Générativité, calcul et simulation

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

---

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 simulations ("Data and Algorithm" Manovich, 2001). 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 du publique à la création à travers la machine.

La générativité est un terme 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)), 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

Les apports de la générativité de l'outil informatique s'étendent à beaucoup de domaines. Depuis le debut, ils ont été fondamentaux dans le domaine de la recherche scientifique, dans un premier temps en tant qu'outil de calcul et par la suite dans la modélisation par simulation de systèmes de plus en plus complexes.

Aujourd'hui les apports de cette possibilité touchent presque tous les domaines, scientifiques tels que la physique, chimie, biologie, médecine ou ingénierie, mais aussi des domaines économiques, sociaux, sécuritaires, militaires, etc.

L'énorme capacité de calcul de l'outil informatique pousse de plus en plus loin les limites de la simulation. Ceci à des conséquences économiques, ainsi dans les grands projets d'ingénierie, scientifiques ou industriels on peut éliminer des coûteuses étapes intermédiaires et les remplacer par des simulations. Mais aussi dans le travail ou la formation d'un pilote ou un manipulateur de machines sont dévenues moins coûteuses par l'utilisation de simulateurs de vol ou de modéles informatisés.

Dans le domaine médical, l'apport principal de la générativité s'est fait sentir sutout au niveau du diagnostic, où les appareils d'imagérie (IRM, scaner) ont été capables de traduire les mouvements d'atomes où d'électrons en images internes d'un organisme.

Dans les domaines sécuritaires, la modélisation des comportements de masse on pu être utilisés pour évaluer les systémes d'évacuation d'une population en cas d'incident, mais aussi, la simulaiton à permis de diminuer les marges d'erreur dans les évaluations de risques.

Une grande partie des politiques sociales actuelles est basée sur des prédictions, faites par des programmes informatiques, de données telles que le viellissement de la population, l'évolution des coûts de la santé ou de conjonctures économiques.

D'autres apports de type éducatif sont analyses ci-dessous.

Types de logiciels exploitant cette possibilité

La générativité est exploitée par la plupart des logiciels interactifs où sont générées des réponses aux demandes de l'utilisateur. On y trouve les logiciels de calcul, des plus simples accessibles à tout le monde aux très complexes; les logiciels de simulation, de plus en plus rependus; les logiciels éducatifs interactifs; et, dans l'univers des loisirs, la plupart des logiciels de jeu. A mi-chemin entre le logiciel de loisir et éducatif est le générateur développé par David Cope, professeur à l'University of California at Santa Cruz. Les algorithmes de Cope génèrent de musiques dites "dans le style de...". Il est possible d'écouter quelques résultats musicaux générés par ordinateur sur la page web de Cope:
http://arts.ucsc.edu/faculty/cope/mp3page.htm

Applications 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: [3]

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: [4]

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-accommodation, il parvient à acquérir de nouveaux savoirs mais après avoir auparavant 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'entrainement. Ils se focalisent sur une tâche spécifique. Dans le passée, 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 vidéos d'animations nous présentant des histoires hypothétiques, basées dans la réalité, et impliquant les professeurs les élèves dans une classe. Les ANV sont utilisés pour analyser les difficultés d'apprentissage des enfants ou d'autoanalyse 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'identification d'icônes, avec un logiciel d'analyse sémantique (Ph. Dessus et D. Peraya,2005 [[5]])

-Apports des logiciels de jeux éducatifs

Le jeu, auquel on reconnait un rôle éducatif 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 réservés 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]).

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.

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. [8]

-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 [9]

-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. [10]

- Répertoire informatisé des publications de l'EPI de 1971 à 2001-Liens-articles [11]

- Apprendre au moyen de simulation en ligne : avantages et limites (c) 2006, Touil Sonia Miled- Lien vers l'article -[12]

- Computer Models of Musical Creativity. (c) 2005, Cope, David. Cambridge, MA: MIT Press.