Québec Université Laval, Bibliothèque 2014

Bien que les jeux mathématiques puissent être perçus comme un réel contexte d’apprentissage, surtout au préscolaire, peu de jeux sont créés et analysés dans le but de permettre un apprentissage ciblé quant aux mathématiques du secondaire. L’objectif de cette recherche est de mettre en relief le potentiel didactique des jeux mathématiques exploitant des concepts du début du secondaire dans l’expression des raisonnements mathématiques des élèves. Pour ce faire, deux jeux mathématiques portant sur l’algèbre ont été construits au regard des caractéristiques des jeux relevés chez Piaget (1945/1978), Ascher (1998) et Brousseau (1985). Ces jeux ont alors été testés en classe et les raisonnements de douze élèves (quatre pour le premier jeu et huit pour le second) ont été décrits et analysés sous l’angle du raisonnement mathématique de Jeannotte (2015). Les résultats des analyses des raisonnements des élèves soutiennent l’idée que les jeux mathématiques permettent aux élèves de développer leur raisonnement mathématique en plus de construire leur compréhension du concept de l’algèbre.

Ma thèse comporte deux grandes parties, la première en biophysique et la seconde en science de l’éducation. La première partie présente des travaux à la frontière entre neurobiologie et microfluidique. Le but de ces travaux est de pouvoir reconstruire et étudier des réseaux complexes de neurones in vitro avec une topologie de connections synaptiques bien contrôlées. Une série de micro-structures mécanique et/ou chimique ont été étudiées pour leur capacité à (i) positionner les corps cellulaires des neurones, (ii) orienter la pousse des neurites, et (iii) différencier les axones des dendrites. Un premier réseau comportant trois populations de neurones connectées en série a été reconstruit à l’intérieur d’un circuit microfluidique. Ce réseau qui mime la voie perforante de l’hippocampe pourra être exploité pour des études en physiologie ou en neuro-dégénerescence. Une méthode entièrement optique de stimulation et d’observation de l’activité neuronal a été mise au point. Elle ouvre de nouvelles portes pour étudier des processus cognitifs complexes dans des systèmes simplifiés in vitro. La seconde partie de mon travail a permis le développement et l’étude de jeux pédagogiques pour l’apprentissage de la chimie en licence. Ces jeux, qui peuvent selon les cas remplacer un cours ou une séance d’exercices, donnent des résultats prometteurs pour l’aide à la compréhension et à la mémorisation de concepts tels que la géométrie des molécules ou la réactivité entre molécules organiques. / My PhD is divided in two parts one on biophysic of neuronal networks and one on science of education. The first part present results at the frontier between neurobiology and microfluidic. The overarching goal of this work was to develop tools and methods to build and study complex neuronal networks controlling the topology of synaptic connexions. Micro-patterning techniques with mechanical and/or chemical constraints were explored regarding their capacity to (i) position cell bodies, (ii) orient neurite outgrowth and (iii) polarize neurons. For the first time, a network comprising three different neuronal populations connected in specified directions was reconstructed in a microfluidic device. This network that mimics the perforant pathway of the hippocampus can be used to study physiological rythms or neurodegenerative processes including Alzheimer’s disease. A novel and fully optical method is presented to stimulate and record neuronal activity in vitro. It opens new routes to study complex cognitive processes in simplified in vitro systems. The second part of my work present the development and assessment of educational games in chemistry at the undergraduate level. These games that can either be used to replace courses or exercises, seem promising to improve the understanding and memorization of chemistry concepts og geometries of molecules and organic reactivity.

La démocratisation des technologies de l'information et de la communication (TIC) a contribué à l'émergence de nouvelles manières d'apprentissage dans des contextes variés. Parmi ces manières d'apprendre, on cite les jeux numériques qui sont massivement utilisés par les jeunes (les natifs numériques), mais également, on constate une augmentation de leur usage chez les personnes âgées (les immigrants numériques). Par ailleurs, les problèmes liés à la littératie chez les enfants et les aînés pourraient être atténués grâce aux jeux numériques pour l'apprentissage de la langue. Dans ce contexte, l'apprentissage intergénérationnel serait une stratégie prometteuse, non seulement pour le traitement des problèmes linguistiques mais aussi pour renouer les liens entre les deux générations concernées. Or, l'offre actuelle des jeux numériques tient rarement compte de considérations intergénérationnelles. De plus, peu de jeux visent simultanément les dimensions cognitives et physiques créant ainsi deux catégories distinctes de jeux, les jeux pour l'apprentissage (dimension cognitive) et les jeux pour l'entraînement (dimension physique). Dans le but de contribuer à remédier à ces problèmes, on se propose de concevoir un prototype de jeu numérique pour l'apprentissage du français intégrant une activité physique, à savoir le vélo. Il s'agit d'une recherche développement qui vise à produire une solution multidimensionnelle (mentale et physique) et intergénérationnelle (enfants et aînés) sous forme d'un jeu sérieux « actif » à l'intention des élèves du 2ème cycle du primaire et des aînés de plus de 50 ans. En ce qui concerne les retombées, un tel projet permettrait de contribuer à l'avancement des connaissances sur le développement des jeux sérieux actifs pour l'apprentissage intergénérationnel en fournissant un ensemble de principes de conception induits à partir de l'expérience de développement vécue. Ces principes sont « transférables » et pourraient donc être repris dans des contextes similaires de développement de produits techno-pédagogiques.

Les enfants issus de familles à faible revenu sont à risque de présenter des retards dans le développement des préalables scolaires. Le rôle de l'ergothérapeute pour améliorer leur préparation scolaire demeure peu exploré. Après une recension des écrits scientifiques portant sur les préalables scolaires et les programmes préscolaires existants, le programme Passerelle a été élaboré. Il vise à offrir aux familles des outils pour soutenir l'enfant dans sa préparation scolaire. Les activités ciblent le développement des préalables scolaires cognitifs et perceptivo-moteurs. Passerelle a été expérimenté auprès de huit familles, selon un devis quasi-expérimental pré-test/post-test. Les résultats indiquent une amélioration significative de la perception visuelle des enfants. Des changements positifs sont observés pour leurs habiletés cognitives et perceptivo-motrices. Une augmentation de l'utilisation du jeu dans les interactions parent/enfant et une amélioration des connaissances parentales sont notées. L'étude met en lumière la pertinence de l'implication de l'ergothérapeute auprès des familles vulnérables. Passerelle peut être intégré à certains services existants.

Les enfants avec une déficience motrice cérébrale (DMC) peuvent rencontrer des difficultés à réaliser les activités scolaires. Pour cette raison, une majorité d'entre eux bénéficient d'interventions en ergothérapie. Selon différents auteurs, des recommandations sont émises pour prioriser les approches centrées sur l'occupation. C'est dans ce contexte qu'est proposé le programme «Les dessinateurs de l'espace», basé sur l'approche Cognitive Orientation to daily Occupational Performance (Polatajko, Mandich, Miller & Macnab, 2001a). Il est expérimenté auprès de six enfants avec DMC, selon un devis quasi-expérimental et prospectif de type série de cas. Les résultats obtenus indiquent une amélioration de la performance motrice pour trois activités ciblées par les participants. Ces conclusions ne sont pas observées quant au degré de satisfaction exprimé par les enfants. La généralisation et le transfert des acquis sont rapportés par la majorité des parents. L'intérêt soutenu des enfants au cours du programme illustre le potentiel des activités utilisées. L'expérimentation d'une intervention basée sur l'occupation ludique auprès d'enfants avec DMC représente une avenue prometteuse en ergothérapie.

L’essor des périphériques mobiles (ex. tablettes, smartphones) ainsi que leurs applications pédagogiques et ludiques ont contribué à la naissance des Jeux Éducatifs Mobiles (JEM). De nombreux chercheurs ont prouvé les effets positifs de ces JEM sur la motivation des apprenants et même sur certains apprentissages. Cependant, l’utilisation de JEM en contexte scolaire reste très limitée. En effet, les JEM existants, parfois assez coûteux, sont souvent conçus pour un domaine très spécifique, et n’offrent donc pas de possibilités de réutilisation. De plus, les outils auteur existants sont, soit riches en fonctionnalités mais nécessitent un investissement important des enseignants pour être pris en main, soit simples à utiliser mais ne permettent pas de concevoir des JEM qui répondent aux besoins pédagogiques. Pour s’attaquer à ces problématiques, nous proposons JEM iNVENTOR, un outil auteur de JEM, fondé sur une approche de conception gigogne, destiné aux enseignants, conservateurs de musée, ou toute personne non-informaticienne, qui souhaitent scénariser leurs propres JEM et les déployer sur les systèmes mobiles.Le modèle de conception gigogne a été validé par une série d’expérimentations auprès d’une vingtaine d’enseignants ayant des niveaux d’expertises et des domaines d’enseignement très variés. Nous avons également mené des expérimentations de terrain, auprès d’environ 1500 étudiants et élèves, afin d’évaluer la qualité des JEM créés avec JEM iNVENTOR ainsi que leur impact sur les apprenants. / The rise of mobile devices (e.g. tablets, smartphones) and their educational and recreational applications have contributed to the emergence of Mobile Learning Games (MLGs). Indeed, MLGs show great potential for increasing engagement, creativity and authentic learning. Yet, despite their great potential for education, the use of MLGs by teachers, remains very limited. This is partly due to the fact that MLGs are often designed to match a specific learning context, and thus cannot be directly reusable for other contexts. In addition, existing authoring tools are either feature-rich but require a significant investment by teachers to be used, or simple to use but do not offer enough features for the design of MLGs that meet pedagogical needs. To tackle these problems, we propose JEM iNVENTOR, a MLG authoring tool, based on a nested design approach, intended for teachers, museum curators, or any person without computer skills, wishing to script their own MLG and deploy them on mobile systems.The nested design model was approved through a series of experimentations with some twenty teachers from a wide range of expertise levels and teaching fields. We also conducted field experimentations with about 1500 students and pupils in order to evaluate the quality of MLGs created with JEM iNVENTOR as well as their impact on learners.

Cette recherche doctorale a exploré la co-création d'un jeu musical éducatif. Plus spécifiquement, elle a exploré cette activité pédagogique créative pour diversifier les approches pédagogiques qualifiées de créatives qui ont été documentées jusqu'à présent en musique, notamment en contexte extrascolaire. Pour ce faire, ce projet doctoral a été structuré autour de quatre objectifs : 1) documenter les activités mises en place et réalisées durant le processus de co-création d'un jeu musical éducatif avec un groupe de jeunes musiciens apprenant un instrument de musique en contexte extrascolaire; 2) décrire les habitudes créatives (Lucas, 2016) qui ont été sollicitées par les participants tout au long du processus de création de leur jeu musical éducatif; 3) décrire, à partir des 8 facteurs proposés par O'Neill (2013), l'engagement perçu et manifesté par les participants durant la co-création de leur jeu musical éducatif; et 4) porter un regard critique, basé sur les trois composantes d'une pédagogie créative (Lin, 2011), envers l'approche pédagogique créative que la chercheure a mis en œuvre pour réussir cette activité d'apprentissage avec les participants. Un total de sept jeunes musiciens apprenant divers instruments musicaux (ex. : piano, guitare, violon, violoncelle) ont participé aux dix séances animées par la chercheure pour co-créer leur jeu musical éducatif. Différents outils de collecte de données ont été utilisés pour documenter ce projet : des enregistrements vidéo des séances, des observations, un questionnaire sur l'engagement envers l'activité réalisée (O'Neill, 2013), et un entretien de groupe pour approfondir la compréhension de l'activité d'apprentissage étudiée. Les résultats issus de ce projet de recherche ont mis en lumière que l'activité de co-création du jeu musical éducatif réalisé par les participants a fait appel aux trois composantes de la pédagogie créative de Lin (2011), soit l'enseignement créatif et l'enseignement pour la créativité dans la pédagogie de la chercheure, et l'apprentissage créatif des participants. Concernant leur apprentissage créatif, nos résultats ont mis en évidence que chacune des phases liées à la co-création d'un jeu musical éducatif (orientation, création, gameplay) ont fait appel aux cinq dimensions créatives suggérées par Lucas (2016) (ex. : être collaboratif, être imaginatif, être discipliné, être persistant, et être curieux), mais de façon différente selon le type d'activités réalisées et de la phase de co-création à laquelle les participants travaillaient. Quant à l'engagement des participants, nos résultats ont permis de relever que les 8 facteurs proposés par O'Neill (2013) ont soutenu, à des degrés divers toutefois, l'engagement perçu par nos participants. À ce titre, le facteur en lien avec les défis perçus durant la co-création d'un jeu musical éducatif a été celui qui a le plus contribué à soutenir leur engagement envers cette activité d'apprentissage. Nos observations des enregistrements vidéo ainsi que l'entretien de groupe réalisé à la fin du projet ont permis d'identifier et de décrire les moments où les participants ont manifesté leur engagement durant la création de leur jeu, c'est-à-dire lorsqu'ils restaient concentrés sur la tâche qu'ils réalisaient, lorsqu'ils manifestaient leur appréciation envers la tâche réalisée et les apprentissages acquis, ou lorsqu'ils persévéraient face à des difficultés, entre autres exemples. Par ailleurs, les réflexions critiques de la chercheure sur sa pédagogie ont fait ressortir que ses expériences précédentes en tant qu'enseignante du violon et d'auxiliaire de recherche ont possiblement influencé ses choix d'alignement d'apprentissages (Jones, 2005) tout au long du processus de co-création avec les participants, notamment en démontrant une préférence envers des approches pédagogiques moins hiérarchiques (midwife, fellow traveller). De plus, sa réflexion a relevé que les stratégies pédagogiques qui ont été plus efficaces pour co-créer le jeu musical éducatif ont été celles qui reflétaient une interconnexion entre les trois composantes de la pédagogie créative (Lin, 2011). À titre d'exemple, cette interconnexion se manifestait lorsque l'activité réalisée faisait appel à la créativité des participants (enseignement créatif), à l'aide d'une attitude ouverte et flexible de sa part (enseignement pour la créativité), laquelle entraîne à une expérience d'apprentissage créatif des participants. Finalement, l'intervention pédagogique implémentée par la chercheure a permis d'identifier les aspects liés aux modèles éducatifs, opérationnels et conceptuels utilisés pour mener son intervention éducative. Ces modèles ont été nécessaires pour établir les fondements pédagogiques qui se sont avérés pertinents pour structurer son activité d'apprentissage autour de la co-création d'un jeu musical éducatif. / This doctoral research explored the co-creation of an educational music game as a pedagogical activity that could diversify the creative pedagogy approaches (Lin, 2011) documented to date in music, particularly in out-of-school settings. To that end, this research project was structured around four objectives: 1) to document, supported by the Creative and Playful Learning model (Kangas, 2010), the activities that were necessary to successfully complete the process of co-creating a music learning game with a group of young musicians (10-14 years old); 2) to describe the creative dimensions (Lucas, 2016) that were called upon by the participants throughout the process; 3) to describe, based on O'Neill's (2013) eight factors of engagement, the perceived and demonstrated engagement of the participants during the co-creation of their music learning game; and 4) to take a critical look, based on the three components of a creative pedagogy (Lin, 2011), towards the creative pedagogical approach the researcher implemented to successfully complete this learning activity with the participants. A total of seven young musicians learning a musical instrument (e.g., piano, guitar, violin, or cello) in an out-of-school context participated in ten music-learning-game-co-creation sessions facilitated by the researcher. Various data collection tools were used, including video recordings of the sessions, observations, an engagement questionnaire (O'Neill, 2013), and a group interview. The findings from this research project highlighted that the process of co-creating a music learning game put into action the three components of a creative pedagogy (Lin, 2011), notably creative teaching and teaching for creativity (in the researcher), and creative learning (in the participants). In relation to creative learning our results highlight that each of the phases related to co-creating an educational music game (i.e., orientation, creation, gameplay) called upon participants' five creative dimensions (e.g., being collaborative, being imaginative, being disciplined, being persistent, and being curious) (Lucas, 2016) in particular ways, depending on the type of activities performed during each phase. Regarding participants' engagement, our results allowed us to identify the eight factors (O'Neill, 2013) that contributed, to varying degrees, to sustaining participants' perceived engagement. As an example, the factor related to the perceived challenges during the co-creation of a music learning game was the factor that contributed the most to sustaining participants' engagement towards this learning activity. In contrast, the lack of perceived support from a teammate as well as the participants' instrument teachers was the factor that least supported participants engagement in this activity. Also, our observations and the group interview allowed us to identify and describe the moments where participants seemed to manifest their engagement during the creation of their game. For example, by remaining focused on the task, by verbally showing an appreciation for the task and the learning acquired, by persevering during difficulties and challenges, among other examples. In addition, the researcher's critical reflections noted that her previous experiences as a violin teacher and research assistant may have influenced her choices of learning alignments (Jones, 2005) throughout the co-creation process with the participants, notably a preference for less hierarchical pedagogical approaches (i.e., midwife, fellow traveler). Also, her reflection noted that the most effective pedagogical strategies were those that reflected an interconnectedness between the three components of creative pedagogy (Lin, 2011). Specifically, when the activity being conducted called upon students' creativity (creative teaching) and was well supported by an open and flexible attitude on her part (teaching for creativity), this resulted in a creative learning experience for the participants. In contrast, the less effective strategies were those that reflected a lack of connection among these components, either when she adopted an invasive attitude that did not respect the autonomy of the participants (i.e., less effective teaching for creativity that affects creative learning) or when the way that an activity was carried out did not maximize the intended opportunities for creative expression (i.e.: less effective creative teaching that results in less creative learning). Finally, the pedagogical intervention implemented by the researcher allowed us to identify the set of educational, operational, and conceptual models (e.g., Jones, 2005; Lin, 2011; Lucas, 2016 and O'Neill, 2013) that allowed us to establish the pedagogical foundations to structure a learning activity based on the co-creation of music learning games.

Dans un monde qui est en numérisation constante, la dépendance aux outils technologiques est devenue inévitable. La pandémie de COVID-19 a encore accéléré la tendance vers le travail et l'éducation à distance, entraînant une augmentation de l'activité en ligne et de l'échange de données. Cependant, malgré cette augmentation de l'activité en ligne, le niveau de sensibilisation à la cybersécurité chez un nombre important d'utilisateurs reste insuffisant. De nombreux utilisateurs manquent d'une éducation appropriée en matière de cybersécurité et de confidentialité en ligne et démontrent une compréhension insuffisante de la sensibilité de leurs données. Nous avons mené une enquête auprès de plus de 300 utilisateurs qui a confirmé que le besoin de contenu de meilleure qualité était évident. Les jeux éducatifs ont démontré leur efficacité en tant qu'outils d'enseignement et d'apprentissage, en particulier pour vulgariser des sujets qui nécessitent généralement une connaissance approfondie pour être maîtrisés. Cependant, des défis sont associés quant à la qualité et à l'évaluation des jeux sérieux, car plusieurs aspects de l’amusement sont subjectifs et intangibles. Motivée par le besoin de jeux éducatifs "de haute qualité" améliorés, cette thèse construit une échelle pour affiner les critères mentionnés par l'évaluation des jeux sérieux de Caserman et l'applique à 45 jeux de cybersécurité. L'évaluation a révélé une insuffisance dans les critères de l’amusement, en particulier le manque d'adaptation dynamique. En conséquence, cette étude propose le cadre de jeu de cybersécurité EVNAG (Educational Visual Novel Adaptive Game), qui s'articule autour de l'adaptation dynamique de la difficulté comme solution à ce problème. Inspiré par cette architecture, le roman visuel de cybersécurité "Grown-Up Blues" a été implémenté. La thèse contribue au corpus croissant de recherches sur les jeux éducatifs en cybersécurité et fournit des idées pour concevoir des jeux éducatifs efficaces qui améliorent l'éducation en matière de cybersécurité. / In a world that continues to be increasingly digitalized, the dependency on technological tools has become unavoidable. The COVID-19 pandemic has further accelerated the trend towards remote work and education, leading to an increase in online activity and data exchange. However, despite this surge in online activity, the level of cybersecurity awareness among a significant number of users remains inadequate. Many users lack proper education on cybersecurity and online privacy and demonstrate a lack of understanding of the sensitivity of their data. A survey we conducted on more than 300 users confirmed that the need for more quality content was blatant. Educational games have demonstrated their effectiveness as teaching and learning tools, particularly in vulgarizing topics generally requiring in-depth knowledge to master. However, challenges are associated with the quality and assessment of serious games, as multiple aspects of game enjoyment are subjective and intangible. Motivated by the need for improved “high quality” educational games, this thesis builds a scale to refine the criteria mentioned by Caserman’s assessment of serious games and applies that to 45 cybersecurity games. The assessment indicated a deficiency in the enjoyment criteria, specifically the lack of dynamic adaptation. As a result, this study proposes the EVNAG (Educational Visual Novel Adaptive Game) cybersecurity game framework, which centers on Dynamic Difficulty Adaptation as a solution to this issue. Inspired by this architecture, the cybersecurity visual novel “Grown-Up Blues” was implemented. The thesis contributes to the growing body of research on educational games in cybersecurity and provides insights for designing effective educational games that enhance cybersecurity education.