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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1- 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).

2- 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).

3- Apports

1- Apports des Simulations informatiques et numériques Ils sont multiples et on assiste à plusieurs usages de la simulation dont :

- Usage de la simulation dans 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 précédemment.

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] 

2- 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 un 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 et du médical.

-La simulation physique et interactive

simulation physique des objets en vue de les substituer aux choses réelles. (Usage en laboratoire- interactivité assez élevée)

- La Simulation en science informatique

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. (Cf- travaux du chercheur, Alan Turing)

-La simulation dans le domaine Médical

permet d'apprendre à faire des diagnostics thérapeutiques et d'anticiper des décisions et expériences médicales de manière virtuelle avant de l'appliquer à des humains. Ex : transfusion sanguine, traumatismes et d'autres d'interventions médicales.

-La simulation dans les biosciences

Les biosciences sont des sciences expérimentales prioritairement.. Aussi les simulations n'y ont pas joué un grand rôle en dehors des situations d'apprentissage. Certains systèmes de simulation de processus cellulaires ont pu prédire dans quelle direction orienter la recherche -biochimique classique- de médicaments qui ont pu être découverts plus rapidement. On parle beaucoup de biologie des systèmes (systems biology) CfNature Focus .

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: [3]. 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 des logiciels de simulation pour la pédagogie

La réflexion sur le recours de la simulation dans l'enseignement ne date pas d'hier. Dès le début des années 70, dans certains pays industrialisés: États-Unis, Grande-Bretagne, France, etc, des tentatives ont été menées dans ce sens. Pour prendre un exemple concret, le premier contact avec la simulation pédagogique pour ce qui concerne le groupe « Informatique et Sciences naturelles » de l'INRP, s'est fait par l'intermédiaire de logiciels anglo-saxons portant sur la génétique et l'écologie. Ces logiciels simples ont été traduits en LSE et ont servi de point de départ à la réflexion du groupe qui par la suite a été à l'origine de logiciels bien connus comme MENDEL, NUT, DICO...- Sources: [4]

La simulation numérique ou informatique appliquée à la pédagogie constitue un apport précieux pour les apprenants et les formateurs. De ce point de vue, les logiciels de simulation fournissent notamment en situation de laboratoire expérimentale les avantages pédagogiques suivants: Une flexibilité et encadrement à distance des apprenants de manière virtuelle.

1. La flexibilité des logiciels de simulation

Grâce à la simulation, il peut intervenir à distance dans l'expérience sans sa présence physique dans un laboratoire grâce à son ordinateur disposant d'un logiciel adapté pour l'expérience en question. Cette possibilité lui évite les déplacements et permet un gain de temps. L'encadrement à distance est rendu possible par les vidéoconférences, laboratoires en ligne, formation à distance, Internet, courriel, forums, etc.

2. Rationalisation des moyens didactiques grâce aux logiciels de simulation

La simulation expérimentale en ligne permet de réduire les moyens pédagogiques. Actuellement beaucoup de laboratoires de recherche et d'enseignement font face à des coupes budgétaires. Ils cherchent donc à rationaliser les coûts reliés à l’apprentissage, la formation et l’encadrement. "Par exemple au lieu de faire venir 100 apprenants à une expérience de laboratoire dans une salle quelconque, ce qui nécessite; infrastructures d’accueil, moyens de transport, et toute une logistique, et beaucoup de dépenses. Il suffit d’organiser une séance de laboratoire en ligne, et tous les apprenants n’ont qu’à communiquer entre eux par le biais des ordinateurs".Sources: [5]

3. Tolérance des erreurs grâce aux logiciels de simulation

Ainsi en Physique le recours à la simulation numérique permet d'explorer le comportement d'un modèle mais aussi d'obtenir des résultats qui seront comparés aux données expérimentales. En ce sens, nous avons appris par Piaget que l'apprentissage est le résultat d'une interaction entre le sujet et son environnement. Il parle du "conflit cognitif" quir fait que l'individu par le contact de nouvelles formes de connaissances, voit ces connaissances antérieures remises en cause. Par un procédé d'assimilation-accomodation, il parvient à acquérir de nouveaux savoirs mais après avoir auparavent été bousculé dans ces certaines et connaissances initiales. Cette théorie éducative s'applique en situation de simulations expérimentales en ligne. Dans ces situations les conséquences d'erreurs sont moins importantes par exemple pour des collégiens en cours de chimie que ce qu’elles devront être dans le réel, ce qui permet de dire que l’apprenant a plus de droit à l’erreur sans avoir un impact négatif sur son apprentissage.

Apports des logiciels de simulation dans des situations d'enseignements classiques

Nous entendons par situation d'enseignement classiques ou courantes, celles qui sont habituelles et différentes des expériences de laboratoires. Dans ces situations, les simulations en éducation sont, d'une certaine manière, comme les simulateurs d'entraînement. Ils se focalisent sur une tâche spécifique. Dans le pasée, la vidéo à été utilisée par des professeurs et étudiants en éducation pour l'observation, la résolution 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 (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 [[6]])

-Apports des logiciels de jeux éducatifs

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 [[7]], 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"[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 jeux.

D'autres logiciels, avec un caractère plus académique tels que Cabri Géomètre ou ,pedagogica, utilisent des simulations moins sophistiquées, mais font aussi appel à la générativité. Ainsi dans pédagogica 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 d'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. SimLife a aussi pu être utilisé.

Des logiciels plus spécifiques et où la générativité est plus limitée existent en biologie comme NRJ-dule sur le métabolisme de l'énergie ou Neurodule qui sont utilisés au secondaire supérieur

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]

- Répertoire informatisé des publications de l'EPI de 1971 à 2001-Liens-articles [12]

- Apprendre au moyen de simulation en ligne : avantages et limites (c) 2006, Touil Sonia Miled- Lien vers l'article -[13]