Cette thèse en informatique se situe dans le domaine des jeux sérieux destinés à l'apprentissage et s'intéresse à leur conception et aux outils auteurs d'adaptation. Les jeux sérieux sont des Environnements Informatiques Pour l'Apprentissage Humain dont la conception nécessite la collaboration d'experts variés parmi lesquels les enseignants. Pour faciliter la conception multi-expertise initiale des jeux sérieux métissant motivation et apprentissage, nous proposons un cadre conceptuel, les 6 facettes de la conception des jeux sérieux, qui aide les parties prenantes à collaborer à chaque étape de conception. Les 6 facettes sont enrichies par la bibliothèque de patrons de conception que nous proposons, et qui construit un vocabulaire favorisant la conception participative.Pour permettre la co-conception des jeux sérieux dans l'usage par les enseignants, nous avons prolongé l'approche de la conception participative à celle du meta-design. Nous proposons un modèle et un outil auteur permettant aux enseignants d'adapter les jeux sérieux à leurs contextes spécifiques d'enseignement. MoPPLiq est un modèle à la fois formel et graphique qui représente la scénarisation des jeux sérieux à étapes, de façon à la rendre compréhensible et manipulable. APPLiq est un outil auteur permettant de manipuler des modèles MoPPLiq, en maintenant leur cohérence grâce à une vérification et une compensation automatique de la planification. Nos outils conceptuels (6 facettes et patrons de conception) et logiciels (MoPPLiq et APPLiq) ont été mis à l'épreuve lors de travaux de conception de jeux sérieux avec des partenaires publics et privés et avec des jeux sérieux utilisés par des enseignants. / This thesis in computer science is in the field of Serious Games (SGs) for learning, and focuses on designand authoring tools for adaptation.SGs are Technology Enhanced Learning systems whose design requires collaboration of different types ofexperts among which teachers.To help the initial multi-expertise design of the SGs that mix fun and learning, we propose a conceptualframework named the 6 Facets of the Design of SGs, which helps stakeholders to collaborate at everystage of design. The 6 Facets are enhanced by the design pattern (Dps) library we offer, which builds avocabulary promoting participatory design.To enable teachers to co-design SGs during the use stage, we extend the participatory design approach tometa-design. We propose a model and an authoring tool that help teachers to adapt SGs to their specificteaching contexts.MoPPLiq is a model, both formal and visual, representing the several stages of an SG. It is meant to beexplicit and adaptable by teachers. APPLiq is an authoring tool meant to adapt instances of MoPPLiqmodels, and automatically check and compensate their inconsistencies.Our conceptual tools (6 Facets and DPs) and software tools (MoPPLiq and APPLiq) were tested whiledesigning SGs with public and private partners and with SGs used by teachers.

Le travail que nous présentons dans cette thèse s’inscrit dans une problématique générale des EIAH. Il s’intéresse plus particulièrement aux Massives Open Online Courses (MOOC) et concerne plus précisément l’activité de conception de scénarios pédagogiques par des enseignants dans les environnements MOOC connectivistes (cMOOC). Le but principal est de proposer une approche, des modèles et des outils pour assister les enseignants dans le processus de scénarisation et d’opérationnalisation des scénarios pédagogiques dans le contexte des cMOOC. Afin de répondre à ces besoins, la première partie de cette thèse est consacrée à la spécification du processus de création et de déroulement d’un cMOOC. La deuxième partie du manuscrit est consacrée au modèle cORPS de description de scénarios pédagogiques orientés cMOOC.Pour réifier nos propositions, nous avons développé un outil de scénarisation pédagogique adapté au contexte des cMOOC, appelé MOOCAT. Cet outil est doté d’un service de déploiement automatique des scénarios pédagogiques et exploite la notion de workflow à travers la réutilisation et l’adaptation de la notation BPMN. Finalement, l’environnement MOOCAT a été expérimenté auprès de différents publics d’un point de vue utilité et utilisabilité. Les résultats obtenus permettent de confirmer que MOOCAT permet de concevoir des scénarios pédagogiques connectivistes. Les feedbacks des participants ont souligné particulièrement sa simplicité d’utilisation et le bénéfice d’avoir un outil de scénarisation visuelle. / The work presented in this thesis is part of a broader issue of Technology Enhanced Learning (TEL) field. It is particularly interested in Massive Open online Courses (MOOC) environments and concerns more specifically the activity of designing and conceiving pedagogical scenarios by teachers in connectivist MOOC (cMOOC).The main goal is to provide an approach, models and tools to assist teachers in the scenario conception process and the operationalization of pedagogical scenarios in a cMOOC context.In order to meet these needs, the first part of this thesis is devoted to specification of the cMOOC creation and execution process describing the involved stakeholders and the characteristics of each process step. The second part of the manuscript is consecrated to the cORPS model, which describes and defines a cMOOC-oriented pedagogical scenario.To reify our proposals, we have developed an authoring environment for cMOOC context, called MOOCAT. One of the specific characteristics of our tool lies in the exploitation and reuse of the BPMN notation. This tool and the associated operationalization service are covered in the third part of this manuscript.Finally, different publics of practitioners tested MOOCAT notably from a utility and usability point of view. The obtained findings confirm that MOOCAT can be used to design connectivist pedagogical scenarios and provide all the necessary elements for the design of such courses. Feedback from participants particularly highlighted its ease of use and the benefit of a visual authoring tool.

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 thèse aborde la problématique de l’acquisition des connaissances dans le cadre de la conception des Environnements Informatiques pour l’Apprentissage Humain (EIAH). Dans le contexte spécifique de ce travail, nous nous intéressons à des EIAH destinés à enseigner des méthodes de résolution de problèmes. De telles méthodes permettent, dans un domaine donné, de reconnaître la classe d’un problème et d’être capable de savoir quelle technique de résolution appliquer pour le résoudre. Le coût de conception de ces EIAH est cependant très élevé, en particulier du fait de l’élicitation des connaissances, qui nécessite non seulement une expertise dans le domaine concerné mais également en programmation.Afin de réduire le coût de conception de ces EIAH, et permettre à des auteurs (enseignants ou pédagogues plus experts) de pouvoir éliciter sans programmer les connaissances nécessaires à l’EIAH, nous proposons un processus d’acquisition interactive de ces connaissances. Ce processus est mis en œuvre à travers la conception d’un outil auteur : AMBRE-KB. Pour ce faire, nous avons d’abord proposé des méta-modèles qui permettent de décrire la forme des connaissances à acquérir. Ces connaissances ne sont pas celles d’un expert dans un domaine, mais les connaissances telles qu’on voudrait qu’elles fonctionnent chez l’apprenant à l’issue de l’apprentissage. En s’appuyant sur ces méta-modèles, nous avons ensuite proposé un processus d’acquisition de ces connaissances qui permet d’assister l’auteur lors de l’élicitation des connaissances nécessaires, en lui permettant de construire un modèle de connaissances spécifique à un domaine.Nous avons mené deux expérimentations pour évaluer le processus d’acquisition des connaissances et sa mise en œuvre dans l’outil AMBRE-KB. La première porte sur la complétude. Il s’agit de vérifier, pour un domaine donné, si les modèles de connaissances générés par AMBRE-KB permettent à l’EIAH de résoudre des problèmes. L’objectif de la deuxième expérimentation est de mesurer l’utilité et l’utilisabilité de AMBRE-KB. Les résultats des deux expérimentations sont satisfaisants. / The general issue we addressed in this thesis is the challenge of knowledge elicitation in Intelligent Tutoring Systems (ITS). In the context of this work, we are interested in ITS teaching problem solving methods. Teaching methods for solving problems consists in teaching students how to think about the problem before starting its resolution. In a given field, such a method is based on a categorization of problems. Knowing to recognize the class of a problem enables students to choose the resolution technique associated with this class. However, designing such ITS is tedious and costly, and specially require expertise in the application domain and in programming.In order to reduce the design cost of these ITS and to enable an author (for example a teacher) to be able to elicit knowledge needed without programming, we propose an interactive knowledge elicitation process. This process is implemented through the design of an authoring tool: AMBRE-KB. For that, we first propose meta-models for the knowledge to be acquired. This knowledge is not an expert knowledge, but knowledge such as we would want that they work at the end of the learning. Next, we propose a knowledge acquisition process based on these meta-models, which enable the author to be assisted in the elicitation process enabling him/her to build specific knowledge models for a given domain.We conducted two experiments to evaluate the knowledge acquisition process and its implementation in the AMBRE-KB tool. The first relates to completeness. The aim is to verify, for a given domain, whether the knowledge models generated by AMBRE-KB enable the solver to solve problems. The aim of the second experiment is to measure the utility and usability of AMBRE-KB. The results of both experiments are satisfactory.

Cette thèse aborde la thématique de la comparaison et de la construction de diagnostics des connaissances dans les Environnements Informatiques pour l'Apprentissage Humain (EIAH). Ces diagnostics sont utilisés pour déterminer si les apprenants maîtrisent ou non les connaissances ou conceptions du domaine d'apprentissage (par exemple math au collège) à partir des traces collectées par l'EIAH. Bien que ces diagnostics soient récurrents dans les EIAH, ils sont fortement liés au domaine et ne sont que peu formalisés, si bien qu'il n'existe pas de méthode de comparaison pour les positionner entre eux et les valider. Pour la même raison, utiliser un diagnostic dans deux domaines différents implique souvent de le redévelopper en partie ou en totalité, sans réelle réutilisation. Pourtant, pouvoir comparer et réutiliser des diagnostics apporterait aux concepteurs d'EIAH plus de rigueur pour le choix, l'évaluation et le développement de ces diagnostics. Nous proposons une méthode d'assistance à la construction et à la comparaison de diagnostics des connaissances, réifiée dans une première plateforme, en se basant sur une formalisation du diagnostic des connaissances en EIAH que nous avons défini et sur l'utilisation de traces d'apprenant. L'assistance à la construction se fait via un algorithme d'apprentissage semi-automatique, guidé par le concepteur du diagnostic grâce à une ontologie décrivant les traces et les connaissances du domaine d'apprentissage. L'assistance à la comparaison se fait par application d'un ensemble de critères de comparaison (statistiques ou spécifiques aux EIAH) sur les résultats des différents diagnostics construits. La principale contribution au domaine est la généricité de notre méthode, applicable à un ensemble de diagnostics différents pour tout domaine d'apprentissage. Nous évaluons notre travail à travers trois expérimentations. La première porte sur l'application de la méthode à trois domaines différents (géométrie, lecture, chirurgie) en utilisant des jeux de traces en validation croisée pour construire et appliquer les critères de comparaison sur cinq diagnostics différents. La seconde expérimentation porte sur la spécification et l'implémentation d'un nouveau critère de comparaison spécifique aux EIAH : la comparaison des diagnostics en fonction de leur impact sur une prise de décision de l'EIAH, le choix d'un type d'aide à donner à l'apprenant. La troisième expérimentation traite de la spécification et de l'ajout d'un nouveau diagnostic dans notre plateforme, en collaborant avec une didacticienne. / Comparing and building knowledge diagnostic is a challenge in the field of Technology Enhanced Learning (TEL) systems. Knowledge diagnostic aims to infer the knowledge mastered or not by a student in a given learning domain (like mathematics for high school) using student traces recorded by the TEL system. Knowledge diagnostics are widely used, but they strongly depend on the learning domain and are not well formalized. Thus, there exists no method or tool to build, compare and evaluate different diagnostics applied on a given learning domain. Similarly, using a diagnostic in two different domain usually imply to implementing almost both from scratch. Yet, comparing and reusing knowledge diagnostics can lead to reduce the engineering cost, to reinforce the evaluation and finally help knowledge diagnostic designers to choose a diagnostic. We propose a method, refine in a first platform, to assist knowledge diagnostic designers to build and compare knowledge diagnostics, using a new formalization of the diagnostic and student traces. To help building diagnostics, we used a semi-automatic machine learning algorithm, guided by an ontology of the traces and the knowledge designed by the designer. To help comparing diagnostics, we use a set of comparison criteria (either statistical or specific to the field of TEL systems) applied on the results of each diagnostic on a given set of traces. The main contribution is that our method is generic over diagnostics, meaning that very different diagnostics can be built and compared, unlike previous work on this topic. We evaluated our work though three experiments. The first one was about applying our method on three different domains and set of traces (namely geometry, reading and surgery) to build and compare five different knowledge diagnostics in cross validation. The second experiment was about designing and implementing a new comparison criteria specific to TEL systems: the impact of knowledge diagnostic on a pedagogical decision, the choice of a type of help to give to a student. The last experiment was about designing and adding in our platform a new diagnostic, in collaboration with an expert in didactic.

Les Serious Games sont des jeux vidéo qui n’ont pas pour objectif premier le divertissement et qui peuvent être utilisé pour l’enseignement. Pertinents dans de nombreux domaines d’éducation, ils posent pourtant des problèmes liés à leur création fastidieuse et coûteuse en moyens et en temps. Dans cette thèse, nous nous intéressons tout particulièrement aux Serious Games pour l’éducation, appelés Learning Games (LG) et plus particulièrement aux LG pour la formation continue pour les étudiants en école d’ingénieur. Tout d’abord, nous avons procédé à une étude des besoins concrets des créateurs de LG, ainsi qu’à un état de l’art des méthodologies et des outils existants. En premier lieu, ces recherches nous ont montré qu’il n’existait aucune solution adaptée pour faciliter la collaboration entre les différents concepteurs de LG, occupant des rôles complémentaires (expert du domaine, expert pédagogique, game designer…). Nos recherches mettent également en avant le besoin de modélisation et de représentation du scénario du LG pour aider les concepteurs à imaginer un LG qui soit à la fois ludique et attractif tout en gardant le fort potentiel éducatif indispensable à la formation. Pour répondre au premier besoin, nous proposons une méthodologie globale de création collaborative de LG, détaillant chaque tâche des acteurs ainsi que les outils mis à leur disposition. Pour répondre au deuxième besoin, nous proposons un modèle de scénarisation de LG qui représente d’un côté la structure pédagogique choisie par l’expert pédagogique et de l’autre côté la mise en scène ludique imaginée par le game designer. Pour réifier nos propositions, nous avons développé un environnement informatique d’aide à la conception, appelé LEGADEE (LEarning GAme DEsign Environment). LEGADEE guide chaque concepteur avec une « barre d’outils » adaptée à son rôle spécifique et qui propose également un système de validation qui analyse la création en cours. Enfin, nous avons imaginé un protocole d’évaluation pour valider notre environnement auteur ainsi que la méthodologie et le modèle proposés dans lequel nous comparons 24 scénarios de LG dont la moitié a été conçu avec LEGADEE et la moitié sans. Notre évaluation montre que l’utilisation de notre outil a tendance à améliorer certains critères qualité des LG. Elle montre aussi les limites de nos hypothèses et donne des pistes d’améliorations futures, tant sur LEGADEE que sur la méthode d’évaluation elle-même. / Serious Games are computer games that are designed for a primary purpose other than pure entertainment and that can be used for teaching. Although they are relevant to many fields of education, their development remains very expensive and time consuming. In this thesis, we focus mainly on Learning Games (LGs), that is on Serious Games designed for educational purposes, and more specifically on LGs used for training students in engineering schools. The first part of the thesis is devoted to an analysis of the needs of those who create LGs and a state of the art in terms of methodologies and tools available. Our study shows the need to facilitate collaboration between the various actors, with complementary roles, involved in the development of a LG (domain expert, pedagogical expert, game designer ...). Our research also highlights the need for models and visual representations of the LG scenario to facilitate the design of LGs that are fun and attractive while still maintaining their educational values. To address the first need, we propose a global collaborative methodology for creating LGs in which we indentify the tasks assigned to each actor who is involved in the creation process and the tools available. To meet the second need identified by our preliminary study, we propose a LG scenario model that represents the educational structure chosen by the pedagogical expert and also the way this structure is integrated into a game scenario imagined by the game designer. To reify our proposals, we have developed an authoring environment called LEGADEE (LEarning Game DEsign Environment) that guides each designer with a "toolbar" adapted to his or her role and also provides a validation system that analyzes the ongoing creation. Lastly, we have designed an evaluation protocol to validate our authoring environment as well as the methodology and the models proposed during which we compare 24 LGs of which half were created with LEGADEE and half without. Our evaluation indicates that our tool tends to improve the quality of LGs at several levels. It also brings to light the limits of our work and provides guidance for future improvements of LEGADEE and the evaluation process itself.

Cette thèse d'ingénierie des connaissances a pour objet la redocumentation de l'activité médiée informatiquement à base de fichiers traces. Au cours d’un tel processus, un utilisateur interprète et réécrit les traces dans un nouveau document, qui correspond à un genre particulier et décrit l'activité dans toute sa richesse ; il a notamment la possibilité de reformuler le contenu des traces, de l'enrichir avec d'autres informations (justification ou informations sur le contexte), de supprimer des parties, etc. Il s’agit ainsi de renforcer le statut documentaire des traces selon les trois dimensions de la lisibilité, de l’intelligibilité et de l’échange. Nous proposons une approche générique semi-automatique qui combine le contenu de traces de l’activité et les connaissances des utilisateurs dans des formes narratives, facilement échangeables, décrivant l’activité de façon personnalisée pour les utilisateurs. Celle-ci utilise des modèles formels pour les traces et les documents produits, ainsi que les principes de la théorie de la structure rhétorique (RST). Elle soutient la redocumentation à travers deux phases : une phase automatique pour générer un document initial fragmenté à partir de la trace d'activité comme une première description pour celle-ci et une phase interactive pour personnaliser cette description selon les besoins et les choix d'un utilisateur afin de produire un document. Nous proposons également la spécification de cette approche pour le cas particulier de la redocumentation par le texte et nous présentons ActRedoc, un outil auteur que nous avons développé pour implémenter cette approche spécifique en utilisant différentes technologies du Web Sémantique. Les résultats de notre travail ont été testés dans un environnement réel qui est celui de la redocumentation des traces de navigation dans un site d’archives de journaux du XIXème développé par la bibliothèque municipale de Lyon. Nous présentons ainsi les résultats d'une première évaluation de l'approche de redocumentation en texte et de l'outil ActRedoc auprès d'un groupe d'utilisateurs / This thesis is situated within the framework of knowledge engineering; it is particularly interested in the redocumentation of the computermediated activity from traces files. We suppose that during such a process, a user interprets and rewrites traces in a new document that corresponds to a particular genre and describes the traced activity in détails ; all this via the possibility to rewrite traces content, to enrich this content with other information (justifications or information on the context), to delete parts from it, etc. Therefore, we strengthen the documentary status of traces according to the three dimensions of legibility, comprehensibility and exchange. For implementing such a process, we propose a generic semi-automatic approach which combines the content of activity traces with users knowledge in narrative forms, easily exchangeable, to describe the traced activity in a personalized way for users. This Approach uses formal models for traces and documents (produced), as well as principles of the rhetorical structure theory (RST). It supports the redocumentation process through two phases: an automatic phase to generate an initial fragmented document from traces as a first description of the activity and an interactive phase to personalize this description according to the user needs and choices so that to produce an easily exchangeable document. We also propose a specification of this approach for the particular case of redocumentation by text and we present ActRedoc, an authoring tool that we developed by using different technologies of the Semantic Web in order to implement this specific approach. The results of our work were tested in a real environment which concerns redocumenting the activity of browsing a site of archives of newspapers of the XIXth century developed by the municipal library of Lyon. Thus, we present a first evaluation of the approach of redocumentation by text and of the authoring tool ActRedoc by a group of users

Les Serious Games sont des jeux vidéo qui n'ont pas pour objectif premier le divertissement et qui peuvent être utilisé pour l'enseignement. Pertinents dans de nombreux domaines d'éducation, ils posent pourtant des problèmes liés à leur création fastidieuse et coûteuse en moyens et en temps. Dans cette thèse, nous nous intéressons tout particulièrement aux Serious Games pour l'éducation, appelés Learning Games (LG) et plus particulièrement aux LG pour la formation continue pour les étudiants en école d'ingénieur. Tout d'abord, nous avons procédé à une étude des besoins concrets des créateurs de LG, ainsi qu'à un état de l'art des méthodologies et des outils existants. En premier lieu, ces recherches nous ont montré qu'il n'existait aucune solution adaptée pour faciliter la collaboration entre les différents concepteurs de LG, occupant des rôles complémentaires (expert du domaine, expert pédagogique, game designer...). Nos recherches mettent également en avant le besoin de modélisation et de représentation du scénario du LG pour aider les concepteurs à imaginer un LG qui soit à la fois ludique et attractif tout en gardant le fort potentiel éducatif indispensable à la formation. Pour répondre au premier besoin, nous proposons une méthodologie globale de création collaborative de LG, détaillant chaque tâche des acteurs ainsi que les outils mis à leur disposition. Pour répondre au deuxième besoin, nous proposons un modèle de scénarisation de LG qui représente d'un côté la structure pédagogique choisie par l'expert pédagogique et de l'autre côté la mise en scène ludique imaginée par le game designer. Pour réifier nos propositions, nous avons développé un environnement informatique d'aide à la conception, appelé LEGADEE (LEarning GAme DEsign Environment). LEGADEE guide chaque concepteur avec une " barre d'outils " adaptée à son rôle spécifique et qui propose également un système de validation qui analyse la création en cours. Enfin, nous avons imaginé un protocole d'évaluation pour valider notre environnement auteur ainsi que la méthodologie et le modèle proposés dans lequel nous comparons 24 scénarios de LG dont la moitié a été conçu avec LEGADEE et la moitié sans. Notre évaluation montre que l'utilisation de notre outil a tendance à améliorer certains critères qualité des LG. Elle montre aussi les limites de nos hypothèses et donne des pistes d'améliorations futures, tant sur LEGADEE que sur la méthode d'évaluation elle-même.