Générativité, calcul et simulation

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Page réalisée dans le cadre du cours Conception des Environnement Informatisés d'Apprentissage de la formation Maltt, au TECFA.

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Définition principale

Si on parle de possibilités, en informatique, on peut définir la générativité comme la capacité de l'ordinateur de générer des nouvelles données, à la demande de l'utilisateur, à partir des données emagasinées(data-base), transformées par des calcul ou des simulation. Cette générativité peut être plus ou moins complexe, allant d'un simple calcul effectué à partir d'un petit nombre de données, comme le dessin d'une droite avec deux mouvements de souris ([Gabri géomètre, http://www.cabri.com/v2/pages/fr/products_cabri2plus.php]), aux mouvements soffistiquées produits par simulation dans un jeu virtuel (Foodforce,[1]).

La simulation est une reproduction artificielle d'un phénomène réel. La simulation numérique ou informatique désigne un procédé selon lequel on exécute un programme informatique sur un ordinateur en vue de simuler par exemple un phénomène physique complexe (ex: chute d'un corps sur un support mou, résistance d'une plateforme pétrolière à la houle, fatigue d'un matériau sous sollicitation vibratoire, usure d'un roulement à billes, ...).[2]

A la base de la simulation il y a le calcul numérique [3], l'ensemble de calculs qui sont réalisés sur un système informatique. A l'origine les ordinateurs ont été utilisés pour le calcul et les premières simulations arrivent avec le projet Manhatan, pour modéliser les effets de la bombe atomique. Les interfaces graphiques permettront par la suite la visualisation des résultats des calculs par des images de synthèse. Ces simulations informatiques sont rapidement devenues incontournables pour la modélisation des systèmes naturels en sciences, des systèmes humains en économie et en science sociale ou d'environnements plus ou moins complexes dans les jeux, ludiues ou éducatifs.

A la base de la générativité il y à la programmation, l'algorithme, qui transforme les données de base en fonction des demandes de l'utilisateur. (Manovich, L. The Language of New Media. Cambridge, MA: MIT Press, 2001, ch.5).

Autres définitions

Une simulation est une approximation, en mathematiques on l'utilise quand pour un problème concret on ne peut pas apporter une réponse concrete et unique, on cherche alors à construir un modéle théorique pour trouver une solution approchée suffisamment fiable, par exemple, Simulation par la technique des éléments finis ([4]), méthodes de Runge-Kutta. On peut aussi construir un simulation par l'analyse de probabilités, simulation Monte-Carlo ([5]).

L'utilisation de la générativité de certains logiciels de traitement de l'image, du texte et du son a permis le developpement ces dernières années de l'Art génératif [6], ou des artistes expérimentent sur la création automatique, en écriture, musique ou dans les arts visuels; mais aussi dans l'intégration de publique à la création à travers la machine.

La générativité est un therme utilisé aussi en linguistique, linguistique générative (Chomsky), et aujourd'hui on utilise l'ordinateur dans des recherches sur l'apprentisage de la lecture (Freudenthal, D., Pine, J. M., & Gobet, F. (2003). The role of input size and generativity in simulating language acquisition. Proceedings of the European Cognitive Science Conference 2003 (pp. 121-126). Mahwah, NJ: Erlbaum. http://people.brunel.ac.uk/~hsstffg/bibliography-by-type.html) , sur la traduction automatique [7] ou même sur la génération d'une langue , comme dans les expériences avec les chiens Aibos de Sony (Science et Vie, oct.2006).

Apports

Apports des Simulations

La simulation numérique ou informatique, fournit un apport utile dans le domaine de la recherche scientifique et l'innovation technlogique. Ainsi, les chercheurs, les ingénieurs, les militaires et bien d'autres professionnels se posent souvent la question : quel est le résultat que obtienu si une telle action est exercée sur un élément ? On ne peut répondre à cette question sans lister les différents apports de la simulation numérique ou informatique:

- Usage de la simulation dans plusieurs context de modélisation pour reproduire des modèles de fonctionnement naturel, des systèmes physiques ou humains.

- Usage de la simulation pour atteindre une performance ou une optimisation dans le domaine de la sécurité technologique, des tests scientifiques, de l'éducation ou de la formation.

- Usage de la simulation en vue de voir les effets réels ou alternatifs des modes d'actions scientifique.

- Usage de la simulation dans le but d'accéder aux sources réelles des systèmes d'information, de sélectionner les caractéristiques comportementales approximatives afin d'obtenir un résultat proche de l'action réelle.

- Usage de la simulation pour réduire dans de nombreux cas, le coût des expériences scientifiques ou son opposition à l'éthique. O

On fait alors appel à la simulation pour atteindre les objectifs cités précedemment mais aussi rechercher un élément qui réagit d'une manière semblable à celui que l'on veut étudier et qui permettra d'obtenir les résultats escomptés.

Donc, comme, on vient d'en présenter les apports, la simulation, en général, est un outil utilisé pour étudier les résultats d'une action sur un élément sans réaliser l'expérience sur l'élément réel. Lorsque l'outil de simulation utilise un ordinateur on parle de simulation numérique. [8]

Apports des simulations numériques

Les apports s'étendent aussi aux simulations numériques. Les simulations numériques sont utilisées par les professionnels (chercheurs, ingénieurs, économistes, médecins, etc.) dans toutes les phases de recherche ou d'étude d'un phénomène ou pour concevoir et améliorer les systèmes. Les simulateurs hybrides analogiques - numériques avec homme dans la boucle, sont de plus en plus utilisés pour l'enseignement ou l'entraînement. Leur coût relativement élevé les a d'abord réservés aux professions les plus en pointe ou à risque (pilotage d'un aéronef, commande d'une centrale nucléaire, engagement armé, etc.). La diminution du prix des systèmes vidéo permet d'envisager aujourd'hui des applications à la conduite des camions voire même des automobiles. Enfin de nombreux jeux vidéo sont des utilisateurs des mêmes techniques soit en permettant au joueur de se trouver dans une situation excitante ou dangereuse (pilote de chasse…) soit dans une situation fantasmagorique. [9].

Les différents Types de simulation

Historiquement, les simulations comme l'avons indiqué sont utilisées dans plusieurs domaines. Mais dès le xxème siècle, il s'est étendu dans un large domaine allant de la cybernétique combinée à l'informatique entraînant une glissement systématique du concept dans le champ dans le champ techn ologique.

La simulation physique et interactive

Elle porte sur la simulation physique des objets en vue de les substituer aux choses réelles. Ces manipulations sont utilisées car en grandeur elles sont plus petites et moins coûteuses que dans le champ réel. La dimension interactive est un aspect particulier de la simulation physique incluant des acteurs humains.

La simulation par ordinateur

Elle vise à tester une situation proche de la vie réelle et d'analyser des environnements de travail réels. En changeant les variables, des prédictions peuvent faites en fonction du comportement du système informatique.

La Simulation en science informatique

Dans ce domaine, la simulation a une signification et un sens spécifique. Le chercheur, Alan Turing emploie le terme de "simulation pour désigner ce qui se passe en informatique quand un ordinateur change de programme; il décrit les transitions en prenant en compte les imputs et les outputs et permet à l'ordinateur de simuler le travail de la machine.

La Simulation en formation

Elle est utilisée en situation de formation par les civils et les militaires en cas de danger des situations étudiées avec des équipements réels occasionnant des coûts financiers élevés. Dans ce genre d'environnement simulé, les risques sont fortement contrôlés et limités car nous sommes dans une situation artificielle très éloignée de la réalité.

La Simulation dans le domaine de l'éducation Elle est proche quelque part de la simulation en formation. Elles emploient des procédés proches Par le passé, la vidéo par exemple a été utilisée par les enseignants afin d'initier les étudiants à l'observation, à la résolution de problème et aux jeux de rôle. Néanmoins, les récentes simulations éducatives qui apparaissent incluent des images animées comme celles de Cartoon à la télévision et d'autres situations de jeu enseignées en classe par les enseignants.

La Simulation dans le domaine des affaires

Elle s'étend dans le domaine des affaires notamment des études ou formations consacrées aux affaires et au business à une période tout à fait récente. Ce mode de simulation incorpore des modèles dynamiques comportant peu de risques pour l'environnement et prenant en compte la possibilité de réaliser des études de cas dans le domaine des affaires.

La simulation dans le domaine Médical

Dans ce domaine, la simulation permet de faire des diagnostics thérapeutiques et d'anticiper des décisions et expériences médicales de manière virtuelle avant de l'appliquer à des humains. C'est dans le domaine de la recherche sur la transfusion sanguine, des traumatismes et d'autres d'intervention médicale.

==Types de logiciels exploitant cette possibilité==

Ils existent d'autres logiciels qui exploitent cette possibilité de simulation. Par simulation, nous entendons bien sûr simulation numérique ou simulation informatique. Pour rappel, elle désigne : « un procédé selon lequel on exécute un programme informatique sur un ordinateur en vue de simuler par exemple un phénomène physique complexe ». Nous avons trouvé d'autres logiciels tels que Foodforce qui simule des actions d'intervention en matière d'aide humanitaire.

L'enseignement qu'on en tire est que ce logiciel permet par les simulations, à initier des apprenants dans le cadre d'une situation pédagogique ou personnelle (à la maison) de prendre connaissance des possibilités de l'ordinateur en s'exerçant à ce jeu. Nous avons trouvé aussi par nos recherches sur les logiciels de simulation, le Logiciel Stella que nous n'avons pas testé, mais qui permet "une simulation générale permettant la création de modèles à partir de relations psycho-mathématiques entre grandeurs". Le principe de ce logiciel repose sur la représentation par des liens, entre grandeurs et taux de variations. La simulation pour ce logiciel est fondée sur l'intégration numérique d'équations différentielles du 1er ordre, modélisant une relation"pompe-réservoir".[cf(http://www.inrp.fr/Tecne/Acexosp/Actsimul/Introsim.htm)] Ce logiciel est téléchargeable en version windows ou mac sous ce lien: [10]. Il est édité par une entreprise américaine basée à Hanovre- HPS(High Performance Systems, Inc).

D'autres logiciels de simulation dédiés à la physique et à la géométrie existent aussi tels que: RayTrace, Interactive Physique, etc...

Applications pour la pédagogie

Simulation in education

La plupart de logiciels éducatifs intéractifs, exploitent la possibilé générative de l'ordinateur. Les plus simples l'utilisent par des séquences question-réponse où le lopgiciel donne un retour sur le travail ou action de l'apprenant soit sous forme de score, de remarque ou de permission pour le passage à une nouvelle étape. D'autres, plus complexes peuvent pemettre des manipulations visuelles (ex: structures moléculaires en sciences), ou des simulations sur l'écran d'expériences sophistiquées, d'accés difficile dans la réalité.

Les simulations en éducation sont, d'une certaine manière, comme les cimulateurs d'entrenement. Ils se focalisent sur une tache spécifique. Dans le pasée, la video à été utilisée par des professeurs et étudiants en éducation pour l'observation, la resolution de problèmes ou les jeux de rôles; aujourd'hui un usage plus récent des simulations utilise l'animation par vignètes narratives, (animated narrative vignettes (ANV)). ANV sont des videos d'animations nous présentant des histoires hypothetiques, basées dans la réalité, et implicant les professeurs les élèves dans une calsse. Les ANV sont utilisés pour analyser les difficultés d'apprentissage des enfants ou d'autoanlyse des professeurs.

Dans le domaine de la recherche éducative, les simulations sont utilisés pour modéliser des apprentissages, comme l'acquisition du langage ou de la lecture, ou par exemple évaluer le rôle des connaissances dans l'idéntification d'icônes, avec un logiciel d'analyse sémantique (Ph. Dessus et D. Peraya)

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Exemples d'EIA utilisant cette possibilité

On a deux exemples dans le cadre du cours EIA qui utilisent cette possibilité. Il s'agit du logiciel Alice et du logiciel Foodforce,qui présentent chacun des éléments de proximité avec le logiciel pédagogica:

Proximité d'Alice et de Pedagogica

Pour rappel, Alice est un programme moderne utilisé pour des personnes ayant peu de connaissances en programmation informatique. Il permet grâce à un programme de base, de créer des films ou des jeux vidéos. Elle remplit une fonctionnalité proche de celle pédagogica car elle permet une simulation réelle de création de jeux vidéos. La simulation dans Alice permet de créer des mondes virtuels. L'utilisateur ou le joueur avec le logiciel Alice ou pédagogica,agit en créant un monde virtuel. Les deux logiciels se rapprochent aussi par la fonction ludique et pédagigogique. L'utilisateur de ces deux logiciels joue et apprend. Il joue car les manipulations effectuées sur Alice par des apprenants et ceux faites sur Pédagogica (construction et desconstruction) des membres du dragon comportent un aspect ludique mais en même temps d'apprentissage. L'utilisateur apprend de ses propres erreurs de manipulation tout en jouant et construit de nouvelles connaissances.

Proximité de Food-force et Pédagogica

Rappelons que Foodforce est un logiciel qui permet de simuler des activités de largage de vivres dsns des zônes sinistrées (guerres et famines) par des acteurs du PAM. Ces acteurs ne sont pas des personnes réelles. Ce sont des personnages qui remplissent un rôle virtuel. Leur mission, leurs objectifs et l'organisation de leurs activités sont simulées en grandeur réelle grâce à un puissant logiciel mettant en scène des agents que tout rapprochent de la réalité. De ce point de vue, Foodforce et Alice remplisssent des fonctions de simulation. Tout comme le logiciel foodforce, le logiciel pédagogica remplit des fonctions éducatives adaptables en situation d'enseignement- apprentissage. Ils peuvent servir de supports pédagogique pour sensibiliser des apprenants jeunes ou adultes sur les fonctions d'apprentissage, simulatives et technologiques des logiciels éducatifs.