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COMPLEXITÉ COGNITIVE DES INTERACTIONS HOMME-MACHINE

De
224 pages
Alors que se multiplient les dispositifs munis d'une interface homme-machine sophistiquée, il devient crucial de développer les méthodes et les outils de maîtrise et de réduction de la complexité cognitive pour l'utilisateur. La méthode ProcOpe d'analyse des interactions homme-machine permet l'évaluation des dispositifs du point de vue de leur complexité cognitive et permet de suggérer des simplifications.
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Complexité cognitive
des interactions homme-machine
Modélisation par la méthode ProcOpe Collection Sciences Cognitives
dirigée par Annamaria Lammel
Les sciences de la cognition représentent aujourd'hui un des domaines les
plus dynamiques de la recherche scientifique. C'est une nouvelle science
pluridisciplinaire (de la neurobiologie à la philosophie, en passant par la
psychologie, l'anthropologie, la linguistique, la préhistoire et la
paléontologie...) avec des racines très anciennes. Son objectif est l'étude
de la nature humaine avec des méthodes scientifiques novatrices.
Cette collection a pour vocation de constituer un lieu d'échange et de
réflexions interdisciplinaires sur la cognition. Elle offre des synthèses
accessibles aux lecteurs qu'ils soient étudiants, chercheurs, praticiens,
mais également aux «curieux» qui cherchent à découvrir un domaine
intellectuel riche et passionnant.
Déjà paru
Dominique DÉRET, Pensée logique, Pensée psychologique, 1998.
L'analogie, du Naïf au Créatif, 2000. Emmanuel SANDER,
2001. Claire PETITMENGIN, L'expérience intuitive, Sébastien Poitrenaud
Complexité cognitive
des interactions homme-machine
Modélisation par la méthode ProcOpe
L'Harmattan L'Harmattan Hongrie L'Harmattan Italia
5-7, rue de l'École-Polytechnique Hargita u. 3 Via Bava, 37
75005 Paris - FRANCE 1026 Budapest - HONGRIE 10214 Torino - ITALIE
© L'Harmattan, 2001
ISBN : 2-7475-1454-4 A mes parents TABLE DES MATIERES
Introduction 7
1 Les formalismes de description des connaissances
procédurales 13
1.1 Les modèles de la performance 15
1.2 Les modèles de la compétence 20
1.2.1 Psychological BNF 21
1.2.2 Set Grammar 23
1.2.3 Task-Action Grammar 28
1.3 Les extensions conceptuelles des grammaires d'actions 34
1.3.1 Extended Task-Action Grammar 34
1.3.2 Yoked State Space (YSS) Hypothesis 41
2 Le réseau sémantique ProcOpe 47
2.1 La structure des procédures 49
2.1.1 La structure dynamique des procédures 50
2.1.2 Le format des procédures 52
2.1.3 Analyse des procédures et prise en compte des objets
du dispositif 55
2.2 L'approche « orientée objets » 60
2.3 Le principe de la programmation par objets 62
2.4 L'hypothèse du réseau sémantique procédural 68
2.4.1 Principe de base du réseau sémantique ProcOpe 72
2.4.2 Les principaux constituants d'une description
ProcOpe 75
80 2.5 Les fondements mathématiques du réseau ProcOpe
82 2.5.1 Le treillis de Galois : une structure algébrique
2.5.2 La construction du treillis de Galois par l'algorithme de
Bordat 90
2.5.3 Du treillis de Galois au graphe du réseau ProcOpe 90
2.6 Le réseau sémantique des propriétés fonctionnelles 94
2.6.1 La relation partie-tout et les propriétés
structurales 97
2.6.2 Les procédures itératives et la représentation des
collections d'objets 102
2.6.3 L'évolution du réseau due à l'intégration de nouvelles
propriétés 107
2.7 L'expression de la complexité 112
2.7.1 Les variations de complexité indépendantes du nombre
de procédures 114
2.7.2 Puissance du dispositif et complexité cognitive 117
2.8 Le logiciel ProcOpe 120
3 Application de ProcOpe à l'ergonomie cognitive .123
3.1 Analyse des tâches et complexité cognitive 124
3.1.1 125 Complexité cognitive et puissance opératoire
3.1.2 Analyse d'une tâche 139
3.2 Des classes ProcOpe aux objets ProcOpe 155
155 3.2.1 Même objet vs. même propriété
Permanence de l'objet et changement d'état 157 3.2.2
La représentation des changements d'état 159 3.2.3
163 3.2.4 L'instanciation des classes ProcOpe
3.3 Structure des objets et complexité cognitive 166
3.3.1 Le réseau sémantique des répertoires d'AppleDjinn 166
L'instanciation des répertoires et de leur contenu 169 3.3.2
Suggestions pour les répertoires d'AppleDjinn 173 3.3.3
178 3.4 La simulation du dispositif
3.4.1 Une exemple de dispositif : le bureau de MacOS 178
3.4.2 La construction du réseau et l'interprétation des
180 classes
3.4.3 Prise en compte des attributs 182
3.4.4 Création et modification d'objets à l'aide de
183 commandes - en ligne »
188 3.4.5 Formulation du résultat d'une procédure
Les objets de l'interface 191 3.4.6
3.4.7 Utilisation des pseudo-procédures 194
Extension de la description du bureau 196 3.4.8
198 3.4.9 L'intégration des tâches
Simulation de l'action et de son résultat 200 3.4.10
207 Conclusion
212 Références bibliographiques
6
Introduction
Décrire le savoir et le savoir-faire
L'approche présentée ici repose sur un constat
initial : dans les savoir-faire, il n'y a pas seulement des
séquences d'actions et des automatismes, il y a aussi de
nombreuses connaissances sémantiques concernant les
propriétés des objets. Mais bien que de première
importance, ces connaissances sont le plus souvent
implicites et uniquement accessibles dans l'action. Notre
objectif est de fournir un cadre conceptuel permettant de
décrire ces savoir-faire en les intégrant explicitement au
savoir sur les objets. Le modèle ProcOpe de représentation
des savoir-faire, avec son implémentation informatique, a
été principalement testé dans le domaine des Interactions
Homme-Machine et a permis d'analyser des dispositifs
techniques du point de vue de leur utilisation afin de
diagnostiquer leur complexité cognitive.
ProcOpe propose une organisation des savoir-faire à
l'intérieur d'un réseau de classes dont les noeuds figurent
des catégories d'objets et les arcs la relation d'inclusion
sémantique. Dans ce réseau, tes connaissances
procédurales comme les savoirs sur les buts et sur les
procédures sont traitées comme des propriétés d'objet. A
ce titre, ProcOpe constitue un modèle de la catégorisation qui donne une place prépondérante aux connaissances sur
l'action tout en permettant de préciser le rôle important
joué par les propriétés non procédurales des objets : 1 / tes
propriétés de surface qui conditionnent l'identification des
objets, 2/ les propriétés de structure qui rendent possible
l'exécution des actions et la réalisation des buts. Etant
donné un ensemble de propriétés considérées a priori
comme indépendantes, le réseau sémantique ProcOpe
permet d'identifier les relations d'implication entre ces
propriétés, compte tenu de la façon dont elles se
distribuent sur un ensemble d'objets.
La représentation ProcOpe du savoir-faire
Les formalismes de description de connaissances
procédurales comme tes systèmes de production et les
grammaires d'actions ne permettent qu'une prise en compte
indirecte de la sémantique des objets mis en jeu dans tes
actions. En tant que systèmes centrés sur des règles, ils ne
font apparaître les objets qu'à travers les conditions de
déclenchement de ces règles sans qu'il soit possible
d'expliciter la structure sémantique d'ensemble du monde de
la tâche. Par rapport aux formalismes de description des
procédures proposées jusqu'ici, le formalisme ProcOpe
présente deux différences essentielles.
La première est qu'une procédure se définit comme la
décomposition d'un but en un ensemble de sous-buts dont te
mode de réalisation n'est pas spécifié. Les différentes
procédures qui permettent la réalisation de chaque sous-
but ne sont activées qu'au moment de l'exécution, en
fonction de la nature particulière des objets auxquels le
sous-but doit s'appliquer. A travers les procédures, ce sont
les buts qui sont décomposés. Chaque niveau de
8 décomposition définit des sous-buts, mais ne précise pas la
façon dont ces sous-buts seront réalisés. Ce point de vue
permet de rendre compte des choix entre procédures
alternatives lors de la planification de l'exécution de la
tâche sans avoir à évoquer sa mise en oeuvre détaillée. On
modélise ainsi la planification schématique.
La seconde différence concerne la représentation
des objets en jeu dans l'exécution de la tâche à l'aide du
dispositif. Avec ProcOpe, cette représentation est explicite
et prend ta forme d'un réseau sémantique. Dans ce réseau,
les objets sont principalement catégorisés à partir des buts
réalisables et des procédures applicables. Cette
catégorisation permet de regrouper les objets en classes
organisées par inclusion sémantique.
La description des procédures comporte non
seulement des aspects concernant l'exécution des tâches,
notamment la décomposition en buts et en sous-buts, mais
aussi des aspects sémantiques concernant d'abord
l'équivalence des procédures qui réalisent le même but et qui
constituent ainsi une catégorie, définie par leur résultat
commun. Ils concernent ensuite les propriétés structurales
partagées par les objets auxquels sont appliquées les
procédures. Le formalisme ProcOpe permet une
représentation des savoir-faire centrée sur les objets. Les
buts et les procédures sont considérés comme des
propriétés d'objet au même titre que les propriétés
structurales : ce sont tes propriétés fonctionnelles des
objets. Traités de la sorte, les buts et tes procédures, en
tant qu'ils catégorisent les objets, permettent de générer le
réseau sémantique d'inclusion de classes qui est au centre
d'une description ProcOpe des savoir-faire.
9 Le formalisme ProcOpe comporte un langage de
description des procédures qui vise à réaliser en même
temps des objectifs informatiques et des objectifs
cognitifs : 1 / du point de vue informatique, engendrer
automatiquement les suites d'actions acceptables pour
réaliser une procédure et reconnaître si une suite donnée
d'actions est satisfaisante pour réaliser la procédure ; 2/ du
point de vue cognitif, représenter les connaissances d'un
utilisateur concernant les procédures de mise en oeuvre
d'un dispositif, ainsi que les mécanismes de sélection et
d'exécution de ces procédures en vue de réaliser une tâche
donnée.
Plan de l'ouvrage
Dans le premier chapitre, nous analysons, à l'aide
d'exemples les principaux formalismes de description des
savoir-faire, en distinguant les modèles de la performance
des modèles de ta compétence.
Dans le chapitre 2 nous présentons ProcOpe et ses
différents apports : la procédure définie comme un ensemble
de sous-buts et le réseau sémantique des buts et des
procédures structuré par le treillis de Galois. Ainsi, la
complexité d'un dispositif est analysée en termes de
complexité du réseau correspondant.
analyse Nous présentons, dans le chapitre 3, une
détaillée de plusieurs fonctionnalités importantes de deux
dispositifs de communication conçus par France Telecom et
Apple Computer. Ces analyses mettent en évidence la part
de complexité cognitive induite par la structure d'ensemble
est engendrée par la des commandes, structure qui
distribution des buts et des procédures sur les objets
10 auxquels ils s'appliquent. Enfin, nous détaillons les moyens
offerts par ProcOpe dans le domaine de la représentation
des états successifs du dispositif, en fonction des actions
de l'utilisateur.
1 1 Chapitre
1
Les formalismes de description
des connaissances procédurales
La caractérisation des connaissances requises pour
l'usage adéquat de dispositifs techniques comme des
logiciels, et la caractérisation des modalités de la mise en
oeuvre de ces connaissances ont suscité de nombreux
travaux. Ces recherches dans le domaine de l'interaction
homme-machine ont conduit à l'élaboration d'un certain
nombre de modèles formalisés concurrents. On attend
principalement de tels formalismes qu'ils satisfassent aux
exigences suivantes : 1 / avoir une bonne plausibilité
psychologique, c'est-à-dire être compatible avec les
données concernant la structure des connaissances en
mémoire et l'accès à ces connaissances pour leur
utilisation, 2/ fournir une mesure de la complexité
cognitive, et donc du coût associé à l'apprentissage et à
l'utilisation du dispositif, permettant ainsi de comparer et d'évaluer différentes interfaces d'un point de vue
ergonomique.
Ces recherches visent à évaluer la compatibilité
entre la représentation de la tâche imposée par la structure
du logiciel et la représentation habituelle de l'opérateur.
Deux points de vue ont été adoptés dans l'élaboration de
ces formalismes. 1/ Le point de vue de la tâche : la
description de différentes méthodes permettant de réaliser
une tâche, en définissant pour chacune l'organisation des
buts et sous-buts, les prérequis et éventuellement les cri-
tères de sélection entre ces alternatives. 2/ Le point de
vue du dispositif : la description des actions permettant de
mettre en oeuvre chaque fonction du dispositif et les effets
de ces actions sur l'état du dispositif.
Les recherches ont d'abord été centrées sur le point
de vue de la tâche. C'est la psychologie du travail qui la
première (Ombredane Et Faverge, 1955) met en avant la
notion de tâche, ainsi que tes notions de tâche prescrite et
tâche effective (Leplat Et Hoc, 1983). Cette notion a été
ensuite reprise dans les études sur la résolution de problème
(Newell Et Simon, 1972) dans le cadre de la perspective dite
du traitement de l'information. Ce n'est qu'ultérieurement
que s'est fait sentir le besoin de définir des formalismes qui
puissent décrire les deux points de vue simultanément.
Cette nécessité ne concerne pas seulement l'interaction
homme-machine, elle s'applique au domaine de l'action en
général. En effet, une tâche est toujours réalisée avec un
certain dispositif et cette réalisation doit prendre en
compte les contraintes de celui-ci. Ainsi, pour ce qui est de
l'action de tenir un objet, la main est un dispositif qui ne
peut tenir qu'un objet à la fois (c'est aussi le cas du presse-
papier dans un traitement de texte). Prendre un objet a
14 pour résultat, non seulement que l'objet soit dans la main,
mais aussi, s'il y avait un autre objet dans la main, que
celui-ci n'y soit plus. De ta même façon, mettre quelque
chose dans le presse-papier a pour effet de faire disparaître
ce qui y était auparavant.
1.1 Les modèles de la performance
Reprenant une idée familière en linguistique, Green,
Schiele Et Payne (1988) ont proposé une classification des
modèles de l'interaction homme-machine en deux
catégories : les modèles de la performance et les modèles de
la compétence. Les modèles de ta performance
s'attacheraient à la description du processus de réalisation
de la tâche tandis que les modèles de la compétence
viseraient à représenter les connaissances et leur
organisation. Les premiers permettraient d'évaluer le coût
associé à la mise en oeuvre des savoir-faire, les seconds le
coût associé à leur apprentissage.
Parmi tes modèles de la performance, l'un des plus
connus est GOMS (Goals, Operators, Methods, Selection)
proposé par Card, Moran et Newell (1983). L'objectif est de
prendre en compte à la fois la logique d'utilisation et la
logique du fonctionnement du système qu'on cherche à
décrire dans le cadre d'un même formalisme. Se fondant sur
une conceptualisation issue du domaine de la résolution de
problème, GOMS permet de décrire une tâche complexe sous
la forme d'une décomposition descendante en buts et sous-
buts à plusieurs niveaux, en précisant quels opérateurs sont
disponibles pour la réalisation de chacun des sous-buts et
quelles sont les conditions de mise en oeuvre de ces
opérateurs. Le but est l'état de l'environnement souhaité
15 par l'utilisateur, les sous-buts sont tes états intermédiaires
par lesquels il faut passer pour atteindre l'état but. Les
opérateurs sont les actions qui permettent de transformer
l'environnement externe de la tâche (la situation) ou l'état
cognitif (te contenu de la mémoire de travail). Les méthodes
définissent des procédures pour atteindre les buts en
termes d'opérateurs et de sous-buts. Elles comportent aussi
des conditions d'application. Enfin, lorsqu'il y a plusieurs
méthodes disponibles, des règles de sélection précisent
quelle méthode choisir en fonction du contexte.
Il n'est pas satisfaisant de traiter séparément
l'analyse de la tâche et l'analyse du dispositif dans la mesure
où le dispositif impose une structuration en buts et en sous-
buts qui peut d'ailleurs n'être pas compatible avec la
structure qu'utilise l'opérateur avec un autre dispositif qui
lui est familier. Ainsi, une calculette à logique algébrique
impose une structure de buts différente de celle du calcul à
la main (Friemel Et Richard, 1988).
Les travaux de Kieras et Poison (1985), Bovair,
Kieras et Poison (1990) se situent dans le prolongement de
GOMS, mais avec un formalisme basé sur un système de
production. Ces auteurs ont abordé directement le
problème de la comparaison entre la structure de buts de
l'utilisateur pour la tâche réalisée dans les conditions
habituelles et la structure de buts imposée par le dispositif
si l'on veut une réalisation optimale.
Les règles de production de leur formalisme
permettent de simuler, soit le comportement d'un novice,
soit celui d'un expert dans la réalisation de différentes
tâches d'édition de texte. Deux sortes d'analyses sont
menées : une analyse en fonction de la logique d'utilisation
16 (Richard, 1983) et une analyse en termes de logique de
fonctionnement.
La première analyse se présente sous la forme d'un
système de production dont tes règles définissent une
exécution experte des différentes tâches réalisables avec
un éditeur de texte. L'éditeur de texte est décrit à l'aide
d'un réseau de transition généralisé (augmented transition
network), analogue aux automates récursifs utilisés pour
l'analyse syntaxique automatique. Le dispositif est donc
représenté dans son fonctionnement par un graphe récursif
dont tes noeuds sont les états de l'automate qui définissent
quelles fonctions sont accessibles et tes arcs les transitions
entre états. Ces transitions sont liées à des conditions, qui
peuvent être des graphes (d'où le caractère récursif), et
s'accompagnent d'actions, qui peuvent être également des
graphes, et qui sont des modifications des mémoires
(registres) de l'automate ou des effets visibles pour
l'opérateur. Cette représentation indique comment
l'automate interprète les actions de l'opérateur, celles-ci
constituant tes conditions de franchissement des
transitions.
A partir de ces analyses, les auteurs comparent la
structure de buts du système de production avec la
hiérarchie des fonctions du dispositif : les défauts de
correspondance sont des indices de défaut de compatibilité
entre ta logique de fonctionnement du système et la logique
de sa mise en oeuvre par l'opérateur. Mais cette approche,
qui vise à comparer une représentation des procédures
d'utilisation d'un système et une représentation du
fonctionnement du système lui-même bute sur une
difficulté : la comparaison de deux graphes qui ne sont pas
représentés dans le même formalisme. En effet, l'un est un
17 système de production, l'autre un réseau de transition
généralisé, ce qui n'autorise pas une comparaison directe.
Il n'y a pas de règle univoque pour comparer les structures
de buts produits par l'instanciation des deux formalismes, à
savoir l'arbre issu de l'exécution des règles du système de
production et l'arbre issu du parcourt du réseau de
transition.
Scapin (1988) a développé un langage de description
de tâches complexes sous la forme d'un arbre hiérarchique
qui utilise non seulement les connecteurs booléens (et/ou)
mais aussi des connecteurs de précédence (avant, après,
en même temps). L'unité de description est l'item, qui se
situe à différents niveaux de l'arbre. L'item peut être une
tâche, un but ou un prérequis. La tâche est la racine de
l'arbre hiérarchique, tes buts sont les états résultant de la
décomposition de l'item et liés par des connecteurs
booléens et des connecteurs de précédence. Les prérequis
sont des conditions nécessaires à l'exécution de l'item qui
doivent donc être remplies avant cette exécution. Les
actions correspondent à des buts qui ne sont pas
décomposables : ce sont les primitives, tes opérations
terminales directement exécutables et qui constituent les
feuilles de l'arbre. La conceptualisation de Scapin comporte
également les notions de boucles d'itération, de
décomposition en opérations et objets. Elle est faite du seul
point de vue du modèle de la tâche et pas de celui du modèle
du dispositif.
Par ailleurs, Scapin construit un réseau sémantique
basé sur la relation d'inclusion dans lequel les procédures
sont des objets. Cette approche met en évidence des liens
de parenté entre les procédures du point de vue de leur
mode de réalisation. Ainsi, ta procédure pour couper par le
18 menu d'édition hérite ses composants d'un prototype plus
général défini pour toutes les procédures liées à ce menu.
Cependant, cette organisation ne rend pas compte des
parentés entre procédures du point de vue de leur but.
Dans un tel réseau, deux procédures ayant le même but,
mais différant par leur mode de réalisation (procédures
alternatives) ne se trouveront aucunement reliées.
19 1.2 Les modèles de la compétence
Parmi les modèles de la compétence, on trouve
principalement tes grammaires d'actions dont il va être
question maintenant. Toutefois, la distinction entre les
deux types de modèles relève plus d'une différence de
points de vue que d'une opposition bien tranchée, les uns
mettant l'accent sur le format de représentation des
connaissances, les autres sur les prédictions quant au coût
de l'exécution.
La plupart des modèles classés par Green Et al. (1988)
comme modèles de la compétence utilisent des formalismes
qui mettent en avant les liens existant entre le domaine de
l'action et celui du langage : les grammaires d'actions. Il
s'agit de grammaires formelles qui s'inspirent des méthodes
de description de la compétence linguistique pour décrire la
compétence liée à l'usage de dispositifs, ce qui revient à
considérer qu'utiliser un dispositif c'est mettre en oeuvre le
« langage de commandes » qui lui est associé. On décrit les
connaissances de l'opérateur à l'aide de règles de
réécriture, ce qui permet de définir l'ensemble des
séquences d'actions bien formées, c'est-à-dire acceptables
par le dispositif, de la même façon que la grammaire d'une
langue définit l'ensemble des phrases bien formées.
Afin de faciliter tes comparaisons entre le modèle
ProcOpe développé plus bas et les autres modèles, nous
utiliserons toujours les mêmes exemples en les reformulant à
l'aide des différents formalismes examinés. Ces exemples
sont tirés de MacDraw, te logiciel d'édition de formes
20