureKind
sk_sequentiel : undefined
sk_selection : undefined
sk_anyOrder : undefined
sk_oneAtChoice : undefined

Constraint

CollaborationMode
Activity

0..1

+collaboration

ActivityKind : string

Context ActivityStructure inv:
self.subStructure->forall( v |
v.oclIsKindOf(ActivityStructure) or
v.oclIsKindOf(Activity) )

* +activity
CollaborativeActivity

23


Slide 24

Le profil CPM
Diagrammes privilégiés pour la notation :
Diagramme de classes
Permet de modéliser l’ensemble des relations statiques entre
concepts d’une PBL

Diagramme de cas d’utilisation
Permet en amont de définir les activités et les rôles impliqués

Diagramme d’états
Permet de détailler l’évolution temporelle des états des ressources

Diagramme d’activités
Permet de détailler la dynamique de l’enchaînement des activités

24


Slide 25

Le profil CPM : extraits
Stéréotype

Méta-classe

Contrainte

Core::Operation
ActivityGraphs::ActionState
LearningPhase ActivityGraphs::SubactivityState
UseCases::UseCase
Core::Classifier
Core::Operation
ActivityGraphs::ActionState
ActivityGraphs::SubactivityState
Activity
UseCases::UseCase
Core::Classifier
UseCases::Actor
Role
ActivityGraphs::Partition
Classes
alternatives

Icône

oui

oui

Définition valeur marquée Type valeur Sur stéréotype
phaseKind

String

LearningPhase

roleKind

String

Role

activityKind

String

Activity
25


Slide 26

Exemples de modèles CPM : aspects structurels

Acte 1 -Présentation
<>
{ kind(finish_start) }

Class
<>
Acte 1 - Présentation
{phaseKind="Acte"}

Acte 2 -Production
<>
{ kind(finish_start) }

Acte 3 - Présentation individuelle et production d'une solution commune
<>
{ kind(finish_start) }

Acte 4 - Correction et renforcement

Diagramme
de classes
26


Slide 27

Exemples de modèles CPM : aspects structurels

Class

<>
Act 3 – Result pooling
{phaseKind="Acte"}
Operation
<>
Scene X - …
{phaseKind="Scene"}

Diagramme
de classes
27


Slide 28

Exemples de modèles CPM : aspects structurels
SubActivityState
<>
Act 3 – Result pooling
{phaseKind="Acte"}

ActionState
<>
Scene X - …
{phaseKind="Scene"}

Diagramme
d’activités
28


Slide 29

Exemples de modèles CPM : aspects sociaux

Détail de la phase de présentation
<>

<>

Chef de la police <>

Lancement d'une discussion
<>

Situer 5 lieux dangereux sur la carte du village

Actor

Actor
<>
Chef de la police
{roleKind="Tuteur"}

Les enquêteurs

UseCase
<>
…

<>
Les enquêteurs
{roleKind="Apprenant"}
Diagramme
de cas d’utilisation

29


Slide 30

Exemples de modèles CPM : aspects sociaux

:Les enquêteurs

Partition
<>
{roleKind="Apprenant"}

:Chef de la police

Partition

<>
{roleKind="Tuteur"}

Ecouter

Lancement d'une discussion

Situer 5 lieux dangereux sur la carte du village

Assister

ActionState
<>

Diagramme
d’activités

30


Slide 31

Vérifications et mises à l’essai

Méta-méta-modèle

M3
M2

UML

Méta-modèle

spécialise

Profil CPM

mis en œuvre

• Profile Builder
• Modeler

conformes à

des modèles pour SMASH
M1
M0

Modèle
Réel perçu

31


Slide 32

Réalisations
Outillage avec
Outillage
AGL existant
avec un
un AGL
existant :: Objecteering
Objecteering
Objectifs
Objectifs
Implémenter le
Implémenter
CPM
le langage
langage CPM
Vérifier
Vérifier l’élaboration
l’élaboration de
de modèles
modèles conformes
conformes au
au langage
langage CPM
CPM
Prototyper
Prototyper un
un système-auteur
système-auteur adapté
adapté àà l’ingénieur
l’ingénieur pédagogique
pédagogique
Expérimenter la plus-value de modèles graphiques et
interprétables par la machine

Extrait du profil implanté
dans Objecteering Profile Builder
Recherche guidée d’informations
Vérification des modèles
Élaboration de modèles
(contraintes syntaxiques)
avec Objecteering Modeler
Ajout d’éléments
Projection vers d’autres langages

Onglet de propriétés
32


Slide 33

Les modèles produits avec CPM
Mise à l’essai de SMASH
Sur la base de documents pédagogiques validés en amont par des
pédagogues/enseignants
Définition
• des objectifs
• de la fiche de tâche
• des critères de succès
• de l’obstacle
• des rôles

Analyse détaillée
• des rôles
• des ressources
• des activités
• des connaissances

Vue = ensemble
de diagrammes

Expression initiale
des besoins

Spécification d’un scénario :
• rôles, ressources
• activités individuelles
• activités collaboratives
• coopération
• événements

Modèle = ensemble
de vues

Analyse

Conception
33


Slide 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

34


Slide 35

Contribution 2 : le problème de la mise en oeuvre
R é a lis é s a ve c le
Indé pe nda nts
la ng a g e C P M de s pla te s -fo rm e s

M o dè le s de
c o nc e ptio n

?

F o nc tio nna lité s
s ta nda rds

u n e P BL

P late-fo rm e d e
d estin atio n

Con cep tion

Im p lém en tation
35


Slide 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)

36


Slide 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 d’assemblage « boîte noire »
Des vues comportementales

Démarches
1. Construction d’une 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 d’activité réutilisable (pour les concepteurs)
Modélisation des composants CPL (pour les développeurs de
composants)

37


Slide 38

Contribution 2 : illustration des démarches
Modèles de CPL

Besoins en activités
élémentaires

Langage
CPM

Mettent
en valeur

Modèles de CL

Gestion
Conflit

Chat

Question/
réponse

Nouveaux modèles de
conception avancée

Modèles
de conception

abstraction
CPL
CPL

CPL
CPL

CPL

Mailing Lecture FAQ Timer Visioconf
Chat Agenda Forum Instant messaging

Situations-problèmes coopératives

Plates-formes de FAD
38


Slide 39

Plan

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

39


Slide 40

Bilan

Aide à la conception et la mise en œuvre de PBL
Objectif
Aide à la mise
conception
en œuvre
de PBL
de PBL
en phases
sur des amont :
plates-formes
décrire, spécifier, documenter, abstraire complexité,
favoriser communication équipe pluridisciplinaire
Réalisations

Réalisations
Composant éducatif CPL

Langage
CPM

Langage CPM pour
pédagogique
Modélisation
UMLl’ingénieur
2
Prototype
d’environnement-auteur
via CPL,
un AGL
Double
démarche
(1-spécification de
existant
2-réutilisation
de CPL)
Mise à l’essai
sur un cas
d’étude riche
Extension
du langage
CPM
Modèle
CPL

Modèles

Modèles

Modèles

Modèles

Expression initiale
Conception
Analyse Conception
des besoins
avancée Implémentation Déploiement Test Évaluation

Phase de conception

40


Slide 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
41


Slide 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 l’élaboration d’une méthode

Méthode adaptée au langage CPM
Comment :
Méthodes UML (RUP, 2TUP, etc.)
Méthodes de design pédagogique (MISA, Recre@sup, etc.)

Pour quoi :
Guider la conception des modèles
Vers une ingénierie des modèles ?
42


Slide 43

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

43


Slide 44

Illustration du modèle en couche de l’OMG
M3

Class

Méta-méta-modèle
(MOF)
<> <>

M2
Méta-modèle
(Ex. UML)

<>

Attribute

<>

<>

Class

<>

Instance

<>

Role

<>
{<>
type : string[1] }
<>

M1 Modèles

<>
<>

Chef_Police
Chef_Police
{type="tuteur"}
nom : string

:Chef_Police
nom= "Nicolas"

M0 Le réel « perçu », run-time instances
Un chef de police

44


Slide 45

Exemple de modèles de CPL
Modélisation UML 2
Gestion conflit

45


Slide 46

Exemple de CPL (2)
State Machine associé à l’interface Ituteur

46


Slide 47

Exemple de CPL (3)
State Machine associé à l’interface Iapprenant

47


Slide 48

Techniques et langages existants
Méta-données

Ontologies
éducatives

Langage de modélisation
pédagogique

Définition

Données décrivant
des données

Définition explicite d’une
conceptualisation

Modèle d’information 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

Exemples

LOM, LRS

Public

Fournisseur de
ressources

Ingénieur
Pédagogique

Ingénieur
Pédagogique « expert »

Limites

Pas adapté à la
scénarisation
d’activités

Modèles non destinés
aux « humains »

« Usine à gaz »
Modèles non destinés aux
« humains »

Prise en
charge
PBL

non

non

peu

Travaux de Mizoguchi

EML-OUNL, IMS-LD

48


Slide 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 d’équivalence entre 2 ressources :
<> avec {relationKind=IsEquivalentOf}

49


Slide 50

Le méta-modèle CPM
Les concepts
ModelElement

Parameter

ActionS tate

Guidance

S tep

RegulationMethod

Operation

Dependency

ActivityConcept

Classifier

Relation

ExternalDescription

Constraint

LearningProcess

PBLConstraint

S taticPBLElement

Precedes

Role

LearningPhase
QuantitativeRM

Package

UseRights

DynamicPBLElement

DeclarativeKnowledge

Precondition

ActivityS tructure
QualitativeRM

ProceduralKnowledge

RoleParameter

Postcondition
Obstacle

Activity

Resource

Objective

CollaborationMode

S ubject
S uccessCriterion

ActivityResourceParameter

MentalRepresentation
CollaborativeActivity

Task

50


Slide 51

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

51


Slide 52

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 » [IC’2001]
nouveaux points de convergence :
• construction et l’utilisation d’ontologies,
IC

I-EIAH

modélisation de
• la connaissance du domaine d’apprentissage
• des connaissances des apprenants, etc.

• la modélisation de documents
pédagogiques avec XML,
[Tchounikine,STE]
• les hypermedia adaptatifs,
• travaux sur CSCL/CSCW

Un usage de CPM ???

52


Slide 53

Correspondances
Terminologie PBL et terminologie CPM

53


Slide 54

Correspondances
Terminologie IMS-LD et terminologie CPM

54


Slide 55

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

55


Slide 56

Publications
SCI’02

Projet équipe IDEE

INFORSID’02
ITS’02
ITRE’03
AIED’03
ICCI’03
WWW’04

Revue
Chapitre
Conférence Internationale
Conférence nationale
Divers

Contexte – État de l’art
Méta-modèle
CPM

Modèle
de CE

Profil
CPM

Prototype

Expérimentation

Extension
du profil

Proposition 1

Proposition 2

EJC’02
WCC’02
TICE’02

IRMA’03

IT’04

STICEF’05 ?
??’05 ?
EIAH’05 ?

Perspectives

56


Slide 57

Le langage CPM et la théorie de l’activité
CPM est basé sur
une approche centrée sur l’activité
des modèles conceptuels de l’activité

Toutefois, fondation théorique limitée car
Son potentiel est dans l’étude de l’activité effective
Nous sommes dans un contexte prescritif où l’activité est déjà
« formatée » par de nombreux travaux.

57


Slide 58

Comparaison de l’approche par « profil UML »
avec autres approches de méta-modélisations

58