Cette thèse présente Cabri-géomètre, un logiciel d'aide à l'enseignement de la géométrie. Cabri-géomètre est un cahier de brouillon interactif, un micromonde qui permet de construire et d'explorer les figures de la géométrie euclidienne plane. Il est notamment possible de modifier la position des objets dits quelconques et de voir évoluer la figure en temps réel. Toutes les actions sur la figure se font par manipulation directe (en les désignant avec une souris) des objets impliques. Le terme de micromonde recouvre les environnements d'apprentissage dans lesquels l'apprenant construit lui-même ses connaissances en expérimentant et en étudiant les phénomènes du domaine. Dans une première partie, nous présentons quelques généralités sur l'enseignement intelligemment assiste par ordinateur, les tendances de recherche et la place de cabri-géomètre sur l'éventail des réalisations actuelles. Dans une deuxième partie, nous exposons les spécifications de ce micromonde en insistant notamment sur les problèmes rencontres lors de la définition des interfaces et de la représentation informatique de la structure logique des figures de géométrie

Notre travail s'intègre dans la conception et la réalisation d'un environnement informatique sur la manipulation directe d'objets mathématiques, en l'occurrence l'extension de Cabri-graphes dans le cadre du projet Cabri. Dans la première partie, nous exposons le concept d'interface de manipulation directe. Nous présentons une évolution des principes associés à la manipulation directe. Nous montrons l'importance accordée à ce mode d'interaction. Dans une deuxième partie, nous exposons des motivations associées à la mise en oeuvre d'environnements informatiques sur la théorie des graphes. Nous analysons plusieurs environnements en fonction de trois critères : la visualisation, les fonctionnalités, et le mode d'interaction. Dans une troisième partie, nous construisons un éditeur de graphes en fonction des principes de manipulation directe énoncés dans la première partie. Nous établissons les limites d'une telle interface en fonction des outils à notre disposition. Dans la quatrième partie, plus théorique, nous présentons une étude sur le produit fibré de graphes, et sur la contraction de graphes comme un outil de visualisation de graphes.

Partant du constat d'un relatif échec de l'utilisation de l'informatique dans l'enseignement, nous avons cherché les moyens de poser et résoudre les problèmes de l'insertion de l'ordinateur dans l'enseignement mathématique dans le cas de la géométrie. L'importance de l'utilisation du dessin pour la mise en évidence de propriétés et la résolution de problèmes constitue l'une des spécificités de la géométrie. L'acquisition de connaissances géométriques s'appuie donc sur la signification que l'élève construit du dessin. En vue de décrire les étapes de cette construction, nous proposons les notions de forme et de configuration. C'est par la réalisation d'un micromonde à manipulation directe que nous avons choisi de faire intervenir l'ordinateur dans l'enseignement de la géométrie. Le cahier des charges ainsi élaboré a permis de déboucher sur la réalisation du logiciel Cabri-géomètre dont nous décrivons les principales caractéristiques. Une expérimentation nous a permis d'éprouver les choix initiaux et des modalités d'utilisation du logiciel. Les résultats obtenus mettent en évidence l'intérêt d'une approche des dessins par la manipulation directe des objets géométriques qui les composent. Par l'engagement de l'élève qu'elle permet, la manipulation directe permet de passer d'une évaluation de l'enseignant à une validation par l'élève de ses propres productions. Deux modifications du fonctionnement du système didactique entraînées par l'utilisation du logiciel sont analysées : - la négociation par l'enseignant d'un nouveau contrat didactique, - la mises en place des situations favorisant le transfert des connaissances acquises en environnement informatique vers d'autres environnements.

La communauté de la Visualisation d'Information (Infovis) accorde une importance primordiale à la conception de techniques de visualisation nouvelles, efficaces, ou spécialisées. Alors qu'une technique de visualisation est composée à la fois de techniques de représentation et de techniques d'interaction, la conception de nouvelles techniques d'interaction pour l'Infovis passe souvent au second plan. Dans cette thèse, centrée sur l'interaction en Infovis, j'explore la conception de nouvelles techniques d'interaction afin de rendre des techniques de visualisation existantes plus efficaces, plus adaptées aux tâches utilisateur, et plus engageantes. Afin que ces techniques d'interaction soient efficaces, il est nécessaire d'abandonner les outils interactifs (widgets) standards et proposer des interfaces utilisateur allant au-delà des interfaces à fenêtres, icônes, menus et pointeur connues sous le nom d'interfaces WIMP (Window/Icon/Menu/Pointer).Dans cette thèse, je soutiens que la conception de nouvelles techniques d'interaction pour la visualisation devraient être basée sur le paradigme de la manipulation directe et sur le modèle de l'interaction instrumentale, et s'inspirer de paradigmes d'interaction établis en Interaction Homme-Machine (IHM) mais trop peu connus et reconnus en Infovis. En me basant sur plusieurs projets que j'ai menés au court de ma thèse, je démontre que la conception opportuniste d'interactions nouvelles peut rendre des techniques de visualisation plus efficaces. Ces différents projets soulèvent des problèmes de conception des techniques d'interaction, tels que le compromis entre la congruence cognitive d'une technique d'interaction et sa généricité, le problème de la conception d'interactions engageant l'utilisateur, et les mérites de l'interaction fluide et ininterrompue. Enfin, je propose un ensemble de règles dérivées des différents projets de cette thèse et je soumets des perspectives de travaux futurs, afin de contribuer au grand défi d'établir une théorie de l'interaction pour l'Infovis. / There is a tremendous effort from the information visualization (Infovis) community to design novel, more efficient or more specialized desktop visualization techniques. While visual representations and interactions are combined to create these visualizations, less effort is invested in the design of new interaction techniques for Infovis. In this thesis, I focus on interaction for Infovis and explore how to improve existing visualization techniques through efficient yet simple interactions. To become more efficient, the interaction techniques should reach beyond the standard widgets and Window/Icon/Menu/Pointer (WIMP) user interfaces. In this thesis, I argue that the design of novel interactions for visualization should be based on the direct manipulation paradigm, instrumental interaction, and take inspiration from advanced interactions investigated in HCI research but not well exploited yet in Infovis. I take examples from multiple projects I have designed to illustrate how opportunistic interactions can empower visualizations and I explore design implications raised by novel interaction techniques, such as the tradeoff between cognitive congruence and versatility, the problem of engaging interaction, and the benefits of seamless, fluid interaction. Finally, I provide guidelines and perspectives, addressing the grand challenge of building or consolidating the theory of interaction for Infovis.

Cette thèse a pour objet de montrer la faisabilité d'un système de "géométrie dynamique déclarative". Un tel système, GDRev (pour Géométrie Déclarative Réversible) a été conçu et réalisé, dans l'optique de l'enseignement de la géométrie. D'un point de vue conceptuel, GDRev repose sur la définition d'un langage logique, ELDL (pour Extented Logical Description Language), pour l'expression de spécifications de "figures" (l'objet mathématique sous-jacent à un dessin) : il intègre la possibilité de spécifications modulaires et récursives, via l'usage de "clauses". Au niveau dessin, GDRev est pourvu d'un langage de construction et d'animation dont la sémantique est définie à l'aide de ELDL. l'interface, qui peut être vu comme une extension déclarative de celle de Cabri-Géomètre, doit assurer, d'une façon originale, d'une part des fonctionnalités équivalentes par manipulation directe sur la figure et sur le dessin, d'autre part un invariant imposant la cohérence temporelle entre figure et dessin. D'un point de vue algorithmique, GDRev résout les contraintes géométriques par "coopération de solveurs" reposant sur un schéma de "programmation concurrente avec contraintes". Trois résolveurs généraux (linéaires, quadratiques, intervalle) coopèrent avec trois résolveurs spécifiques et originaux : complétion d'objets (créant automatiquement des objets), complétion de propriétés (ajoutant automatiquement des propriétés redondantes à la figure), règle et compas (calculant une construction optimisée de la figure pour l'animation du dessin). D'un point de vue pratique, GDRev est réalisé par interopérabilité entre les interfaces écrites en Visual C++ et le résolveur de contraintes géométriques écrit en Prolog IV. Les expérimentations réalisées ont donné des résultats encourageants en particulier en ce qui concerne le choix des heuristiques utilisées.

La réalité virtuelle est une technologie qui voit ses applications s'étendre à de nombreux domaines (médical, automobile, etc.). Cette thèse se place dans le contexte des espaces virtuels complètement immersifs, et a pour but d'étudier les effets des deux principaux types d'interfaces proposés (manette avec 6 degrés de liberté, et système de suivi de doigts) sur l'expérience des utilisateurs, dans le cadre de la manipulation d'objets 3D. Nous nous intéressons à des paramètres tels que la facilité d'utilisation, la sensation d'immersion, la rapidité et la précision offertes... Pour cela, nous proposons des expériences évaluant ces paramètres à travers des tâches dont le succès est mesurable, et qui ne sont pas spécifiques à un domaine. Dans une première étude, nous nous intéressons aux tâches complexes d'ordre général, faisant appel à des compétences requises dans les manipulations quotidiennes, telles que le fait d'attraper, de relâcher, de translater, de tourner et de maintenir en équilibre des objets tout en se déplaçant. Nous affinons ensuite notre étude en observant les effets de ces interfaces sur les mouvements eux-mêmes, en les décomposant en degrés de liberté individuels et groupés. Enfin, nous testons l'applicabilité de notre système de manipulation directe dans le cadre d'une étude préliminaire sur l'utilisation de la réalité virtuelle pour le traitement de la maladie d'Alzheimer. Ces études analysent les propriétés de ces interfaces dans le but de fournir des indications aidant au choix de l'interface la plus appropriée pour des applications futures.

La réalité virtuelle est une technologie qui voit ses applications s’étendre à de nombreux domaines (médical, automobile, etc.). Cette thèse se place dans le contexte des espaces virtuels complètement immersifs, et a pour but d’étudier les effets des deux principaux types d’interfaces proposés (manette avec 6 degrés de liberté, et système de suivi de doigts) sur l’expérience des utilisateurs, dans le cadre de la manipulation d’objets 3D. Nous nous intéressons à des paramètres tels que la facilité d’utilisation, la sensation d’immersion, la rapidité et la précision offertes... Pour cela, nous proposons des expériences évaluant ces paramètres à travers des tâches dont le succès est mesurable, et qui ne sont pas spécifiques à un domaine. Dans une première étude, nous nous intéressons aux tâches complexes d’ordre général, faisant appel à des compétences requises dans les manipulations quotidiennes, telles que le fait d’attraper, de relâcher, de translater, de tourner et de maintenir en équilibre des objets tout en se déplaçant. Nous affinons ensuite notre étude en observant les effets de ces interfaces sur les mouvements eux-mêmes, en les décomposant en degrés de liberté individuels et groupés. Enfin, nous testons l’applicabilité de notre système de manipulation directe dans le cadre d’une étude préliminaire sur l’utilisation de la réalité virtuelle pour le traitement de la maladie d’Alzheimer. Ces études analysent les propriétés de ces interfaces dans le but de fournir des indications aidant au choix de l’interface la plus appropriée pour des applications futures. / Virtual reality is a technology with applications in numerous fields (medical, automotive, etc.). This thesis focuses on immersive virtual spaces, and aims at studying the effects of the two major types of interfaces proposed (6 degree of freedom flystick, and finger-tracking system) on the user experience, and specifically for 3D object manipulation. We are interested in parameters such as ease of use, sense of presence, speed and precision offered. To do so, we design experiments to evaluate these parameters via tasks with measurable success, and which are not field specific.In a first experiment, we study complex general purpose tasks, combining skills required in everyday manipulations, such as grabbing, releasing, translating, rotating, and balancing objects while walking. We then refine our study by observing the effects of those interfaces on the movements themselves, by decomposing them into individual and grouped degrees of freedom. Lastly, we evaluate the applicability of our direct manipulation system in the context of a preliminary study on the use of virtual reality for the treatment of Alzheimer’s disease. These studies analyze the properties of these interfaces to provide guidelines to the choice of the most appropriate interface for future experiments.

La réalité virtuelle est une technologie qui voit ses applications s'étendre à de nombreux domaines (médical, automobile, etc.). Cette thèse se place dans le contexte des espaces virtuels complètement immersifs, et a pour but d'étudier les effets des deux principaux types d'interfaces proposés (manette avec 6 degrés de liberté, et système de suivi de doigts) sur l'expérience des utilisateurs, dans le cadre de la manipulation d'objets 3D. Nous nous intéressons à des paramètres tels que la facilité d'utilisation, la sensation d'immersion, la rapidité et la précision offertes... Pour cela, nous proposons des expériences évaluant ces paramètres à travers des tâches dont le succès est mesurable, et qui ne sont pas spécifiques à un domaine. Dans une première étude, nous nous intéressons aux tâches complexes d'ordre général, faisant appel à des compétences requises dans les manipulations quotidiennes, telles que le fait d'attraper, de relâcher, de translater, de tourner et de maintenir en équilibre des objets tout en se déplaçant. Nous affinons ensuite notre étude en observant les effets de ces interfaces sur les mouvements eux-mêmes, en les décomposant en degrés de liberté individuels et groupés. Enfin, nous testons l'applicabilité de notre système de manipulation directe dans le cadre d'une étude préliminaire sur l'utilisation de la réalité virtuelle pour le traitement de la maladie d'Alzheimer. Ces études analysent les propriétés de ces interfaces dans le but de fournir des indications aidant au choix de l'interface la plus appropriée pour des applications futures.