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

La simulation est une reproduction artificielle du fonctionnement d'un appareil, d'une machine, d'un système, d'un phénomène, à l'aide d'une maquette ou d'un programme informatique, à des fins d'étude, de démonstration, d'explication, ou d'autres.

La simulation numérique est l'un des outils permettant de simuler des phénomènes réels. Une simulation numérique (dite aussi simulation 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, ...).[1]

A la base de la simulation il y a le calcul numerique, l'ensemble de calculs qui son 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 permettent 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.

Autres définitions

Simulation is used in many contexts, including the modeling of natural systems or human systems in order to gain insight into their functioning. Other contexts include simulation of technology for performance optimization, safety engineering, testing, training and education. Simulation can be used to show the eventual real effects of alternative conditions and courses of action. Key issues in simulation include acquisition of valid source information about the referent, selection of key characteristics and behaviours, the use of simplifying approximations and assumptions within the simulation, and fidelity and validity of the simulation outcomes.

Les simulations 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.

==Apports==

Apports des Simulations de phénomènes

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 j'obtiens si j'exerce telle action 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. - L'usage de la simulation permet 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. - Recours à la simulation pour réduire dans de nombreux cas, le coût de l'expérience ou son opposition à l'éthique. On a alors recours à la simulation : rechercher un élément qui réagit d'une manière semblable à celui que l'on veut étudier et qui permettra de déduire les résultats. Donc, comme, on vient d'en présenter les apports, la simulation est un outil utilisé par le chercheur, l'ingénieur, le militaire etc. 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. [2]

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. [3].

Enfin, les simulations fournissent des apports multiples. Elles 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.

Types of simulation

Historically, simulations used in different fields developed largely independently, but 20th century studies of Systems theory and Cybernetics combined with spreading use of computers across all those fields have led to some unification and a more systematic view of the concept.

Physical and interactive simulation

Physical simulation refers to simulation in which physical objects are substituted for the real thing. These physical objects are often chosen because they are smaller or cheaper than the actual object or system.

Interactive simulation is a special kind of physical simulation, often referred to as a human in the loop simulation, in which physical simulations include human operators, such as in a flight simulat

Computer simulation

A computer simulation is an attempt to model a real-life situation on a computer so that it can be studied to see how the system works. By changing variables, predictions may be made about the behaviour of the system.

Simulation in computer science

In computer science, simulation has an even more specialized meaning: Alan Turing uses the term "simulation" to refer to what happens when a digital computer runs a state transition table (runs a program) that describes the state transitions, inputs and outputs of a subject discrete-state machine. The computer simulates the subject machine.

Simulation in training

Simulation is often used in the training of civilian and military personnel. This usually occurs when it is prohibitively expensive or simply too dangerous to allow trainees to use the real equipment in the real world. In such situations they will spend time learning valuable lessons in a "safe" virtual environment. Often the convenience is to permit mistakes during training for a safety-critical system.

Training simulations typically come in one of three categories:

• "live" simulation (where real people use simulated (or "dummy") equipment in the real world);
• "virtual" simulation (where real people use simulated equipment in a simulated world (or "virtual environment")), or
• "constructive" simulation (where simulated people use simulated equipment in a simulated environment). Constructive simulation is often referred to as "wargaming" since it bears some resemblance to table-top war games in which players command armies of soldiers and equipment which move around a board.

Simulation in education

Simulations in education are somewhat like training simulations. They focus on specific tasks. In the past, video has been used for teachers and education students to observe, problem solve and role play; however, a more recent use of simulations in education include animated narrative vignettes (ANV). ANVs are cartoon-like video narratives of hypothetical and reality-based stories involving classroom teaching and learning. ANVs have been used to assess knowledge, problem solving skills and dispositions of children, and pre-service and in-service teachers.

simulation in business

Another form of simulation has been finding favour in business education in recent years. Business simulations that incorporate a dynamic model enables experimentation with business strategies in a risk free environment and provide a useful extension to case study discussions.

Medical Simulators

Medical simulators are increasingly being developed and deployed to teach therapeutic and diagnostic procedures as well as medical concepts and decision making to personnel in the health professions. Simulators have been developed for training procedures ranging from the basics such as blood draw, to laparoscopic surgery and trauma care.

Another important medical application of a simulator -- although, perhaps, denoting a slightly different meaning of simulator -- is the use of a placebo drug, a formulation which simulates the active drug in trials of drug efficacy (see Placebo (origins of technical term)).

==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: [4]. 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

Simulations in education are somewhat like training simulations. They focus on specific tasks. In the past, video has been used for teachers and education students to observe, problem solve and role play; however, a more recent use of simulations in education include animated narrative vignettes (ANV). ANVs are cartoon-like video narratives of hypothetical and reality-based stories involving classroom teaching and learning. ANVs have been used to assess knowledge, problem solving skills and dispositions of children, and pre-service and in-service teachers.

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. - 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 fonction de

- Proximité de Food-force et Pédagogica