Apprentissage de la physique

Andes (Conati et al., 2002; VanLehn et al., 2005, 2010) est un système tutoriel destiné à la résolution de problèmes de physique classique qui a un succès indéniable aux États-Unis. Son élaboration a débuté au milieu des années 1990 et le logiciel en est actuellement à sa troisième itération. L’objectif des concepteurs est d’offrir un système qui puisse guider l’élève dans la résolution d’un problème tout en lui laissant la liberté qu’offre un environnement papier/crayon. Les trois versions présentent une interface semblable qui permet à l’élève de dessiner des vecteurs sur une figure, de définir des variables et d’inscrire des équations dans le but de trouver la réponse au problème et de l’inscrire dans la case prévue. Une zone est aussi réservée pour l’affichage des messages du tuteur. La première version, Andes1 (Conati et al., 2002), se distingue par sa stratégie d’aide. En effet, dans le but de proposer l’étape la mieux adaptée au cheminement de l’élève, les auteurs ont mis en oeuvre une reconnaissance de plan basée sur des réseaux bayésiens. Bien que cette version ait eu un impact positif sur l’apprentissage des élèves, il s’est avéré que la stratégie d’aide ne correspondait pas à celle des experts. En effet, ces derniers ne tentent habituellement pas de deviner le plan de l’élève et procèdent plutôt en chaînage avant selon une procédure préétablie. Andes2 (VanLehn et al., 2005) utilise cette stratégie et contient des améliorations concernant la validation des équations fournies par l’élève. Dans ces deux premières versions, la création de variables se fait par l’intermédiaire de boites de dialogues, ce qui impose des contraintes, alors que dans Andes3 (VanLehn et al., 2010), elle peut être réalisée en langue naturelle. La modularité du système Andes a aussi permis de l’adapter au domaine des probabilités (Chi et VanLehn, 2007). Pour y arriver, les auteurs ont choisi des problèmes qui demandent un processus de résolution semblable à celui mis en oeuvre pour les problèmes de physique et ont mis à jour la base de connaissances en conséquence. Pour sa part, le système Pyrenees (VanLehn et al., 2004) utilise le moteur d’Andes, mais propose une stratégie de résolution en chaînage arrière. En effet, après avoir défini les variables, le système propose de produire une équation

qui lui permettra de trouver la réponse au problème. Les variables utilisées dans celle-ci deviennent des buts secondaires et l’on procède ainsi jusqu’à obtenir un système d’équations dans lequel il ne reste qu’à substituer les valeurs. Dans un autre registre, SE-Coach (Conati et VanLehn, 1999) est un logiciel qui utilise le moteur d’Andes pour proposer des exemples de résolution et inciter l’élève à expliquer les différentes étapes, à l’aide de menus, dans le but d’obtenir un apprentissage plus profond. Atlas-Andes (Rosé et al., 2001) propose une discussion, scénarisée, en langue naturelle pour atteindre le même objectif.

La véritable force d’Andes (Conati et al., 2002; VanLehn et al., 2005, 2010) se situe au ni- veau de son système d’aide. En effet, les auteurs ont réussi à produire des messages pertinents malgré la liberté qui est offerte à l’élève. Premièrement, en ce qui concerne les constructions et la définition des variables, celles-ci doivent être présentes dans la liste prédéterminée pour qu’elles soient considérées comme valides. Pour la validation des équations, le problème est plus complexe, car il est impossible de produire toutes les équations que l’élève pourrait écrire. Pour y arriver, les concepteurs utilisent une méthode de substitution de valeurs afin de vérifier leur validité et appliquent des transformations qui correspondent aux erreurs les plus courantes dans le but de poser un diagnostic. Andes propose trois types d’aide, soit une rétroaction immédiate, des informations concernant le problème identifié ainsi qu’une indica- tion de l’étape suivante à réaliser. La rétroaction consiste à indiquer en rouge les erreurs de l’élève et à lui proposer un message dans le cas où le système jugerait qu’il s’agit d’une erreur d’inattention. Pour chaque élément en rouge, il est possible de demander des informations concernant la source de l’erreur. Andes offre trois niveaux de messages, de plus en plus pré- cis, qui sont associés à chacun des diagnostics possibles, pour aider l’élève à corriger celle-ci. Ce dernier a aussi accès à trois niveaux de message lui permettant d’avoir des indications concernant la prochaine étape de résolution. Andes choisit alors la prochaine étape, en chaî- nage avant, qui n’a pas été produite par l’élève en se référant à l’arbre des solutions produit par un moteur de déduction appliqué à la base de connaissances. Cette dernière contient, en fait, les règles de production qui permettent de résoudre les problèmes de physique ainsi que les messages d’aide associés. La performance du système a été confirmée par des prétests et des post-tests ainsi que par une validation de la part des experts. Les bases théoriques sous-jacentes à l’élaboration du système n’ont toutefois pas été mentionnées explicitement. Andes est très intéressant, car il offre une semi-liberté (les variables doivent être définies au préalable) et que son système d’aide est très élaboré et efficace. De plus, son architecture est assez flexible pour qu’il puisse être adapté à d’autres domaines. Nous croyons cependant qu’il serait difficile de l’utiliser dans le domaine de la géométrie. En effet, le système est très efficace pour manipuler les équations dans lesquelles il est possible d’y substituer des valeurs, mais il n’est pas en mesure de manipuler des propriétés géométriques abstraites. De plus, sa

base de connaissances correspond à une représentation formelle du domaine ce qui n’est pas compatible avec nos objectifs. Enfin, sa politique d’aide à la prochaine étape, en chaînage avant, est valide pour la résolution de problèmes en physique, car une séquence d’actions précise doit être exécutée. Par contre, elle ne respecte pas l’état cognitif de l’apprenant dans le contexte de l’élaboration d’une preuve en géométrie.