Générativité, calcul et simulation

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 (Cabri Géomètre), aux mouvements sophistiquées produits par simulation dans un jeu virtuel (Foodforce).

La simulation est une reproduction artificielle d'un phénomène réel [[1]]. Dans le cas où elle est exécutée par un programme informatique sur un ordinateur on parle de simulation numérique. A la base de la simulation il y a le calcul numérique, 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 Manhattan, pour modéliser les effets de la bombe atomique.

Les interfaces graphiques permettent aujourd'hui 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, ludiques ou éducatifs (Wikipedia [2]).

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 mathématiques on l'utilise quand pour un problème concret on ne peut pas apporter une réponse concrète et unique, on cherche alors à construire un modéle théorique pour trouver une solution approchée suffisamment fiable.

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, 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 ou même sur la génération d'une langue , comme dans les expériences où deux chiens Aibos de Sony construissent une langue particulière en fonction de stymulations externes(Science et Vie, oct.2006).

Apports

Apports des Simulations informatiques et numériques

Les simulations numériques ou informatiques, fournissent 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 de savoir: quel est le résultat que obtenu si une action quelconque est exercée sur un élément?

L'objet de notre réflexion n'est pas de répondre directement à cette question, mais dabord de répertorier les différents apports de la simulation numérique et informatique dans le champ de la recherche scientifique et pégogique.

Les Apports scientifiques et technologiques

- Usage de la simulation des contextes 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.(Souci de ne pas utiliser les humains comme cobayes expérimentaux).

On fait alors appel à la simulation numérique et informatique pour atteindre les objectifs cités précedemment. Le but étant, dans le cadre d'une recherche expérimentale de rechercher un élément qui réagit d'une manière semblable à celui que l'on veut étudier et qui permettra d'obtenir les résultats escomptés tout en limitant les risques pour les êtres humains.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. [3]. [4]

Les différents domaines d'application de la simulation

Historiquement, les simulations comme l'avons indiqué sont utilisées dans plusieurs domaines. Mais dès le xxème siècle, il s'est étendu dans d'autres sphères allant de la cybernétique combinée à l'informatique entraînant une glissement systématique du concept dans le champ technologique. Toutefois, nous avons noté qu'elle s'applique dans le domaine de: la physique, l'informatique, de l'éducation et la formation et le médical .

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 en laboratoire car 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 en science informatique

La simulation en science informatique 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. 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 dans le domaine de l'éducation et la formation

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. Quant à la simulation en formation, on en fait recours dans le domaine militaire et civil en cas de danger des situations étudiées avec des équipements réels occasionnant des coûts financiers élevés. Dans ce genre d'environnements simulés, les risques sont fortement contrôlés et limités car nous sommes dans une situation artificielle et fictive très éloignée de la réalité.

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 que ce procédé simulatif est plus fréquent.

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: [5]. 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

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 simulateurs d'entrainnement. 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.

Le jeu, auquel on reconnait un rôle éducatifs dans les premières étapes de l'éducation de l'enfant, à travers la simulation permettant la création de micromondes [[6]], prend part dans l'apprentissage de domaines jusqu'à il n'y a pas longtemps reservés au discours. Mais aussi dans dans des programmes d'enseignement pour adultes, ainsi dans la formation de programmeurs du Georgia Tech, le programme comprend la analyse et création d'artefactes de jeu.(Mateas, M. 2005"[7]).

Dans le domaine de la recherche éducative, les simulations sont utilisés pour modéliser des apprentissages, comme l'acquisition du langage ou de la lecture (Freudenthal, D., Pine, J. M., & Gobet, F. (2003))., ou par exemple évaluer le rôle des connaissances dans l'idéntification d'icônes, avec un logiciel d'analyse sémantique (Ph. Dessus et D. Peraya,2005 [[8]])

Exemples d'EIA utilisant cette possibilité

Sur les logiciels Alice et Foodforce on trouve des simulations complexes, les deux nous présentent des espaces virtuels dans lesquels on peut évoluer et qu'on peut transformer. Les logiciels nous donnent la possibilité de générer de nouvelles données dans les jeu.

D'autres logiciels, avec un caracter plus academique tels que Cabri Géomètre ou ,pedagogica, utilisent des simulations moins sophistiquées, mais font aussi appel à la générativité. Ainsi dans pedagogica des manipulations sur les gènes transforment la physionomie d'un dragon; sur Gabri-géomètre on peut changer l'orientation d'une droite avec le mouvement de souris.

Sur chemlab, il est plus dificile de estimer si il y a générativité, ou simplement l'utilisation ordonnée de données, comme dans une recette. Un cas de générativité on le trouverait si une manipulation incorrecte donnait lieu, par exemple, à une explosion.

Ressources bibliographiques

-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. [9]

-Mateas, M. "Procedural Literacy: Educating the New Media Practitioner", in On the Horizon: Special Issue on Future Strategies for Simulations, Games and Interactive Media in Educational and Learning Contexts, vol 13, 2005. PDF [10]

-Manovich, L. The Language of New Media. Cambridge, MA: MIT Press, 2001. Extrait du chapitre 5

-Ph. Dessus et D. Peraya. (2005). Le rôle des connaissances dasn l'identification automatique d'iconesö une comparaison avec les humans. Revue d'intéligence artificielle, 19, 194-214. [11]