Compréhension et utilisation des connaissances dans la résolution de problèmes en électronique

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•

Compréhension et utilisation des connaissances dans la

résolution de problèmes en électronique

by Denis Bédard

Department of Educational and Counselling Psychology McGiII University

Montréal © 1993

A thesis submiUed to the Faculty of Graduate Studies and Research in partial fulfillment of the requirements

for the degree of Doctor of Philosophy in Educational Psychology

•••

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•

ü

Résumé

Laprésente recherche a comme objectif d'étudier la nature des processus cognitifs

responsables de la performance de novices, d'intermédiaires et d'experts dans une situation de résolution de problèmes-le dépannagedecircuits -issus d'un domaine sémantiquement riche et complexe -l'électronique -en fonction de leurs connaissances de la tâche. La

performance des trois groupes de sujets démontre un niveau d'intégration varié des connaissances (dtclaratives et procédurales). Les résultats indiquent que (1) les novices manquent de connaissances théoriques et font des erreurs théoriques, (2) les intermédiaires ne démontrent pas un manque de connaissances théoriques mais ils éprouvent quelques difficultésàles utiliser correctement, (3) les experts ont des connaissances théoriques et procédurales bien intégrées, ce qui les rend capables d'interpréter correctement le résultat des tests effectués sur le circuit. L'expertise, pour le technicien en électronique, se traduit par l'habiletéàappliquer des procédures de dépannage en fonction du circuit etàinterpréter les résultats selon un modèle mental du comportement et de la structure du circuit.

•

Abstract

The main objective of the present workisto investigate the nature of the cognitive proce~sesresponsible for the problem-solving operations of novices, intermediates, and experts in a semantically rich and complex domain, Le. electronics trouble shooting, in relation to their knowledge of the task. The performance for each group of subjects shows a varying degree of knowledge integration (theore:ical and procedural). The results show (1)that novices lack theoretical knowledge and make theoretical errors, (2) that

intermediates do not lack theoretical knowledge but they have sorne difficulty in applying it, and (3) that experts have well-integrated knowledge and troubleshooting procedures for circuits and that they are able to apply procedures and 'correctly interpret the results to identify the reasons for fallureinthe circuits. Expertiseintroubleshooting circuits is an ability to adaptively apply debugging procedures and interpret the results in terms of a mental model of the circuit's behavior and structure.

•

IV

Préface

Remerciements

La réalisation de la présente thèse a gnmdement été facilitée par la collaboration d'un certain nombre de personnes. J'aimerais premièrement remercier le Dr Carl H.

Frederiksen, professeur et directeur du Laboratoire de science cognitive appliquée de l'Université McGill. Son impact sur le déroulement de ce doctorat a été considérable. En tant que superviseur de la présente recherche, la contribution du Dr Frederiksen s'est manifestéeàtoutes les étapes de sa réalisation. Sa connaissance du domaine des sciences cognitives et ses précieux conseils ont constitué des atouts indéniables dans l'élaboration de cette thèse.

J'aimerais également remercier leDrGérard Lachiver, professeur au Département de génie électrique de l'Université de Sherbrooke. Le Dr Lachiver a conçu le circuit

d'alimentationà courant continu utilisé dans le cadre de la présente recherche. ila de plus agiàtitre d'expen dans la défmition du modèle de connaissances théoriques du circuit et du modèle procédural pour le dépannage du circuit La réalisation physique des trois versions du circuit d'alimentationquiont serviàl'expérimentation a été rendue possible graceà

l'aide précieuse de M. André Picard, enseignant au Collège de Maisonneuve. Mercià M. Picardquia supervisé la réalisation du montage des trois circuits par deux étudiants de troisième année du programme de technique de génie électrique du Collège de

Maisonneuve. La grande disponibilité et la générosité de M. Picard m'ont permis de m'initier graduellement au fonctionnement de l'instrument de mesure (l'oscilloscope) utilisé pour le dépannage des circuits. L'aide de M. Picard m'a finalement permis de faire le rodage de la procédure d'expérimentation.

Je me dois également de remercier le Dr Jacques Tardif, professeurà la Faculté d'éducation de l'Université de Sherbrooke, dont l'esprit critique m'a beaucoup aidé à

mieux cerner les aspects théoriques de la recherche. Ses conseils judicieux dans l'élaboration de la problématique ont également été très appréciés. TI me faut aussi

remercier les membres du Laboratoire de science cognitive appliquée de l'Université McGill pour leur suppon moral, et parfois technique, durant les annéesquiont menéàla

•

Originalité

Deux des principaux thèmes étudiés dans cette thèse, nommément les connaissances antérieures et la résolution de problèmes, ont fait l'objet d'un certain nombre de recherches au cours des dernières anr;ées. La présente recherche représente une contribution

significative et originale à la connaissance, de même qu'une prolongation du travail effectué par Chi, Feltovich, Glaser et d'autres, dans la mesure où elle met l'accent sur l'étude du rôle particulier joué par les connaissances déclaratives (théoriques) en situation de

résolution deprot'~:nesissus d'un domaine sémantiquement riche et complexe. Un effort particulier a été fait pour évaluer de façon détaillée les connaissances antérieures de chacun des sujets à propos d'un circuit d'alimentationàcourant continu. ila été reconnu qu'urf examen en profondeur de la base de connaissances est nécessaire dans le cadre cl'Ùne telle recherche. Les résultats de cette évaluation détaillée ont permis de préciser le rôle des connaissances (déclaratives et procéduraIes) et leur degré d'intégration. De plus, une tâche de compréhensirm du circuit a également été accomplie afin de caractériser encore davantage la performance des sujets en fonction de leurs connaissances.

Finalement, la présente recherche a été réalisée dans un contexte le plus près possible d'une situ-,.tion réelle de dépannage, désirant ainsi répondreàune préoccupation de plus en plus présente dans le monde de la recherche en éducation, c'est-à-dire l'impact du contexte ou de la situation sur ie traitement qui est fait de l'information. Àcette fm, les sujets ont travaillé avec des circuits réels et un schéma de détails, plutôt que de fonctionner

uniquementàpartir d'un schéma de détails et d'une situation de dépannage hypothétique. De plus, les sujets ont euàmanipuler un instrument de mesure dans le but d'évaluer le comportement des circuits, comme ils le feraient dans une contexte réel de dépannage.

•

vi

Table des matières

Résumé .ii

Abstract , .iü

Préface .iv

Table des matières vi

Listes des tableaux ix

Liste des figures x

INIRODUCTION: 1

CHAPITRE I: Recension des écrits 7

Le domaine de l'électronique , 8

Circuit et schéma '" , 9

Instruments de mesure 12

Le dépannage de circuits électroniques 13

Modèles de performance 16

Lareprésentations des connaissances 19

La résolution de problèmes 21

Lanotion d'espace problème , .23

Problèmes bien définis et mal définis 25

Domaines sémantiquement riches et complexes 27

Laplanification 29

La nature de l'expertise: Facteurs de performance 31

Les connaissances antérieures 32

Lacompréhension du problème 35

Raisonnement et modèles mentaux 35

L'analyse de protocoles .40

Méthodes d·analyse .41

Méthodes d'analyse séma!ltique .43

CHAPITREil:Problématique et objectifs de recherche .47

Problématique , , .48

Objectif de la recherche 50

Objectifs généraux 50

Objectifs spécifiques 50

CHAPITRE ID: Méthodologie 52

Sujets ...•...53

Tâche et matériel 54

Méthodes d'analyse 61

Connaissances antérieures du circuit 61

Tâche de dépannage des circuits 63

Tâche de compréhension 67

Phase de validation 68

•

Résultats 76

1) Groupes 76

2) Niveaux - niveaux X groupes 77

3) Types - types Xgroupes 78

4) Niveaux X types X groupes 79

Interprétation 80

Tâche de dépannage 82

Analyses quantitatives 82

1) Analyse des données pour le temps 83

Résultats 83

Interprétation 85

2) Analyse des noeuds procéduraux pour le test du circuit 86

Résultats 86

Interprétation 87

3) Analyse des erreurs pour la tâche de dépannage 88

Résultats 91

Interprétation 93

4) Analyse de l'effet des connaissances antérieures sur le

nombre et le type d'erreurs pour la tâche de dépannage 95

Résultats 96

Interprétation 97

Analyses qualitatives 98

1) Modélisation de la procédure de dépannage du circuit VI 99

Résultats 99

Interprétation 102

2) Modélisation de la procédure de dépannage du circuit V2 •... 104

Résultats 105

Interprétation 108

3) Modélisation de la procédure de dépannage du circuit V3 109

Résultats , .. 110

Interprétation 112

Tâche de compréhension du circuit 119

Résultats ...•...•... 120

Interprétation 121

CHAPITRE V: Conclusion et implications ...•... 124 Conclusion...•...•...•..•.•...•...••...•...125

Intégration des connaissances 125

L'importance de la compréhension 126

lm pl ication s 127

Références 130

Appendice A: Description de l'oscilloscope 137

Appendice B: Évaluation des connaissances antérieures du circuit -ques~ons 141 Appendice C: Évaluation des connaissances antérieures - réponses d'un novice 143

Appendice D: Modèle des connaissances antérieures du circuit 147

Appendice E: Tableau de codification des connaissances antérieures du circuit

novice N5 - 155

•

viii

Appendice G: Cadre procédural pour dépannage du circuit d'alimentationàC.c 166 Appendice H: Tableau de codification des protocoles de pensée à voLx haute 173 Appendice 1: Évaluation de la connaissance fonctionnelle de l'oscilloscope 177

Appendice J: Moyenne et écarts types - résultats quantitatifs 179

Appendice K: Représentation arborescente de la performance pour la tâche de

dépannage 184

•

•

Liste des tableaux

Tableau 1: Grammaire procéduraIe de cadre 65

Tableau 2: Entraînementàla verbalisation 70

Tableau 3: Entraînementàla penséeàvoix haute 71

Tableau 4: Consignes fournies aux sujets pour la tâche principale 72

Tableau 5: Taxinomie des =urs pour le dépannage des circuits électroniques 90 Tableau 6: Résultats de l'analyse discriminante pour les connaissances antérieures 96 Tableau 7: Résultats comparatifs suiteàl'analyse de covarianceàmesures répétées

des types d'erreurs pour les trois circuits 97

Tableau 8: Moyennes et écarts types pour l'analyse des connaissances antérieures

du circuit...•... 180 Tableau 9: Moyennes et écarts types pour l'analyse des données pour le temps 181 Tableau 10: Moyennes et écarts types pour l'analyse des noeuds procéduraux

pour le test du circuit 182

Tableau 11: Moyennes et écarts types pour l'analyse des =urs pour la tâche

de dépannage 182

Tableau 12: Moyennes et écarts types pour la compréhension du circuit. 183 Tableau 13: Sommaire de l'analyse de variance multivariéeàmesures répétées

pour les connaissances antérieures du circuit ...•... 187 Tableau 14: Sommaire de l'analyse de variance multivariéeàmesures répétées

pour le temps de dépannage 189

Tableau 15: Sommaire de l'analyse de variance multivariéeàmesures répétées

pour la trace des noeuds procéduraux...•... 191 Tableau 16: Sommaire de l'analyse de variance multivariéeàmesures répétées

pour les erreurs durant le dépannage , '" 192

Tableau 17: Sommaire de l'analyse de variance multivariéeàmesures répétées

•

x

Liste des figures

Figure 1: Représentation schématique d'une diode et d'un condensateur 10

Figure 2: Schéma bloc du circuit d'alimentationàcourant continu 55

Figure 3: Schéma de détails du circuit d'alimentationàcourant continu 56 Figure 4: Photographie du circuit d'alimentation àcourant continu 57 Figure 5: Représentation graphique de la forme d'ondeàchaque poin! de test du

c.a.c.c. en bon état, tel que vue sur l'oscilloscope 58

Figure 6: Représentation graphique de la composante AC du signal continuà160

sortie du filtre lorsqu'en bon état et lorsque endommagé 60

Figure 7: Présentation partielle du réseau procédural pourlatâche de dépannage

du circuit d'alimentationàcourant continu 66

Figure 8: Pourcentage moyen de noeuds du modèle correspondant aux réponses

des sujets pour l'évaluation des connaissances antérieures 78

Figure 9: Pourcentagedenoeuds du modèle correspondant aux connaissances antérieures des sujets pour letypede questions sur la fonction (FONC)

et les parties (PART) pour les niveaux 1 et 2 (NI et N2) 80

Figure 10: Comparaisons entre les groupes quant au temps consacré au traitement

de l'information de chacun des types d'activités en fonction des circuits ...84 Figure Il: Nombre total de noeuds appliqués durant la résolution de problèmes

du test du circuit pour les trois circuits 87

Figure 12: Schéma de détails du circuit d'alimentationàcourant continu avec

identification des parties des composants 91

Figure 13: Nombre total d'erreurs pour chacun des groupes de sujets 91 Figure 14: Nombre total d'erreurs pour chacun des groupes de sujets en fonction

des circuits dépannés et du type d'erreurs 92

Figure 15: Nombre total d'erreurs pour chacun des circuits dépannés et

du type d'erreurs 93

Figure 16: Modélisation de la performance du groupe expert pour le dépannage

du circuit VI 100

Figure 17: Modélisationdela performance du groupe intermédiaire pour

le dépannage du circuit VI 101

Figure 18: Modélisation de la performance du groupe novice pour le dépannage

du circuit VI 102

Figure 19: Modélisation de la performance du groupe expert pour le dépannage

du circuit V2 105

Figure 20: Modélisation de la performance du groupe intermédiaire pour

•

du circuit V2 107

Figure 22: Modélisation de la perfonnance du groupe expen pour le dépannage

du circuit V3 110

Figure 23: Modélisation de la perfonnance du groupe intennécliaire pour

le dépannage du circuit V3 111

Figure 24: Modélisation de la perfonnance du groupe novice pour le dépannage

du circuit V3 111

Figure 25: Modèle mental de la représentation des connaissances théoriques

reliées au circuit d'alimentation utilisé dans la présente recherche 114 FigUi" 26: Score moyen obtenu pour chacun des groupes de sujets aux deux

•

De façon empirique. l'expertise est associée à des facteurs tels que les années d'expérience. la démonstration d'habiletés particulières ou la reconnaissance d'un certain nombre d'acquis. Un bon nombre de recherches. particulièrement en sciences cognitives!. ont cependant tenté d'élucider davantage le phénomène de l'expertise et de son acquisition. L'expertise a d'abord été étudiéeàl'intérieur de champs de connaissances limités et a été caractérisée en terme de procédures à acquérir et à utiliser dans le cadre de la résolution de divers problèmes. Cependant, dans des domaines complexes et sémantiquement riches. la résolution de problèmes implique également l'apprentissage et l'utilisation d'un vaste champ de connaissances théoriques ou déclaratives. Parmi ces domaines. on retrouve ceux de compétences techniques où l'expertise s'acquien par la maîtrise de connaissances procédurales. apprises en situation de laboratoire. et d'un vaste champ de connaissances théoriques. apprises principalement en classe. Cependant, les étudiants ont typiquement de la difficultéàappliquer leurs connaissances théoriques lors de l'utilisation d'une procédure quelconque pour résoudre un problème. Cette difficulté se manifeste dans leur inefficacité àévaluer correctement les problèmes auxquels ils sont confrontés etàutiliser cette

évaluation afin de guider leurs opérations de résolution de problèmes.

TI a été suggéré qu'une façon d'améliorer l'apprentissage et l'utilisation d'habiletés et de connaissances complexes et techniques est de «situer» l'apprentissage de la théorie dans le contexte de la résolution de problèmes (Brown. Collins et Duguid. 1988). Dans le but de développer de telles stratégies d'enseignement, il est nécessaire d'obtenir davantage d'information au sujet de la nature des processus cognitifs reliésàla représentation des connaissances qui sont requis pour apprendre et mettre en pratique des connaissances complexes. des stratégies d'analyse et des procédures de résolution de problèmes dans des domaines techniques. L'objectif principal du présent travail de recherche est d'étudier la

!Les sciences cognitives se caractérisentparun regroupement multidisciplinaire comprenantlapsychologie cognitive. l'intelligence artificielle.lalinguistique etlaphilosophiedel'espriL Ces différentes disciplines tentent d'expliciter comment l'êlre humain acquien. représente et utilise les connaissances.

Introduction

nature de ces processus dans un domaine technique, nommément le dépannage de circuits électroniques.

Les écrits recensés font actuellement état d'un ensemble de connaissances et de méthodes ayant été développées en sciences cognitives, rendant ainsi possible l'étude d'un tel problème. Quatre domaines de recherche sont plus directement liés à la présente recherche: (1) la représentation des connaissances; (2) la résolution de problèmes, particulièrement dans des domaines sémantiquement riches et complexes; (3) la nature de l'expertise, comparant la performance d'experts et de novices; et (4) l'analyse de

protocoles.

3

L'acquisition d'habiletés dans des domaines techniques implique l'apprentissage de connaissances conceptuelles. TI est également nécessaire d'apprendre comment et quand utiliser ces connaissances, c'est-à-dire qu'un important préalable pour la résolution de problèmes est que les connaissances pertinentes soient accessibles lorsqu'elles sont

requises (Bransford, Sherwood, Vye et Reiser, 1986). Lorsque ces connaissances ne sont pas jugées pertinentes par le résolveur de problèmes, elles deviennent inutiles.

La capacité de transférer ou d'intégrer des notions théoriques apprises dans un contexte, par exemple une situation de classe, dans un autre contexte plus pratique, par exemple une situationdelaboratoire, pour résoudre des problèmes fait souvent défaut. Certaines avenues ont été considérées afin de contrer cette difficulté, comme lestechnique~ basées sur la métacognition (p.ex., Wong, 1985). Ces efforts ont démontré comment l'ap-prentissage d'habiletés métacognitives (c'est-à-dire la capacité pour un étudiant d'analyser son processus de pensée) peut améliorer l'apprentissage. Bien que ces études aient mis l'accent sur l'apprentissage de «processus de gestion»(executive processes),elles n'ont pas souligné l'importance des connaissances spécifiques issues du domaine d'application, c'est-à-dire leur compréhension et leur utilisation. Larecherche intéressée au rôle joué par différentes structures de représentation des connaissances (p.ex., Anderson, 1983;

Frederiksen et Breuleux, 1990) vis-à-vis de l'apprentissage et de la résolution de problèmes dans des domaines complexes procure une base de référence sur laquelle peuvent reposer des théories au sujet des conditions d'accessibilité aux connaissances antérieures.

Parmi les éléments importants à considérer dans l'exécution de tâches complexes, comme le dépannage de circuits électroniques, se trouvent les représentations conceptuelles qui doiventêtregénérées afin de représenter l'information contenue dans l'énoncé et la structure d'un problème (Frederiksen et Breuleux, 1990). Typiquement dans les domaines techniques (p.ex, l'électronique) l'information reliée aux tâches à accomplir est acquise à

partir d'infonnations textuelles (p.ex., l'énoncé du problème) et graphiques (p.ex., le schéma de détails du circuit). Lastructure de ces tâches inclut des infonnations telles que le butàatteindre (circuit fonctionnel), les différents états du problème (états du circuit), de même que les procédures pertinentesàl'atteinte de la solution. De plus, être capable de comprendre l'objet d'érude (p.ex., un circuit électronique) en tenne de connaissances théoriques au sujet de son fonctionnement sous-tend l'habiletéàcomprendre et résoudre le problème. Cependant, les stratégies pennettant une utilisation efficace de cette infonnation théorique ne sont pas transmises aux érudiants dans le contexte de la résolution de

problèmes. Elles doivent plutôt être inféréesdefaçon implicite par les érudiants. Ainsi, bien que les connaissances antérieures théoriques jouent un rôle détenninant dans la capacité d'un individuàsolutionner avec succès des problèmes nouveaux ou non

routiniers, l'habiletéàutiliser les connaissances théoriques qu'un individu possède dans la résolution de problèmes n'est pas enseignée explicitement

•

Un problème essentiel relié à l'érude de l'utilisation de connaissances déclaratives (circuit) dans un domaine, est celui d'avoir des modèles théoriques bien définis pennettant de représenter les connaissances déclaratives et procéduraIes, de même que des méthodes pouvant être utilisées afin d'appliquer ces modèles pour construire des représentations des connaissances expertes dans ce domaine.

Un modèle expert peut être utilisé afm d'évaluer les connaissances des sujets et pour analyser leur performance durant la résolution d'un problème (Frederiksen et Breuleux, 1990). Larecherche intéresséeàcomparer la performance d'experts et de novices (p.ex., Larkin, McDermott, Simon et Simon, 1980a) a souligné la nécessité d'élaborer et d'utiliser des modèles experts commebasede référence pour l'évaluation des connaissances et des processus cognitifs dans l'érude de la résolution de problèmes dans des domaines

complexes. Cependant, la recherche visant l'érude des différences entre experts et novices n'a pas mis l'accent sur l'analyse détaillée (a) des connaissances antérieures qu'un individu possède et(b)de leur utilisation en siruation de résolution de problèmes. De plus, très peu ont proposé et effectivement introduit un groupe de niveau int=édiaire permettant ainsi une meiIleure caractérisation de l'utilisation des connaissances en fonction du niveau d'expertise.

Des méthodes d'analyse sémantique issues delarecherche surlacompréhension de discours (p.ex., Frederiksen, 1986) ont été développées afm de représenter, sous la forme de réseaux sémantiques, les connaissances théoriques et procéduraIesdansdes domaines complexes (Frederiksen, 1989a). Ces méthodes offrent un compte rendu plus complet des

•

IntrOduction

connaissances et de leur utilisation pour des tâches où une perfonnance réussie dépend de l'habileté des étudiantsàutiliser des stratégies de résolution de problèmes.

5

Laperspective offene par ces quatre domaines dc :-echerche pennet de mieux situer la recherche en sciences cognitives concernée plus spécifiquement par le domaine de

l'électronique. Cette recherche s'est principalement attardéeàtenter d'élaborer des modèles de raisonnement causal sur des systèmes physiques (DeKleer, 1985: White et Frederiksen.

1986a). Typiquement ces modèles ont tenté d'expliquer les étapes du raisonnement par lequel un expert arrive à décrire le fonctionnement d'un circuit et ce,àpartir d'un schéma de détails (Egan et Schwartz, 1979). Selon ces recherches, l'explication du fonctionnement d'un circuit devrait faire intervenir trois aspects: (a) la structure du circuit(ce qu'ese le circuit),(b)le comportement du circuit(ce que le circuiefait) et (c) la fonction du circuit (ce pourquoi le circuit a étéfait).

Bien que ces recherches aient apporté une perspective et un éclairage novateurs quant à l'habileté de raisonner sur des circuits électriques, l'expertise n'a pas été distinctement définie en tenDe de capacitéàcomprendre un circuit électronique inopérant dans le but d'en réaliser le dépannage et donc de faire en même temps référenceàdes connaissances

déclaratives et procédurales. De plus, ces recherches ont presque exclusivement travaillé avec l'aide de schémas de circuit. Bien que la compréhension et le raisonnementàl'aide du schéma de détails d'un circuit constituent une part importante delaprocédure de

dépannage, ils n'en constituent pas les seules étapes. Lamanipulation du circuit réel et de l'instrument de mesure pennettant d'observer une réponse à partir du circuit font partie intégrante de la tâche du dépanneur.

L'objectif delaprésente recherche est de déterminer quels sont les comportements cognitifs typiques d'un groupe d'experts, d'intennédiaires et de novices dans le dépannage de circuits électroniques, en quoi ils se distinguent et en quoi ils sont semblables. De façon plus précise, l'objectif est de modéliser la perfonnance de chacun des groupes et de tenter d'éluder la question de l'expertise dans le domaine du dépannage de circuits électroniques en comparant le groupe d'experts aux deux autres groupes et ce, en fonction de l'utilisation qui sera faite des connaissances théoriques et procédurales. Laréalisation de cet objectif sera basée sur (1) l'évaluation des connaissances antérieures des sujets, (2) l'analyse de protocoles de penséeàvoix haute recueillis en cours de réalisation de tâche et (3) l'analyse de la compréhension du schéma de détails et des circuits. Les résultats obtenus devraient pennettre de mieux cemer les processus qui caractérisent le dépannage de circuits

habiletés dans la formation en électrotechnique, et de généraliser ces résultatsàla résolution • de problèmes issus d'autres domaines sémantiquement riches et complexes.

Dans le but d'atteindre cet objectif, la présente recherche utilise un circuit réel de même qu'un instrument de mesure, nommément l'oscilloscope. L'inclusion de ces deux éléments a pour objet de situer cette tâche dans un contexte ql!i se rapproche le plus de celui qu'aurait à rencontrer un technicien dans le milieu de travail. Brown, Collins et Duguid (1988), de même que Greeno (1989), ont souligné le caractère déterminant qu'a le contexte dans l'acquisition et l'utilisation de connaissances.

Le présent document se compose essentiellement de cinq chapitres. Lepremier pré-sente une recension des écrits des thèmes qui permettent de faire état du problème, nom-mément les recherches sur (1) le domaine de l'électronique, (2) la représentation des connaissances, (3) la résolution de problèmes, (4) la performance d'experts et de novices, et (5) l'analyse de protocoles. Ledeuxième chapitre présente la problématique et les objectifs de la recherche. Letroisième chapitre décrit la méthodologie, c'est-à-dire le déroulement de l'expérimentation de même que la procédure d'analyse des protocoles de pensée à voix haute. Lequatrième chapitre fait état des résultats quantitatifs et qualitatifs -obtenus suite à l'analyse des données et propose également l'interprétation de ces résultats. Le cinquième et dernier chapitre expose les grandes conclusions qui découlent de l'analyse des résultatsàla lumière du cadre théorique défini précédemment

•

CHAPITRE 1

•

Le présent chapitre vise à faire une recension des recherches pertinentes touchant l'acte de dépannage de circuits électroniques, abordé sous l'angle de la résolution de problèmes, en fonction de l'utilisation des connaissances du domaine.

Le chapitre se divise en cinq sections principales. Lapremière introduit les aspects irnponants relatifs à la tâche de dépannage de circuits électroniques et situe cette activité dans le contexte de son enseignement Ladeuxième section présente l'état des

connaissances touchant la représentation des connaissances.Latroisième section fait état de notions relatives à la recherche en résolutiondeproblèmes, reliées au cadre de la présente recherche. Laquatrième section établit une distinction entre le traitement de l'information de personnes expertes et novices en situation de résolution de problèmes. Finalement, la cinquième section de ce chapitre évalue l'analyse de protocoles à la lumière de modèles déjà existants.

LE DOMAINE DE L'ÉLECTRONIQUE

La présente section traite de thèmes reliés au domaine de l'électronique. Tout d'abord, une description de ce en quoi consiste un circuit électronique et le schéma qui l'accompagne sera présentée. Puis, une brève description d'instruments de mesure utilisés en électronique sera faite. Ensuite, les recherches pertinentes concernées par l'activité de dépannage de circuits électroniques et expliquant sa nature seront révisées. Finalement, la dernière partie abordera la modélisation de la performance en électronique. Tout d'abord, l'électronique sera positionnÙ dans son contexte d'apprentissage.

L'électronique est un domaine d'étude très imponant dans la société d'aujourd'hui. Elle touche quotidiennement presque tous les aspeets de notre vie. Le fonctionnement de la plupart des appareils et machines que nous utilisons régulièrement de façon domestique ou industrielle (systèmes de son, télévisions, automobiles, ordinateurs, etc.), dépend de circuits électroniques intégrés. TI est donc très imponant pour notre société de s'assurer que les personnes qui reçoivent une formation dans le domaine de l'électronique, soient le mieux préparées possible à faire leur travail.

Les étudiants qui sont formés dans ce domaine au niveau collégial, deviendront des techniciens. Ils seront appelés à réparer des circuits électroniques dans différents domaines d'application. Ils devront donc, d'une part, être flexibles quant à leur capacitéàadapter leurs connaissances et méthodes de travailàces différents domaines (généralistes) et, d'autre part, être prêts à faire face au développement constant de nouvelles technologies des composants et des circuits.

Au cours des 15 dernières années, le programme de trois ans de formation en électrotechnique a tenté de s'adapter à l'évolution technologique en incluantàson

curriculum l'étude des nouveaux matériaux, appareils et domaines d'utilisation. Par le fait même, la matière à couvrir durant ces trois années de formation s'est accrue, mais le temps alloué pour intégrer le contenu est demeuré constant II en a résulté une diminution

progressive du temps consacré à l'étude des connaissances des principes de base en

physique et en électricité, typiquement apprises durant la première année du programme, au profit de l'introduction de nouvelles technologies au programme. II est devenu ainsi de plus en plus difficile pour un étudiant d'intégrer l'ensemble de ces connaissances dans le contexte de son travail. Les connaissances de base en électronique sont néanmoins considérées co=e primordiales à la compréhension du componement d'un circuit etàla possibilité de le réparer efficacement (dépannage).

Dans la perspective où l'enseignement des matières de base continuera d'être

compressé dans le temps, il semble imponant de tenter d'améliorer l'approche pédagogique privilégiée dans le milieu collégial de l'enseignement de l'électronique et ce,afinde

permettre une meilleure intégration de ces connaissances de la part des étudiants. Ce

changement au niveau de l'enseignement, de la préparation de cours et du choix des outils pédagogiques passe par une meilleure compréhension delanature des processus cognitifs et des représentations de connaissances qui sont requis afin d'apprendre et d'utiliser les connaissances complexes, les stratégies d'analyse et les procédures de résolution de problèmes dans le domaine de l'électronique.

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Chapitre premier 9

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CIRCUIT ET SCHEMA

Un circuit électronique peut être représenté de deux façons: 1) uncircuit physique

réel; 2) undiagrammede ce circuit Le diagramme d'un circuit électronique représente le format le plus souvent utilisé afin d'enseigner et de co=uniquer les connaissances relatives aux circuits, c'est-à-direcomposantsetunités fonctionnelles. C'est donc le médium par lequel les connaissances conceptuelles sont acquisese~représentées en

mémoire (p.ex., voirlafigure 1). Par la suite, les composants sous leur forme réelleSOnt

introduits afin d'y associer les caractéristiques physiques inhérentesàleur nature etàleur valeur.

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f

(a)

+

Figure1:Représentation schématique d'une diode (a) et d'un condensateur (b).

Un schéma doit presque toujours accompagner un circuit électronique réel afin de bien pouvoir le comprendre. L'inverse n'est cependant pas nécessairementvrai. Un parallèle peut être fait avec le domaine de l'architecOtre. En électronique le schéma d'un circuit-le plan d'un édifice - permet de distinguer plus aisément (1) les différentes unités

fonctionnelles du circuit -sections de l'édifice, (2) les connections entre les composants -les passages reliant -les pièces, (3) la valeur de chacun des composants - de chacun des matériaux, et (4) les défauts de conception sur le plan structural. Sans ce schéma, il est très

difficile, voire impossible dans le cas de circuits très complexes, d'interpréter l'organisation et la structure des composants du circuit.

Le schéma d'un circuit se présente sous deux formes, soit le«schéma bloc» et le

«schéma de détails». Leschéma bloc présente les différentes unités fonctionnelles d'un

circuit, alors que le schéma de détails explicite les composants qui constituent chacune des unités fonctionnelles, de même que leur valeur. Leschéma bloc est principalement utiliséà

des fins didactiques pour mieux faire comprendre la finalité du circuit en décrivant la fonction de ses parties principales. Typiquement, le dépanneur de circuits électroniques travaille avec un schéma de détails du circuit. Leschéma bloc est néanmoins imponant puisqu'il constitue un niveau plus global et qualitatif de représentation du circuit (Lachiver, 1989 1).

La compréhension d'un circuit électronique passe donc premièrement par l'analyse du diagramme le représentant. L'identification des éléments de base qui le composent

implique la segmentation du diagramme en ses éléments fonctionnels (p.ex., redresseur, fùtre, etc.). En se représentant ainsi sous la forme d'un schéma bloc l'information du schéma de détails, le dépanneur abstrait un premier niveau de compréhension du circuit. «Reasoning about function can facilitate understanding of system behavior.» (Bobrow,

1985, p.2). Pour Brown, Collins et Harris (1978), le processus de compréhension du diagramme d'un circuit électronique produit une trace de la structure profonde (deep-srrucrure rrace)qui illustre la téléologie sous-jacente et les mécanismes de causalité du circuit. Cette représentation profonde devrait contenir l'information nécessaireafin

d'expliquer comment le circuit fonctionne et polll'Cjuoi il fonctionne de la façon dont il a été conçu. Ceci implique que chaque composant du circuit (représentant la structure de surface) est compris comme jouant un rôle donné dans le design du circuit.

Brown et al. (1978) émettent l'hypothèse que «the mental glue used for cementing the constituents of a circuit schematic are the designer'splans»(p.126). Ceci implique que, pour arriver à comprendre le schéma d'un circuit, il est nécessaire de faire la synthèse, jusqu'à un certain point, du processus de résolution de problèmes qui a été généré afin de le

créer. C'est donc dire qu'à chaque composant du circuit est associé un but, ou «SOUS-plan». Ces composants sont eux-mêmes une partie d'un plan plus global concernant les fonctions du circuit, qui à leur tour s'incorporent dans le plan d'ensemble. Ce plan d'ensemble justifiait au départ la démarche de création du circuit afin d'atteindre un but quelconque (p.ex., alimenter un appareil avec un courant continu de SV). Plusieurs niveaux pourraient ainsi être décrits afin de légitimer la composition d'un circuit. Ce qui importe, selon les auteurs, est que ce plan d'ensemble confirme la présence de tous les composants du circuit.

«The person t1ying 10 understand a circuit must oftenbewilling tO malee educated guesses about how sorne fragment of the circuit mightbefunclionning in terms of sorne high-orderplan,and then attempt either 10 verify or reject thatguess».

Brown et al. (1978, p.130)

Chacun des éléments dans un circuit affecte le courant L'habileté à établir la relation qui existe entre le courant et rôle des composants affecte également la nature de la

compréhension qu'un individu retire de son analyse des circuits. Cohen, Eylon et Ganiel (1983) ont tenté de décrire comment des étudiants conceptualisent les rôles relatifs de «différence potentiel» (dp) et de «courant» (deux concepts présentés en électricité) et d'évaluer comment ces conceptions affectent la façon dont ils analysent des circuits simples. Les circuits électriques simples qu'ils ont utilisés étaient comparables à ceux enseignés dans les cours de physique de niveau collégial. Les auteurs voulaient vérifier l'intuition selon laquelle même si les étudiants deviennent très bons dans l'exécution d'algorithmes compliqués après des études systématiques et avancées dans l'apprentissage de l'électricité au niveau secondaire et collégial,ilssont toujours incapables d'analyser qualitativement des circuits simples. lisont noté, en tant qu'enseignant, que «... when a qualitative problem is presented where some physical insight rather than a1gorithrnic

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i983. pAO?).

Il est remarquable qu'une bonne partie des recherches dans le domaine de

l'électronique ait poné sur la compréhension et l'analyse de schémas de détails de circuits.

Lerôle de cette activité est irnponantmaisil ne représente qu'un aspect de la tâche du technicien en électronique. L'utilisation d'instrumentsdemesure est également une

composante imponante de sa tâche. De fait. l'utilisation d'un instrument de mesure est l'un des moyens les plus efficaces de déterminer l'état d'un circuit électronique. Les résultats ainsi obtenus sur l'état du circuit permettent de confirmer ou d'infirmer les hypothèses explicatives de son fonctionnement il est donc imponant de bien situer l'impact et le rôle de différents instruments de mesuredansla pratique en électronique. et également de mieux comprendre les risques associésàune manipulation erronée de tels instruments.

INSTRUMENTS DE MESURE

Le technicien en électronique a comme tâche, lorsqu'il effectue le dépannage d'un circuit, de poser un diagnostic quant à son état À l'instar du spécialiste dans le domaine de la médecine, le technicien établit premièrement un diagnostic visuel afindedétecter des symptômes apparents. Lorsqu'aucun trouble visuel apparent ne peut expliquer le problème, le médecin s'enquien auprès du patient et fait des tests, puis il se base sur ces données pour élaborer son diagnostic; le technicien, quant à lui, fait usage d'un instrument de mesure afin d'obtenir une réponse du circuit

Différents instruments de mesure sontàla disposition du technicien en électronique afin de lui permettre de faire l'analyse du circuit endommagé. Parmi les plus communs on retrouve lemultimètreet levoltmètre,qui sont considérés comme des appareil.< de mesure polyvalents. ils permettent essentiellement d'obtenir une mesure discrète (v:ûeur chiffrée), sur le voltage produit par le circuitàun endroit donné, par exemple. L'oscilloscope,

également un instrument de mesure, est l'un des appareils les plus polyvalents et les plus utilisés dans les applications électroniques. il trace automatiquement sur un écran le graphique des valeurs instantanées d'une onde en fonction du temps. On prend cette mesureàpartir de l'écran, où tous les contrôles ont un effet direct sur la représentation graphique de l'onde. Letechnicien peut donc observer comment varie la tension dans un circuit au cours d'un temps donné2•

2 Une descriptiondétailléedesdifférentescommandes de l'oscilloscope ainsi quedesonécranestprésentée en Appendice A.

L'habileté à manipuler et à interpréter un instrument de mesure est crùciale dans la réussite de la tâche de dépannage. Une mauvaise manipulation des commandes de l'appareil fausse la réponse apparaissant sur l'écran, pouvant ainsi pister dans une

mauvaise direction l'interprétation qu'en fera le technicien. De plus, la réponse qui apparait à l'écran constitue la seule source d'information sur l'état du circuit. misesàpan les

données visuelles. Afin de pouvoir correctement interpréter ces réponses, le technicien doit bien connaître l'appareil qu'il utilise ainsi que les valeurs que ce dernier affiche, en plus de leur sens vis-à-vis des tests effectués. Sans une bonne maîtrise de ces connaissances, les données fournies par l'appareil ne seront pas très utiles afm de diagnostiquer le trouble. Ainsi, la manipulation d'un oscilloscope est particulièrement complexe et demande une: attention particulière afin de ne pas commettre d'erreurs dans l'interprétation des résultats.

Étant donné que le travail du technicien en électronique implique habituellement l'emploi d'un i:::strument de mesure, et que l'ajout d'un tel instrument exige la manipulation de connaissances particulières qui s'additionnent à celle du circuit, et étant donné qu'une mauvaise utilisat1.ln d'un instrument de mesure peut être la cause directe d'une évaluation erronée de l'état du circuit, il est nécessaire de tenter de déterminer dans quelle mesure sa manipulation affecte la performance des techniciens en électronique. Laprochaine partie présente les recherches ayant comme objectif l'étude du dépannage de circuits

électroniques.

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Chapitre premier 13

LE DÉPANNAGE DE CIRCUITS ÉLECTRONIQUES

De nombreuses recherches ont été effectuées dans le domaine de l'électronique durant les années '50 et le début des années '60 aux États-Unis, principalement sous la

commandite de l'armée américaine (p.ex., Bryan, Bond et LaPone, 1957). L'intérêt de ces recherches a principalement été de développer des méthodes didactiques efficaces afin de faciliter la formation de techniciens habiletésàfaire l'entretien d'équipements électroniques. Une des premières tâches pour les chercheurs a donc été de tenter de mieux définir l'acte de dépannage.

Malgré le fait que les différents modèles cognitifs issus du paradigme du traitement de l'information n'avaient pas encore pris forme, l'analyse de la tâche de dépannage effectuée au cours de ces années (p.ex., Glenn, 1963), feniles en recherches sur l'électronique, a produit des résultats qui s'apparentent beaucoup avec ceux obtenus aujourd'hui. Une période «creuse» dans la recherche sur l'électronique a caractérisé la fm des années '60 et une grande partie des années70. Après cette période, il s'est manifesté l'émergence d'un

nouvel intérêt vers la recherche dans ce domaine (Davis. 1985; Gott, Bennett et Gillet, 1986; Johnson. 1988; IGeras. 1991; Lajoie et Lesgold, 1989; Mayer. 1990; White et Frederiksen. 1986a, 1990). en partie dû à l'émergence des théories cognitives et au développement de la technologie informatique.

Le dépannage de circuits constitue la tâche principale du technicien en électronique. Cette activité peut se définir globalement comme l'habileté à corriger un

mal-fonctionnement Le processus commence lorsqu'un problème est identifié et, bien que le but soit assezclair,c'est-à-dire de trouver la cause du problème et de rendre le circuit opérationnel. le chemin qui y mène n'est souvent pas immédiatement identifiable. Le processus se termine lorsque le problème est solutionné. c'est-à-dire le trouble identifié et réparé.

Glenn (1963) a réalisé une analyse formelle delatâche de dépannage. iladmet cependant que cette analyse ne reflète pas nécessairement l'activité de dépannage quialieu dans la pratique. Elle a néanmoins le mérite de montrerlacomplexitédecette tâche. de même que sa «nature hétérogène». Dixétapes composent la démarche du dépanneur:(1)

reconnaissance du symptôme;(2)l'élaboration du symptôme. c'est-à-dire l'exploration de la situation initiale pour établir les patterns symptomatiques qui sont générés par

l'équipement3; (3)la formulation d'hypothèses; (4)la sélection d'une hypothèse; (5)la formulation d'un plan pour tester le circuit;(6)l'acquisition de l'information concernant l'état du circuit; (]) l'interprétation des lectures discrètes (valeurs);(8)l'organisation de l'information;(9)la sélection d'une hypothèse alternative (si la première s'avère inexacte); et (10) la confirmation de l'hypothèse. L'auteur souligne que le nombre d'étapes

applicables. de même que l'aisance et le succès avec lequel chacune des étapes est franchie. est fonction du degré de difficultédela panne. Le degré de difficulté d'une faute dans un circuit est en partie déterminé parsanature et la complexité du circuit, mais il est également tributaire des connaissances du technicien.

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Parmices étapes. deux attirent particulièrement l'attention. Le fait d'ignorer l'étape2

résulte dans une tentative de solutionner le problème de dépannage avant qu'il ne soit clairement défini. Selon Glenn (1963). ceci est une indication que les techniciens considèrent que leur tâche consiste àchercherun problème plutôt qu'àsolutionnerun problème. À l'étape3.dans une situation idéale. le technicien devrait formuler~les hypothèses potentielles pouvant expliquer le pattern de symptômes qu'il aura observé.

3 Lestenncsutilisésrappellent la tenninologie employéedansle domaine du diagnostic médical. Defait, l'auteur souligne le lien qui unit ces deux componements.

Chapitre premier

Dans la pratique cela n'arrive que rarement, ce qui a pour effet de rendre très laborieuse l'étape 9 si elle s'avère nécessaire.

15

La description de la tâche de dépannage faite par Glenn (1963) sen de point de référenceafinde mieux comprendre l'orientation et les intérêts plus récents caractérisant la recherche en électronique. ilest possible de regrouper les recherches des 15 dernières années dans ce domaine en trois grands groupes: 1) celles concernées par la compréhension des circuits électroniques sous forme de schéma (p.ex., Cohen et al., 1983; Egan et

Schwartz, 1979); 2) celles dont le centre d'intérêt pone sur l'apprentissage et la formation en fonction des connaissances conceptuelles du domaine (p.ex., Gott, 1989; Kieras, 1991; Mayer, 1990); et 3) celles qui se préoccupent davantage de l'analyse de la tâche de

dépannage de circuits électroniques (p.ex., Lesgold et Lajoie, 1991; Parker, 1989). Dans le cas des deux derniers groupes, la grande majorité des recherches impliquent l'utilisation de l'ordinateur comme moyen privilégié de présentation des connaissances. L'attention panera ici sur le troisième groupe.

L'analyse de la performance d'expens en dépannage de circuits électroniques a permis d'identifier trois composants cognitifs de leur expertise (Parker, 1989). Le premier correspond aux connaissances sous-jacentes à l'utilisation par les experts de procédures de dépannage telles que la prise de mesure des signaux et l'utilisation de diagramme

(oscillogramme) leur permettant de tracer les signaux électriques; ledeuxième correspond

aux connaissances stratégiques sous-jacentes à la prise de décisions en ce qui concerne les actions appropriées à prendre lorsque plusieurs alternatives sont présentes; le troisième correspond aux connaissances déclaratives du circuit lui-même qui permettent aux experts de se faire une représentation exacte du problème et, de ce fait, construire et limiter leur espace problème (voir sectionLa notion d'espace problème). Cette description souligne le

fait que la tâche de dépannage nécessite l'utilisation de différents types de connaissances et, jusqu'à un certain point, les situe dans un contexte donné. Comparativement à Glenn (1963) qui tente de caractériser le dépannage de circuits comme une chaîne d'événements cognitifs représentant en quelque sone un scénario, les recherches actuelles tentent plutôt de comprendre l'ensemble des «ressources cognitives» auxquelles le technicien devra faire appel durant son travail afm d'atteindre son but

L'état des connaissances relativement au dépannage de circuits électroniques permet d'avoir une idée plus précise de la tâche qui attend le technicien en électronique. Cenaines habiletés, de même que certaines connaissances ont été identifiées comme ayant un impact sur la performance. Toutefois, les recherches à ce niveau n'ont pas encore démontré l'imponance relative de chacun de ces composants, c'est-à-dire le rôle plus ou moins

détenninant joué par l'un ou l'autretypede connaissances pour maximiser le travail du dépanneur de circuits. De plus, panni les recherches ayant tenté de comprendre le dépannage de circuits, très peu ont de fait utilisé de l'équipement réel, bien que ce soit la coutume pour les techniciens d'utiliser cet équipement au cours de leur formation et de leur pratique. La plupart des recherches utilisent uniquement des schémas comme

représentation du circuit (Brown, et al., 1978; Cohen, et al., 1983; White et Frederiksen, 1986a; 1986b) plutôt qu'un exemple du circuit (Lajoie, 1986).

Commeilen a été fait mention précédemment, les recherches actuelles dans le domaine de l'électronique s'inspirent des méthodes et des modèles provenant des sciences cognitives. Ces recherches tentent d'identifier et d'expliquer les habiletés cognitives, de même que les connaissances jouant un rôle dans la démarche du dépanneur de circuits. Elles utilisent pour ce faire des modèles cognitifs qui permettent de travailler avec divers niveaux de représentations correspondant aux différents types et niveaux de connaissances (Gott, 1989). La prochaine partie traite de la question de la modélisation de la performance en électronique.

MODÈLES DE PERFORMANCE

Le développement de modèles explicatifs du comportement humain est caractéristique de nombreuses recherches en intelligence artificielle et en psychologie cognitive. En intelligence artificielle, c'est principalement autour de systèmes tutoriels intelligents (S11) que se sont élaborés ces modèles et ce, pour différents domaines (Anderson, Boyle et Reiser, 1985; Clancey, 1986b) dont l'électronique (Lajoie, 1986; White et Frederiksen, 1986a, 1986b). Des efforts ont également porté sur le développement d'outils d'analyse permettant de mieux représenter ou «modéliser» le traitement de l'information en situation de résolution de problèmes (Larkin, 1985; Frederiksen, 1989a) et plus particulièrement en situation de dépannage de circuits électroniques (Lesgold, Lajoie, Logan et Eggan, 1990).

Les modèles proposés par White et Frederiksen (l986a, 1986b) et Lesgold etal

(1990) seront discutés plus avant Ces deux modèles sont jugés comme offrant une contribution significativeàlarecherche en électronique afin de modéliser et de comprendre la performance d'individus.

Dans le contexte du modèle de White et Frederiksen (1986a, 1986b), l'expertise en électronique peut se résumer à l'utilisation d'un ensemble de modèles mentaux. Les auteurs constatent qu'en tout début de formation les novices ne sont capables que de raisonnements qualitatifs au sujet de diagrammes de circuits électriques. Après quelques

années de formation et d'expérience, cette tendance change pour se cantonner dans un raisonnement qui devient essentiellement quantitatif. Ceci serait dû, en partie,à l'emphase placée sur l'apprentissage de méthodes quantitatives pour mesurer le bon fonctionnement des circuits.

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Chapitre premier 17

AfIn de contrecarrer cette tendance, White et Frederiksen proposent l'utilisation d'un environnement d'apprentissage(S11) basé sur une progression de modèles qualitatifs de raisonnement. Le but de ces efforts est de permettre aux novices de développer un raisonnement qui soit similaire à celui d'expens, c'est-à-dire de raisonner d'abord qualitativement à propos ducircuit,et à la suite de progresser vers un raisonnement quantitatiflorsque cela s'avère nécessaire.

Le modèle proposé par White et Frederiksen (1986a, 1986b) procure de bonnes avenues explicatives dans la compréhension des niveaux de représentation et de

raisonnement, mais laisse de côté le rôle très significatifjoué par l'input de l'apprenant dans la phase de dépannage de circuits. Commeilen a été fait mention dans la littérature (p. ex.• Ericsson, Chase et Faloon, 1980), les connaissances antérieures qu'une personne possède semblent directement affecter sa performance lorsqu'elle tentera de réaliser différentes tâches. Ces connaissi.nces antérieures doivent donc être évaluées de façon explicite et être prises en considération dans l'élaboration du modèle. De plus. le modèle de White et Frederiksen n'est pas explicite quant au formalisme qui a permis de générer les

représentations qualitatives et qui gère la structure de contrôle du programme. Des modèles formels décrivant la structure de contrôle, de même que les connaissances théoriques et procédurales de la tâche donneraient une explication plus détaillée et complète: des processus observés en cours de résolution de problèmes. Le modèle de White et

Frederlksen (1986a, 1986b) semble s'être inspiré de la méthode de «l'apprentissage par la maîtrise» (mastery learning) dans la définition de l'organisation des connaissances.

La modélisation des connaissances issues d'un domaine tel que l'électronique met en lumière leur diversité et leur complexité. De ce fait, les problèmes de dépannage sont également complexes, et nécessitent que les techniciens considèrent un vaste éve:ntail d'actions potentielles dans le but ultime de réparer le circuit. L'analyse et la modélisation de la performance d'individus en situation de résolution de problèmes en électronique (dépannage decircuits)deviennent alors en elles-mêmes des tâch,s ardues. Ayant fait ce constat, et pour «simplifier» et rendre plus accessible ce travail d'analyse, Lesgold et al. (1990) ont développé une «... technology that direetly reflected experts' views of what cogntive activities were critical to troubleshooting.» (p.333). À l'aide d'un expert en

électronique,ils ont proposé le concept d'espace problème efficace (effective problem

space).

La notion d'espace problème est souvent utiliséeafinde faire référenceàune structure de réseaux dans laquelle les noeuds représentent des états partiels de la solution du

problème et les liens représentent des actions qui font avancer le processus de solution d'un état partiel de la solutionàun autre (Newell et Simon, 1972). Durant la résolution du problème, un individu «traverse" l'espace problème en passant par un chemin qui représente la séquence des étapes, menant vers la solution du problème, qui ont été sélectionnées (voir section La notion d'espace problème).

Pour le problème de dépannage étudié par Lesgold et al. (1990), il existe des milliers de choix (moves) possibles. Les auteurs ont donc décidé de ne considérer que les choix, bons ou moins bons, qui sont susceptibles d'être faits principalement par les experts, mais aussi par les apprentis. Les choix plutôt rares ou bizarres n'ont pas été considérés.

L'espace problème efficace représente donc le sous-ensemble qui reste de l'espace problème. Dans le but de structurer davantage ce modèle du processus de résolution, Lesgold et al. (1990) ont regroupé les différentes parties des chemins de l'espace problème en une hiérarchie d'unités plus larges appelées sous-buts (le but global étant de résoudre le problème). Chaque sous-but est une partie delaprocédure de résolution du problème. Ainsi, au lieu de représenter le problème à un niveau d'activités très détaillées (p.ex., manipulation d'un cadran de l'instrument de mesure), l'espace problème efficace considère l'action à un niveau plus global (p.ex., tester une fonction du circuit). TI est ainsi possible de représenter l'espace problème efficace de tâches très élaborées, comme le dépannage de circuits très complexes. Lesgold et al. (1990) précisent qu'un des aspects importants d'une telle démarche est de s'assurer que «the effective problem space is complete with respect to thekeymental modelsthat guide expert problem solving» (p.333). L'espace problème efficace est représenté sous fenne arborescente et chacun des noeuds représente les différentes actions globales susceptibles d'être réalisées.

Grâceàl'élaboration d'un modèle décrivant la résolution de problèmes, les auteurs précisent qu'il a été possible de spécifieràl'avance les questions permettant d'examiner les activités métacognitives (p.ex., la planification) utilisées durant l'exécution de la tâche de dépannage. C'estàpartir du protocole obtenu par le questionnement des sujets (apprentis et experts) que la perfennance de chacun a pu être iracée sur l'espace problème efficace. TI est ainsi possible de comparer la performance d'experts et de novices en superposant le tracé de chacun.

Le travail effectué par Lesgold et al. (1990) représente un progrès significatif vers l'étude de la performance dans des domaines sémantiquement complexes. tel que

l'électronique. L'utilisation du formalisme de l'espace problème efficace peut ainsi décrire les manipulations cognitives de tâches complexes et comportant un très grand nombre d'états potentiels. parce que ceux-ci SOnt réduits àun nombreph:~limité. L'utilisation qui est faite de l'espace problème et la méthode utilisée pour décrire les manipulations des sujets démontrent cependant des limites. Premièrement. l'utilisation de l'espace problème efficace permet de décrire les actions des sujets. mais ne précise pas les connaissances conceptuelles qui sont rattachées aux différents états du problème. Deuxièmement. l'espace problème efficace est défini principalement en fonction des actions qu'un expen prendrait. cette tâche étant réalisée par un expen du domaine. TI est ainsi possible de saisir la

performance d'expens et de novices lorsqu'elle s'apparente à celle définie par ce «modèle expen». Cependant, lorsque le sujet, particulièrement novice. effectue des choix qui se situentàl'extérieur du modèle proposé par l'espace problème efficace. ceux-ci sont difficilement interprétables. TI serait donc souhaitable de modéliser la performance de novices de façon à pouvoir mieux expliquer les choix qu'ils prennent

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Chapitre premier 19

LA REPRÉSENTATION DES CONNAISSANCES

Le développement de modèles de performance d'expens dans des domaines

spécifiques, comme celui de l'électronique, est centré autour de l'utilisation de techniques, issues de la recherche en sciences cognitives sur les représentations cognitives, pour construire des modèles faisant référence aux connaissances utilisées par les expens dans ces domaines (p.ex., Anzai, 1991). Cette section présente brièvement l'état des

connaissances surlanature des représentations cognitives appeléesàstructurer les connaissances en mémoire.

Letraitement cognitif de tout être humain implique des connaissances et l'utilisation de ces connaissancesafinde représenter l'information contenue dans le langage, les symboles graphiques ou tout autre médium permettant la transmission du savoir.

Conséquemment,lareprésentation et la manipulation des connaissances ont été l'objet de nombreuses recherches en sciences cognitives. Ces recherches se sont attardéesàtenter d'élucider des problèmes aussi divers quelasémantique du langage naturel,la

compréhension etlaproduction de textes en langage naturel, la structure des représentations conceptuelles en mémoire, la sémantique des procédures et des problèmes, de même que l'application de ces modèles formels dans le développement de systèmes informatiques. Ce

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représentation sémantique des connaissances en mémoire. par opposition au développement de théories spécifiquesàun domaine d'étude donné.

La recherche sur la représentation des connaissances a été préoccupée par deux types de connaissances au niveau du système de traitement de l'information chez l'humain. nommément les connaissances déclaratives et les connaissances procéduraIes. Les connaissances déclaratives représentent la connaissance des faits et des relations existant entre ces faits. et sont représentées en langage naturel ou sous d'autres formes de représentations symboliques (p.ex. graphiques. diagrammes. équations. etc.). Les connaissances procéduraIes correspondentàla connaissance des règles etàl'organisation de ces règles qui gèrent et contrôlent des actions complexes. et comment elles peuvent être appliquéesdansdes situations particulières. Traditionnellement. ces deux genres

d'information ont été conçus comme deux types de connaissances distinctes (p.ex.• Anderson, 1983). Typiquement, les connaissances déclaratives ont été représentées sous forme de propositions et de réseaux sémantiques (van Dijk et Kintsch, 1983; Frederiksen.

1975; 1986) et les connaissances procéduraIes ont été représentées sous forme de procédures et de règles de production (voir sectionL'analyse de protocoles). Un des problèmes liés au fait de distinguer de façon stricte la représentation de ces deux types de connaissances est celui de spécifier comment les connaissances déclaratives et procéduraIes sont inter-reliées (Kieras et PoIson, 1985).

Une des solutions possibles à ce problème d'intégration des connaissances déclaratives et procéduraIes au sein d'une même structure est de représenter les

connaissances procéduraIes de façon déclarative sous forme de <<réseaux de planification»

(planning nets),ou réseaux procéduraux, qui sont isomorphes aux systèmes de production (Bruce, 1983; Frederiksen, 1989a). Dans le contexte d'un réseau procédural hiérarchique. les noeuds représentent des procédures et les liens entre les noeuds représentent les

relations de décomposition des buts et de contraintes temporelles liant les sous-procédures.

Leréseau sémantique peut ainsi représenter explicitement, et de façon déclarative, les connaissances qui sont requisesafinde contrôler des actions dans l'application d'une procédure, de même que l'organisation hiérarchique de cette procédure. Différents modèles ont été proposésafinde représenter les connaissances de façon intégrée (voir section

Méthodes d'analyse sémantique).

Les méthodes développées en sciences cognitives peuvent être utilisées pour «modeler» les connaissances et les processus cognitifs d'experts, et pour analyser l'utilisation de ces connaissances en situation de résolution de problèmes dans des

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Chapitre premier

domaines de compétences techniques (comme l'électronique). L'utilisation de ces méthodes et de ces modèles peut déboucher vers l'élaboration de modèles explicites des connaissances du domaine d'étude et des processus cognitifs utilisés pour appliquer les connaissances déclaratives et procéduraIes du domaine. Ces «modèles experts», tel qu'il en a été fait mention précédemment. peuvent alors être utilisés afin de comparer la performance d'étudiantsàcelle d'experts en sit'..ation de résolution de problèmes.

LA RÉSOLUTION DE PROBLÈMES

21

Cette section présente quatre aspects de la recherche en résolution de problèmes:(I)la notion d'espace problème; (2) le degré de définition d'un problème; (3) le niveau de

complexité des domaines d'où origine un problème; et (4) le phénomène de planification. Pour débuter. l'orientation générale de la recherche en résolution de problèmes est élaborée. puis une brève discussion sur les difficultés associées avec la définition de ce que constitue un problème est présentée. finalement une défmition du terme problème est offerte.

La résolution de problèmes a tout d'abord été étudiée par les psychologues gestaltistes au cours des années '20à'50 et était alors conceptualisée comme un processus

d'organisation cognitive: les problèmes étaient vus comme des situations pour lesquelles les représentations cognitives avaient des vides ou des inconsistances, et la résolution de problèmes correspondaitàtrouver des moyens d'organiser ces situations afin de leur procurer une structure adéquate (p.ex.• Duncker. 1945). Un autre point de vue a .:té adopté par les psychologues béhavioristes: un problème naissait lorsque la réponse (solution) nécessaireàl'atteinte d'un but était «moins forte» que d'autres réponses. Pour résoudre ce problème, les résolveurs étaient encouragésàproduire une variété de réponses distinctes afin d'augmenter la possibilité de produire des réponses inhabituelles ou originales et ainsi de trouver une solution (réponse) adéquate pour le problème (p. ex., Maltzman, 1955). Durant les années '60. l'étude de la résolution de problèmes a été révolutionnée par l'avènement du paradigme du traitement de l'information et des concepts qui y sont associés:laperformance en situation de résolution de problèmes y est analysée en détail et son interprétation inclut des postulats spécifiques en regard des processus cognitifs impliqués au niveau de la performance (p.ex.• Paige et Simon. 1966).

L'étude de la résolution de problèmes constitue une des activités les plus importantes de la recherche en psychologie cognitive et en intelligence artificielle (Chi, Glaser et Rees. 1982; Kahney. 1986; Simon et Simon, 1978). Newell et Simon (1972) ont jeté les bases delarecherche surlarésolution de problèmes enlasituant autour d'un ensemble de