Aide à la gestion d'une base d'exercices de simulation

Aide à la gestion d’une base d’exercices de simulation
Michelle Joab (*), Odette Auzende (*), Michel Futtersack (**) et Patrice Le Leydour (***)
(*) LIP6, Université Paris 6, case courrier 169,
4 place Jussieu, 75252 Paris cedex 05, FRANCE
Tel +33 1 44 27 71 48, Fax +33 1 44 27 70 00,
e-mail : {Michelle.Joab, Odette.Auzende}@lip6.fr
(**) CRIP5, Université Paris 5, 10 avenue Pierre Larousse, 92245 Malakoff, France,
Tel + 33 1 41 17 30 89, Fax + 33 1 46 56 05 29, e-mail : Michel.Futtersack@lip6.fr
(***) THOMSON TRAINING & SIMULATION - 1, rue du Général de Gaulle
Z.I. Les Beaux Soleils Osny, BP 226 - 95523 Cergy Pontoise cedex - FRANCE
Tel +33 1 34 22 82 52, Fax +33 1 34 22 81 49,
e-mail : patrice.leleydour@tts.thomson-csf.com
Résumé
Les simulateurs d'entraînement offrent aujourd'hui aux
instructeurs des outils de création et de supervision
d'exercices avec lesquels ils développent des bases
d'exercices. Cependant ces exercices sont difficilement
réutilisables par d'autres dans la mesure où la caractérisation
pédagogique n'est pas explicite dans les données du scénario.
Pour concevoir un curriculum, l'instructeur doit caractériser
les exercices en explicitant ses objectifs pédagogiques et en
faisant le lien avec les données de la simulation.
Le système STREX (STRucturing EXercise database)
présenté dans cet article offre la possibilité aux instructeurs
de visualiser la base d’exercices en fonction de critères de
sélection, d’ajouter de nouveaux critères de sélection aux
critères existants et de générer des modules de formation
adaptés aux besoins des stagiaires. STREX est un logiciel
indépendant de tout domaine d’entraînement et peut être
connecté à tout logiciel de création d’exercices de
simulation ; son intégration nécessite uniquement
l’importation de la base d’exercices dans la base de données
de STREX.
Mots-clés : Simulation et formation, génération de cursus
Abstract
Today, training simulators provide instructors with sophisticated
exercise creation and supervision tools which they
will use to develop exercise databases. However, these
exercises are reusable with difficulty by others, insofar as the
teaching goals do not explicitly appear as part of the data set
that makes up the exercise. To design a training course, the
instructor has to characterize the exercises, making explicit
his teaching goals and linking his criteria to the simulation
data.
Thanks to STREX (STRucturing Exercise database),
the instructors are given the possibility to visualize the
exercise database contents according to selection
criteria, add new selection criteria to the existing set,
and generate teaching modules according to the
trainees’ needs. STREX is a tool that is independent of
any training domain and can be connected to any
exercise creation tool; STREX software integration
simply requires the importing of the relevant exercise
data into the STREX database.
Keywords : Training & simulation, curriculum generation
Introduction
Les simulateurs d'entraînement offrent aujourd'hui aux
instructeurs des outils élaborés de création et de
supervision d'exercices. Dans un simulateur
d’entraînement, le scénario de simulation est spécifié
grâce à la valeur de paramètres globaux qui
caractérisent l'environnement et les attributs des entités
artificielles (visibilité, puissance de feu des ennemis,
par exemple, pour la conduite de chars). Le scénario
détaille aussi le comportement des acteurs artificiels
durant chaque phase de l'exercice. Les données de
l’exercice comportent essentiellement les données
nécessaires à l’exécution de la simulation.
Pour tester un exercice, un instructeur peut l'exécuter et
prendre la place du stagiaire. Pour superviser
l'exercice, il peut geler la simulation, provoquer des
perturbations (mettre en panne les freins d'un camion)
ou revenir à un état antérieur.
Grâce à ces outils, les instructeurs développent
indépendamment les uns des autres des bases
d'exercices, mais ces exercices sont difficilement
réutilisables par d'autres dans la mesure où la
caractérisation pédagogique n'est pas explicite dans les
données du scénario. Pour exploiter un exercice
importé, il est nécessaire de l'exécuter dans l'optique du
créateur de l'exercice qui l’a mis en scène.
Pour concevoir un curriculum, l'instructeur doit donc
retrouver les exercices appropriés et construire une
séquence pertinente. Il ne dispose souvent que d'outils
rudimentaires (Rogalski 1997). Dans le simulateur
TRUck Simulator for Training (TRUST (site WEB
TT&S), système d’entraînement à la conduite de
camions, il peut construire une séquence d'exercices
avec un éditeur graphique, mais les raisons du choix
des exercices et la logique de leur enchaînement
n'apparaissent pas explicitement dans un tel graphe. Un
progrès significatif consiste donc à proposer un
ensemble d’outils permettant aux instructeurs de
caractériser des exercices et de construire en
conséquence des modules de formation structurés

(Héran, Sirignano et Le Leydour 1999). Pour
caractériser les exercices, les instructeurs doivent avoir
le moyen d’expliciter leurs objectifs pédagogiques et
de faire le lien avec les données de la simulation.
La didactique disciplinaire choisit et organise les
contenus de la formation selon la structure de la
discipline (De Corte et al. 1990) ; cette démarche a été
reprise largement en EAO et dans certains tuteurs
intelligents (Lesgold 1987). Mais en formation
professionnelle sur simulateurs, il est difficile de
raisonner dans ces termes. La didactique
professionnelle planifie la formation en s’appuyant sur
des situations qui font référence à des situations réelles
de travail ; un couple situation-tâche spécifie les
compétences mises en jeu. La compétence est « le
système de connaissances qui permettra d’engendrer
l’activité répondant aux exigences des tâches d’une
certaine classe » (Leplat 1991). Pour caractériser un
exercice de simulation, il est nécessaire d'expliciter la
tâche et les compétences concernées, et donc d’y
associer un (ou plusieurs) couple(s) situation-tâche.
Le système STREX (STRucturing EXercise database)
présenté dans cet article est un logiciel d'aide à la
structuration d'une base d'exercices de simulation. Pour
concevoir un curriculum, l’instructeur doit s'appuyer
sur une typologie des situations-tâches, permettant
d’une part de couvrir l’ensemble des compétences du
métier, d’autre part de pouvoir organiser une certaine
progression dans l’apprentissage. STREX est une
approche générique répondant à ces besoins. STREX
est indépendant de tout domaine d’entraînement et peut
être connecté à tout logiciel de création d’exercices de
simulation ; son intégration nécessite uniquement
l’importation de la base d’exercices dans la base de
données de STREX.
STREX offre la possibilité aux instructeurs de
visualiser la base d’exercices en fonction de critères de
sélection, d’ajouter de nouveaux critères de sélection à
l’ensemble des critères existants (éventuellement
dépendants de ceux-ci) et de générer des modules de
formation adaptés aux besoins des stagiaires.
Dans la section 2, nous présentons les fonctions
utilisateurs de STREX en les illustrant par des extraits
de session dans le domaine de la conduite de camion.
Dans la section 3, nous décrivons l'architecture de
STREX et les principaux algorithmes du noyau de
l'application. Nous concluons en section 4 par un bilan
et les perspectives de ce projet.
Exploitation de STREX
STREX est composé de deux parties : l’interface de
conception destinée au chef instructeur responsable du
site, et l’interface d’exploitation destinée à un
instructeur de l’équipe. Le chef instructeur configure la
façon dont STREX sera exploité par les autres
instructeurs de l’équipe. Les extraits de session
présentés ci-dessous concernent la conduite de camion,
le couplage de STREX et de TRUST étant en cours
d'expérimentation.
L’interface de conception
L'interface de conception présente les critères
d’analyse initiaux issus du simulateur d'entraînement
(Niveau de charge du véhicule, Pluie) auxquels
s'ajoutent les critères d’analyse spécifiés par le chef
instructeur. Ces nouveaux critères d’analyse
caractérisent le couple situation-tâche comme par
exemple, dans la figure 1, le critère d’analyse
Compétence (Dépassement, Conduite en Ville,
Conduite en montagne).
Dans l’interface de conception, l’instructeur dispose
des fonctions d’ajout d’un nouveau critère et de gestion
des groupes de critères.
Ajout d’un critère
Pour ajouter un nouveau critère d’analyse, le chef
instructeur doit préciser son domaine de valeurs en
ordonnant ses valeurs par ordre de difficulté (figure 1).
Tout nouveau critère d’analyse est soit indépendant
soit dépendant des critères d’analyse issus du
simulateur d’entraînement et des autres critères
d’analyse existants. Par exemple, la compétence est un
critère indépendant des critères existants, tandis que la
visibilité est un critère dépendant. Une visibilité
mauvaise peut être définie par un brouillard supérieur à
40% ou une luminosité inférieure à 30%.

Figure 1 : Ajout d’un critère d’analyse
Gestion des groupes de critères
Le chef instructeur peut sélectionner les critères
d’analyse qui seront proposés dans l’interface
d’exploitation en les organisant en groupes
modifiables. Dans l’exemple de la figure 2, STREX
présente à l’instructeur l’ensemble des groupes de
critères d’analyse constitués et l’ensemble des critères
d’analyse non affectés à un groupe. L’association du
critère d’analyse Compétence au groupe Tâche est
réalisée par une manipulation simple : un glisserdéposer
du label Compétence sur le label Tâche.
Figure 2 : Affectation d’un critère d’analyse à un groupe

Avant de valider sa conception, le chef instructeur
peut avoir un aperçu de ce que sera l'interface
d'exploitation (figure 3). Lorsqu'il quitte l’interface de
conception, la configuration qu’il a définie est prise en
compte dans l’interface d’exploitation.
Figure 3 : Aperçu de l’interface d’exploitation
L'interface d'exploitation
Dans l’interface d’exploitation, l’instructeur dispose
d’une fonction de structuration de la base d’exercices
et de fonctions de création et de modification de
séquences.
Figure 4 : Choix des critères de structuration
de la base d’exercices
Structuration de la base d’exercices
Pour visualiser la structure de la base d'exercices,
l’instructeur sélectionne les critères d’analyse présents
dans l’interface d’exploitation qu’il veut exploiter en
les rangeant par ordre d’importance. Par exemple, dans
la figure 4, il choisit de caractériser les exercices par
des critères issus de deux groupes : Niveau charge
véhicule, Matière dangereuse et Vent. Il leur attribue
les priorités respectives 1, 2 et 3, pour mettre en avant
les caractéristiques du véhicule dans la structure de la
base d’exercices.
Lorsque l’instructeur a validé ses choix, il visualise la
structure de la base d’exercices (figure 5). STREX
répartit les exercices de la base en considérant
successivement chaque critère d’analyse choisi par
l’instructeur et chacune des valeurs de ce critère.
STREX opère en considérant les critères d’analyse
dans l’ordre d’importance spécifié par l’instructeur et
les valeurs rangées par ordre de difficulté croissante.
La structure de la base d’exercices est représentée par
un arbre où chaque nœud correspond à un item, c’est-àdire
un couple critère d’analyse - valeur. A chaque
nœud de l’arbre est associé le nombre d’exercices
correspondant aux items successifs du chemin menant
de la racine au nœud. Lorsqu’un nœud est sélectionné,
la liste des exercices associés apparaît. Grâce à cette
visualisation, l’instructeur remarque les items de la
base d’exercices qu’il lui faut compléter par de
nouveaux exercices.

Figure 5 : Visualisation de la structure de la base d’exercices
Dans la figure 5, les exercices de la base sont répartis
tout d’abord en fonction de leur valeur pour le critère
Niveau charge véhicule : Niveau charge véhicule =
vide (14), Niveau charge véhicule = moyen (13),
Niveau charge véhicule = plein (8). Les exercices de
chaque branche de l’arbre sont alors répartis en
fonction de leur valeur pour le critère suivant Matière
dangereuse. Par exemple, les exercices de la branche
Niveau charge véhicule = moyen sont répartis dans les
sous-branches Matière dangereuse = non (8), Matière
dangereuse = oui (5).
Figure 6 : Attribution de valeurs à des exercices

Si certains exercices n’ont pas reçu de valeur pour un
critère d’analyse, ils ne sont pas pris en compte dans la
répartition afférente à ce critère d’analyse ni dans la
suite du processus. C’est le cas par exemple lorsqu’un
critère indépendant est créé : avant de pouvoir exploiter
ce critère, l’instructeur doit attribuer des valeurs pour
ce critère à chacun des exercices de la base. En
sélectionnant la fonction d’affectation de valeurs,
l’instructeur fait apparaître, pour un critère d’analyse
donné, les exercices qui n’ont pas reçu de valeurs et,
par interaction graphique, il leur affecte une valeur
(figure 6).
Construction d’une séquence
Dans l’exemple de la figure 7, l’instructeur se fixe
comme objectif de construire une séquence contenant
15 exercices satisfaisant des contraintes de priorité
décroissante : une compétence (conduite en ville ou en
montagne), un niveau de charge du véhicule (vide,
moyen ou plein), la présence ou non de matière
dangereuse et la présence ou non de vent.
Les exercices de la séquence créée sont, par défaut,
répartis de façon homogène sur les nœuds d’un même
niveau de l’arbre. Ainsi, 12 exercices satisfont la
contrainte Compétence=conduite en ville et 3 exercices
satisfont la contrainte Conduite en montagne ; de
même, parmi les 12 premiers exercices, 6 exercices
satisfont la contrainte Niveau charge véhicule=vide, 3
exercices satisfont la contrainte Niveau charge
véhicule=moyen et 3 exercices vérifient Niveau charge
véhicule=plein
L’instructeur peut modifier une séquence construite par
STREX en substituant à un exercice un exercice de
caractéristiques identiques. Il peut aussi modifier la
structure de la séquence en changeant le nombre
d’exercices correspondant aux nœuds qui constituent
l’ossature de la séquence.
Conception de STREX
STREX est une application générique qui peut être
connectée à n’importe quel logiciel de création
d’exercices de simulation. L’architecture de STREX
est présentée dans la figure 8.
STREX importe les critères d’analyse globaux de la
simulation et leur domaine de valeurs ainsi que les
données des exercices de simulation concernant ces
mêmes critères d’analyse. La base de données de
Figure 7 : Visualisation d’une séquence
STREX est une base miroir de celle du logiciel de
création d’exercices.
L'interface d'exploitation, qui dépend du domaine, est
générée automatiquement par STREX à partir des
spécifications exprimées par le chef instructeur dans
l'interface de conception. Cette génération automatique
d'interface a été facilitée par l'utilisation d'une
programmation orientée objet. Le noyau de STREX,
indépendant du domaine, est constitué par un
algorithme de structuration de la base d’exercices, un
algorithme de construction de séquence et un
algorithme de modification de la structure de la
séquence.
La base de données de STREX est implantée en
ACCESS 97. L’application STREX est implantée en
Visual C++ 5.0. La communication entre la base de
données et l’application est assurée par le mécanisme
ODBC.

Base de
Données
SIMU
Envoi des critères globaux et de leurs valeurs
Mise à jour de la base de données de STREX
Base de
DonnéesST
REX
Lecture/écriture des critères et de leurs valeurs
Lecture/écriture de la base de données de STREX
Noyau de STREX
Création, modification, validation
de critères
Création, modification de groupes
Affichage de la structure de la base
Génération d'une séquence d'exercices
Interface de conception
Interface d'exploitation
Chef Instructeur
Instructeur
Figure 8 : Architecture de STREX
L’algorithme de structuration de la base d’exercices
exploite les données du domaine (critères d’analyse,
domaines de valeurs, valeurs caractéristiques des
exercices) et les choix de l’instructeur (critères
d’analyse retenus, ordre d’exploitation des critères
d’analyse).
L’algorithme construit dynamiquement un arbre en
exploitant les différentes combinaisons des valeurs des
critères d’analyse. Le développement en profondeur de
l’arbre se fait en exploitant les critères d’analyse dans
l’ordre défini par l’instructeur et en prenant un critère
d’analyse par niveau. Le développement en largeur se
fait en exploitant l’ordre de difficulté relative des
valeurs des critères d’analyse. A chaque nœud de
l’arbre est associé le nombre et la liste des exercices
correspondants. Le résultat apparaît dans la figure 4.
L’algorithme de construction de séquence exploite
les données du domaine (critères d’analyse, domaines
de valeurs, valeurs caractéristiques des exercices) et les
choix de l’instructeur (critères d’analyse et valeurs
retenus, ordre d’exploitation des critères d’analyse,
nombre d’exercices).
L’algorithme de construction de séquence est une
variante de l’algorithme précédent. Il construit tout
d’abord la structure de la base correspondant aux
critères d’analyse et aux valeurs retenus. Il élimine les
exercices de la base qui ne sont pas documentés pour
l’un des critères d’analyse exploités et met à jour pour
chaque nœud, la liste des exercices et leur nombre.
L’algorithme parcourt ensuite l’arbre construit et
détermine la répartition des exercices entre les
différents nœuds. Pour chaque nœud de l’arbre,
l’algorithme répartit un nombre d’exercices entre ses
différents fils. Il détermine le nombre moyen
d’exercices par fils. Si un nœud fils ne dispose pas de
suffisamment d’exercices, l’algorithme compense en
recourant aux nœuds frères. Enfin, l’algorithme
parcourt de la gauche vers la droite les feuilles de
l’arbre pour extraire de chaque liste d’exercices le
nombre d’exercices requis.

L’algorithme de modification de la structure de la
séquence exploite la structure de la séquence et la
nouvelle répartition des exercices à partir d’un nœud
donné. L’algorithme détermine les exercices associés
aux nœuds fils conformément à la répartition
demandée en modifiant le moins possible la séquence :
si l’effectif d’un nœud doit augmenter, il conserve les
exercices précédents et en ajoute d’autres. Toute
modification d’un nœud est répercutée sur l’ensemble
de l’arbre, tant en amont qu'en aval.
De Corte, E. et al. 1990. Les fondements de l’action
didactique, Editions Universitaires, Paris.
Lesgold, A.M. 1987. Toward a theory of curriculum
for use in designing intelligent instructional systems. In
Mandl H. and Lesgold A.M. (Eds) Learning Issues for
Intelligent Tutoring Systems. Springer Verlag, New
York.
Leplat J. 1991. Compétence et ergonomie. Amalberti
R, Montmollin M de et Theureau J. (Eds) Modèles et
analyse du travail. Mardaga, Liège.
Conclusion
STREX répond à un réel besoin de mise en commun
des exercices de simulation dans une équipe
d'instructeurs. STREX incite les instructeurs à
expliciter les objectifs pédagogiques de leurs exercices
en leur laissant une grande liberté dans leur mode de
pensée. Ils peuvent partir des caractéristiques de la
simulation et en abstraire des caractéristiques
pédagogiques ou adopter la démarche inverse. Ils
peuvent aussi exprimer des objectifs pédagogiques sans
référence explicite aux caractéristiques de la
simulation.
La généricité de STREX est un atout majeur pour sa
réutilisation effective. Le couplage de STREX et du
SEE (Simulateur d'Entraînement d'Equipage du char
LECLERC) sera expérimenté prochainement. Les
instructeurs du SEE, utilisateurs potentiels de STREX,
ont marqué leur intérêt lors des premières présentations
de STREX. Ils estiment son utilité primordiale car
aujourd’hui ils gèrent à la main leur base de données
d’exercices avec des supports papier. Ils estiment le
logiciel facile à exploiter, en particulier grâce à l’ajout
de nouveaux critères propres à chaque centre de
formation.
STREX analyse aujourd'hui les caractéristiques
globales d'un exercice sans tenir compte de l’évolution
de la simulation. En effet, un exercice est découpé en
phases, chacune avec un objectif différent, par
exemple, pour la conduite de camion, faire face à un
dépassement suivi d'une situation de collision. De
même, il faudrait pouvoir décrire l'évolution d'un
critère d’analyse, par exemple une météo qui se
dégrade, une circulation qui se densifie. L'exploitation
de STREX par les instructeurs permettra d'évaluer
l'intérêt d'étendre l'analyse pédagogique aux différentes
phases d'une simulation.
Références
Rogalski, J. 1997. Simulation dans la formation à la
gestion d’environnement dynamique. Actes des
Cinquièmes Journées EIAO de Cachan, EIAO'97,
France, Hermès.
Site WEB TT&S : http://www.ttsl.co.uk/roaddriv.html
Héran, F, Sirignano, S and Le Leydour, P. 1999.
Guidelines for the Design of Intelligent Trainings Aids,
ITEC 99.