数字技术优化和个性化学习路径" - Didier Roy的博士论文

使用Didier Roy数字技术优化和个性化学习路径引用此版本：迪迪埃·罗伊。使用数字技术优化和个性化学习路径教育。国家艺术与手工艺学院- CNAM，2015年。法语。NNT：2015CNAM1017。电话：01329193HAL ID：电话：01329193https://theses.hal.science/tel-01329193提交日期：2017年HAL是一个多学科的开放存取档案馆，用于存放和传播科学研究论文，无论它们是否被公开。论文可以来自法国或国外的教学和研究机构，也可以来自公共或私人研究中心。L’archive ouverte pluridisciplinaireOptimisationdesparcoursd'a国家艺术和手工艺保护区计算机、电信和电子博士学院（EDITE-巴黎）博士论文提交人：Didier Roy支持日期：2015年9月30日获得以下学位：国家艺术与工业学院博士学科/专业：计算机科学论文DIRI gÉEPARM. 菲利普·里戈，CNAM公关报告员M. TIJUSCharlesPR，巴黎第八M. 蒂埃里博士，因里亚索菲亚安提波利斯考试员M. CubaudPierre-Henri公关，CNAMM. OUDEYERPierre-YvesDR，Inria波尔多谢谢你首先，我要非常感谢Pierre-Yves Oudeyer，感谢他教给我的关于研究人员职业的一切，感谢他作为我的顾问在VAE的这一过程中跟随我，感谢他出色的建议、他的远见和他的仁慈。我还要感谢Manuel Lopes，感谢我们所有的讨论，在这些讨论中，非常感谢Catherine Gabin和Philippe Rigaud，没有他们，我的博士学位就不可能实现。他们的支持和技能是决定性的。我还要感谢Jean-Claude Ruano-Borbalan，他支持我的VAE方法，并指导我与Catherine Gabin和Philippe Ri-高德。还要感谢Pierre Cubaud、Charles Tijus和Thierry Viéville同意我感谢Nicolas Jahier让我的生活变得如此轻松，多次解释了我不明白的事情（感谢他的耐心!），因为他的善良和幽默。非常感谢Séverine Valerius和Lola Kovacic，感谢他们的热情和对如何展示研究和科学的一贯正确的愿景。我感谢Dominique Salles提供的宝贵建议，并还要感谢Benjamin Clément和Thomas Guitard就Kidlearn和IniRobot项目进行的多次我很幸运能与皮耶里克·勒格朗、大卫·谢尔曼、大卫·丹尼和帕斯卡·穆西耶一起工作，他们的建议、支持和友谊是如此宝贵。多亏了他们。iii.我还想去瑞士旅行，感谢弗朗切斯科·蒙达达、戈达纳·格伯、斯特凡·马格内纳特、摩根·谢瓦利埃、克里斯托夫·巴罗、米查尔·博纳尼、范妮·里多、玛丽莎·弗莱雷，当然还有我们共同的好朋友蒂米奥。如果我谈论机器人Thymio，我必须立即谈论Poppy，Flowers团队的明星关于Flowers团队，我们能说些什么呢？除了它随着时间的推移而发展，有些人离开，有些人到达，总是欢迎高质量的人，专业和人性化友谊威廉，塞巴斯蒂安，巴蒂斯特，尤安，蒂博，法比安，奥利维尔，克莱门特，乔尔，亚历山德拉，保罗，布莱斯，托马斯，席琳，泰奥，阿曼丁，.由于我已经不年轻了，我需要很大的空间来感谢所有在这里展示的作品中与我擦肩而过的人，他们给了我很多。其中，我想表达我对安娜贝拉的友谊。达科斯塔·诺盖拉、丹尼尔·勒布雷、让-埃里克·卢卡斯、伊曼纽尔·马斯、拉斐尔·比奥-朱特、雅尼克·贾蒙、弗雷德里克·里瓦、弗雷德里克·玛丽-让娜、斯特凡·贝拉、马克·布利斯。在过 去 的 几 年 里 ， 我 遇 到 了 Alexia Sonnois 、Emmanuel Page、Emilie Beau、Romain Couairon、Georges Saliba、LalinaCoulange、Caroline Bulf、Yan Lhoste、Céline Grancher、Hervé Girardot。对你的友谊感谢我的家人和朋友忍受了许多"我没有时间"、"我不会在这里"和"我们能推迟吗？" ".最后，我要特别感谢我的妻子伊莎贝尔和女儿卡罗琳。感谢他们的支持和耐心，感谢他们在我的生活中给我带来的巨大幸福。四摘要自1985年的"全民计算计划"以来，数字技术已经发展到数字、动态几何软件、学习游戏、电子学习、混合学习、MOOC、逆向课堂、教育机器人等。AM B I T I O N D E N O S R Q U E C E R T A N E S D E S T E C N O L O G I E VE N有助于改善学习，通过动态化内容，通过访问-杀死学生的动机，通过提出适合远程培训的设备，通过个性化教育路径。围绕这些问题的问题激励学生和使学习个人化的必要性正变得越来越明显。这些都是资产MA AJEURSPOLTT我们在2011年之前的工作目标：-使内容更加生动和生动，使其更有动力和更明确。-将概念形象化为MANIPULANTDESBJETSNUMERIQUES。 -Virtualiserdesobjtsd'a pp r e n t i ssa g e p o u r s a ff c h i r d e c o n t ra i t e s m t a i r t a t - 提供DEOTILSD T - 提供监测用户活动的工具，以便更好地跟踪他们的进展，以便能够更密切地跟踪他们的旅程，为他们提供适当的反馈和个性化的路径，使他们更加自主。- 对机器人等数字和有形物体进行实验，以评估其对学习的影响- 重新思考教科书，并辅之以数字设备这项工作在最近的工作中找到了有针对性的、我们在2011年后的工作目标：-优化和定制一个pprntissag genfaintappelàll ll tt e g e n c e art t i f e e e t à d e l g g-机器学习算法。- 介绍有形物体，如机器人，学生可以操纵甚至编程，以不同的方式V学习并提出构建新概念的具体方法Motsclés：optimisation，personnalition，parco sda pp r et摘要自1985年的"全民计算计划"以来，数字技术在教育中占据了越来越重要的地位：数字教科书、动态几何软件、学习游戏、电子学习、混合学习、MOOC、翻转教室、教育机器人等。我们的工作旨在表明，这些技术中的一些可以通过提供适合远程学习的设备和个性化学习路径来帮助改善学习、提高学习内容、增强学生动机。这些问题的利害关系很大。激励学生和个性化学习的必要性越来越重要。这些都是减少辍学和促进平等机会的主要资产我们在2011年之前的工作目标：-游戏化的内容，使他们更有动力。通过使用数字对象可视化概念- 虚拟化学习对象，以减少对工作方法的物理限制，克服处理困难和残疾情况。- 为计算机学习环境提供交互性、可视化、计算代数和几何的工具（远程学习平台、软件）。- 提供用于监视用户活动的工具，以便更好地跟踪他们的进度，准确地跟踪他们，使他们更加自主。- 实验数字和有形物体，如机器人，以评估其对学习的影响通过使用数字设备构建新的教科书这项工作在最近和更多的研究驱动的工作中继续进行。自2011年以来，我们的工作目标是：-使用人工智能和机器学习算法优化和个性化学习使用有形的物体，如机器人，学生可以操纵和编程，以不同的方式学习，以提供具体的环境，建立新的概念。关键词：优化、个性化、学习路径、数字技术、机器人六材料表1引言11.1 关于我的工作性质的一些见解11.1.1研究11.1.2L’ingénierie1.2 问题21.2.1总主题1.2.2研究问题最近的活动2IniRobot9项目2.1序言92.2摘要102.3引言102.4 机器人教育2.5 教学目标2.5.1L’apprentissage de la méthode scientifique et du travail d’équipe2.5.2L’apprentissage和2.6 最新技术水平........................................................................................................2.6.1为什么选择ThymioII 152.6.2ThymioII 15的特点2.6.3L’environnement de2.6.4与其他平台的比较...................................................................................2.7 系列........................................................................................................................2.7.1调查过程...................................................................................................2.7.2使用和部署182.8 任务192.8.1任务顺序2.8.2主要任务2.9 评估方法................................................................................................................2.10初步结果2.11研究的局限性........................................................................................................七2.12 结论和今后的挑战263Kidlearn项目293.1序言第29段3.2摘要303.3导言313.4最新技术水平.........................................................................................3.5学习情景.................................................................................................3.6智能教程系统与多臂强盗3.6.1用于优化AP学习路径的多臂强盗............................................3.6.2L’algorithme ZPDES (Zone of Proximal Development and Em-pirical3.6.3L’algorithme3.7使用虚拟学生进行3.8实际情况下的实验结果3.9结论和展望57A其他算法考虑因素B专家教学序列C使用的表4总结论67参考书目69附件：过去的活动A 教育软件AMATHTAB项目（2007-2009年）77BGEONIMA项目（2002-2011年）80C曲线跟踪器项目（2002..................................................................................B 数字、多媒体和电子学习设备87ASCHENE项目（2005-2007年）87BPSS项目，学校支助（2000-2010年）88CMYRIADE项目，数学，Bordas出版社（2009-2015）89D RASPO项目（2010-2012年）91八引言1学习就是要有让·皮亚杰在介绍我的工作的一般问题之前，这里有一些关于研究和工程的元素1.1 关于我的工作1.1.1 研究经济合作与发展组织（经合组织）对研究和开发工作进行了定义（D E FRASCATI，2002年经合组织将其分为三类：基础研究，旨在产生新的知识;应用研究，旨在为基础研究的结果找到可能的应用;实验前开发，旨在通过使用原型来测试不同的技术假设来实现产品。它还更简单地区分了学术研究，其目的是产生知识，并概述了研究工作的第一个应用可能性正是这些类型的研究工作是出版物的主题。工业研究利用学术研究成果和共同的专门知识，以便立即应用于新产品的设计或工业技术的重大改进。研究工作是一个从常识和传统技术结束的地方开始的过程因此，知识的演变经常在共同的专门知识和研究之间移动光标。研究人员的职能用于描述研究人员职业特征的参考框架是CNAM资格所使用的参考框架：CNRS研究人员参考框架（http：//minilien.fr/a0ptoo）1„2第一章引言1.1.2 工程学与研究不同，工程学并不创造新的知识。工程的概念取决于研究问题的最新技术水平。如果直接使用现有的解决方案、可访问的和有文档记录的技术，则存在工程设计。然而，特别是在实验性开发中，研究和传统工程之间的界限可能很难区分。本论文的第一部分介绍了学术研究项目。第二部分主要涉及工业研究项目1.2 问题是1.2.1 总主题L’utilisation des technologies numériques pour améliorer les apprentissages,en particulier pour personnaliser les这项工作事实上，自1985年的"全民计算计划"以来，数字技术L’ambition 围绕这些问题的问题很重要：— 激励学生和个性化学习的必要性正变得越来越明显。C’est— 面对日益增长— L’utilisation为了说明与所选主题有关的不同作品的意图，以下是我们可以确定的一些子主题：31.2问题是对于以前— 使内容更加生动和生动，使其更加激励和明确。— 通过操作数字对象将概念— 虚拟化学习对象，以克服材料限制，使方法发挥作用— 为学习计算环境（远程教育平台、软件）提供交互性、可视化、形式计算和地理测量工具— 提供监控用户活动的工具，以便更好地跟踪他们的进度，以便能够更密切地跟踪他们的进展，为他们提供适当的反馈和个性化的路径，使他们更加自主。— 对机器人等数字和有形物体进行实验，以评估其对学习的影响。— 重新思考教科书，并伴随着数字设备。这项工作在最近的工作中找到了有针对性的、对于最近— 通过使用人工智能和机器学习算法来优化和深度个性化学习— 介绍有形的物体，如机器人，学生可以操纵甚至编程，以不同的方式阐明学习，并提供一个具体的方法来建立新的概念。— 开始在辅导系统中考虑个人情感和认知因素，以进一步个性化，这是认知科学和最新技术正在使之成为一个有前途的研究领域。根据项目的不同，这里介绍的工作在很大程度上适用于学习IniRobot项目主要涉及计算机科学和机器人技术的4第一章引言如书面和口头语言、数学、实验科学、艺术等。1.2.2 研究问题提出了两个研究问题：— 使用数字技术自动化个性化学习。— 使用数字技术进行可视化和实验。让我们来看看我参与的研究努力为哪些研究问题提供了一些答案。这些研究问题按上述两个研究问题进行了细分。对于这些问题中的每一个，我都详细说明了我在参与的不同项目中所做的贡献。同样的贡献可能是由不同的研究项目提供的。这些研究问题也在文件的后面，在每个项目的描述中讨论。使用数字技术自动化个性化学习。1) 研究问题：如何在智能教程系统中定制学习路径明智我的贡献：— 最先进的ITS（智能教程系统），为用户提供精细的— ITS中个性化方法的最新技术水平— 智能教程系统使用的最先进的— 参与优化算法的开发，特别是强盗算法（机器学习）。— 关于小学和中学课程概念的数学教学法研究。学习学生的数学程序和错误的目录— 学习活动和评估的原型制作— 开发— 在小学组织实验51.2问题是2) 研究问题：是否有可能我的贡献：— 数学中整数和十进制数的构造、整数和十进制数的加法和减法的最新修复技术— 对学生的数学过程和错误目录进行建模— 数学教学序列的发展— 在NAO机器人中开发计算机序列（Chore-graph，Python）。— 使用NAO机器人进行实验使用数字技术进行可视化和实验：3) 研究问题：应该使用什么软件来让小学生和高中生进行我的贡献：— 最先进的电子表格-书写器提供了为- mel计算的机会。— 最先进的电子表格书写器实验数学。— 自由形式计算软件的最新技术水平— 最先进— 最先进— 最先进的— 函数图形表示软件的最新技术水平— 详细说明电子表格-绘图仪的规格，包括— 定义— 开发一个"纸一样"的几何软件（18000行程序，Flash和JavaScript），具有易于使用的虚拟几何工具和修改已创建结构的可能性。— 开发函数曲线软件（Flash和Javascript-Javascript）。6第一章引言— 组织软件测试并分析结果。4) 研究问题：交互式多媒体动画能为数学概念的习得提供有意义的帮助吗？我的贡献：— 需要部署特定动画的高中数学中的关键概念的最新技术水平— 多媒体动画中使用的交互性的最新技术水平— 实现Flash动画序列5) 研究问题：机器人技术能为教学提供一个有用的实验环境我的贡献：— 机器人在课堂上使用的最新技术水平。— 机器人活动的原型— 在课堂上或课外时间进行机器人活动的实验— 分析经验反馈— 以EPFL为嘉宾举办"教育机器人"科学研讨会。在这两天里，研究人员和教师介绍了他们的工作并进行了交流。— 一个由大约30名教师和研究人员组成的研究小组的动画围 绕 着 机 器人 和 计 算 机 科 学 的 中 介 。— 组织一个公共活动"机器人周：机器人就在我们身边"。— 各种合作：国家调解Inria，La Main à la Pâte基金会（专业知识，培训），INSHEA巴黎（Handisciences计划），洛桑洛桑联邦理工学院（瑞士教师培训最近的活动IniRobot和儿童学习IniRobot2项目找到而不寻找的人是长期寻找而没有找到的人。- 加斯顿·巴切拉德2.1 序言下面介绍的工作是一个合作的工作，这是IniRobot：向孩子们介绍机器人和计算机科学迪迪埃·罗伊（DidierRoy）、戈达纳·格伯（Gordana Gerber）、斯特凡·马格内纳特（Stéphane Magnenat）、范妮·里多（Fanny Riedo）、摩根·切瓦利埃（Morgane Che- valier）、皮埃尔-伊夫·奥德耶（Pierre-YvesOudeyer）、弗朗切斯科·蒙达达（Francesco Mondada）（2015）。2015年在瑞士伊韦尔东莱班举行。L’introduction d’objets tangibles tels que les robots que les élèves peuvent manipu-ler et programmer permet d’envisager une stratégie d’apprentissage performante计算机科学和机器人技术，以改善小学、中学和高等教育的学科我对In-iRobot项目的贡献：— 最新技术水平— 以EPFL为嘉宾举办"教育机器人"科学研讨会。在这两天里，研究人员和教师介绍了他们的工作并进行了交流。— 项目方向— 培训工程师的监督— 一个由大约30名教师和亲爱的歌手组成的工作组的动画— 撰写—参加示范、展览、讲习班、会议。9„10第二章IniRobot项目— 组织一个公共活动"机器人周：机器人就在我们身边"。— 网站管理Dessine-moi un robot，dm1r.fr，dm1r.inria.fr，inirobot.fr。— 各种合作：国家调解Inria，La Main à la Pâte基金会（专业知识，培训），INSHEA巴黎（Handisciences计划），洛桑联邦理工学院（瑞士教师培训，围绕Thy- mio机器人研究主题：利用数字技术使实验成为可能。研究问题：机器人技术能否为教学提供一个有用的实验环境？研究假设：机器人技术提供了一个优越的实验环境，特别是在数字科学领域。研究方面的局限性：这项工作值得进一步研究--这是一项初步工作，计划进行扩展--特别是通过扩大和深化现有技术和发展更全面的实验。2.2 摘要IniRobot ： 向 儿 童 介 绍 机 器 人 技 术 和 计 算 机 科 学 概 念 的 教 育 工 具 包www.inirobot.fr我们介绍IniRobot教学套件，该套件专为机器人和计算机科学入门而设计它提 供 了 一 个 学 习 的 微 观 世 界 它 基 于 L’article présente les objectifspédagogiques détaillés et une première analyse de résultats montrant que les enfantsacquièrent effectivement plusieurs concepts2.3 简介一个重大的社会挑战是支持最年轻的人理解数字世界，并使他们成为为了实现这一目标，重要的是创造激励、合作和有趣的教学手段。机器人技术的中介作用，使人们获得技能计算机编程有一个有趣的潜力，既刺激和在数字世界和物理世界的交界处有着丰富而重要的概念（PAPERT，1980）。在此背景下，我们介绍了IniRobot教育活动套件，该套件专为机器人和计算机科学入门而设计，已在法国和瑞士的学校部署。它提供了一个学习的微观世界，它基于Thymio II开源机器人平台。以及由洛桑联邦理工学院（EPFL）、洛桑州艺术学院（ECAL）和苏黎世瑞士联邦理工学院（ETHZ）开发的相关软件IniRobot的教育内容可通过知识共享许可证公开获得。首先，我们介绍了工具包的教学框架和目标，然后我们提供了一个简短的最新技术水平，然后我们描述了Thymio机器人平台，并解释了为什么选择它来支持该设备。在第二步中，我们介绍了教学活动、预期用户和使用环境最后，我们介绍了基于实验的试剂盒的初步评估。2.4 机器人教育人们可能会问，这个问题确实在教育界引起了争论。下面，我们将考虑到来龙去脉，以确定我们自己的立场。用于教育的机器人或机器人教育的术语已经存在了几十年（M AYER，1988 ; M UBIN等人，2013年）。 这些术语指的是在学习环境中特别有趣的工具，如Bee Bot、NXT、Thymio II等机器人。这些RO-可编程机器人被教师在课堂上使用。支持它们的实践就像教师对机器人技术的知识一样多种多样。 一些人用机器人来讨论机器人本身，而另一些人则用机器人来调解与机器人没有直接联系的技能和知识（协作、交流、绘图、阅读地图、移动......）。在这项工作中，我们提出了一个机器人和计算机科学教育的工具这种方法与魁北克的能力5、"建立你对世界的理解"或法国的科学和技术文化能力2等能力相一致。（在第一和第二周期中发现世界的绿色），或瑞士法语课程中描述的科学技能，如建模和理解自然和技术现象。机器人教育IM-2.4机器人教育11