Analyse des diagrammes de l'apprenant dans EIAH de la ...

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Thèse de doctorat de l’Université du Maine

spécialité
Informatique

présentée par
Ludovic Auxepaules

pour l’obtention du titre de
Docteur de l’Université du Maine

Analyse des diagrammes de l’apprenant dans
un EIAH de la modélisation orientée objet


Le système ACDC



Soutenue publiquement le 24 septembre 2009 devant le jury composé de :


Président :

M. Jean-Marc LABAT Professeur à l’Université Pierre et Marie Curie, Paris 6

Rapporteurs :

M. Thierry NODENOT Professeur à l’Université de Pau et des Pays de l’Adour

M. Jean-François NICAUD Professeur à l’Université Joseph Fourier, Grenoble

Examinateurs :


M. Xavier LE PALLEC Maître de conférences à l’Université de Lille

M. Christophe CHOQUET Professeur à l’Université du Maine

me M . Dominique PY Professeure à l’Université du Maine
Directrice


Thèse préparée au sein du Laboratoire d’Informatique de l’Université du Maine Le Mans
Faculté des Sciences - Université du Maine – Avenue Olivier Messiaen, 72085 - Le Mans Cedex 9
Remerciements

Ma gratitude va à toutes les personnes que j’ai eu l’occasion de côtoyer et de rencontrer lors de ces
quelques années de thèse. Chacune d’entre elles a participé à sa manière à l’aboutissement de cette thèse. Je
prie à toutes celles que je n’aurais pas mentionnées de m’en excuser.

Je remercie tout d’abord Jean-Marc Labat, Professeur à l’Université Pierre et Marie Curie Paris 6,
de m'avoir fait l'honneur de présider ...
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Thèse de doctorat de l’Université du Maine spécialité Informatique présentée par Ludovic Auxepaules pour l’obtention du titre de Docteur de l’Université du Maine Analyse des diagrammes de l’apprenant dans un EIAH de la modélisation orientée objet Le système ACDC Soutenue publiquement le 24 septembre 2009 devant le jury composé de : Président : M. Jean-Marc LABAT Professeur à l’Université Pierre et Marie Curie, Paris 6 Rapporteurs : M. Thierry NODENOT Professeur à l’Université de Pau et des Pays de l’Adour M. Jean-François NICAUD Professeur à l’Université Joseph Fourier, Grenoble Examinateurs : M. Xavier LE PALLEC Maître de conférences à l’Université de Lille M. Christophe CHOQUET Professeur à l’Université du Maine me M . Dominique PY Professeure à l’Université du Maine Directrice Thèse préparée au sein du Laboratoire d’Informatique de l’Université du Maine Le Mans Faculté des Sciences - Université du Maine – Avenue Olivier Messiaen, 72085 - Le Mans Cedex 9 Remerciements Ma gratitude va à toutes les personnes que j’ai eu l’occasion de côtoyer et de rencontrer lors de ces quelques années de thèse. Chacune d’entre elles a participé à sa manière à l’aboutissement de cette thèse. Je prie à toutes celles que je n’aurais pas mentionnées de m’en excuser. Je remercie tout d’abord Jean-Marc Labat, Professeur à l’Université Pierre et Marie Curie Paris 6, de m'avoir fait l'honneur de présider le jury de ma soutenance de thèse. Je tiens à remercier Jean-François Nicaud, Professeur à l'Université Joseph Fourier de Grenoble, et Thierry Nodenot, Professeur à l'Université de Pau et des Pays de l’Adour, de m'avoir fait l'honneur d'accepter d'être rapporteurs de ma thèse. Je remercie Christophe Choquet, Professeur au Laboratoire d’Informatique de l’Université du Maine (LIUM) et Xavier Le Pallec, Maître de Conférences à l’Université de Lille, d'avoir accepté de faire partie de mon jury de thèse. Je tiens à remercier Dominique Py, Professeure au LIUM, d'avoir dirigé cette thèse, de m’avoir conseillé et guidé tout au long de mes travaux. Je tiens également à remercier Mathilde Alonso et Thierry Lemeunier sans qui l’environnement Diagram et ma recherche ne seraient pas ce qu’ils sont. Un grand merci pour les travaux que nous avons menés conjointement depuis le début de cette thèse. J’adresse tous mes remerciements aux membres du personnel du LIUM et du département d’informatique devenus ensuite mes collègues. J’ai pu réaliser grâce à eux dans de bonnes conditions ma formation universitaire et ensuite ma thèse et mes enseignements : merci à Pierre, Christophe, Phillipe, Jérome, Arnaud, Paul, Bruno, Étienne, Edith, Martine et tous les autres. Je remercie également mes collègues de Laval que j’ai pu rencontrer à différentes occasions : Pierre, Claudine, Philippe, Lahcen… Une thèse ne serait rien sans un environnement de travail agréable. J’en profite donc pour remercier les doctorantes de mon bureau : Bérangère, Christelle, Carole, Aina et Mathilde. Je remercie également les autres doctorants du LIUM qui vivent ou ont vécu cette expérience qu’est une thèse et plus particulièrement Naïma, Julie, Patricia, Boubekeur, Noa, Hassina, Firas, Thierry, Antoine, Richard, Vincent et Anthony. Une thèse, c’est aussi des rencontres toujours enrichissantes notamment lors des manifestations liées à la recherche telles que les conférences : je remercie notamment Elisabeth, Anne, Vanda, Monique, Françoise, Hélène, Xavier, Jean-Phillippe, Jean-Marc, Éric, Pierre-André, Jean-Hugues, Richard, Ivan et bien d’autres pour leur intérêt porté à l’égard de mes travaux, leurs conseils et leurs encouragements. Merci également à tous les doctorants rencontrés dans ces mêmes occasions et avec qui avec j’ai pu discuter de nos préocupations communes : Nabila, Fatoumata, Mariam, Amine, Mohamedade, Douadi, Tom… ère Je n’oublie pas tous mes étudiants, et en particulier les promotions de Master 1 année èmed’informatique 2008-2009 et de DEUST ISR 2 année 2009-2010. Je remercie les étudiants des différentes èrepromotions de DEUST 1 année ISR ayant utilisé Diagram et ainsi permis de mener mes travaux sur leurs diagrammes très variés. Je remercie le bureau et les membres de l’association Vitamime pour leur bonne humeur et leur participation à la vie de l’« IUP MIME ». Je remercie Alexandre pour son amitié depuis le lycée, le soutien et le partage de nos expériences respectives dans le monde de l’enseignement et de la recherche dans deux domaines différents. Je remercie toute ma famille pour son soutien. Un grand merci en particulier à mon oncle Pascal qui, lorsqu’il était à ma place et moi enfant, a éveillé ma curiosité avec ses petits robots et ses gros écrans. Merci à mes parents et à mon frère pour leur amour et leur soutien dans toutes les étapes que j’ai traversées. Je terminerai cette page en remerciant Typhaine, ma compagne, de m’avoir aidé, soutenu, réconforté et supporté (dans tous les sens du terme) tout au long de cette thèse. RÉSUMÉ Nos travaux s’inscrivent dans le cadre des recherches menées sur les Environnements Informatiques pour l’Apprentissage Humain (EIAH) et plus particulièrement dans celui du projet Interaction et Connaissance (I&C) du Laboratoire d’Informatique de l’Université du Maine (LIUM). Le projet I&C vise à élaborer des modèles, méthodes et outils pour la conception d’environnements dédiés à l’apprentissage particulier de la modélisation. Ce projet est appliqué actuellement à l’apprentissage des concepts de la Modélisation Orientée Objet (MOO) et a suscité le développement d’un EIAH nommé Diagram. Nous abordons dans nos travaux de thèse le problème d’analyse des réponses de l’apprenant lors de l’activité de modélisation et en particulier lors de l’activité d’initiation à la construction d’un diagramme de classes UML de niveau analyse à partir de spécifications textuelles. Dans ce contexte, il n’est pas possible de mettre en place un résolveur pédagogique. L’objectif principal de cette thèse est de proposer une méthode pour l’analyse automatique des diagrammes de l’apprenant dans le cadre de l’activité de modélisation en informatique menée par des novices. Cette méthode doit être conçue à un niveau indépendant des besoins pédagogiques, afin de garantir une certaine généricité, tout en demeurant assez efficace pour que les résultats puissent servir à la production de rétroactions synchrones dans un EIAH (notamment dans l’environnement Diagram). Pour répondre à cet objectif, nous avons étudié conjointement les environnements existants dans le cadre de l’apprentissage de la modélisation et de l’analyse des productions des apprenants, les caractéristiques intrinsèques des modèles à analyser et enfin des travaux relatifs à la restructuration, la transformation et l’appariement de modèles. À partir de cette étude, nous avons retenu le principe de concevoir un outil de diagnostic basé sur la comparaison et l’appariement des constituants de plusieurs diagrammes. Cette proposition s’inspire des concepts et des techniques d’appariement de modèles et se concentre principalement sur les aspects structurels des modèles à apparier. Pour qualifier les écarts entre les éléments des modèles, nous nous focalisons sur la notion de différences (exprimées dans une taxonomie que nous avons définie) entre le diagramme de l’apprenant et un diagramme de référence construit par un expert. L’approche a été appliquée pour analyser les diagrammes de classes UML mais peut être généralisable à d’autres types de modèles structurés. Nous avons instancié notre méthode d’appariement sous forme d’un composant logiciel, nommé ACDC (Automatic Class Diagrams Comparator) que nous avons ensuite intégré dans Diagram. ACDC respecte les normes et les standards actuels de la MOO en utilisant notamment le composant UML2 du projet EMP (Eclipse Modeling Project) et le format XMI (XML Metadata Interchange). Les résultats d’ACDC (les différences relevées) sont traités dans Diagram pour la production de rétroactions pédagogiques synchrones destinées à l’apprenant. Nous avons évalué la pertinence et la qualité des résultats produits par ACDC en dehors de Diagram à l’aide de quatre mesures de qualité (Précision, Rappel, F-Mesure et Recall) sur un corpus de quatre-vingt-deux diagrammes que nous avons collectés dans des situations réelles d’apprentissage. Dans le cadre de l’environnement Diagram (avec le diagnostic et la production des rétroactions pédagogiques), une expérimentation en situation réelle d’apprentissage a été menée fin 2008. TABLE DES MATIÈRES TABLE DES MATIÈRES INTRODUCTION ......................................................................................................................................... 11 CHAPITRE 1 : La modélisation orientée objet et son enseignement ...................................................... 17 1.1 La modélisation ................................................................................................. 19 1.1.1 Des modèles à la modélisation ......................................................................................... 19 1.1.2 L’activité de modélisation ................................ 21 1.1.3 Des modèles aux métamodèles et langages ..................................................................................................... 22 1.2 La modélisation dans le paradigme Objet ....................... 23 1.2.1 Les concepts orientés objet .............................................................................................................................. 24 1.2.2 La modélisation dans les phases de développement d’un logiciel ................................. 25 1.2.3 L’enseignement de la modélisation orientée objet ......................... 27 1.2.4 Les difficultés de l’activité de modélisation .................................................................... 29 1.3 La modélisation orientée objet avec le langage UML.................................... 30 1.3.1 Formalisme d’UML .......................................................................................................... 30 1.3.2 Diagrammes d’UML ........ 31 1.3.3 Diagramme de classes UML ............................................................................................................................ 33 1.3.3.1 Les classificateurs .................................................................. 33 1.3.3.2 Les relations ........... 35 1.3.3.3 La dérivation .......................................................................................................................................................................... 37 1.4 Exemples de représentations du diagramme de classes UML ...................... 37 1.4.1 Exemple d’exercice de modélisation d’un diagramme de classes UML....................................................... 37 1.4.2 Représentation du diagramme de classes UML sous forme de graphes ...................... 39 1.4.2.1 Représentation graphique ................................................................................................ 40 1.4.2.2 Représentation arborescente XMI .......................................... 41 1.4.2.3 Représentation sous forme de graphe UML ........................................................... 43 CHAPITRE 2 : Les environnements dédiés à l'apprentissage de la modélisation .................................. 45 2.1 Systèmes centrés sur la vérification de la cohérence des modèles ................................................ 48 2.1.1 La vérification de la cohérence des diagrammes UML ................................................. 48 2.1.2 StudentUML ..................................................................................... 49 2.2 Systèmes tutoriels intelligents .......................................... 51 2.2.1 KERMIT ........................................................................................................................... 51 2.2.2 DesignFirst-ITS ................ 53 2.3 Systèmes centrés sur l’apprentissage collaboratif ......................................................................... 56 2.3.1 Modellingspace ................................................................................. 56 2.3.2 Collect-UML ..................... 57 7 TABLE DES MATIÈRES 2.4 Diagram ............................................................................................................................................. 60 2.4.1 Cadre théorique ................ 60 2.4.2 Modèle d’interaction ........................................................................................................................................ 61 2.4.3 Rôle de l’enseignant .......... 64 CHAPITRE 3 : L'analyse automatique des productions de l’apprenant dans les EIAH ...................... 65 3.1 Objectifs et méthodes ....................................................................................................................... 68 3.2 Méthodes d’analyse en résolution de problèmes ........... 69 3.2.1 Approche de type « guidage discret » ............................................................................................................. 70 3.2.2 Approches en résolution de problèmes ........... 72 3.3 Méthodes d’analyse dans le cadre de l’apprentissage de la modélisation ... 74 3.3.1 Approche « Curriculum » ................................................................................................................................ 74 3.3.2 Approche basée sur les contraintes (CBM) .... 77 3.3.3 Discussion .......................................................... 80 CHAPITRE 4 : Les techniques d’appariement de modèles ...................................................................... 81 4.1 Généralités sur le problème de l’appariement ............... 84 4.1.1 Définitions de l’appariement ........................................................................................................................... 84 4.1.2 Résultat du processus d’appariement ............. 85 4.1.3 Processus d’appariement ................................. 86 4.1.4 Problèmes d’appariement et mesure de similarité ........................................................................................ 87 4.2 Classifications des approches d’appariement ................ 88 4.2.1 Classification préliminaire des approches d’appariement ............................................................................ 89 4.2.2 Classification de Euzenat et Shvaiko .............................................. 90 4.2.2.1 Techniques de niveau élément ou structure ........................... 91 4.2.2.2 Techniques syntaxiques, externes ou sémantiques................................................................................. 93 4.2.3 Utilisation de différents apparieurs ................................................ 94 4.3 Quelques exemples d’approches d’appariement ........................................................................... 95 4.3.1 Cupid ................................................................................................. 96 4.3.2 Similarity flooding ............................................ 96 4.3.3 S-Match ............................................................. 97 4.3.4 COMA ............................................................................................................................... 97 4.3.5 Mesure de similarité générique pour l’appariement de graphe ................................... 98 4.4 Conclusion ....................................................................................................... 100 CHAPITRE 5 : La méthode d’appariement de diagrammes ................................. 101 5.1 Particularités de notre contexte d’apprentissage ........................................ 104 5.1.1 Des diagrammes très différents élaborés par l’apprenant .......................................... 104 5.1.1.1 L’altération des relations structurantes ................................................................ 104 8 TABLE DES MATIÈRES 5.1.1.2 Des diagrammes sous-spécifiés, sur-spécifiés et altérés ...................................................................................................... 106 5.1.2 La référence construite par l’enseignant ...... 107 5.1.3 Les informations auxiliaires et l’utilisation du résultat produit . 108 5.2 Introduction de motifs structurels caractéristiques .................................................................... 109 5.2.1 Des besoins d’interrogation et de structuration des diagrammes .............................. 109 5.2.2 Motifs simples et complexes ........................................................................................................................... 110 5.2.3 Schématisation des diagrammes de classes UML en motifs ........................................ 111 5.2.4 Connaissances spécifiques des motifs ........................................................................... 112 5.3 Fonctionnement général de la méthode d’appariement .............................. 113 5.4 Mesure des similarités et des différences ...................................................................................... 115 5.4.1 Problème de dépendance mutuelle dans l’évaluation des similarités ......................... 116 5.4.2 Principe général du calcul de scores de similarité ....................................................... 117 5.4.3 Critères pris en compte pour évaluer les similarités et les différences ...................................................... 118 5.4.4 Evaluations des similarités et des différences à l’aide de comparateurs.................... 118 5.4.5 Comparaison spécifique des espaces de nommage ...................................................... 120 5.4.6 Appariements locaux des motifs contenus, conteneurs et liés..................................................................... 122 5.5 Choix de l’appariement des motifs ............................................................... 124 5.5.1 Définition des listes de couples de motifs candidats à l’appariement ......................................................... 125 5.5.2 Comportement général des apparieurs ........................................................................ 125 5.5.3 Comportement spécifique de l’apparieur de motifs simples ....... 126 5.5.4 Sélection des appariements univoques .......................................... 127 5.5.5 Détermination des appariements multivoques ............................................................. 129 5.5.6 Identification des appariements univoques hétérogènes ............................................................................. 130 5.6 Taxonomie des différences ............................................. 130 5.6.1 Différences spécifiques ................................................................................................... 131 5.6.2 Différences générales ...................................... 132 5.6.3 Exemple d’identification des différences avec ACDC ................................................................................. 133 5.7 Paramétrage et complexité de la méthode proposée ... 136 5.7.1 Paramétrage de la méthode ........................................................................................................................... 136 5.7.2 Évaluation de la complexité 137 CHAPITRE 6 : L’application de la méthode d’appariement au diagnostic ......................................... 139 6.1 Vérification de la cohérence du diagramme de l’apprenant ...................................................... 141 6.2 Utilisation d’ACDC dans Diagram ............................................................... 144 6.2.1 Taxonomie des Différences Pédagogiques .................................................................... 145 6.2.2 Transcription des différences structurelles en différences pédagogiques .................. 146 6.2.3 Production des rétroactions pour l’apprenant dans Diagram .... 147 6.2.4 Exemple de production des rétroactions pour l’apprenant dans Diagram ............................................... 148 9 TABLE DES MATIÈRES CHAPITRE 7 : L’implantation et l’évaluation du système ACDC ....................................................... 151 7.1 Implantation du système dans Diagram ................................ 153 7.1.1 Utilisation du composant UML2 du projet EMP ......................................................... 154 7.1.2 Conversion du modèle graphique en modèle uml2 ...................................................... 155 7.1.3 Architecture et fonctionnement d’ACDC dans Diagram ............................................ 157 7.2 Évaluations de la qualité du diagnostic ........................................................................................ 160 7.2.1 Corpus d’exercices et de diagrammes à disposition .................... 160 7.2.2 Méthodologie ................................................................................................................................................... 161 7.2.2.1 Premier exercice .................................. 162 7.2.2.2 Second exercice ... 163 7.2.2.3 Troisième exercice ............................................................................................................................................................... 164 7.2.2.4 Transcription des diagrammes et méthodologie suivie ........................................ 165 7.2.3 Mesures de qualité utilisées ........................................................... 165 7.2.4 Évaluations hors-ligne .................................................................... 167 CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES.................................... 169 Apports des travaux .................................................................................................... 171 Limites et perspectives ................................ 172 Perspectives générales ................................................................................................. 174 ANNEXES ................................................................................................................................................... 177 Annexe 1 : Hiérarchie des diagrammes proposés dans UML 2.x ............................ 179 Annexe 2 : Extrait du métamodèle UML 2.x des diagrammes de classes............................................... 180 Annexe 3 : Règles de cohérence des diagrammes de classes .................................... 182 Annexe 4 : Exemple de fichier .uml2 (XMI) pour le modèle idéal de l’exercice « Stylo et Feutre » .... 185 Annexe 5 : Hiérarchie de comparateurs d’ACDC .................................................................................... 186 Annexe 6 : Algorithme de mesure des similarités de deux chaînes de caractères.................................. 189 Annexe 7 : Liste détaillée des différences relevées par ACDC ................................ 190 Annexe 8 : Exemple de sorties textuelles du diagnostic produit par ACDC .......................................... 204 Annexe 9 : Fichier de configuration du module ACDC ........................................... 207 Annexe 10 : Résultats détaillés de l’évaluation hors-ligne d’ACDC ....................................................... 210 TABLE DES ILLUSTRATIONS .............................................................................. 211 GLOSSAIRE DES ACRONYMES ET DES ABBRÉVIATIONS.......................................................... 215 RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ................................................................. 219 10
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