Depuis sa première évocation en 1988 par le compositeur et chercheur en informatique new-yorkais Jaron Lanier, la Réalité Virtuelle (RV) est devenue un champ disciplinaire à part entière, issu du croisement entre l’informatique et la robotique. L’originalité de cette discipline réside dans son objectif qui est : « (…) de permettre à une personne (ou à plusieurs) une activité sensori-motrice dans un monde artificiel, qui est soit imaginaire, soit symbolique, soit une simulation de certains aspects du monde réel » (Fuchs, 1996). Cet objectif met en avant deux aspects importants de la RV : l’aspect technologique par la simulation et l’aspect psychologique par la mise en place de l’Homme au centre de la problématique.

Environnement Virtuel et formation

Le terme « Environnement Virtuel » (Virtual Environment) a été introduit dans les années 1990 par les chercheurs du Massachussetts Institute of Technology comme un synonyme de RV afin d’éluder les débats concernant l’oxymore de « Réalité Virtuelle » (Jolivalt, 1995).

Les domaines d’application d’EV sont très nombreux et variés : formation, commerce et industrie, médecine, divertissement, art, recherche fondamentale, architecture et urbanisme, domotique, culture, etc. Nous nous concentrons ici sur le domaine de la formation, et donc de l’apprentissage, en présentant deux types d’environnements dédiés : les Environnements Informatiques pour l’Apprentissage Humain (EIAH) et les Environnements Virtuels pour l’Apprentissage Humain (EVAH). Dans les deux cas, il s’agit d’environnements simulés utilisant un ou plusieurs dispositifs de RV dans le but de permettre un apprentissage à son utilisateur (Chevaillier, 2006).

Tchounikine (2004, p. 1) définit l’EIAH comme « un environnement informatique conçu dans le but de favoriser l’apprentissage humain, c’est-à-dire la construction de connaissances chez un apprenant. Ce type d’environnement mobilise des agents humains (élève, enseignant, tuteur) et artificiels (agents informatiques, qui peuvent aux aussi tenir différents rôles) […] ». Les EIAH ont pour objectif « d’enseigner un domaine de connaissances à un apprenant en intégrant l’ordinateur dans une relation pédagogique enseignant/élève » (Laforcade, 2001, p. 6). Les EVAH représentent un sous-ensemble d’EIAH, utilisant les technologies de la RV, avec l’objectif de placer l’individu dans une situation d’interaction avec des objets virtuels dans un but d’apprentissage. Les EVAH se différencient des simulateurs par leur forte proportion d’utilisation des dispositifs de RV. Nous entendons par simulateur un dispositif concret (par ex. : habitacle, tableau de bord, panneau de commandes, etc.) permettant l’interaction avec une représentation virtuelle de phénomènes physiques réels (de type simulateur de conduite par exemple).

Cela donne aux EVAH l’avantage de pouvoir prendre des libertés vis-à-vis du réalisme pour privilégier l’objectif de l’apprentissage. 
Dès le début de l’essor de la RV, la formation fut l’un des domaines d’application qui a connu la plus forte croissance.

En termes d’applications, les EVAH couvrent un large éventail de domaines d’apprentissage et peuvent contribuer à l’acquisition de différents types de connaissances et de compétences :

• l’apprentissage de gestes techniques ;
• l’apprentissage de connaissances (les savoirs) ;
• l’apprentissage de procédures (les savoir-faire) ;
• l’apprentissage de comportements (le savoir-être).

Par rapport à une formation en environnement réel, les formations en EV s’avèrent avantageuses dans certaines situations (Lourdeaux, 2001).

Nous pouvons synthétiser un certain nombre de situations regroupées en catégories où l’utilisation d’EVAH est optimale :

• situations à risque : utilisant des matériaux dangereux (produits chimiques, radioactifs, etc.) ou utilisant des environnements dangereux ou sensibles (incendie, terrain militaire, médecine, scène d’accident, etc.) ;

• situations coûteuses (financièrement et/ou humainement) : mobilisant du matériel onéreux (véhicules imposants, manipulation de matériaux rares et/ou onéreux, etc.), demandant la présence d’un ou plusieurs formateur(s) pendant une longue période ou entraînant le « gaspillage » de matériaux ou le démontage de machines (manipulation de matériaux chimiques, biologiques, démontage de machines pour accéder au fonctionnement interne, etc.) ;

• situations difficiles à mettre en place dans le réel : faisant intervenir des concepts abstraits impossibles à manipuler dans la réalité (concept physiques comme l’apesanteur, électriques, etc.), concernant des phénomènes inobservables à l’œil nu : microscopiques (molécules, faune, flore, etc.) ou macroscopiques (astronomie, géographie, etc.), concernant des phénomènes temporellement inobservables : rapides ou très lents (éclipses lunaires, dérive des continents, etc.) ou encore mobilisant du matériel onéreux (véhicules imposants, manipulation de matériaux rares et/ou onéreux, etc.).

Apprentissage de procédures

Une procédure peut être décrite comme « un ensemble d’opérations et/ou d’actions à exécuter dans le but d’atteindre un objectif donné » (Heurley, 1997, p. 127). La particularité de l’apprentissage de procédure est qu’il nécessite de l’entraînement. Au début de l’apprentissage, quand l’apprenant n’a pas encore connaissance de la suite d’actions à exécuter, il doit s’appuyer sur ses connaissances antérieures et les connaissances déclaratives (les savoirs) fournies par les instructions, par un tuteur (ou formateur) ou par la situation (le dispositif, l’environnement de travail, le contexte d’apprentissage, etc.). La transformation de ces connaissances déclaratives en action nécessite un certain temps et induit un coût cognitif élevé (Anderson, 2013).

Quand la procédure a été répétée un certain nombre de fois, l’apprenant est alors capable de l’exécuter de façon automatique et rapide, sans consultation des instructions et sans actions incorrectes (Anderson, 2014). Traditionnellement, en situation de formation, les supports utilisés pour ce type d’apprentissage (diapositives commentées, documents papiers ou numériques) permettent aux formateurs de transmettre aux apprenants des connaissances déclaratives. Or, la mémorisation de connaissances procédurales est très différente de celle de connaissances déclaratives, puisqu’elle est due à l’entraînement, autrement dit à la réalisation de la suite d’actions.

Par le niveau élevé d’interactivité qu’ils permettent et grâce à la possibilité d’actions motrices qu’ils offrent à l’apprenant, les EVAH sont susceptibles de permettre l’acquisition des connaissances procédurales, notamment grâce à la pratique.

Un certain nombre d’études attestent déjà de l’efficacité de la Réalité Virtuelle pour l’acquisition de procédures dans des domaines comme celui de la maintenance industrielle ou de la médecine (Carpentier, 2015 ; Gallagher, Seymour, Jordan-Black, McGlade & Satava, 2013 ; Ganier, Hoareau & Tisseau, 2014), en s’appuyant notamment sur l’analyse des courbes d’apprentissage des apprenants (Hoareau, Ganier, Querrec, Buche & Le Corre, 2013 ; Hoareau, Le Corre, Querrec, Buche & Ganier, 2013 ; Hoareau, Querrec, Buche & Ganier, 2017). Par exemple, Hoareau et ses collaborateurs (Hoareau, 2016 ; Hoareau et al., 2017) se sont intéressés à l’évaluation de l’apprentissage en EVAH d’une procédure, destinée aux laborantins, qui pourrait s’apparenter à un exercice de chimie. Ils ont réalisé, auprès d’étudiants inscrits en BTS « Analyses en biologie médicale », une étude dont l’objectif général est l’élaboration de recommandations ergonomiques relatives au guidage de l’apprenant lors de son apprentissage en environnement virtuel (EVAH).

Après avoir évalué l’utilité de l’environnement virtuel pour l’apprentissage d’une procédure de lancement de tests sanguins, deux expériences ont été menées afin de déterminer un guidage optimal de l’apprenant lors de sa formation.

• La première évaluait l’impact d’une structuration hiérarchisée d’instructions sonores sur l’apprentissage.

• La deuxième analysait les modalités de présentation d’un guidage visuel et leurs conséquences sur l’acquisition de la procédure.

Les recommandations ergonomiques concernant le format de présentation des informations sonores et visuelles issues de ces deux expériences ont été implémentées dans l’EVAH. Ainsi « amélioré », il a été confronté à l’environnement virtuel de référence. Les résultats montrent que la prise en compte des recommandations ergonomiques améliore les performances des apprenants.

Conclusion

Nous pouvons résumer l’acquisition d’habiletés complexes par la transformation de connaissances déclaratives non directement exécutables en une représentation procédurale permettant à l’individu, par la force de la pratique, d’exécuter la procédure de manière automatique.

Le facteur indispensable au passage d’un traitement long et coûteux cognitivement à un traitement rapide et peu coûteux cognitivement de la procédure est la pratique. Pour des raisons matérielles, financières, de sécurité ou de faisabilité, il est parfois difficile de permettre à un apprenant de s’exercer en répétant une procédure un certain nombre de fois afin d’attester de son acquisition.

Le domaine de la réalité virtuelle avec la conception d’EVAH peut s’avérer une bonne alternative lorsque la répétition de l’exécution d’une procédure est impossible dans le monde réel. La formation en EVAH se base donc sur le postulat qu’il serait plus facile d’apprendre lorsque l’individu est actif dans l’apprentissage et qu’on lui propose la possibilité d’un entraînement pratique (Burkhardt, Lourdeaux & Mellet-d’Huart, 2006 ; Hoareau et al., 2017).

Charlotte Hoareau
Docteur en Psychologie cognitive ergonomique, Université de Bretagne Occidentale

Recommandations

Concernant le guidage de l’apprenant, Hoareau et ses collaborateurs définissent plusieurs recommandations quant à la présentation des informations afin de faciliter l’apprentissage :

• premièrement, une présentation des instructions sonores organisée hiérarchiquement est préférable à l’utilisation d’instructions présentées sur un même plan hiérarchique. La structuration hiérarchique doit se faire selon deux niveaux d’abstraction : un premier niveau destiné à segmenter la procédure en buts généraux, et un second niveau énonçant les actions à réaliser. En d’autres termes, lorsque l’objectif est d’apprendre une procédure, il est préférable de la segmenter en buts généraux à atteindre et de donner ensuite des instructions de bas niveau hiérarchiques à la manière d’une recette de cuisine ;

• deuxièmement, il est préférable de présenter les informations selon deux modalités sensorielles différentes. Les EVAH étant majoritairement des environnements visuels, il est préférable de recourir à une modalité sonore comme complément à une modalité visuelle de présentation des informations destinées au guidage des apprenants, afin d’éviter le partage de l’attention, diminuer la charge cognitive et améliorer les performances d’exécution et de rappel de la procédure. De plus, le système de guidage sonore et le système de guidage visuel doivent être présentés simultanément afin de réduire la charge cognitive, et donc faciliter le traitement en mémoire de travail.

Ces recommandations ergonomiques obtenues à la suite d’expériences utilisant une méthodologie rigoureuse peuvent très bien s’appliquer à des situations d’apprentissage en salle de classe. Présenter les informations, fournies par exemple dans un exercice de chimie, de manière ergonomique peut faciliter le processus d’exécution de la tâche mais également faciliter sa mémorisation et son transfert.

Références

• Anderson J. (2013), The architecture of cognition (2nd ed.), New York: Psychology Press.
• Anderson J. (2014), Rules of the Mind (2e), New York, NY: Psychology Press.
• Burkhardt J.-M., Lourdeaux D. & Mellet-d’Huart D. (2006), « La réalité virtuelle pour l’apprentissage humain », in P. Fuchs, B. Arnaldi, P. Bourdot, & J.-M. Burkhardt (Eds.), Le traité de réalité virtuelle. Volume 4 : Applications de la réalité virtuelle (3e, p. 43-100), Paris: Presses de l’Ecole des Mines.
• Carlson P., Peters A., Gilbert S., Vance J. M. & Luse A. (2015), “Virtual Training: Learning Transfer of Assembly Tasks”, IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 2626 (c), p. 1-14.
• Carpentier K. (2015), Scénarisation personnalisée dynamique dans les environnements virtuels pour la formation, Univsersité de Technologie de Compiègne.
• Chevaillier P. (2006), Les systèmes multi-agents pour les environnements virtuels de formation, Université de Bretagne Occidentale.
• Fuchs P. (1996), Les interfaces de la réalité virtuelle, Paris: Les Presses de l’Ecole de Mines de Paris.
• Gallagher A., Seymour N., Jordan-Black J., McGlade K. & Satava R. (2013), “Prospective, randomized assessment of transfer of training (ToT) and transfer effectiveness ratio (TER) of virtual reality simulation training for laparoscopic skill”, Annals of Surgery, 257 (6), p. 1 025-1 031.
• Ganier F., Hoareau C. & Tisseau J. (2014), “Evaluation of procedural learning transfer from a virtual environment to a real situation?: a case study on tank maintenance training”, Ergonomics, (6), p. 828-843.
• Heurley L. (1997), « Vers une définition du concept de texte procédural: le point de vue de la psycholinguistique », Les Cahiers du français contemporain, 4, p. 109-133.
• Hoareau C. (2016), Elaboration et évaluation de recommandations ergonomiques pour le guidage de l’apprenant en EVAH?: application à l’apprentissage de procédure dans le domaine biomédical., Université de Bretagne Occidentale.
• Hoareau C., Ganier F., Querrec R., Buche C. & Le Corre F. (2013), Evaluation de l’utilité d’un environnement virtuel pour l’apprentissage de procédures, in C. Van de Leemput, C. Chauvin, & C. Hellemans (Eds.), EPIQUE , Bruxelles: Arpege Science Publishing 2013, p. 301-308.
• Hoareau C., Le Corre F., Querrec R., Buche C. & Ganier F. (2013), “Evolution of cognitive load when learning a procedure in a Virtual Environment for Training”, in Cognitive Load Theory Conference, Toulouse, p. 130-132.
• Hoareau C., Querrec R., Buche C. & Ganier F. (2017), “Evaluation of Internal and External Validity of a Virtual Environment for Learning a Long Procedure”, International Journal of Human-Computer Interaction, in press.
• Jolivalt B. (1995), La simulation et ses techniques, coll. « Que sais-je ? » (vol. 2 491), Paris : Presses Universitaires de France.
• Laforcade P. (2001), Etude et conception des mécanismes d’agents détecteurs, évaluateurs et qualificateurs des erreurs d’un apprenant dans un EIAH, IUT de Bayonne.
• Lourdeaux D. (2001), Réalité Virtuelle et Formation?: Conception d’Environnements Virtuels Pédagogiques, Ecole des Mines de Paris.
• Tchounikine P. (2004), Platon-1 : quelques dimensions pour l’analyse des travaux de recherche en conception d’EIAH, Laboratoire d'informatique de l'Université du Maine.

Article publié sur le site : https://www.reseau-canope.fr/agence-des-usages/realite-virtuelle-et-apprentissage-de-procedure.html