Les systèmes tutoriels intelligents (STI) sont une des applications de l'intelligence artificielle (IA) en éducation. Ils visent à simuler les activités (tâches) des tuteurs humains et à s'adapter au contexte individuel de chaque apprenant en vue de l'accompagner vers l'acquisition des habiletés requises pour la résolution d'une ou de quelques classes de problèmes dans un domaine de compétences donné. Le modèle de tutorat des environnements d'apprentissage adaptatif résulte alors de la modélisation duale de champs de compétences spécifiés et de processus pédagogiques. Ainsi, le modèle de tutorat assure l'automatisation des interventions pédagogiques en se reposant sur le modèle du domaine et en tenant compte du contexte cognitif, voire du contexte métacognitif, social, ou affectif de l'apprenant. La complexité fonctionnelle de ces plateformes a généré deux approches conceptuelles divergentes priorisant chacune, de manière mutuellement exclusive, un seul des deux principaux paramètres à la base de la modélisation du tutorat informatique, à savoir, la densité des contenus d'apprentissage et la précision du suivi des acquis et du processus d'apprentissage. L'opérationnalisation de chacune de ces approches soulève de problèmes architecturaux conséquents se rapportant à la question de l'extensibilité du tutorat dans un STI. La divergence principielle de ces approches induit une certaine complémentarité que nous avons mise en exergue dans ces travaux. En guise de réponse à la question susmentionnée, nous proposons une approche hybride de conceptualisation du tutorat informatique, une démarche de modélisation et un ensemble d'abstractions permettant de rendre compatible les approches de tutorat par traçage des connaissances (TC) et par séquençage du curriculum (SC). L'extension d'un système d'IA est un processus complexe qui passe par la mise en collaboration de différents formalismes de représentation des connaissances et divers mécanismes d'inférence. Ainsi, notre démarche, qui vise à intégrer les logiques principielles de SC et de TC, s'appuie sur la compatibilité et la flexibilité existant entre le mécanisme de raisonnement à base de règles et le formalisme de représentation par objets au sein duquel les mécanismes natifs de propagation d'instances assurent le changement d'états du système et l'automatisation des processus métiers. D'un modèle ontologique de haut niveau d'abstraction à un modèle d'architecture physique, en passant par un vocabulaire de description des contenus et des contextes d'apprentissage et par un ensemble de modèles logiques et fonctionnels, notre contribution à la résolution des défauts de scalabilité des STI actuels intègre la définition et la conceptualisation du problème de l'extensibilité des modèles de tutorat assisté par ordinateur, la proposition d'une solution, l'élaboration et la mise en œuvre d'une démarche d'opérationnalisation et de validation de la solution proposée. / Intelligent tutoring systems (ITS) are one application of artificial intelligence in education. They aim to simulate the activities of "human tutors" and adapt to the context of each learner to help them acquire the skills required to solve problems in a given knowledge area. The tutoring model of an adaptive learning environment then results from the modelling of a specific knowledge domain and the modelling of pedagogical expertise. Thus, the tutoring model ensures the automation of pedagogical interventions by referring to the domain model and considering the cognitive context, and sometimes, the metacognitive, social or affective context of learners. From the functional complexity of these platforms have emerged two divergent conceptual approaches prioritising, each one, in a mutually exclusive way, only one of the two main parameters underlying the modelling of computer-aided tutoring: the size of the learning content and the precision of the monitoring of learner's skills and the learning process. Operationalising these paradigms raises enormous architectural issues including the question of scaling up tutoring in an ITS. The principled divergence of both paradigms induces some complementarity highlighted in this work, and, answering the above question, we propose a hybrid approach to the conceptualisation of automated tutoring, a modeling approach and a set of abstractions to make the knowledge tracing (KT) and curriculum sequencing (CS) approaches compatible. Scaling up an artificial intelligence system is a critical process that requires the collaboration of different knowledge representation formalisms and inference mechanisms. Our approach, which aims to integrate the conceptual logics of SC and KT, is based on the compatibility and flexibility between the rule-based reasoning mechanism and the object-based or frame-oriented representation formalism within which the native mechanisms of instance propagation ensure the system's state changes and the automation of business processes. From a high-level ontological model (based on a vocabulary for describing content and learning contexts) to a physical architecture model, passing by logical and functional models, our contribution to fixing this level 2 scalability defect includes, on the one hand, the definition of the problem of scaling up tutoring in an ITS and the proposal of a solution, and on the other hand, the conceptualisation, the operationalisation and the validation (via prototyping) of that solution.

Cette thèse s’intéresse aux systèmes tutoriels intelligents (STI), un type d’environnement informatique pour l’apprentissage humain (EIAH) qui se distingue des autres (p. ex. les exerciseurs et les hypermédias éducatifs) en offrant un mécanisme d’évaluation plus sophistiqué. Parmi les différentes familles de STI, ce sont les STI « par traçage de modèle » (MTT) qui ont le plus fait leurs preuves. Les MTT sont critiqués, premièrement parce qu’ils évaluent l’apprenant de façon serrée (c.-à-d. qui positionne l’action de l’apprenant par rapport à une ou plusieurs méthodes pour effectuer la tâche), ce qui n’est possible que pour des tâches bien définies. Par conséquent, on leur reproche d’encourager un apprentissage superficiel. Deuxièmement, parce que les efforts de création qu’ils requièrent sont jugés prohibitifs, ce qui a mené à l’apparition d’autres familles de STI, comme les STI « par contraintes » et les STI « par traçage d’exemples » et ceux basés sur l’apprentissage automatique. Par cette thèse, nous voulons contribuer à renouveler l’intérêt pour les MTT en améliorant le rapport entre les efforts de création et l’efficacité potentielle des interventions, et en établissant plus clairement leur rôle pédagogique. Pour ce faire, nous proposons la plateforme Astus qui permet d’explorer l’espace qui existe entre les MTT créés avec les plateformes existantes, et des MTT dédiés ayant recours à des connaissances didactiques sophistiquées (p. ex. des dialogues) qui exigent des efforts de création encore plus importants. La plateforme Astus se distingue des plateformes existantes parce qu’elle génère des interventions plutôt que de recourir à des interventions prémâchées et qu’elle supporte les tâches s’effectuant dans des environnements qui ont une dimension physique. La génération des interventions dépend : d’un modèle de la tâche qui s’inscrit dans le paradigme du tuteur, c’est-à-dire qui représente une abstraction et une généralisation des instructions d’un tuteur humain; d’un modèle de l’UI qui permet des interventions riches comme une démonstration (c.-à-d. déplacements du pointeur et simulation des clics et des saisies); de langages dédiés et d’outils qui réduisent les efforts de création des auteurs; de mécanismes d’extension qui permettent d’adapter la génération en fonction d’une stratégie pédagogique particulière. Le paradigme du tuteur, parce qu’il favorise une communication transparente entre le système et l’apprenant, met en évidence les avantages et les désavantages de l’approche pédagogique des MTT, essentiellement une évaluation précise (c.-à-d. qui permet de produire des indices sur la prochaine étape et des rétroactions sur les erreurs), mais serrée. En s’inscrivant explicitement le paradigme du tuteur, entre autres en évitant de tirer profit de la nature de domaines particuliers ou de propriétés de tâches particulières pour assouplir l’évaluation, la plateforme Astus se démarque plus nettement des autres familles de STI que les autres MTT. Par conséquent, elle établit plus clairement le rôle pédagogique des MTT. Cinq expérimentations (menées par Luc Paquette) à petite échelle ont été réalisées auprès d’étudiants au baccalauréat au département d’informatique (un laboratoire pour la manipulation d’arbres binaires de recherche et un pour la conversion de nombres en virgule flottante). Ces expérimentations indiquent que les interventions générées sont efficaces. Au-delà de ces résultats, c’est le processus entourant ces expérimentations, parce qu’il est comparable au processus des chercheurs potentiellement intéressés par la plateforme Astus, qui montre que la version présentée dans cette thèse est plus qu’un prototype et qu’elle peut être utilisée à l’interne dans un contexte réel.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette thèse propose un formalisme de représentation de connaissances adapté à l’enseignement explicite de connaissances stratégiques par système tutoriel intelligent (STI). Le formalisme est une proposition de solution au fait que dans le domaine des systèmes tutoriels intelligents multidisciplinaires, les efforts de modélisation croissent considérablement avec la complexité du domaine à enseigner. Le problème est particulièrement contraignant avec les domaines qui présentent des stratégies multiples de résolution de problèmes. Par ailleurs, le formalisme est aussi une réaction au constat que peu de systèmes tutoriels s’intéressent actuellement à l’enseignement explicite des stratégies, alors que plusieurs études en ont démontré les avantages. Le formalisme maintient le processus d’encodage du raisonnement stratégique à un niveau simple sans compromettre la fidélité de représentation, ce qui a été validé expérimentalement avec un groupe d’étudiants. Les mêmes expérimentations ont permis de confirmer l’efficacité du système tutoriel utilisant le formalisme dans plusieurs aspects : la résolution de problèmes avec explication et justification des étapes, l’interprétation des actions d’un apprenant d’un point de vue stratégique, et l’évaluation du degré de maîtrise d’une stratégie par un apprenant. L’architecture résultante, avec le module responsable du raisonnement stratégique activable à volonté, est particulièrement adaptée pour des études évaluant les impacts de l’enseignement explicite des stratégies et la réutilisation des connaissances stratégiques acquises d’un domaine à l’autre.

La couverture pédologique est la source d'émission d'un ensemble de substances (minérales et organiques)organiques) transférées par les flux hydriques sous forme dissoute et/ou particulaire dans les bassins versants. La quantité et la qualité des composés exportés ainsi varient selon le type, le mode d'usage et la position des sols dont ils sont issus. Or, à l'exutoire des bassins versants, on ignore, dans la plupart des cas, les compartiments de la couverture pédologique desquels proviennent ces produits. Une stratégie d'étude, particulièrement développée lors de la dernière décade, consiste à rechercher des empreintes de sols (" soil fingerprint ") dans les produits exportés dans un bassin versant. Une empreinte de sol pouvant être définie comme toutes propriétés ou constituants susceptibles de révéler l'origine pédologique de la charge dissoute ou particulaire. L'utilisation de ces " empreintes pédologiques " doit permettre le repérage, à l'échelle des bassins versants, des sols qui contribuent aux flux de matières exportées (zones sources contributives), véritable " point chaud " de la couverture pédologique. Le rôle de certains modes d'occupation des sols dans l'émission de substances particulaires et solubles pourrait ainsi être précisé. Ce repérage des zones et des sols actifs a un intérêt évident pour les problématiques de gestion des transferts de polluants, en particulier dans le cadre de pollutions diffuses. De plus, dans un certain nombre de contextes, les matériaux issus des sols sont piégés dans des archives naturelles (sédiments lacustres, spéléothems, sols colluviaux...). L'identification de l'origine pédologique précise de ces produits dans les archives doit alors permettre de reconstituer l'histoire des sols des bassins versants. Or, si de considérables progrès ont été faits ces dernières décennies sur la compréhension de l'évolution du climat et de la couverture végétale au cours de l'holocène, force est de constater que l'histoire des sols reste largement méconnue. Cette méconnaissance de la manière dont les sols ont réagi, dans le passé, à des modifications des facteurs externes (climat, végétation, usage..) constitue un handicap pour prévoir la réaction de la couverture pédologique aux changements actuels. Pour pouvoir être utilisé comme un traceur pédologique, une " empreinte de sols " doit posséder un certain nombre de propriétés spécifiques. Ces dernières doivent ainsi être : - discriminantes des principaux types de sols, d'horizons ou d'usages des sols, - stables au cours du transfert dans les sols et dans le réseau hydrographique - reconnaissables dans un mélange de sources diverses - conservatives et lisibles dans les eaux et dans des archives environnementales stratigraphiquement organisées et datables (stalagmites, sédiments lacustres, colluvions). A partir de cet ensemble de conditions, deux types d'empreintes peuvent être cherchées : - des constituants (organiques et/ou minéraux) qui répondent aux exigences précédentes. On est alors naturellement conduit à éliminer les constituants ubiquistes majoritaires (argiles, minéraux primaires, substances humiques..) qui ne sont pas suffisamment discriminants et à privilégier des constituants secondaires éventuellement mineurs mais discriminants et stables. On a alors des " pédotraceurs ". Dans le cadre de nos travaux, deux approches ont été développées pour les pédotraceurs organiques : un suivi des radicaux libres (semi-quinones) par Résonance Paramagnétique Electronique (dans les phases particulaires et solubles), un suivi de molécules cibles (HAP...). Pour la phase minérale, nos travaux nous ont conduits à tester l'utilisation du groupe des terres rares (Rare Earth Element : REE), les formes du fer et de l'aluminium et la spéciation du P particulaire. - des " propriétés " caractéristiques pouvant être utilisées comme des signatures. Il s'agit alors de repérer une signature (par exemple spectroscopique) globale et de l'utiliser comme une empreinte sans en chercher la signification directe. Dans ce cadre il importe absolument de vérifier si les critères précédemment décrits sont respectés. On a alors des " pédosignatures ". Nous avons cherché à utiliser en ce sens, le spectre de reflectance diffuse moyen infra-rouge (DRIFT). En effet, l'absorbance dans l'IR est reliée à la présence de groupements fonctionnels organiques et minéraux dont les natures et les rapports d'intensité relative peuvent être considérés comme des empreintes. Cette signature présente donc l'avantage d'être globale et simple à repérer. Pour la phase organique proprement dite nous avons testé l'utilisation de la fluorescence 3D comme signature des matières organiques solubles exportées des sols. Dans le cadre des opérations de recherches menées depuis une dizaine d'années, l'utilisation de ces empreintes pédologiques a permis : - d'établir des bilans de l'origine (surface de sols pâturés versus sols de berges ; sols se développant sur différents types de sols, roches) des matières en suspension dans des BV à l'échelle annuelle (BV rural de l'Albenche, Savoie ; BV de Cointzio, Mexique) et à l'échelle de crues (BV de la Galabre, Alpes du Sud) - de préciser l'origine et les modes de transfert de matières organiques dissoutes dans des eaux superficielles (BV du Mercube, Haute-Savoie) et dans les eaux d'infiltration des systèmes karstiques (Plateau du Revard, Savoie). - d'étudier des traits pédologiques anciens, archivés dans des sédiments lacustres, des spéléothems et/ou des sols colluviaux. Nos travaux nous ont ainsi conduits à constituer des modèles d'évolution des sols à partir d'enregistrements sédimentaires (Lac du thyl et du Lou, Savoie ; Lac d'Anterne, Haute-Savoie). Ils nous ont permis de définir, pour les sols de l'étage sub-alpin des Alpes du Nord, un Optimum Pédologique Holocène (globalement entre 8000 et 5000 ans BP) brutalement interrompu par une " crise pédologique d'anthropisation " avec une phase érosive majeure et un retour à des états peu évolués de la couverture pédologique. Reprenant le concept de " bio-rhexistasie " d'Erhart (1956), nous proposons d'appeler " anthropostasie " cette nouvelle phase de l'histoire des sols, correspondant à une crise érosive directement sous la dépendance des activités humaines.

L’érosion des sols est intense dans les petits bassins versants montagneux en climat tropical. Lorsqu’ils atteignent les rivières, ces sédiments posent divers problèmes à l’aval. L’identification des sources de sédiments et la compréhension de leur dynamique au sein des bassins versants est donc cruciale pour proposer des mesures de lutte efficaces contre ces problèmes. Cette thèse vise à tester et à développer des méthodes de traçage qui consistent à comparer les propriétés physico-chimiques des sols à celles des sédiments transportés dans les rivières pour en définir les sources et pour en contraindre les temps de transfert. Le site d’étude est un bassin de 22,4 km² au Laos équipé d’un emboîtement de stations de suivi et soumis à un régime de mousson. Trois campagnes de prélèvements ont permis de collecter des échantillons de sols de surface, de ravines et de berges ainsi que des eaux de pluies, de ruissellement et de rivières, les matières en suspension (MES) associées et des laisses, au cours de 3 crues de début de mousson en mai 2012 et juin 2013. Les échantillons ont été analysés afin de déterminer leurs activités en radionucléides apportés au sol par les pluies de manière ponctuelle (¹³⁷Cs) ou continue (⁷Be, ²¹ºPb), la teneur et la composition de la matière organique (C organique, N, C/N, δ¹³C et δ¹⁵N), la granulométrie des MES et la composition de l’eau (conductivité électrique, δ¹⁸O). Plusieurs expériences méthodologiques ont permis de tester et valider les hypothèses qui sous-tendent l’utilisation du marquage en ⁷Be et en excès de ²¹ºPb des sédiments (adsorption rapide sur les particules de sol, rapport ⁷Be / ²¹ºPbxs des particules transportées par le ruissellement comparable à celui de la pluie correspondante). Durant la crue de mai 2012, la contribution des sédiments récemment érodés est élevée en début d’événement (25-35%), mais elle est ensuite diluée par la remobilisation de particules déposées sur le lit du cours d’eau ou stockées dans les zones de dépôt. La caractérisation combinée du carbone organique particulaire (COP) et de l’activité en ¹³⁷Cs des particules a mis en évidence la prédominance de l’érosion des sols de surface marqués par leur signature C₃ à l’amont, et l’augmentation de la contribution de l’érosion des berges (marquage C₄) dans la partie aval du bassin. Les valeurs les plus élevées des taux d’exportation de sédiments (43,3 Mg km-2) et de C (0,83 MgC km-2), du coefficient de ruissellement (11,7%) et du pourcentage d’eau de ruissellement dans l’écoulement total (78-100%) ont été observées au niveau de la station drainant en grande partie des versants sous teck. Les teneurs en C mesurées et les flux de COP calculés ici sont beaucoup plus élevés que ceux qui ont été estimés lors de travaux réalisés il y a 10 ans dans le même bassin versant, lorsque la surface couverte de teck y était beaucoup plus faible (2,5% en 2002-2003 contre 32% en 2012). Ainsi, à l’aval, le taux d’exportation spécifique de C lors d’une seule crue en 2012 s’est révélé être 2,6 fois plus important que celui observé au cours de l’année hydrologique 2002-2003 (34 crues érosives). Lors des deux crues de juin 2013, la variabilité spatio-temporelle des retombées de ⁷Be et ²¹ºPb a pu être quantifiée. Ces résultats indiquent qu’il est indispensable de mesurer le signal d’entrée du marquage ⁷Be /²¹ºPb de chaque événement et qu’il est préférable de réaliser un échantillonnage en plusieurs points du bassin plutôt que de le fractionner en un seul point au cours du temps. Durant ces crues, la composition des sédiments a pu être étudiée le long d’un continuum de dix stations emboitées (0,1 ha à 19,8 km²). Les contributions respectives des différentes sources de sédiments, et leur propagation à travers le bassin, ont pu être déterminées à l’aide des mêmes traceurs que lors de la crue de mai 2012. À l’avenir, la combinaison de traceurs proposée dans cette thèse pourrait être appliquée à d’autres évènements ou d’autres sites. / Soil erosion is particularly intense in small mountainous tropical catchments. When supplied to the rivers, eroded sediment leads to numerous problems downstream (transfer of pollutants, increase of water turbidity, dam siltation…). Identifying sediment sources and understanding their dynamics across catchments constitutes a prerequisite to design and implement efficient measures to reduce these problems. This thesis aimed at testing and developing fingerprinting methods, by comparing physico-chemical properties of soils and riverine suspended sediment to define their origin and constrain their transfer across catchments. The study site is a 22.4 km² catchment in northern Laos equipped with nested monitoring stations and submitted to monsoon rainfalls. Three field campaigns were conducted to collect samples of surface soils, gullies, riverbanks, and rainwater, overland flow, river water, suspended matter and deposited sediment during three floods at the beginning of the monsoon in May 2012 and June 2013. Collected samples were analysed to determine fallout radionuclide activities (¹³⁷Cs, ⁷Be and ²¹ºPb), organic matter composition (organic carbon and nitrogen concentrations, C/N ratio, δ¹³C et δ¹⁵N), particle size distribution and water composition (electric conductivity and δ¹⁸O). Several methodological experiments were performed to check assumptions underlying the use of atmospheric 7Be and ²¹ºPb as tracers of sediment (quick adsorption of rainwater radionuclides to soil particles; similarity between /210Pbxs activity ratio measured in overland flow particles and corresponding rainfall signature). During the flood studied in May 2012, the contribution of recently eroded sediment was high at the beginning of the rising stage (25-35%), but was then diluted by sediment remobilization from the riverbed and deposition areas (swamps). The combined determination of particulate organic carbon (POC) and ¹³⁷Cs activity of sediment indicated the dominance of surface soil ( C₃ vegetation labelling) erosion in upstream parts and the increase of riverbank (labelled by C₄ plants) erosion contribution in the downstream part of the catchment. The highest runoff coefficient (11.7%), sediment specific yield (43.3 Mg km-2), total organic carbon specific yield (0.83 MgC km-2) and overland flow contribution (78–100%) were found at the station draining mainly the areas covered with teak plantations. Total organic carbon concentrations and POC specific yields calculated during this thesis are much higher than those obtained during a previous study carried out 10 years earlier in the same catchment, when teak plantations covered a much lower proportion of its area (2.5% in 2002-2003 vs 32% in 2012). At the downstream station, carbon specific yields for the studied flood in 2012 were twice higher than the annual ones observed in 2002-2003 (34 erosive events). During the two floods analysed in June 2013, the spatial and temporal variability of ⁷Be and ²¹ºPb wet deposition was investigated and quantified. The results indicate that the input signal of ⁷Be/²¹ºPb labelling associated with each storm should be determined and that spatially distributed collection of rainfall should be privileged to the sequential time-fractionated sampling at a single location. During these floods, the composition of exported suspended sediment could be studied along a continuum of ten nested stations draining areas between 0.1 ha and 19.8 km². Respective contributions of the different surface and subsurface sources of sediment and their propagation across the catchment, were successfully determined with the same tracers as during the May 2012 event. In future, the panel of parameters used in this thesis could be applied to characterise suspended matter behaviour during floods occurring later in the rainy season, or along a longer continuum of nested monitoring stations.

L'étude des écoulements souterrains et du transport de contaminant en conditions de terrain est souvent très difficile, notamment en raison de l'hétérogénéité souvent importante des formations aquifères. Pour mieux comprendre les processus en jeu, les paramètres hydrodynamiques et hydrodispersifs sont souvent estimés en laboratoire dans des conditions entièrement contrôlées. L'objectif de ce mémoire est de vérifier s'il est possible de reproduire l'écoulement et le transport de contaminant dans une maquette hydrogéologique munie d'un simulateur de pluie en laboratoire dont les sables auraient été caractérisés en laboratoire. Cinq sables sont d'abord étudiés par des techniques classiques: des courbes granulométriques ainsi que des essais de Darcy et de traçage au NaCI dans un dispositif de Darcy de 43 cm de longueur. Ces techniques ont permis de déterminer les conductivités hydrauliques et les dispersivités des sables. Des essais d'écoulement et des traçages au NaCI sont ensuite réalisés en laboratoire dans une maquette hydrogéologique représentant un aquifère de dimensions 2 m x 1.32 m x 0.25 m. La maquette est d'abord remplie d'un seul des cinq sables pour représenter un aquifère homogène. Des expériences d'écoulement et de transport sont réalisés dans cet aquifère, avec et sans la recharge imposée au moyen d'un simulateur de pluie. La maquette hydrogéologique est par la suite vidée et remplie à nouveau d'une combinaison des cinq sables disposés en blocs de 4 cm x 4 cm x 25 cm suivant un variogramme exponentiel. Les expériences d'écoulement et de transport sont réalisées avec cet aquifère hétérogène, à nouveau avec et sans recharge. Les charges, les débits et les concentrations mesurés dans toutes ces expériences sont ensuite simulés avec un modèle Modflow et un modèle MT3D. Les paramètres calés pour reproduire les résultats de laboratoire sont comparés à ceux déterminés expérimentalement. Les résultats montrent que les conductivités hydrauliques estimées au moyen des courbes granulométriques sont peu représentatives des valeurs obtenues par l'expérience de Darcy. Les conductivités hydrauliques calées dans Modflow avec et sans recharge, pour les aquifères homogène et hétérogène sont quant à elles très similaires aux valeurs obtenues avec le dispositif de Darcy. Ceci indique que les paramètres hydrodynamiques mesurés en laboratoires sont fiables et représentatives des sables testés. Par ailleurs, les dispersivités mesurées dans le dispositif de Darcy sont jusqu'à 60% supérieures à celles calées dans MT3D pour reproduire les traçages réalisés en laboratoire. Ceci s'explique par la différence d'échelle entre le dispositif de Darcy (43 cm) et les blocs de l'aquifère hétérogène (4 cm). Ces résultats confirment qu'il est beaucoup plus difficile d'estimer en laboratoire les propriétés hydrodispersives d'un matériau aquifère que ses propriétés hydrodynamiques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Traçage, Simulateur de pluie, Maquette hydrogéologique.

Le développement des activités humaines, notamment industrielles, depuis le 19ième siècle a engendré une contamination massive de l’atmosphère à la rivière, en passant par la biosphère et les sols. Si les contaminations ont fortement diminué depuis la fin des années 1960, elles persistent notamment en milieu urbain, où se concentrent un grand nombre d’activités humaines. Afin de pouvoir gérer au mieux la pollution, il est nécessaire de comprendre la dynamique de transfert des contaminants, ainsi que leurs sources, à l’échelle du continuum atmosphère – sol – rivière. Cette étude a donc pour objectif d’évaluer les variations temporelles et spatiales de deux types de contaminants historiques, les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et certains éléments traces (ET), à l’échelle du bassin versant de l’Orge (950 km2), présentant une urbanisation croissante d’amont en aval. Plusieurs approches ont été utilisées pour tracer les transferts de particules en rivière (radionucléides ⁷Be, ²¹⁰Pb, ¹³⁷Cs), et déterminer les sources de Pb (isotopes du Pb), et les sources de HAP (rapports de molécules).Les résultats ont mis en évidence un impact important des zones urbaines sur la qualité de la rivière Orge en aval du bassin : contamination importante en métaux (Cu, Zn, Sb, Pb) et en HAP de la phase particulaire, et des niveaux élevés en SO42⁻, Na⁺ et Cl⁻, Cu, Zn et Pb dans la phase dissoute. Le traçage des sédiments par les radionucléides a permis d’observer un apport de particules provenant du ruissellement urbain en aval, et d’identifier les particules de route (ou Road Deposited Sediment) comme source principale. Les signatures isotopiques du Pb ainsi que les signatures en HAP permettent de confirmer que le ruissellement urbain est le principal vecteur de contamination. Les estimations des flux d’ET et HAP annuels et saisonniers entrants (retombées atmosphériques) et sortants (exportés par la rivière) ont mis en évidence une accumulation globale à l’échelle du bassin, qui comporte déjà un stock important de contaminants dans ses sols. Cette étude montre ainsi l’importance d’étudier la Zone Critique dans son ensemble afin d’évaluer la dynamique des contaminations au sein et entre ses différents compartiments, et met en évidence l’efficacité du couplage de plusieurs approches afin de comprendre le système entier. Ces résultats pourraient à terme permettre l’établissement d’un modèle de transfert de contaminations au sein d’un bassin urbain. / The development of human societies since the 19th century has led to deleterious impacts on the Critical Zone (from atmosphere to river, including biosphere and soils). Despite the decrease of pollutions since the late 1960’s, contaminations remain especially in urban environment, concentrating human activities. To better manage this pollution, it is necessary to understand the dynamics and pathways of contaminants through the atmosphere – soil – river continuum. The goal of this study in thus to evaluate the temporal and spatial variations of two contaminants (polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) and trace elements (TE)) in the Orge River catchment (900 km2, France) being under increasing urban pressure from up to downstream. Several fingerprinting approaches were used to trace sediment dynamics in the river (radionuclides: ⁷Be, ²¹⁰Pb, ¹³⁷Cs), to identify lead sources (lead isotopes) and PAH sources (PAH molecular ratios). The results demonstrated the strong influence of downstream urban areas on the river quality, with an increasing contamination for Cu, Zn, Sb, Pb and PAH in the particulate phase, and for SO42⁻, Na⁺ et Cl⁻, Cu, Zn and Pb in the dissolved phase. The sediment fingerprinting using radionuclides revealed a significant input of particles originating from urban areas and transferred through urban runoff, and identified road deposited sediments as the major source of contaminated particles downstream. Source tracking of Pb and PAH confirmed urban runoff as the main pathway of river contamination. In addition, annual and seasonal PAH and TE fluxes were estimated respectively for the atmospheric inputs, and riverine exports and revealed a global accumulation of contaminant over the catchment, already containing a significant stock of pollutants in its soils. Finally, this study highlights the need to integrate the Critical Zone and the potential of coupling multiples tracking approaches to properly evaluate the contaminant dynamics. These results may be used to establish a model of contaminants transfer in urban catchments.

La protection des opérateurs et la surveillance des ambiances de travail en cas de mise en suspension d’aérosols radioactifs, dans un local ventilé d’une installation nucléaire, requièrent la connaissance de l’évolution spatio-temporelle de la concentration en particules, en tout point du local considéré. L’estimation précise de cette concentration a fait l’objet du développement de modèles spécifiques de transport et de dépôt d’aérosols dans un local ventilé, dans le cadre d’une thèse cofinancée par l’IRSN et EDF, en collaboration avec l’IMFT. Un formalisme eulérien de glissement est utilisé pour modéliser le transport des aérosols. Celui-ci est basé sur une unique équation de transport des concentrations en particules (« Diffusion-Inertia model »). L’étude spécifique du dépôt d’aérosols en parois a permis de développer un modèle de couche limite, qui consiste à déterminer précisément le flux de dépôt de particules en parois, quels que soient le régime de dépôt et l’orientation de la surface considérée. Les modèles de transport et de dépôt finalement retenus ont été implantés dans Code_Saturne, un logiciel de mécanique des fluides. La validation de ces modèles a été effectuée à partir de données de la littérature en géométries simples, puis sur la base de campagnes expérimentales de traçage dans des locaux ventilés d’environ 30 m³ et 1500 m³. / When particulate radioactive contamination is likely to become airborne in a ventilated room, assessment of aerosol concentration in every point of this room is important, in order to ensure protection of operators and supervision of workspaces. Thus, a model of aerosol transport and deposition has been developed as part of a project started with IRSN, EDF and IMFT. A simplified eulerian model, called “diffusion-inertia model” is used for particle transport. It contains a single transport equation of aerosol concentration. The specific study of deposition on walls has permitted to develop a boundary condition approach, which determines precisely the particle flux towards the wall in the boundary layer, for any deposition regime and surface orientation.The final transport and deposition models retained have been implemented in a CFD code called Code_Saturne. These models have been validated according to literature data in simple geometries and tracing experiments in ventilated rooms, which have been carried out in 30 m³ and 1500 m³ laboratory rooms.

La présente thèse décrit des travaux de recherches effectués sur des systèmes tutoriels intelligents (STI) et plus précisément sur les tuteurs par traçage de modèle (MTT). Les travaux de recherche présentés ici s’intéressent à la conception de MTT pour des domaines dans lesquels les étudiants peuvent résoudre la tâche qui leur est assignée de plusieurs façons. Ces domaines comportent parfois des algorithmes avec retour sur trace lorsque l’étudiant ne sait pas forcément quelles sont les alternatives qui feront progresser correctement l’état de la tâche.Cette thèse présente dans un premier temps un système de représentation de connaissances pour les algorithmes avec retour sur trace qui rend les connaissances de cet algorithme exploitables par des agents logiciels. Elle présente dans un second temps un ensemble de processus qui exploitent ces connaissances dans le cadre de MTT pour assurer automatiquement le suivi de l’étudiant et ainsi que la production d’interventions pédagogiques. En premier, ces interventions consistent à fournir à l'étudiant de l’aide pour la prochaine étape qui explique quelles sont les possibilités dont dispose l'étudiant et comment déterminer laquelle est la meilleure. En deuxième, elles fournissent à l'étudiant des rétroactions stratégiques qui lui confirment que son action est valide tout en l’informant de l’existence d’une meilleure alternative le cas échéant. Enfin, elles fournissent à l'étudiant des rétroactions négatives qui lui apprennent dans quelles situations les actions invalides qu’il vient d’effectuer s’appliquent.Une expérimentation a été réalisée avec des étudiants de biologie de l’Université de Sherbrooke pour évaluer les effets de ces interventions sur les choix des étudiants au cours de la résolution de la tâche. Les résultats de cette expérience montrent que les étudiants bénéficiant de ces interventions effectuent plus souvent des choix optimaux, et démontrent ainsi une plus grande maîtrise du domaine.