Depuis les dernières années, plusieurs chercheurs se sont consacrés à l'étude du cervelet comme substrat anatomique impliqué dans l'apprentissage d'habiletés. Bien que plusieurs démonstrations empiriques supportent cette hypothèse fonctionnelle, l'ensemble des résultats de ces travaux demeure controversé. Afin de mieux comprendre le rôle possible du cervelet dans ce type d'acquisition, 15 patients porteurs de lésions au cervelet et 20 sujets contrôles appariés ont été évalués à deux épreuves d'apprentissage d'habiletés, l'une visuomotrice et l'autre, cognitive. La tâche d'habileté visuomotrice consiste en la poursuite rotatoire, laquelle nécessite de maintenir le contact entre un stylet et une cible lumineuse tournant à une vitesse constante pendant une période de temps fixe. La tâche cognitive, qui est une version adaptée du jeu "Mastermind", requiert l'utilisation de stratégies afin de trouver les bonnes positions d'une combinaison de couleurs dissimulée par l'expérimentateur. Des tests évaluant la mémoire déclarative des stimuli utilisés lors de l'épreuve cognitive ont aussi été administrés aux sujets de manière à examiner la dissociation possible entre les deux systèmes de mémoire. De façon générale, les résultats démontrent qu'une dysfonction du cervelet affecte la capacité d'apprentissage d'habiletés visuomotrice et cognitive de résolution de problèmes. Des analyses subséquentes indiquent que ces déficits ne peuvent être expliqués par une baisse généralisée du fonctionnement intellectuel, un trouble de l'humeur, des difficultés motrices ou des lésions extérieures au cervelet. Ces données suggèrent donc que l'intégrité du cervelet est nécessaire à l'acquisition implicite d'habiletés visuomotrice et cognitive.

Titre de l'écran-titre (visionné le 16 novembre 2023) / Ce mémoire aborde l'utilisation de la robotique pédagogique dans les classes du secondaire en répondant à la question de recherche : « quelle est la perception des élèves quant à l'influence de la robotique pédagogique lors de l'utilisation d'une approche de résolution de problème auprès des élèves en mathématique de 4e secondaire? » Plusieurs éléments de la littérature soutiennent que l'utilisation de la robotique pédagogique ainsi que de la résolution de problème en classe pour aider les élèves à résoudre des problèmes vient faciliter les apprentissages des élèves. Une recherche a été réalisée auprès d'élèves de 4e secondaire pour recueillir leurs perceptions après avoir réalisé un atelier de 4 périodes sur la robotique pédagogique utilisée avec la plateforme Arduino. La programmation a été réalisée grâce à l'interface Tinkercad qui permet de programmer à l'aide du langage Scratch. L'élève devait réaliser sept défis de plus en plus complexes à l'aide de ses connaissances et de nouvelles notions sur l'algorithmique. À la suite de l'atelier, les élèves devaient répondre à deux questions mathématiques avant de compléter un questionnaire. La réponse des participants nous a permis de comprendre comment ils ont perçu l'activité, soulevant des avantages à l'utilisation de la robotique pédagogique, sans en comprendre le bien-fondé. Les participants ont pu identifier des éléments nous permettant de dire que l'apprentissage de la programmation les a aidés à résoudre des problèmes, mais de leur côté, ils ne perçoivent pas nécessairement une nette amélioration de leur capacité de résolution de problème. Cette recherche s'inscrit en cohérence avec ce qui est déjà présent dans la littérature, soit que la résolution de problème, la programmation et la robotique pédagogique sont des éléments qui peuvent aider des élèves lorsqu'ils ont besoin d'utiliser une démarche de résolution de problème. / This dissertation addresses the use of instructional robotics in secondary school classrooms by answering the research question: "What are student's perceptions of the influence of educational robotics on the use of a problem-solving approach with 4ᵗʰ Secondary level mathematics students?" There's much study in the literature to support the use of educational robotics and problem solving in the classroom to help students solve problems. Research was carried out with 4ᵗʰ Secondary level students to gather their perceptions after completing a four periods workshop on educational robotics used with the Arduino platform. Programming was carried out using the Tinkercad interface, which enables programming using the Scratch language virtually. Students had to complete seven challenges using their knowledge and some notions of algorithms. Following the workshop, students were asked to answer two mathematical questions before completing a questionnaire. The participant's responses enabled us to understand how they perceived the activity, raising advantages to use educational robotics, without understanding the merits. The participants were able to identify elements enabling us to say that learning programming helped them to solve problems, but for their part, they didn't necessarily perceive a clear improvement in their problem-solving ability. This research is therefore in line with the actual literature, i.e. that problem-solving, programming and educational robotics are elements that can help students when they need to use a problem-solving approach.

L'étude du système nerveux ne peut se faire sans une étude structurale et fonctionnelle de la centaine de milliards de neurones qui le composent. Avec le développement des marqueurs fluorescents à la fin du 20e siècle, la microscopie optique est devenue le meilleur compromis entre les analyses structurale (haute résolution spatiale) et fonctionnelle (cellules vivantes, haute sélectivité). Il est cependant bien connu, et ce, depuis la fin du 19e siècle, que les microscopes optiques sont limités par la diffraction de la lumière à une résolution de 200 nm environ ; il est donc impossible de discriminer la plupart des sous-structures cellulaires avec ces modalités. Il a fallu attendre les années 1990 pour voir apparaître des techniques d'imagerie optique permettant de « franchir la limite de diffraction » ; les microscopes STED (STimulated Emission Depletion), PALM (PhotoActivated Localization Microscopy) ou STORM (STochastic Optical Reconstruction Microscopy) ont notamment permis d'attendre une résolution de l'ordre de la dizaine de nanomètres. Cependant, la résolution spatiale des techniques d'« hyperrésolution » est souvent obtenue au détriment des autres performances des microscopes : dépendance vis-à-vis des marqueurs fluorescents, résolution temporelle limitée, photodommages, systèmes optiques complexes, . . . L'objectif de nos travaux est donc de proposer des solutions simples et implantables dans des microscopes optiques par balayage laser existants, qui permettraient d'en augmenter la résolution transversale en faisant peu de compromis sur leurs autres caractéristiques techniques. Dans cette thèse, nous proposons d'augmenter la résolution des microscopes optiques par balayage laser en modifiant le patron d'illumination utilisé. Nous avons abordé le problème de deux façons : une approche directe permettant de réduire le volume d'excitation en remplaçant le faisceau gaussien utilisé dans les microscopes conventionnels par le mode transverse magnétique TM01 de polarisation radiale ; et une approche indirecte basée sur deux excitations successives de l'échantillon avec un faisceau gaussien et un faisceau « sombre » ayant un minimum d'intensité au centre. Avec cette dernière approche, entièrement compatible avec les systèmes commerciaux, nous avons augmenté la résolution des microscopes confocaux d'un facteur 2 en faisant pour seul compromis la double excitation de l'échantillon. / The nervous system cannot be analyzed without structural and functional observations of its hundred of billions of neurons. Since the discovery of fluorescent probes, at the end of the 20th century, optical microscopes became the best trade-off between structural (high resolution) and functional (live cells, high selectivity) analysis. However, it is well known, since the end of the 19th century, that the resolution of a focusing light microscope is limited by diffraction to about 200 nm; most of sub-cellular compartments cannot be discriminate with those modalities. We had to wait the end of the 90th, to witness the development of novel microscopy techniques "breaking the diffraction barrier"; STED (STimulated Emission Depletion), PALM (PhotoActivated Localization Microscopy) and STORM (STochastic Optical Reconstruction Microscopy) achieved spatial resolution of about 10 nm. However, most of those "superresolution" techniques are probe dependent (PALM/ STORM), or require high power laser and a complete modification of the microscope (STED). The goal of this thesis is to develop novel, low-power, and retrofittable "superresolution" procedures in laser scanning microscopy without limiting the specifications of conventional modalities (probe dependency, photodommage, simplicity, temporal resolution, . . . ). In this thesis, we propose to increase the resolution of laser scanning microscopes by structuring the illumination. The issue is tackled in two different ways: a direct approach where the excitation volume is reduced by changing the Gaussian beam used in conventional systems into a radially polarized transverse magnetic TM01 beam, and an indirect approach based on two successive illuminations of the sample with a Gaussian beam and a "dark" beam having a minimum of intensity at its center. With the later approach, we doubled the spatial resolution of confocal microscopes while keeping the specifications of the conventional systems except from doubling the temporal resolution.

Au cœur de la cognition, du comportement et des émotions, le cerveau demeure un organe encore méconnu. L'une des approches les plus novatrices utilisées pour son exploration est l'imagerie calcique, qui offre la possibilité de suivre en temps réel l'activité neuronale. Initialement pratiquée sur des animaux immobilisés, la miniaturisation des composants optiques et des capteurs d'images a permis le développement de nouveaux outils, appelés mini-endoscopes ou microendoscopes, permettant désormais ce type d'études sur des animaux libres de se déplacer. Les mini-endoscopes possédant des résolutions cellulaires (3 µm à 15 µm), ils présentent des limites quant à l'observation de structures plus fines telles que les dendrites et les épines dendritiques (∼ 0.4 µm). Dans cette thèse, après avoir présenté un nouveau design d'endoscope fonctionnant à deux couleurs, nous exposons trois solutions novatrices visant à améliorer la résolution des mini-endoscopes. La première implique l'intégration d'une lentille à cristaux liquides ajustable, connue sous le nom de lentille fovéale. Cette lentille permet de modifier localement la distance focale lorsqu'elle est positionnée dans la voie d'imagerie. Nous avons obtenu un ajustement allant jusque 244 µm. Nous démontrons également la génération de spots lumineux dans le champ de vue en utilisant une seconde lentille fovéale placée dans la voie d'excitation. La seconde solution vise à corriger les aberrations optiques présentes dans le système microendoscopique, en particulier celles introduites par les lentilles à gradient d'indice. Pour ce faire, nous utilisons une lentille ajustable à base de cristaux liquides dont l'électrode circulaire est segmentée en huit électrodes indépendantes, permettant de remodeler la forme du front d'onde optique en introduisant des retards de phase. Nous faisons la caractérisation complète de cette lentille et faisons la démonstration de son efficacité en générant des fronts d'ondes aléatoires. La troisième solution repose sur l'utilisation de techniques de super-résolution pour surpasser la limite de diffraction. À cette fin, nous avons développé un module à base de cristaux liquides permettant de générer les différents motifs d'illumination nécessaires à l'application de la technique de l'illumination structurée. / At the core of cognition, behavior, and emotions, the brain remains a largely undiscovered organ. One of the most innovative approaches used for its exploration is calcium imaging, providing the ability to monitor neuronal activity in real time. Initially conducted on immobilized animals, the miniaturization of optical components and image sensors has led to the development of new tools, known as mini-endoscopes or microendoscopes, enabling such studies on freely moving animals. While mini-endoscopes have cellular resolutions (3 µm to 15 µm), they have limitations in observing finer structures such as dendrites and dendritic spines (∼ 0.4 µm). In this thesis, after introducing a new two-color endoscope design, we present three innovative solutions aimed at improving mini-endoscope resolution. The first involves integrating an adjustable liquid crystal lens, known as a foveal lens, to locally modify the focal distance when positioned in the imaging path. We achieved adjustments up to 244 µm. We also demonstrate the generation of bright spots in the field of view using a second foveal lens placed in the excitation path. The second solution aims to correct optical aberrations in the microendoscopic system, especially those introduced by gradient index lenses. To achieve this, we use an adjustable liquid crystal lens with a circular electrode segmented into eight independent electrodes, allowing the reshaping of the optical wavefront by introducing phase delays. We conduct a comprehensive characterization of this lens and demonstrate its effectiveness by generating random wavefronts. The third solution relies on the use of super-resolution techniques to overcome the diffraction limit. For this purpose, we developed a liquid crystal-based module to generate various illumination patterns necessary for the application of structured illumination techniques.

Cette thèse présente un nouveau type de système optique, un imageur à grandissement localisé. L'idée derrière ce dernier est de modifier en temps réel la distorsion à l'aide d'un composant optique actif qui est positionné loin des pupilles pour permettre de modifier chaque champ local de façon individuelle. Avec la bonne déformation de la surface active, on peut alors créer des zones de l'image avec un grandissement augmenté. De plus, si l'on désire conserver le champ de vue total constant, il est possible d'y parvenir en combinant ces zones d'intérêt à des zones de redressement où le grandissement est diminué. Pour bien comprendre comment se comportent ces systèmes avec beaucoup de distorsion, une analyse des erreurs de surface est d'abord présentée. On y conclut que ces lentilles ont des particularités qui compliquent leur conception et leur tolérancement. On obtient lors de cette analyse une équation reliant le déplacement dans le plan image en fonction des défauts de fabrication sur la surface frontale. De cette équation, on comprend qu'un des paramètres importants lors du tolérancement de ces systèmes est la longueur focale locale, définie comme étant la dérivée de la position dans le plan image par rapport à l'angle du champ de vue. Cela permet de conclure que dans la conception de ce type de lentilles, des tolérances plus serrées doivent être choisies dans certaines parties de la surface, contrairement à un critère de qualité unique partout sur la surface comme la norme actuelle le propose. Ensuite, à partir de ces résultats du déplacement dans le plan image par rapport à une erreur donnée, un concept d'imageur à grandissement localisé est développé. Tout d'abord, les équations de base pour ce type d'imageur sont obtenues. On peut y conclure qu'en première approximation, c'est le produit de la courbure z" sur la surface déformable par la distance L0 entre la surface et la pupille d'entrée du reste de l'imageur qui détermine le rapport de grandissement local que l'on peut obtenir. De ces équations, on définit également des limites fondamentales sur l'amplitude que le composant déformable doit produire et sur le f/# qui conserve la qualité d'image à un niveau acceptable. À partir de ces résultats, des simulations à l'aide du logiciel ZEMAX sont effectuées, confirmant ainsi les paramètres obtenus mathématiquement. Ces simulations conduisent finalement à un prototype expérimental utilisant un miroir déformable ferrofluidique comme surface active. Avec une distance focale originale de f0 = 12.5 mm et une distance Lo = 220 mm, des résultats expérimentaux avec un système pouvant produire des rapports de grandissement supérieurs à 3 dans une zone d'intérêt sont présentés et analysés. Bref, s'il est possible de vaincre les limites fondamentales, cet imageur à grandissement localisé a le potentiel de révolutionner certains domaines d'imagerie grâce à ses capacités originales en conception optique.

Québec Université Laval, Bibliothèque 2015

Québec Université Laval, Bibliothèque 2015

Québec Université Laval, Bibliothèque 2014

Cette recherche exploratoire vise à tenter de déterminer des niveaux de conceptions probabilistes. Le test "Probability concepts in 11-16 year old pupils" du britannique David R. Green permet de classifier les individus suivant quatre niveaux de rendement, obtenus statistiquement par la méthode du scalogramme de Guttman. À l'aide de ce test, nous avons sélectionné 20 élèves de 10 à 16 ans représentatifs de ces divers niveaux, puis, nous avons réalisé avec eux des entrevues cliniques, grâce auxquelles nous sommes arrivé à définir qualitativement quatre "niveaux de conceptions probabilistes". L'administration du test de Green à 409 élèves québécois a également permis de mettre en évidence plusieurs faits intéressants. / Québec Université Laval, Bibliothèque 2019

L'expérience joue un rôle crucial dans la résolution de problèmes. Dans les activités inventives de résolution de problèmes, l’expérience est composée de deux parties : l’une est le savoir-faire spécifique acquis dans la pratique de la résolution de problèmes passés, l’autre est la connaissance supplémentaire provenant d’autres domaines dans lesquels la résolution de problèmes a déjà été acquise et est utilisée pour résoudre. Cette thèse propose une nouvelle façon de résoudre des problèmes d’invention en capitalisant l’expérience tirée d’activités de résolution de problèmes antérieures. La première contribution est basée sur l'utilisation du raisonnement à partir de cas pour collecter et accéder rapidement aux expériences. La deuxième contribution consiste à proposer une nouvelle façon de classer les effets physiques basé sur l'utilisation de Wikipédia. Pour mettre en œuvre l'approche proposée dans la thèse, une application Web appelée CBRID (Raisonnement à partir de cas pour la Conception Inventive) est développée. Par ailleurs, nous avons mené une série d’expériences pour évaluer notre approche en termes d’efficacité et d’efficience. / Experience plays a crucial role in the resolution of problems. When in inventive problem solving activities, experience is composed of two parts: one is the specific know-how knowledge acquired in the practice of solving previous problems, the other is the additional knowledge from other domains where the problem solver is previously acquired and is used for problem solving. This thesis aims at proposing a new way to solve new inventive problems by capitalizing experience obtained from past problem solving activities. The first contribution is based on the use of the case-based reasoning for collecting and rapidly accessing the experiences. The second contribution consists in proposing a new way to classify the physical effects using Wikipedia. To implement the proposed approach, a web-based application called CBRID (Case-based reasoning for Inventive Design) is developed. A particular case of ''cloth hanger'' is studied to illustrate the problem solving process based on the proposed approach. In addition to that, we conducted a set of experiments to evaluate our approach in terms of effectiveness and efficiency.