Cette recherche s’inscrit dans les préoccupations récentes du système éducatif québécois à l’égard de l’éducation technologique d’une manière générale, et de l’enseignement de la démarche de conception technologique en particulier, au niveau secondaire. La récente réforme des programmes de formation de l’école québécoise marque une rupture avec les anciens programmes. Parmi les changements curriculaires majeurs qui marquent la récente réforme, il y a l’intégration des sciences et des technologies en une seule discipline scolaire obligatoire pour les quatre premières années du secondaire, le recours à l’approche par compétences, la prise en compte des problématiques sociales et l’adoption d’une perspective épistémologique constructiviste. Pour rendre compte de la contribution de l’éducation technologique à la formation des élèves, nous avons considéré une analyse à trois niveaux en nous basant sur les pratiques déclarées d’enseignants de science et technologie au secondaire. Le premier niveau est celui des contenus de cette discipline. Le deuxième niveau est celui des finalités que cette éducation poursuit. Le troisième niveau est celui des approches d’enseignement mises en œuvre pour enseigner les contenus de cette discipline. À la démarche de conception technologique correspond un processus qui permet de mettre en relation les contenus technologiques (disciplinaires), la conception d’une solution à un problème utile (réalisation) et à l’acquisition des concepts de cette discipline. Nous avons constaté, par une recherche bibliographique, que l’enseignement de ce processus, qui compose l’objet de notre recherche, est peu abordé par la recherche dans le contexte québécois: si l’enseignement des sciences et technologies a fait l’objet de plusieurs recherches abordant les enjeux qu’il véhicule et leurs liens avec la formation des jeunes, la démarche de conception technologique est très peu abordée dans le contexte québécois. Notre objectif général de recherche est de décrire les pratiques d’enseignement déclarées qui font appel à l’enseignement de la démarche de conception technologique. L’étude s’est basée sur des entrevues réalisées auprès de 19 enseignants de science et technologie au secondaire. Le cadre conceptuel retenu pour aborder notre objet de recherche se compose de trois concepts issus de la didactique de l’éducation technologique. Il s’agit, d’une part, de deux concepts disciplinaires, les savoirs technologiques et la démarche de conception technologique, et d’autre part, le troisième concept qui est celui des pratiques d’enseignement déclarées. Ce dernier concept nous sert de base pour élaborer notre cadre d’analyse qui sera ensuite mobilisé pour appréhender les pratiques déclarées lorsque les enseignants mettent en œuvre des situations d’enseignement-apprentissage basées sur la conception technologique en classe. Les résultats de l’étude montrent que les répondants entretiennent des conceptions et des définitions très variées à l’égard des caractéristiques de la démarche de conception technologique. Cela s’accompagne par une diversité de modalités de mise en œuvre de la démarche en classe. Pour certains, la situation d’enseignement-apprentissage présente, pour l’élève, un problème technologique à résoudre et sa résolution nécessite une démarche rigoureuse qui finira par la conception d’un objet répondant au besoin de départ, alors que pour d’autres, bien que leur situation d’apprentissage présente un problème, la démarche de résolution est laissée au tâtonnement et, dans ce cas, l’élève peut ou pas arriver à un produit final répondant au problème. Dans d’autres cas, la situation d’enseignement-apprentissage proposée pour l’élève présente non seulement un problème technique à résoudre, mais également sa solution. Pour construire son objet technique, l’élève n’a qu’à suivre la démarche fournie par l’enseignant, l’expert. En outre, les objectifs du recours à la démarche de conception révèlent une centration sur les finalités soit d’ordre psychopédagogique (différentiation pédagogique, motivation et engagement des élèves, bonne méthode de travail, etc.), soit d’ordre sociologique (travail en équipe, collaboration, construction des connaissances en communauté, etc.). Quatre répondants seulement ont évoqué les finalités d’ordre épistémologique (comprendre les problèmes technologiques complexes, proposer différentes solutions aux problèmes technologiques, comprendre et donner du sens aux concepts technologiques, etc.). Cette étude confirme une problématique dans les pratiques des enseignants lorsqu’ils traitent des contenus de l’univers technologique en général et de la démarche de conception en particulier.

A partir de la conception d’un robot pour une application médicale particulière de télé-échographie, une démarche de conception générique de robots médicaux est proposée. L’étude se décompose en deux phases : la synthèse topologique et la synthèse dimensionnelle. La première est effectuée pour toutes applications médicales à partir de connaissances capitalisées dans un catalogue de robots médicaux réalisé au préalable. La synthèse dimensionnelle est établie pour un robot de télé-échographie. Une nouvelle structure cinématique de poignet sphérique série permettant de rejeter la singularité aux frontières de l’espace de travail est proposée. Après avoir réalisé une analyse cinématique validant le concept, plusieurs optimisations multi-critères sont effectuées selon des critères de performances cinématiques (manipulabilité, dextérité) et d’encombrement (compacité). Une comparaison de l’influence des indices de performance sur l’optimisation est réalisée. Le concept pour l’application de télé-échographie choisi et dimensionné, une démarche de conception préliminaire à l’aide de l’outil CAO est présentée. Une phase de conception collaborative avec des designers est menée afin d’améliorer l’ergonomie, la compacité et l’esthétique du robot. L’association des étapes de synthèses et de conception préliminaire a conduit à la proposition d’une démarche de conception de robots médicaux. / From the design of a tele-echography robot for a specific medical application, a generic methodology for medical robots design is proposed. The study is presented in two parts: a topological synthesis and a dimensional one. The first is made for all medical applications, from a medical robots catalogue built beforehand. The second synthesis is established for a tele-echography robot. A new spherical kinematic structure permitting to reject singularities to the boundaries of the workspace is proposed. After having validated this concept from a kinematic point of view, several multi-criteria optimisations are realised according to kinematic indices (manipulability, dexterity) and bulkiness (compactness). A comparison of indices influence on optimisations is carried out. The concept for teleechography robot chosen and dimensioned, a process of embodiment design with CAD tool is presented. A collaborative design phase with designers is led to improve ergonomics, compactness and aesthetic of the robot. The association of synthesis steps and embodiment design lead to propose a process of medical robots design.

Les moteurs piézoélectriques inertiels sont classiquement considéréscomme des moteurs d'une grande simplicité, mais offrant des forces et desvitesses inférieures aux autres technologies de moteurs piézoélectriques. L'étudeprésentée porte sur l'introduction d'un actionneur piézoélectrique amplifiécomme composant actif du moteur inertiel. L'objectif des travaux est decomprendre et valider, théoriquement et expérimentalement, l'intérêt del'innovation sur la vitesse maximale du moteur ainsi sur l'appel de courantnécessaire à son fonctionnement. La modélisation, analytique puis numérique,permet d'argumenter sur le réel intérêt et les limites de l'amplification dans lesmoteurs piézoélectriques inertiels. En complément, les conceptions, réalisationset tests de trois échelles de moteurs sont effectués, pour divers environnements.Les contraintes vont de la compatibilité à un fort champ magnétique (typeImagerie médicale par Résonnance Magnétique) jusqu'aux contraintes dudomaine spatial (vide, sollicitations mécaniques), en passant par laminiaturisation, la maximisation des efforts, ainsi que le fonctionnement à desbasses températures (jusqu'à -180°C). L'utilisation de paramètres " ajustables "des moteurs inertiels, tels que le signal de commande par exemple, permet des'assurer de la possible répétabilité des moteurs mais aussi d'étendre lespossibilités d'application. Finalement, la démarche de conception à l'aide deparamètres " arrêtés " complétés par des paramètres " ajustables " semblantoffrir de bonnes perspectives d'application au domaine mécatronique, elle estsynthétisée et globalisée afin de permettre aux concepteurs de la mettre enoeuvre.

Les moteurs piézoélectriques inertiels sont classiquement considéréscomme des moteurs d’une grande simplicité, mais offrant des forces et desvitesses inférieures aux autres technologies de moteurs piézoélectriques. L’étudeprésentée porte sur l’introduction d’un actionneur piézoélectrique amplifiécomme composant actif du moteur inertiel. L’objectif des travaux est decomprendre et valider, théoriquement et expérimentalement, l’intérêt del’innovation sur la vitesse maximale du moteur ainsi sur l’appel de courantnécessaire à son fonctionnement. La modélisation, analytique puis numérique,permet d’argumenter sur le réel intérêt et les limites de l’amplification dans lesmoteurs piézoélectriques inertiels. En complément, les conceptions, réalisationset tests de trois échelles de moteurs sont effectués, pour divers environnements.Les contraintes vont de la compatibilité à un fort champ magnétique (typeImagerie médicale par Résonnance Magnétique) jusqu’aux contraintes dudomaine spatial (vide, sollicitations mécaniques), en passant par laminiaturisation, la maximisation des efforts, ainsi que le fonctionnement à desbasses températures (jusqu’à -180°C). L’utilisation de paramètres « ajustables »des moteurs inertiels, tels que le signal de commande par exemple, permet des’assurer de la possible répétabilité des moteurs mais aussi d’étendre lespossibilités d’application. Finalement, la démarche de conception à l’aide deparamètres « arrêtés » complétés par des paramètres « ajustables » semblantoffrir de bonnes perspectives d’application au domaine mécatronique, elle estsynthétisée et globalisée afin de permettre aux concepteurs de la mettre enoeuvre. / Inertial Piezoelectric Motors are basically considered as extremely simplemotors, but weak and slow compared to other piezoelectric motor technologies.The present study is about introduction of amplified piezoelectric actuator asactive component of an inertial motor. The aim of this work is to understand andvalidate the benefits from amplification in terms of motor maximal speed as wellas motor input current, with theory and experimentations. Building of models,analytical and numerical, allows arguing on real interests and limitations of theproposed innovation. As a complement, designs, realisations and tests are madeon three different scales of motors, in order to fit various environmentsconstrains. These constrains go from strong magnetic fields compatibility (suchas Magnetic Resonant Medical Imaging) to space application field (vacuum,vibrations…), passing by miniaturisation, force maximisation, as well as lowtemperature operation (down to -180°C). In addition to design, use of“adjustable” parameters of inertial motors, input signal as an example, giveslarger application opportunities, by increasing force range, etc. Finally, becausedesign process using “stopped” and “adjustable” parameters seems to offergood application perspectives to mechatronics field, this process is summarisedand generalised in order to be implemented by designers.

Dans cette thèse, nous apportons la contribution à la conception de robots médicaux, en proposant une démarche de conception simultanée de la structure mécanique du robot. Par opposition à une vision séquentielle naturelle de la conception, la formalisation du processus créatif permet une simultanéité, ouvrant la voie à des structures innovantes dédiées : en robotique médicale, faible masse et faible compacité de la structure mécanique sont souvent recherchées. A partir d'un descriptif de démarches existantes, nous effectuons la conception d'un robot de télé-échographie et d'un robot de chirurgie mini-invasive. Pour les deux applications, de fortes contraintes sont présentes. En télé-échographie, la portabilité est très recherchée, requérant une faible compacité. Pour la chirurgie mini-invasive, les moto-réducteurs du robot in vivo doivent être dimensionnés au plus juste. Ici, nous avons formalisé l'amélioration de la compacité d'une structure parallèle pour la télé-échographie. Les résultats montrent une amélioration de la compacité de l'ordre de 5%. Dans le même esprit, nous avons formalisé la synthèse dimensionnelle de deux robots 2R-R-R de chirurgie mini-invasive in vivo. Nous réalisons l'optimisation simultanée entre le dimensionnement des moto-réducteurs et des longueurs des corps pour tendre vers une simultanéité totale du processus créatif, ce qui nous permet d'améliorer les performances en termes de force et vitesse à l'effecteur. Ces expériences de conception montrent les limites à une simultanéité stricte. Nous indiquons le besoin d'adapter outils et méthodes de conception mécatronique pour une simultanéité en conception robotique tenant compte de l'aspect imparfait du processus créatif.

Cette thèse a pour sujet la conception de scénarios pédagogiques destinés à l'e-formation. Afin de faciliter les échanges de matériaux décrivant des stratégies pédagogiques, la communauté s'est récemment mobilisée pour proposer un langage standard suffisamment générique pour permettre la représentation de n'importe quel scénario, indépendant même du paradigme éducationnel sous-jacent. Appelé génériquement Educational Modeling Language (EML), ce type de langage engendre une nouvelle façon de concevoir des EIAH, en s'éloignant du traditionnel Instructional System Design, une fois que, au lieu de proposer une application finie, les EML proposent un modèle conceptuel standard, une notation pour l'exprimer et des éditeurs et frameworks, laissant aux concepteurs finaux la tâche de créer leurs propres « applications ». Les EMLs permettent alors la création et exécution d'instances de scénarios, dans une approche plus ouverte et flexible, augmentant, ainsi, les possibilités d'adaptation des applications résultantes aux besoins des usagers.<br />Cette flexibilité reste pourtant limitée et, après quelques années de recherche, les EMLs commencent à montrer ses faiblesses. En fait, le langage choisi pour devenir le standard du domaine, le IMS-LD, s'est montré générique, certes, mais peu expressive, ne permettant pas une représentation fidèle des divers scénarios existants. C'est à dire, c'est aux usagers de s'adapter à la syntaxe et sémantique de cet standard.<br />Cette thèse part d'un constat quant aux difficultés du processus de conception lui-même, et aux risques de coupure qu'il peut y avoir entre pédagogues et développeurs de logiciels. Pour améliorer la capacité des équipes pédagogiques à pouvoir spécifier, et même implémenter, des scénarios pédagogiques, nous proposons une approche où c'est l'EML qui doit s'adapter aux besoins de l'usager. L'usager a la possibilité de créer son propre langage (ou ses propres langages), s'il en a besoin. En plus, un même scénario peut être décrit en même temps par des différents EMLs (ou modèles) respectant des différents perspectives - et même paradigmes - de chaque stake holder. <br />Cette approche, appelée multi-EML, est possible grâce aux avancées récentes du génie logiciel, telle l'Architecture Dirigée par les Modèles – l'implémentation la plus connue d'un nouvel paradigme de programmation surnommé Languages Oriented Programming (LOP), qui inclut encore d'autres implémentations. <br />Notre proposition réside dans la conception d'un environnement informatique « auteur », qui repose sur les principes des Languages Oriented Programming, en utilisant la plateforme ouverte ECLIPSE et, plus particulièrement son implémentation du LOP, l'Eclipse Modeling Framework (EMF). Ainsi, les concepteurs auront un outil qui leur permettra de créer des spécifications formelles décrivant les scénarios envisagés et d'en générer automatiquement des applications correspondantes, dans un processus qui démarre avec les descriptions informelles des experts du domaine.<br />Reconnaissant que les experts d'éducation - ceux qui mieux comprennent le domaine - ne sont pas nécessairement des informaticiens, l'environnement proposé, appelé MDEduc, fournit aussi un éditeur permettant de décrire un scénario dans une notation informelle, à savoir le pattern pédagogique, à partir de laquelle les modèles formels peuvent être dérivés. En plus, nous proposons de garder côte à côte et en coïncidence ces descriptions en langage informelles, et les descriptions plus formelles et normatives et d'offrir la possibilité d'effectuer des allers-retours à toutes les phases du cycle de vie du dispositif pédagogique.

Dans cette thèse, nous apportons la contribution à la conception de robots médicaux, en proposant une démarche de conception simultanée de la structure mécanique du robot. Par opposition à une vision séquentielle naturelle de la conception, la formalisation du processus créatif permet une simultanéité, ouvrant la voie à des structures innovantes dédiées : en robotique médicale, faible masse et faible compacité de la structure mécanique sont souvent recherchées. A partir d’un descriptif de démarches existantes, nous effectuons la conception d’un robot de télé-échographie et d’un robot de chirurgie mini-invasive. Pour les deux applications, de fortes contraintes sont présentes. En télé-échographie, la portabilité est très recherchée, requérant une faible compacité. Pour la chirurgie mini-invasive, les moto-réducteurs du robot in vivo doivent être dimensionnés au plus juste. Ici, nous avons formalisé l’amélioration de la compacité d’une structure parallèle pour la télé-échographie. Les résultats montrent une amélioration de la compacité de l’ordre de 5%. Dans le même esprit, nous avons formalisé la synthèse dimensionnelle de deux robots 2R-R-R de chirurgie mini-invasive in vivo. Nous réalisons l’optimisation simultanée entre le dimensionnement des moto-réducteurs et des longueurs des corps pour tendre vers une simultanéité totale du processus créatif, ce qui nous permet d’améliorer les performances en termes de force et vitesse à l’effecteur. Ces expériences de conception montrent les limites à une simultanéité stricte. Nous indiquons le besoin d’adapter outils et méthodes de conception mécatronique pour une simultanéité en conception robotique tenant compte de l’aspect imparfait du processus créatif. / In this thesis, we propose a contribution to the design of medical robots, by offering a concurrent design or simultaneous approach. As opposed to a natural sequential view of the design process, the formalization of the creative process allows simultaneity, paving the way for innovative structures, dedicated: in the medical robotic field, low mass and low compactness of the mechanical structure are often sought. From a description of existing approaches, we design a tele-ultrasound robot and a minimally invasive surgery robot. For both applications, high physical integration is required. For tele-ultrasound robots, portability is highly sought, requiring low compactness. For minimally invasive surgery, geared motors of the in vivo robot must be sized correctly. Here, we formalized the improvement of compactness of an existing parallel structure for remote ultrasound application. The results show an improvement of compactness of around 5%. In the same way, we formalize the dimensional synthesis of two robots 2R-R-R for in vivo minimally invasive surgery. The results show the under-sizing of some actuators. We perform simultaneous optimization between the design of geared motors and lengths of the body of a robot 2R-RR, tendering towards full simultaneity of the creative process, allowing to improve minimal force and velocity at the end-effector of the robot. These experiments of design show limits to a strict simultaneity. We indicate the need to adapt the tools and methods of mechatronic design for simultaneous robotics design, taking into account the imperfect aspect of the creative process.