Evaluation des performances et de la charge de travail ...

ÉVALUATION DES PERFORMANCES ET DE LA CHARGE DE TRAVAILINDUITS PAR L'APPRENTISSAGE DE PROCÉDURES DE MAINTENANCEEN ENVIRONNEMENT VIRTUEL

Franck Ganier, Charlotte Hoareau, Frédéric Devillers

Presses Universitaires de France | « Le travail humain »

2013/4 Vol. 76 | pages 335 à 363 ISSN 0041-1868ISBN 9782130618744DOI 10.3917/th.764.0335

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Le Travail Humain, tome 76, n°4/2013, 335-363

RECHERCHES EMPIRIQUES EMPIRICAL STUDIES

ÉVALUATION DES PERfORMANCES ET DE LA CHARGE DE TRAVAIL INDUITS PAR

L’APPRENTISSAGE DE PROCÉDURES DE MAINTENANCE EN ENVIRONNEMENT VIRTUEL

par franCk ganier1, CHarlotte Hoareau2, frédériC devillerS3

SUMMARy

learning a proCedural taSk in a virtual environMent for training:

evaluation of perforManCe and Workload

The aim of this study was to investigate procedural learning using a vir-tual environment for training : GVT (Generic Virtual Training). Performance (time to carry out the task, number of readings of the instructions, time needed to read the instructions, number of incorrect actions) and subjective workload (assessed with NASA-TLX) were measured while and after the carrying out of a procedural task dealing with tank maintenance. Fifteen participants were asked to carry out the task for ten consecutive trials. Volunteers had to re-run the task for three more trials after a four days delay. The results reveal that the total time to perform the task, as well as reading the instructions, the execution times and the number of errors, decrease along with the repetition of the trials, showing a learning curve. Moreover, after four days, these results were similar to those observed at the end of the first set of trials. These results show that the procedure seems to be acquired, that is stored in the learners’ Long Term Memory. In addition, turning to subjective workload measures, subscales such as mental demand, physical demand, performance, effort and general workload, seemed to follow the same pattern, thus showing decreasing cogni-tive demand and increasing performance along with procedural skill acquisi-tion. These findings are congruent with the theoretical framework proposed by Fitts (1964) and Anderson (1983, 1995), and suggest that procedural learning occurs following three stages: cognitive, associative and autonomous. During the cognitive stage, learners strongly rely on procedural instructions to carry out corresponding actions. Because this stage requires many attentional resources, it makes a heavy use of cognitive processes. In the associative stage,

1. Lab STICC, UMR 6285 CNRS, Université Européenne de Bretagne, Université de Brest, Centre Européen de Réalité Virtuelle, 25 Rue Claude Chappe, f-29280 Plouzané – [email protected].

2. Lab STICC, UMR 6285 CNRS, Université Européenne de Bretagne, Université de Brest, Centre Européen de Réalité Virtuelle, 25 Rue Claude Chappe, f-29280 Plouzané – [email protected].

3. Université Européenne de Bretagne, École Nationale d’Ingénieurs de Brest, Centre Européen de Réalité Virtuelle, 25 Rue Claude Chappe, f-29280 Plouzané – frederic. [email protected].

Apprentissage de procédure en environnement virtuelFranck Ganier, Charlotte Hoareau, Frédéric

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learners make a transition from a slow and deliberate use of the knowledge delivered by the instructions to a more direct representation of what to do. Errors that might have occurred in the cognitive stage are gradually detected and eliminated, leading to successful performance of the procedure. Finally, when the procedure has been repeated a certain number of times, it becomes more and more automated and rapid, and requires few attentional resources. In this autonomous stage, the procedural skill is revealed by errorless rapid performance. To conclude, using a simple instruction following paradigm, this study showed that a Virtual Environment for Training can help individuals to effectively learn a new procedure effectively, i.e., store it in their long term memory so that it could be reused later.

Key words: instructions following, learning curve, procedural learning, subjective workload measurement, virtual environment for training, virtual reality.

I. INTRODUCTION

L’utilisation de la réalité virtuelle (RV) se développe dans diffé-rents domaines de recherche et d’application. Ainsi, Burkhardt, Bardy et Lourdeaux (2003) constatent que de nombreuses applications commencent à être proposées dans les domaines de l’ingénierie, la médecine, l’éducation et le loisir. Ils remarquent que cinq branches de l’industrie concentrent l’essentiel des développements actuels dans le domaine : la construction automobile, l’aviation et l’industrie aéro-spatiale, la médecine, l’industrie nucléaire et l’industrie chimique. à la suite de Burkhardt (2003), qui dresse un inventaire assez précis des liens que la réalité virtuelle entretient avec l’ergonomie, Burkhardt, Lourdeaux et Mellet d’Huart (2006) recensent les différents projets concernant l’usage de la RV en formation d’adultes dans l’industrie et citent les avantages de son utilisation dans ce domaine. Par exemple, la RV permet de simuler des conditions de travail difficiles ou dan-gereuses, facilitant l’acquisition d’habiletés en toute sécurité (comme l’apprentissage d’opérations liées à la réparation du télescope spatial Hubble préalablement à la mission réelle ; Loftin & kenney, 1994) ; elle permet aussi d’éviter l’immobilisation de machines ou de systèmes complexes (Mellet d’Huart, 2001). Pour Burkhardt et al. (2006), les avantages de la réalité virtuelle seraient liés d’une part au fait qu’elle rend possible le recours à une situation simulée, à la fois proche de la situation réelle et dégagée des contraintes du terrain, et d’autre part au fait qu’elle permet de développer des propriétés de la situation et des fonctionnalités intéressantes pour l’apprentissage. Parmi les nom-breux avantages cités, retenons que la réalité virtuelle offre notamment la possibilité de répéter la même situation de façon inter- ou intra- individuelle, à des fins d’observation, d’entraînement ou d’évaluation. Toutefois, du fait de systèmes jeunes, Burkhardt et al. (2006) déplorent le peu de résultats accessibles pour ce qui concerne les évaluations empiriques de l’utilité, de l’utilisabilité, de l’exploitation pédagogique

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337Apprentissage de procédure en environnement virtuel


réelle et des apprentissages effectifs. Burkhardt (2003) note que pour les environnements virtuels dédiés à la formation, des méthodologies de conception et d’évaluation centrées sur l’utilisateur et les activi-tés de formation sont proposées et des principes fondés sur le retour d’expérience d’utilisations réelles commencent à être publiés. Mais pour cet auteur, ce domaine souffre encore d’une absence de résultats concernant l’impact des environnements virtuels sur l’apprentissage. Il considère que c’est le manque d’études empiriques qui explique que peu de résultats sont publiés, l’accent étant plutôt mis sur les réalisa-tions techniques (voir aussi Burkhardt et al. , 2003 ; Draper, kaber & Usher, 1998 ; Verna & Grumbach, 1998). Bien que les environne-ments virtuels soient destinés à des opérateurs humains, la recherche technologique s’avère bien plus avancée que l’étude des aspects cogni-tifs, où les connaissances sont encore lacunaires. Ainsi, même si des prototypes destinés à la formation se développent dans le domaine de la réalité virtuelle, Tichon (2007) reproche elle aussi le manque d’at-tention accordée à l’évaluation des connaissances ou habiletés acquises grâce à cette technologie.

fort de ces constats, cet article présente une étude destinée à évaluer l’apprentissage de procédure en Environnement Virtuel pour l’Apprentis-sage Humain (EVAH). L’avantage de ce type d’environnement est d’offrir la possibilité de réaliser des études permettant un niveau de contrôle expé-rimental élevé tout en préservant leur validité écologique (Hoc, 2001, pour la validité écologique de la recherche en ergonomie cognitive ; Loomis, Blascovich, & Beall, 1999). L’article mentionne d’abord les possibilités offertes par la réalité virtuelle pour étudier et pour fournir un support à l’apprentissage de procédures. Il décrit ensuite GVT (Generic Virtual Training), un EVAH dédié à l’apprentissage de procédures, puis les théo-ries développées en psychologie cognitive par fitts (1964) et Anderson (1983, 1995) sur l’apprentissage de procédures. L’étude mentionnée plus haut est ensuite présentée. L’article conclut sur les apports principaux de cette étude.

I.1. réalité virtuelle et apprentiSSage de proCédureS

Dans les domaines de l’apprentissage de procédures et de la com-préhension d’instructions, la réalité virtuelle ouvre des perspectives tant au plan de la recherche qu’au plan de la mise en place de sessions de formation. Au plan de la recherche, en alliant contrôle expérimental et validité écologique, la réalité virtuelle offre un outil permettant l’étude du comportement humain et des processus cognitifs en situation com-plexe, dans des conditions réputées impossibles à recréer en laboratoire, ou avec des dispositifs difficiles à obtenir dans la réalité (voir par exemple Burkhardt, 2003 sur les possibilités offertes par la réalité virtuelle pour la recherche en ergonomie ; voir aussi Hoc, 1996, sur la notion de micro-monde dynamique, qui laisse également entrevoir ces possibilités). Ainsi, elle peut notamment permettre d’étudier – en laboratoire – l’effet du contexte ou de l’environnement sur certains processus cognitifs, tout en

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autorisant un recueil de données parfois difficile à réaliser sur le terrain. Par exemple, on peut envisager l’étude de l’utilisation d’instructions dans des situations à risque, comme la résolution d’un incident dans un train en marche ou encore le suivi d’instructions données par radio dans un immeuble en feu, avec recueil de données chronométriques, physiologi-ques et subjectives. Par ailleurs, la réalité virtuelle peut permettre de faire varier plus aisément les caractéristiques d’un équipement ou d’un dis-positif dans l’étude de l’interaction Utilisateur – Document – Dispositif (Ganier, 2004) : on peut ainsi envisager de conduire des études avec des dispositifs en cours de conception et en modifier les caractéristiques plus facilement qu’avec des prototypes physiques, et à moindre coût (Bruno & Muzzupappa, 2010). Ceci soulève toutefois le problème de l’inte-raction “physique” avec les environnements virtuels (Burkhardt, 2003 ; fuchs & Moreau, 2003 ; Mellet-d’Huart & Michel, 2005). En effet, dans la mesure où l’immersion dans l’environnement virtuel apparaît comme un facteur essentiel pour favoriser l’apprentissage, il apparaît nécessaire que la manipulation d’objets virtuels s’apparente le plus possible à celle de leur équivalent dans le monde réel (Ragan, Sowndararajan, kopper & Bowman, 2010). Au plan de la mise en place de sessions de forma-tion à l’apprentissage de procédures, l’utilisation de la réalité virtuelle offre un certain nombre d’avantages. Pour Sowndararajan, Rongrong et Bowman (2008), elle autorise l’utilisation d’un nombre élevé de scéna-rios pédagogiques, parfois difficiles à réaliser dans le monde réel et elle peut permettre de réduire les coûts de formation ainsi que certains dan-gers inhérents à la formation elle-même. Par exemple, dans le domaine chirurgical, Aggarwal et al. (2009) considèrent que le modèle actuel d’apprentissage “sur le patient” n’est plus viable, tant pour des raisons éthiques qu’économiques. Pour ces auteurs, il est nécessaire de mettre en place des modes d’acquisition d’habiletés chirurgicales qui n’exposent pas le patient à des erreurs. C’est notamment ce que peut permettre la formation en environnement virtuel. L’enjeu ici serait de permettre à un individu d’acquérir un certain niveau d’efficacité avant de traiter des cas réels. Cette idée est renforcée par le fait que l’interaction corporelle permise par les environnements immersifs peut permettre l’acquisition d’habiletés sensori-motrices (Ragan et al., 2010). La réalité virtuelle per-met d’envisager la formation simultanée d’un nombre important de sta-giaires, elle peut également permettre de délivrer des connaissances à distance, via le Web (Lee & Shin, 2012), voire de simuler des situations ou des pannes impraticables sur matériel réel. à titre d’exemple, la réali-sation de sessions de formation traditionnelle à la maintenance de chars mobilise habituellement quatre chars et quatre formateurs pour huit sta-giaires. En outre, pour éviter la dégradation du matériel, ou pour des raisons de sécurité, certaines pannes importantes ne peuvent pas être étudiées lors de telles sessions (Breuille, 2009).

Jusqu’à présent, les études réalisées en EVAH ont porté davan-tage sur l’acquisition d’habiletés sensori-motrices, c’est-à-dire de gestes techniques, comme l’acquisition du geste de soudage (Mellet d’Huart et al., 2005) ou encore l’apprentissage du geste chirurgical (par exemple, la laparoscopie : Brunner et al., 2004 ; Larsen et al., 2006 ;

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Soler & Marescaux, 2011), que sur l’acquisition de procédures, c’est-à- dire la réalisation d’une série d’actions pour atteindre un but donné (Heurley, 1997). Dans ce domaine, un grand nombre de formations et de travaux de recherche sont plutôt réalisés sur simulateurs (Pastré, 2005 ; fauquet-Alekhine & Pehuet, 2011), et les études basées sur la mesure de performances d’utilisateurs en EVAH restent encore rares. à titre d’exemple, citons l’une des rares études sur l’utilisation de la réalité virtuelle pour l’apprentissage de procédures (et non de gestes techniques). Dans cette étude, Loftin et kenney (1994) ont demandé à 105 contrôleurs de vol de la NASA d’apprendre des procédures liées à la réparation du télescope spatial Hubble en environnement virtuel. à l’issue de l’entraînement, l’évaluation a consisté à administrer un ques-tionnaire aux participants dans le but de recueillir leurs impressions et commentaires concernant : (i) l’efficacité de l’entraînement, (ii) le potentiel des technologies d’environnements virtuels pour la formation, et (iii) l’évaluation de solutions retenues pour l’interaction “humain- environnement”. à travers cet exemple, qui se veut assez représentatif du type d’études habituellement réalisées dans le domaine de la réa-lité virtuelle, on remarque que les objectifs sont davantage d’appréhen-der les perceptions, les attitudes et les performances des utilisateurs de façon subjective que d’évaluer l’apprentissage à l’aide de mesures objectives du comportement.

I.2. gvt : un environneMent virtuel pour l’apprentiSSage de proCédureS de MaintenanCe

GVT (Generic Virtual Training) est une plateforme logicielle permettant le développement de sessions de formations utilisant la réalité virtuelle soit sur grand écran, soit en salle informatique multipostes (Cazeaux et al., 2005 ; Gerbaud, Mollet & Arnaldi, 2007). Cette application a été développée dans le cadre d’une collaboration entre le Centre Européen de Réalité Virtuelle (CERV), l’Institut National de Recherche en Informatique et Automatisme (INRIA Rennes) et l’entreprise NEXTER (anciennement GIAT Industries), spécialisée dans le domaine de l’équi-pement militaire. La vocation première de GVT concernait l’apprentis-sage de procédures de maintenance de chars. Bien que l’utilisation de GVT ne se limite plus à ce domaine et touche aujourd’hui d’autres types de procédures et d’autres secteurs industriels, c’est ce type d’activité qui a été retenu pour la présente étude. Dans cette situation d’apprentissage, l’apprenant se trouve immergé dans un atelier virtuel et doit exécuter des instructions écrites et/ou sonores (figure 1) en pilotant le déclen-chement d’actions sur différents éléments (organes du char, outils, etc.) et dans différents lieux de l’atelier grâce à un menu contextuel constitué d’icônes (figure 2). L’objectif visé est donc de faire acquérir des connais-sances procédurales similaires à celles mobilisées en environnement réel, plutôt que des habiletés motrices déjà maîtrisées par les techniciens de maintenance.

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Figure 1 : Vue de la platine sur laquelle l’apprenant est amené à exécuter des actions suivant les instructions délivrées dans la fenêtre de gauche. Dans l’utilisation habituelle de GVT, environnement de travail et instructions sont présentés sur deux écrans séparés. Pour l’expérience, les deux fenêtres

étaient présentées en alternance sur un seul écran (l’une masquant l’autre).

figure 1 : A screenshot of the control panel on which the learner has to perform a part of the task with the help of instructions displayed in the left hand window. Normally, when

using GVT, the working environment and the procedural instructions are displayed on two separate screens. In the experiment, the two windows (instructions and working area) were

displayed alternately on the same screen.

Par exemple, dans l’application utilisée pour notre étude (présentée figure 2), l’apprenant doit positionner un curseur sur “Minimum”. Il est sur le point de sélectionner une icône correspondant à l’action qui l’intéresse, en la désignant grâce à la souris. Une main – qui constitue ici son outil courant - est affichée en bas à droite de l’écran. S’il clique sur l’icône adéquate, le résultat de cette action apparaîtra alors dans l’environnement, sous forme d’une ani-mation: la main exécutera automatiquement l’action choisie dans l’environne-ment, qui changera d’état. S’il ne choisit pas l’icône correcte, GVT lui renverra un message d’erreur, du type “Ceci n’est pas l’action à effectuer”. Grâce à une interface visuelle ou sonore, le système peut à tout moment renseigner l’ap-prenant sur la validité ou les limites des interventions qu’il vient d’effectuer, créant ainsi un feedback immédiat. L’environnement GVT réalise le suivi des actions de l’apprenant en enregistrant chaque évènement sous forme de logs. De ce fait, l’état d’avancement dans la procédure, les nombres ou durées de

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consultation des instructions ou d’exécution des actions ou encore les actions incorrectes de l’apprenant constituent autant de traces pouvant rendre compte de son activité lors de l’apprentissage de la procédure. L’avantage offert pour la recherche par un tel environnement de formation est qu’il permet de pré-senter des situations d’apprentissage de procédures complexes, très proches de la réalité, avec un niveau de contrôle élevé de la situation.

Figure 2 : Vue de la platine sur laquelle l’apprenant est amené à exécuter des actions à l’aide du menu contextuel constitué d’icônes.

figure 2 : A screenshot of the control panel on which the learner has to perform part of the task with the help of icons displayed within a contextual menu.

I.3. LeS différenteS pHaSeS de l’apprentiSSage de proCédureS

Les travaux réalisés dans les domaines de l’apprentissage de procédu-res et de la compréhension d’instructions montrent généralement qu’au cours des premières étapes de l’apprentissage (c’est-à-dire lorsque la pro-cédure n’est pas encore connue), les individus élaborent différents niveaux de représentations mentales à partir de la consultation des instructions pour pouvoir exécuter les actions décrites. Ce traitement d’informations symbo-liques que sont les instructions, ainsi que leur transformation en actions, sont généralement coûteux cognitivement et nécessitent un certain temps (Dixon, Harrison, & Taylor, 1993 ; Ganier, 2004 ; Heurley & Ganier, 2006 ;

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kieras & Bovair, 1986). à l’issue du processus d’apprentissage, c’est-à-dire au terme d’un certain nombre de répétitions, les connaissances procédura-les sont réputées acquises lorsque l’apprenant est tellement familiarisé avec la tâche, le matériel et la procédure, qu’il devient capable de récupérer la procédure directement en mémoire à long terme (Lefevre, 1987). Cette récupération directe de la procédure permet généralement de réduire le coût cognitif imposé par le traitement conscient des instructions (Engle, Carullo, & Collins, 1991 ; Ganier & Barcenilla, 2007 ; Heurley & Ganier, 2006).

Ainsi, l’exécution d’une procédure induit une charge mentale plus ou moins élevée selon qu’elle repose sur l’élaboration de différents niveaux de représentations mentales ou sur la récupération directe de connaissances procédurales en mémoire à long terme. En d’autres termes, lors de l’ap-prentissage de procédures, les individus semblent passer progressivement d’un traitement conscient à un traitement automatisé de l’information (Schneider & Shiffrin, 1977). Ce passage de l’un à l’autre nécessite un cer-tain temps ainsi qu’un certain “effort” cognitif (voir la “théorie de la charge cognitive” proposée par Sweller, 1999), comme le suggère le cadre théori-que proposé par Anderson (1983, 1995), s’appuyant sur les travaux de fitts (1964). Selon ces auteurs, l’acquisition de connaissances procédurales se déroulerait en trois phases :

– L’acquisition débuterait au cours de la “phase cognitive”, nommée “phase déclarative” par Anderson, marquée par le recours systématique à des instructions permettant de guider le déroulement des opérations à réaliser. Ici, les apprenants se représenteraient les connaissances sous forme verbale (Ganier, 2000/2001) et les répéteraient mentalement alors qu’ils exécutent la procédure pour la première fois, au pas à pas. Du fait qu’elle se déroule sous un fort contrôle attentionnel (il s’agit de traduire consciemment une série d’instructions en actions), cette phase explicite de l’acquisition du savoir-faire serait très coûteuse cognitivement.

– Au cours de la seconde phase (dite “phase associative”), les apprenants passeraient d’une utilisation lente et délibérée des connaissances présentées dans les instructions à une exécution plus directe des actions à effectuer. C’est au cours de cette phase que les connaissances qui se présentaient initialement sous une forme déclarative seraient converties sous une forme procédurale. À cette fin seraient élaborées des règles de type CONDITION => ACTION (IF condition THEN action), c’est-à-dire des représentations permettant d’exécuter la tâche sans se répéter verbalement et consciem-ment la procédure à suivre. Les connexions entre différents éléments nécessaires à la réalisation correcte de la procédure se trouveraient ren-forcées. Cette phase, nommée phase de “compilation des connaissances” par Anderson (par analogie avec les langages informatiques “compilés”) débuterait par l’application interprétative de connaissances déclaratives et se terminerait avec l’application directe des connaissances procédurales. Ainsi, au début de la phase associative, chaque étape de la procédure serait représentée par une règle séparée. Puis, au fur et à mesure des répétitions, certaines étapes seraient combinées en de plus grandes unités et ne don-neraient plus lieu à la construction de représentations intermédiaires en mémoire de travail : elles seraient récupérées directement en mémoire

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à long terme. Ces processus, nommés respectivement processus de “composition” et processus de “procéduralisation” par Anderson (1983, 1995) réduiraient les contraintes sur la mémoire de travail et rendraient l’exécution de la procédure plus rapide, mais aussi plus efficace, car dans le même temps, les erreurs se trouveraient progressivement détectées et éliminées. Enfin, lorsque la procédure a fait l’objet d’un certain nombre de répétitions, elle atteindrait un niveau élevé d’automatisation. Elle sollici-terait alors peu de ressources attentionnelles de l’apprenant.

– Au terme de la troisième phase (dite “phase autonome”, ou “phase d’ajus-tement” pour Anderson), les connaissances acquises seraient directement récupérées en mémoire à long terme, ce qui se traduirait par une exé-cution rapide et sans erreur de la procédure, et un coût cognitif moindre.

Hormis les travaux réalisés en neuropsychologie par Hubert et al. (2007) dans le domaine de l’apprentissage de procédures basée sur la résolution du problème de la tour de Toronto, cette théorie n’a – à notre connaissance – pas encore donné lieu à des tentatives de mise en évidence des trois phases de l’apprentissage de procédures en lien avec le traitement d’instructions. Ce sont ces trois phases que nous avons tenté d’appréhender dans cette étude, lors de l’apprentissage d’une procédure complexe en environnement virtuel.

I.4. ObJeCtifS de l’étude

Les études permettant de mettre en évidence, grâce à des mesures objectives, l’efficacité de la réalité virtuelle pour l’acquisition de connais-sances procédurales restent rares (Burkhardt, 2003 ; Burkhardt et al., 2003 ; Tichon, 2007). En outre, il existe peu d’études de terrain destinées à rendre compte du déroulement de l’apprentissage de procédures à l’aide de documents, tant au plan du recours aux instructions qu’au plan de l’évolution de la charge de travail induite. Pour ces raisons, une étude a été réalisée pour tenter de satisfaire trois objectifs :

– D’une part, il s’agissait d’examiner le déroulement de l’apprentissage de procédure per se. À cette fin, et dans la mesure où il offre des condi-tions à la fois écologiques et contrôlées de recueil de données, l’en-vironnement virtuel permet de recueillir les traces de l’activité d’un individu en termes de consultations des instructions, de durée de réalisation de différentes actions ou encore de réalisation correcte ou non des actions. Il permet ainsi de déterminer le nombre de répéti-tions nécessaire pour que la procédure puisse être considérée comme acquise, c’est-à-dire exécutée en un temps très bref, sans erreur et sans recours aux instructions.

– D’autre part, complémentairement à cet objectif, il s’agissait d’iden-tifier un certain nombre d’indicateurs comportementaux susceptibles d’évoluer avec l’entraînement et de rendre compte des trois phases de l’apprentissage décrites par Fitts (1964) et Anderson (1983, 1995).

– Enfin, il s’agissait d’examiner dans quelle mesure l’utilisation d’un environnement virtuel pouvait s’avérer efficace pour l’apprentissage de procédure. En d’autres termes, il s’agissait de vérifier qu’après

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entraînement en environnement virtuel, une procédure pouvait être véritablement acquise, c’est-à-dire stockée en mémoire à long terme, et qu’elle pouvait par conséquent être réutilisée après un certain délai.

II. EXPÉRIENCE : MESURE DE L’APPRENTISSAGE EN EVAH

Une expérience a été conduite en vue de recueillir des données compor-tementales et des données subjectives destinées à évaluer les performances et la charge de travail d’individus en situation d’apprentissage d’une procé-dure en environnement virtuel (GVT). La première partie de l’expérience consistait à répéter dix fois consécutives l’exécution d’une même procé-dure. La seconde partie de l’expérience consistait à exécuter la procédure trois fois consécutives à l’issue d’un délai de quatre jours. Cette épreuve de rappel devait permettre de vérifier que la procédure avait été mémorisée par les participants.

Au regard des différentes phases de l’apprentissage procédural pro-posées par fitts (1964) et Anderson (1983, 1995), les hypothèses émises devaient permettre de révéler une courbe d’apprentissage présentant les caractéristiques suivantes. Du fait de la méconnaissance de l’environne-ment, de la tâche et de la procédure, et du fait du recours systématique aux instructions, la première phase de l’apprentissage devait induire un temps élevé de réalisation de la procédure et devait conduire à un nombre élevé de consultations des instructions et d’actions incorrectes. Les performances enregistrées pour ces indicateurs comportementaux devaient dimi-nuer au cours de la deuxième phase de l’apprentissage jusqu’à atteindre des performances optimales dans la troisième phase. L’exécution de la pro-cédure après un délai de plusieurs jours devait conduire à des performan-ces similaires à celles enregistrées dans la troisième phase d’apprentissage, révélant sa rétention à long terme. Par ailleurs, la réduction des coûts de traitement au cours de l’apprentissage (liée notamment aux processus de composition et de procéduralisation, puis à la disparition de la récupé-ration d’erreurs) devait se traduire par des profils de résultats similaires à la courbe d’apprentissage concernant l’évaluation subjective de la charge de travail (c’est-à-dire une charge élevée en début d’apprentissage puis une diminution progressive, et enfin un plateau).

II.1. MétHode

II.1.1. Population

Quinze individus (13 hommes et 2 femmes), âgés de 23 ans en moyenne (σ = 2,22 ; min. = 20 ; max. = 29), ont participé à cette expérience. Tous avaient atteint au minimum le niveau d'études de fin de 4e année d’École d’ingénieurs (École Nationale d’Ingénieurs de Brest), étaient spécialisés

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en informatique et expérimentés dans l’utilisation d’interfaces. Aucun ne connaissait, ni n’avait manipulé l’environnement GVT auparavant.

II.1.2. Matériel

Deux ordinateurs ont été utilisés pour l’expérience. Le premier, sur lequel était installé GVT, était utilisé comme support d’apprentissage et de recueil de données comportementales. Sur cet ordinateur étaient présentées deux procédures de maintenance. La première (« Purge du circuit d’azote ») était utilisée pour la démonstration et la familiarisa-tion avec l’environnement virtuel. La seconde (« Préparation initiale de la centrale de parage ») était utilisée pour l’expérience (Annexe 1). Ces deux procédures correspondaient respectivement à une succes-sion de 16 et 25 instructions à réaliser, présentées sous forme de texte. Les instructions étaient délivrées dans une fenêtre intitulée « fenêtre de l’apprenant », affichée en plein écran. Les manipulations décrites dans les instructions étaient réalisées dans une seconde fenêtre, nom-mée « environnement de travail », elle aussi affichée en plein écran. L’affichage alterné des deux fenêtres en plein écran était destiné à induire un masquage de l’une par l’autre et permettre ainsi l’enregis-trement séparé du temps de consultation des instructions et du temps de manipulation de l’environnement de travail (Ganier, 2000/2001). Le basculement d’une fenêtre à l’autre était opéré par appui sur les touches Alt+TAB. Les données étaient récupérées sous forme de fichiers de logs. Le second ordinateur était utilisé pour mesurer la charge de travail des participants. Sur cet ordinateur était installé le logiciel Tholos (Cegarra & Chevalier, 2008) permettant notamment de recueillir une évaluation subjective de la charge de travail induite par la réalisation d’une tâche grâce à l’échelle multicritères NASA-TLX (Hart & Staveland, 1988 ; Annexe 2).

II.1.3. Données recueillies

Afin d’évaluer l’apprentissage de la procédure, différents types de mesu-res ont été effectués : des mesures objectives du comportement et des mesu-res subjectives de la charge de travail. Les mesures comportementales étaient destinées à examiner le déroulement de l’apprentissage de la procédure et à vérifier son acquisition. Elles correspondaient au Temps d’exposiTion en LecTure des insTrucTions (TEL, correspondant à la durée d’affichage de la fenêtre présentant les instructions), au Temps d’AcTivATion de L’environne-menT de TrAvAiL (TAET, correspondant à la durée d’affichage de la fenêtre présentant l’atelier et divers organes du char), au Temps ToTAL de réALisATion de LA Tâche (TRT, correspondant à la somme des TEL et TAET), au nombre de consuLTATions des insTrucTions (correspondant au nombre d’affichages de la fenêtre présentant les instructions) et au nombre d’AcTions incorrecTes (correspondant au nombre de manipulation d’objets ne correspondant pas à l’instruction en cours et pour lesquelles le système renvoyait le message “Ceci n’est pas l’action à effectuer”). Ces mesures comportementales étaient

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complétées de mesures subjectives destinées à évaluer la charge de travail induite par la réalisation de la procédure. Les mesures subjectives étaient obtenues à l’aide de l’échelle NASA-TLX (Hart & Staveland, 1988). Cette échelle est composée de six critères d’astreinte (Exigence mentale, Exigence physique, Exigence temporelle, Effort, Performance et frustration) que les participants devaient renseigner après chaque essai réalisé sur GVT. Pour chacune des six questions correspondantes à ces critères, les participants devaient déplacer un curseur sur un axe allant de « faible » à « fort » et leur réponse était codée selon une note de 0 à 100 (cette note n’était pas visible des participants). Pour des raisons d’allègement du protocole expérimental et de la durée de passation de l’expérience, l’échelle NASA TLX a été admi-nistrée dans sa version simplifiée, dans laquelle il n’est pas nécessaire d’avoir recours aux pondérations (Byers, Bittner & Hill, 1989).

La charge de travail était calculée par moyennage des scores obtenus pour chacun des six critères d’astreinte. La combinaison de données objec-tives et subjectives devait permettre une mise en correspondance des per-formances des participants et du niveau (estimé) de ressources cognitives mobilisées au cours des différentes phases de l’apprentissage proposées par fitts (1964) et Anderson (1983, 1995).

II.1.4. Procédure

La passation de l’expérience était individuelle et se déroulait sur deux séances. La première séance était composée de trois phases : une phase de démonstration, une phase de familiarisation avec la manipulation du dispo-sitif et la phase de réalisation de l’expérience proprement dite. La phase de démonstration, standardisée, permettait à l’expérimentateur de présenter la manipulation des différents éléments de l’interface de GVT au partici-pant. Elle était suivie d’une phase de “prise en main” du dispositif par le participant, permettant de se familiariser avec l’environnement GVT et sa manipulation. Ces deux phases étaient réalisées avec une procédure com-posée de 16 instructions (« Purge du circuit d’azote »). Au cours de celles-ci, le participant avait toute liberté de poser des questions à l’expérimentateur et, réciproquement, l’expérimentateur avait la possibilité d’intervenir pour fournir des compléments d’information, corriger des actions erronées, etc. Après la phase de familiarisation débutait l’expérience. Ici, chaque partici-pant devait effectuer 10 essais consécutifs de la procédure de « Préparation initiale » composée de 25 instructions. Entre chaque essai, il renseignait l’échelle NASA-TLX afin d’évaluer la charge de travail induite par la réali-sation de la procédure.

Une seconde séance était programmée au terme d’un délai de quatre jours. Cette séance se traduisait par la passation consécutive de trois nou-veaux essais de réalisation de la procédure de « Préparation initiale », suivis chacun d’une évaluation de la charge de travail. Le même matériel, les mêmes mesures et la même procédure étaient utilisés pour cette séance. Cette passation a été effectuée par 8 des 15 participants initiaux (6 hom-mes et 2 femmes), volontaires pour cette deuxième séance.

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II.1.5. Prédictions

Les hypothèses issues des propositions théoriques de fitts (1964) et Anderson (1983, 1995) ont conduit aux prédictions suivantes :

– Concernant les mesures comportementales, il était attendu que le Temps ToTal de RéalisaTion de la Tâche, le Temps d’exposiTion en lecTuRe des insTRucTions, le Temps d’acTivaTion de l’enviRonnemenT de TRavail, le nombRe de consulTaTions des insTRucTions et le nombRe d’acTions incoRRecTes diminuent au fur et à mesure des essais, c’est-à- dire des répétitions de la procédure. Le nombre de consultations des instructions et le nombre d’actions erronées devaient être inexistants en fin d’apprentissage et le temps total de réalisation de la tâche devait être équivalent au temps d’activation de l’environnement de travail (le temps d’exposition en lecture des instructions devant disparaître si la récupération de la procédure est effectuée directement en mémoire).

– Au terme du délai de quatre jours, il était attendu que l’ensemble des indicateurs comportementaux soit proche des résultats obtenus à la fin de la première séance si les connaissances étaient effectivement stoc-kées en mémoire à long terme. En d’autres termes, une exécution de la procédure rapide, sans erreur et sans consultation des instructions devait indiquer que les connaissances acquises sont directement récu-pérées en mémoire à long terme.

– Concernant les mesures subjectives de charge de travail, il était attendu que les critères d’exigence mentale (correspondant approximativement au coût cognitif de traitement des instructions et d’apprentissage de la procédure) et d’effort diminuent au fil des essais. À l’inverse, le niveau estimé de perfor-mance devait augmenter. Dans la mesure où l’interaction avec l’environne-ment virtuel était effectuée à l’aide d’une souris et dans la mesure où aucune contrainte temporelle n’avait été imposée aux participants, les critères d’exi-gence physique, ainsi que les critères d’exigence temporelle et de frustration n’ont pas fait l’objet de prédictions particulières pour cette expérience.

II.2. RéSultatS

L’analyse des données a porté sur les mesures comportementales recueil-lies sous forme de logs par GVT et sur les mesures subjectives recueillies à l’aide de l’échelle NASA-TLX présentée avec le logiciel Tholos. Ces analyses n’ont porté que sur les 24 premières instructions et actions correspondantes, puisque la dernière instruction (“La procédure est terminée”) n’induisait pas d’exécution d’action pertinente pour l’apprentissage de la procédure.

II.2.1. Mesures comportementales

Les données comportementales ont été analysées sur la base de mesu-res chronométriques (temps total de réalisation de la tâche, temps d’expo-sition en lecture des instructions et temps d’activation de l’environnement de travail) et sur la base de mesures non chronométriques (nombre de consultations des instructions et nombre d’actions incorrectes).

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Les mesures chronométriques liées à la réalisation de la tâche (temps total de réalisation de la tâche, cumulant temps d’exposition en lecture et temps d’activation de l’environnement de travail) présentent l’allure classique d’une courbe d’apprentissage (figure 3). Le temps total de réalisation de la tâche est très élevé au premier essai. Il diminue fortement au deuxième essai puis plus régulièrement au fil des répétitions de la procédure pour atteindre un plateau après le cinquième essai. Par ailleurs, la variabilité interindivi-duelle est très élevée au premier essai, et se réduit au fil des essais, marquant l’effet de l’apprentissage. Une analyse de variance (ANOVA) confirme l’effet du nombre d’essais sur les variations de performance pour le temps total de réalisation de la tâche : F (12;84) = 29,14 ; p <.001, pour le temps d’activa-tion de l’environnement de travail : F (12;84) = 22,05 ; p < .001 et pour le temps d’exposition en lecture : F (12;84) = 58,97 ; p < .001.

Figure 3 : Temps total de réalisation de la tâche (en secondes), associant temps d’activation de l’environnement de travail (TAET) et temps d’exposition en lecture des instructions (TEL) pour les

13 essais. Les essais 11 à 13 ont été réalisés après quatre jours d’intervalle.

figure 3 : Total Time to perform the task (in seconds), combining Reading Exposure Time (i.e., the time the instructional screen was displayed) and Execution Time for each trial.

Trials 11 to 13 were completed after a period of four days.

Temps ToTAL de réALisATion de LA Tâche.— La première série d’es-sais (1 à 10) révèle une amélioration des performances de l’essai 1 à l’es-sai 6, puis leur stabilisation et enfin une légère augmentation à l’essai 10. L’amélioration des performances et leur stabilisation ont été confirmées par des comparaisons analytiques par paires (analyses par contrastes). Celles-ci montrent des différences de performance significatives de l’essai 1 à l’essai 5. L’amélioration des performances est de 215 sec. de l’essai 1 à l’essai 2 : F (1;7) = 26,21 ; p < .001, et de 49 sec. de l’essai 2 à l’essai 3 : F (1;7) = 34,86 ; p < .001. Elle est un peu moins marquée pour les essais suivants, avec un gain de 19 sec. entre les essais 3 et 4 : F (1;7) = 6,15 ; p < .05, et un gain de 9,4 sec. entre les essais 4 et 5 : F (1;7) = 6,98 ; p < .05. La différence s’estompe entre les autres essais. Ces résultats semblent indiquer une stabilisation des performan-ces (marquée par un plateau) au-delà de l’essai 5. L’augmentation du temps de réalisation de la tâche à l’essai 10 peut être expliquée, soit par un effet de fatigue, soit par un effet d’annonce (l’expérimentateur indiquait à ce moment

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qu’il s’agissait du dernier essai de la série). Après une période d’interruption de quelques jours (c’est-à-dire à partir de l’essai 11), les résultats obtenus pour la deuxième série d’essais sont similaires à ceux observés à la fin de la pre-mière série d’essais. Ainsi, les performances atteintes aux essais 12 et 13 sont similaires à celle des derniers essais de la première série (moyenne des essais 7, 8, 9 et 10). Ces résultats semblent attester du stockage de la procédure et de sa récupération directe en mémoire. Les comparaisons analytiques par paires montrent des différences significatives entre les essais 10 et 11 : F (1;7) = 5.98 ; p < .05, et les essais 11 et 12 : F (1;7) = 13.06 ; p < .01. Le léger pic observé à l’essai 11 peut être interprété comme une trace des difficultés rencontrées lors d’une nouvelle exécution de la procédure après quelques jours d’interruption (par exemple, oubli d’une instruction, action erronée, etc.). Les analyses statis-tiques ne révèlent pas de différence entre les essais 12 et 13 (F < 1).

Temps d’AcTivATion de L’environnemenT de TrAvAiL eT Temps d’exposiTion en LecTure.— La durée d’exécution des actions connaît une évolution similaire au temps de réalisation de la tâche, sauf aux essais 1, 2, 3 et 11, où la durée de réalisation de la tâche est plus élevée, du fait de la consultation des instructions (Tableau 1). Dans presque tous les autres cas, la durée d’exécution des actions est sensiblement équivalente à la durée de réalisation de la tâche.

tableau 1

Temps d’Exposition en Lecture (TEL) des instructions et Temps d’Activation de l’Envi-ronnement de Travail (TAET) en secondes. Les écart-types sont donnés entre parenthèses.

Mean Reading Exposure Time (i.e., the time the instructional screen was displayed) and mean Execution time (i.e., the time taken to carry out the instructions in the Working Area screen) , in seconds, for each trial (with standard deviations in brackets).

Le Tableau 1 montre que le temps d’exposition en lecture des instructions est très long à l’essai 1 et présente une nette diminution de l’essai 1 à l’essai 3. Les comparaisons analytiques par paires montrent que le TEL présente des différences significatives de l’essai 1 à l’essai 3 (essai 1 contre essai 2 : F (1;7) = 89,25 ; p < .001 ; essai 2 contre essai 3 : F (1;7) = 26,85 ; p < .01), puis la diffé-rence devient très faible – voire nulle - entre les autres essais. L’essai 11 marque un recours ponctuel aux instructions après une interruption d’exécution de la procédure de quatre jours. Toutefois, les comparaisons analytiques par paires ne montrent pas de différences significatives entre les essais 10 et 11 (F < 1).

L’ensemble de ces résultats est en accord avec les résultats générale-ment observés pour d’autres types de situations liées à l’apprentissage de

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procédures (Beaunieux et al., 2006 ; Bryan & Harter, 1899 ; Crossman, 1959). Ils indiquent que les participants améliorent leurs performan-ces avec l’entraînement, le temps de réalisation et les différences inter- individuelles diminuant au fil des essais. Ces résultats montrent par ail-leurs que la procédure peut être récupérée en mémoire après un délai de plusieurs jours. Il s’avère toutefois nécessaire de compléter ces données chronométriques par d’autres données pour mieux comprendre comment évolue l’apprentissage, notamment au plan du stockage de la procédure en mémoire. Ces informations seront apportées par l’analyse du nombre de consultations des instructions et du nombre d’actions incorrectes réalisées par les participants, présentées dans ce qui suit.

nombre de consuLTATions des insTrucTions (Tableau 2).— Le nombre de consultations diminue de façon significative en fonction du nombre d’essais : F (12;84) = 49,66 ; p < .001. Les 24 instructions sont consul-tées respectivement 32,9 fois, 8,7 fois et 3,1 fois en moyenne au cours des trois premiers essais. Les comparaisons analytiques par paires montrent une diminution significative du nombre de consultations des instructions pour ces essais (essai 1 contre essai 2 : F (1;7) = 42,83 ; p < .001 ; essai 2 contre essai 3 : F (1;7) = 11,41 ; p < .03 ; essai 4 contre essai 5 : F (1;7) = 5,65 ; p < .05). Après le 4ème essai, le recours aux instructions est très rare (le nombre moyen de consultations des instructions devient inférieur à 1), voire inexistant, ce qui tend à confirmer l’hypothèse d’une récupération directe de la procédure en mémoire à long terme. Pour ce qui concerne la deuxième série (essais 11 à 13), les consultations des instructions ne sont pas systématiques et la différence avec les derniers essais de la première série n’est pas significative. Ces résultats sont en accord avec ceux pré-sentés précédemment. Ils suggèrent qu’après un délai de quelques jours, la procédure peut être récupérée en mémoire à long terme, moyennant sans doute une re-consultation des instructions sur un ou plusieurs points particuliers de la procédure (par exemple en cas de doute ou d’oubli). Les instructions joueraient alors un rôle de mémoire externe permettant à cer-tains participants de récupérer au moins une étape de la procédure.

tableau 2

Nombre de consultations des instructions et Nombre d’actions incorrectes. Les écart-types sont donnés entre parenthèses.

Mean number of times instructions were consulted and mean number of errors for each trial (with standard deviations in brackets).

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Le nombre d’actions incorrectes (Tableau 2) diminue de façon signifi-cative en fonction du nombre d’essais : F (12;84) = 6,87 ; p < .001. Les comparaisons analytiques par paires montrent une diminution significa-tive du nombre d’actions incorrectes du premier essai au deuxième essai : F (1;7) = 8,05 ; p < .03, mais aucune autre différence n’est significative.

II.2.2. Mesures subjectives de la charge de travail

L’analyse des données subjectives a porté d’une part, sur des mesures directes des six critères d’astreinte du NASA-TLX (Exigence mentale, Exigence physique, Exigence temporelle, Effort, Performance et frustration) et d’autre part sur l’indice de charge de travail calculé à partir des scores obtenus à ces six critères. Un certain nombre de mesures effectuées à l’aide du NASA-TLX présentent sensiblement les mêmes profils de résultats que les mesures chronométriques. Parmi les six critères de charge de travail, les critères d’exigence temporelle et de frus-tration ressenties au cours de la réalisation de la tâche ne varient pas de façon significative au fil des essais. Par ailleurs, la note attribuée au cri-tère d’exigence physique est faible. L’analyse détaillée a donc porté sur les critères d’exigence mentale, d’effort et de performance et sur l’indice de charge de travail (figure 4).

Exigence mentale

La figure 4 montre que le niveau d’exigence mentale requis par la réali-sation répétée de la tâche diminue de l’essai 1 à l’essai 5, puis se stabilise : F (12;84) = 8,9 ; p < .001. Les comparaisons analytiques par paires mon-trent que le niveau d’exigence mentale diminue de façon significative de l’essai 1 à l’essai 4 (essai 1 contre essai 2 : F (1;7) = 10,1 ; p < .03 ; essai 2 contre essai 3 : F (1;7) = 8,44 ; p < .03 ; essai 3 contre essai 4 : F (1;7) = 7,05 ; p < .03) et de façon tendanciellement significative de l’essai 4 à 5 : F (1;7) = 4,96 ; p < .06. La différence devient très faible entre les autres essais et n’est pas significative. Pour ce qui concerne la deuxième série d’essais, le niveau d’exigence mentale est plus élevé à l’essai 11, qui cor-respond à l’exécution de la procédure après une interruption de quelques jours. La différence entre les essais 10 et 11 est significative : F (1;7) = 7,77 ; p < .03, ainsi qu’entre les essais 11 et 12 : F (1;7) = 10,68 ; p < .03. L’augmentation du niveau d’exigence mentale à l’essai 11 pourrait être interprété comme une trace du coût cognitif lié à la récupération de cer taines étapes de la procédure en mémoire à long terme. En effet, il est possible qu’au cours de l’intervalle de temps qui s’est écoulé entre la première et la deuxième série d’essais, certaines étapes de la procédure aient été oubliées par les participants. Ceux-ci devaient alors probable-ment, soit essayer de retrouver l’étape défaillante de façon consciente en mémoire, soit essayer de la reconstituer grâce à des indices présents dans l’environnement, soit consulter les instructions. Ces oublis sont suscep-tibles d’avoir également eu des répercussions sur l’évaluation subjective de la performance et de la charge de travail, ainsi que sur les mesures

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comportementales (temps de réalisation de la tâche, temps d’exposition en lecture des instructions, nombre de consultations des instructions).

Figure 4 : Scores obtenus aux différents critères de NASA-TLX pour les 13 essais. Les essais 11 à 13 ont été réalisés après quatre jours d’intervalle. Attention, pour permettre le calcul de la charge

de travail à partir des différents indicateurs de NASA-TLX, l’échelle de mesure est inversée pour le critère de performance : un faible score indique une bonne performance et inversement.

figure 4 : Scores obtained for several NASA-TLX criteria. Trials 11 to 13 were completed after four days. Concerning the performance criteria, the scale has been inverted in order to compute the general workload : a low score indicates a good performance, and vice-versa.

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Effort

L’estimation du niveau d’effort (mental et physique) fourni pour la réalisation de la tâche varie de façon significative au cours des essais : F (12;84) = 5,27 ; p < .001 (figure 4). Les comparaisons analytiques par paires montrent que le niveau d’effort ressenti diminue de façon signifi-cative de l’essai 1 à l’essai 2 : F (1;7) = 14,3 ; p < .01, puis de l’essai 4 à l’essai 6 (respectivement, essai 4 contre essai 5 : F (1;7) = 16,73 ; p < .01 et essai 5 contre essai 6 : F (1;7) = 6,1 ; p < .05). Aucune autre différence n’est significative.

Performance

En accord avec les résultats précédents, le niveau de performance estimé par les participants varie de façon significative : F (12;84) = 8,14 ; p < .001. Il augmente jusqu’à l’essai 4 (essai 1 contre essai 2 : F (1;7) = 16,45 ; p < .01 ; essai 2 contre essai 3 : F (1;7) = 21,81 ; p < .01 ; essai 3 contre essai 4 : F (1;7) = 30,77 ; p < .001), se stabilise et connaît une légère dégradation à l’essai 11.

Charge de travail

Le niveau de charge de travail calculé à partir des six indicateurs NASA-TLX varie de façon significative : F (12;84) = 6,17 ; p < .001. Les comparaisons analytiques montrent qu’il diminue de façon significative de l’essai 1 à l’essai 4 (essai 1 contre essai 2 : F (1;7) = 10,58 ; p < .03 ; essai 2 contre essai 3 : F (1;7) = 8,79 ; p < .03 ; essai 3 contre essai 4 : F (1;7) = 5,19 ; p = .05). La différence entre les autres essais de la première série n’est pas significative. Pour la seconde série, la différence entre les essais 11 et 12 est significative : F (1;7) = 5,34 ; p = .05.

III. DISCUSSION

Cette étude poursuivait trois objectifs complémentaires. D’une part, il s’agissait de vérifier que des connaissances acquises en EVAH sont mémo-risées et susceptibles d’être réutilisées après un certain délai. D’autre part, il s’agissait d’observer le déroulement de l’apprentissage d’une procédure en environnement virtuel d’apprentissage d’opérations de maintenance, et plus particulièrement comment était effectué le recours aux instructions. Enfin, il s’agissait d’identifier les trois phases d’apprentissage de procédure proposées par fitts (1964) et Anderson (1983, 1995) et de déterminer le ou les indicateurs comportementaux susceptibles d’en rendre compte de façon pertinente.

Cette étude a permis de mettre en évidence qu’un Environnement Virtuel pour l’Apprentissage Humain tel que GVT pouvait aider des individus à apprendre une nouvelle procédure, c’est-à-dire la stocker en Mémoire à Long Terme afin de la réutiliser ultérieurement. Sur le plan du

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déroulement de l’apprentissage, les résultats montrent que les performan-ces des individus présentent l’allure classique d’une courbe d’apprentis-sage. Ainsi, le temps total de réalisation de la tâche, le nombre et la durée de consultation des instructions, la durée d’exécution des actions et le nombre d’actions incorrectes diminuent au fur et à mesure de la répétition des essais. Après une période de plusieurs jours, les résultats observés sont similaires à ceux obtenus à la fin de la première série d’essais. Par ailleurs, les mesures subjectives liées à la charge de travail effectuées à l’aide de NASA-TLX suivent des profils de résultats similaires.

L’ensemble des résultats est en accord avec un déroulement de l’apprentissage de procédures en trois phases, conformément aux pro-positions théoriques de fitts (1964) et d’Anderson (1983, 1995). Si l’on considère le nombre de consultations des instructions comme l’indicateur comportemental le plus pertinent pour effectuer une distinction entre ces trois phases, la phase cognitive ou déclarative correspondrait au pre-mier essai. Elle se caractériserait par un recours systématique aux ins-tructions. à ce stade, chaque instruction est susceptible d’être consultée plus d’une fois, puisque les 24 instructions induisent environ 33 consul-tations. Le coût cognitif de cette phase se traduit par une durée d’exé-cution de la procédure plus longue qu’aux essais suivants, un nombre élevé d’actions incorrectes, un niveau d’exigence mentale estimé comme élevé et un niveau de performance ressenti comme faible. La phase asso-ciative recouvrirait les 4 ou 5 essais suivants. Au cours de cette phase, le nombre de consultations des instructions diminue, ce qui indique que la consultation d’une seule instruction induit la réalisation de plusieurs actions consécutives. Ces résultats sont en accord avec les propositions d’Anderson (1983, 1995), qui considère qu’à ce stade, certaines étapes de la procédure seraient combinées en de plus grandes unités grâce au processus de composition, responsable de l’enchaînement des actions et de leur regroupement en blocs. Associé au processus de procéduralisation (proceduralization) qui se déroule lui aussi à ce stade et qui permet de récupérer directement un enchaînement d’actions en mémoire procédu-rale, ce processus permettrait notamment de réduire la charge mentale en mémoire de travail et d’augmenter la vitesse d’exécution de la pro-cédure. Le temps d’exécution et le niveau d’exigence mentale diminuent progressivement, marquant une mobilisation moins élevée des ressources cognitives, alors que le niveau de performance estimé par les participants augmente progressivement. Enfin, lorsque la procédure a fait l’objet d’un certain nombre de répétitions, qui peut être variable selon les individus et selon la complexité de la procédure, la phase autonome est atteinte. Les individus ne consultent plus les instructions : les connaissances acquises sont directement récupérées en mémoire à long terme. En terme de mesu-res chronométriques, cette phase se manifeste par une exécution rapide de la procédure et une stabilisation des performances, qui marquent un pla-teau dans la courbe d’apprentissage. Les mesures subjectives enregistrées à ce stade indiquent un faible niveau d’exigence mentale et un niveau élevé de performance. Complémentairement à ces résultats, les données recueillies après quelques jours d’interruption indiquent que la procédure est véritablement acquise, c’est-à-dire stockée durablement en mémoire

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à long terme. à ce niveau, la consultation des instructions semble margi-nale, ce qui tend à confirmer la récupération directe de la procédure en mémoire.

Cette étude semble confirmer qu’un environnement virtuel tel que GVT conduirait les individus à acquérir une connaissance réelle et stabili-sée de la procédure. Elle appelle deux types de conclusions : l’une centrée sur la conception et l’évaluation des EVAH, et l’autre sur le transfert des connaissances acquises en EVAH à des situations réelles (et donc la vali-dité écologique des résultats). En effet, pour rendre efficaces les environne-ments virtuels destinés à la formation, il est nécessaire que leur conception et leur évaluation s’appuient sur une connaissance des processus cogni-tifs impliqués dans l’apprentissage. Cette démarche implique une colla-boration étroite des disciplines impliquées dans la conception d’EVAH (informatique, sciences de l’ingénieur, sciences cognitives et ergonomie) pour adapter ces environnements aux utilisateurs en vue de faciliter les apprentissages. Mais cette démarche serait incomplète si elle s’arrêtait à la conception des EVAH. Des recherches complémentaires s’avèrent néces-saires pour vérifier dans quelle mesure des connaissances acquises à l’aide de tels environnements peuvent être transférées à des situations réelles.

L’expérience présentée dans cet article a été réalisée sur un ordinateur “classique” et non à l’aide d’un système pleine échelle, de type CAVE. Or, Sowndararajan et al. (2008) ont montré qu’un dispositif de projection sur grand écran avec deux faces en L (qui, selon ces auteurs, offre un niveau d’immersion élevé) pouvait s’avérer plus efficace qu’un ordinateur classique (qui offre un niveau faible d’immersion) pour l’apprentissage de procédures relativement complexes, à forte composante spatiale. Pour Ragan et al. (2010), des environnements virtuels permettant un niveau élevé d’immersion peuvent faciliter le transfert de procédure du fait qu’ils offrent une plus forte proximité avec l’environnement réel (qui correspond à l’environnement permettant d’évaluer l’acquisition de la procédure). Toutefois, des recherches complémentaires s’avèrent nécessaires d’une part, pour comparer l’apprentissage en environnement virtuel à l’apprentissage en environnement réel (éventuellement guidé par des dispositifs de réalité augmentée : Anastassova, Burkhardt, Mégard & Ehanno, 2007) et d’autre part, pour vérifier dans quelle mesure des connaissances acquises à l’aide de tels environnements peuvent être transférées à des situations réelles. Sur ce point, des travaux récents offrent des résultats prometteurs, aussi bien dans les domaines du transfert de connaissances spatiales (Wallet, 2009) que du transfert de connaissances procédurales (Ganier, 2013).

Complémentairement au problème du transfert, une question posée par l’acquisition de connaissances procédurales ou d’habiletés en environ-nement virtuel concerne la flexibilité et l’adaptabilité des connaissances procédurales ou des habiletés acquises. En effet, en environnement vir-tuels, les scénarios pédagogiques sont souvent déroulés de manière linéaire et rigide, ce qui limite la possibilité d’entraîner les individus à s’adapter à une situation imprévue. Ainsi, field, Rankin, van der Pal, Eriksson et Wong (2011) estiment que, pour qu’une habileté puisse être transférée à une grande variété de situations réelles, il est nécessaire d’intégrer des facteurs de variabilité (en présentant des exercices variés) et des facteurs

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de complexité (en modifiant la difficulté des exercices) dans la formation à la réalisation d’une tâche en environnement virtuel. C’est à ces différentes questions concernant la transférabilité des connaissances, des compétences et des habiletés acquises à des situations nouvelles que devra répondre la recherche pour permettre le développement de l’utilisation des environ-nements virtuels destinés à la formation.

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RÉSUMÉ

L’objectif de cette étude était de vérifier comment se déroule l’appren-tissage d’une procédure en environnement virtuel d’apprentissage d’opé-rations de maintenance de chars : GVT (Generic Virtual Training). Des mesures comportementales (temps de réalisation de la tâche, nombre et durée de consultation des instructions, nombre d’actions incorrectes) et des mesures subjectives de la charge de travail (réalisées avec NASA-TLX) ont été recueillies chez 15 individus lors de l’exécution d’une procé-dure. Celle-ci faisait l’objet de 10 répétitions successives par les participants puis 3 nouvelles répétitions après quatre jours d’intervalle. En accord avec les théories proposées par fitts (1964) et Anderson (1983, 1995), les résul-tats montrent que l’apprentissage de la procédure s’effectue selon 3 phases (cognitive, associative et autonome). Au plan factuel, l’évolution des per-formances prend l’allure d’une courbe d’apprentissage et s’accompagne d’une diminution de différents facteurs constitutifs de la charge de travail. Les performances observées lors de la réalisation de la procédure après délai attestent de son stockage en mémoire à long terme.

Mots-clés : apprentissage de procédures, courbe d’apprentissage, environne-ment virtuel pour l’apprentissage humain, mesure subjective de la charge de tra-vail, réalité virtuelle, utilisation d’instructions.

Manuscrit reçu : décembre 2011

Accepté par f. Darses après révision : juin 2012

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ANNEXE 1

PROCÉDURE DE PARAGE DE LA SUSPENSION DU CHAR LECLERC

(PRÉPARATION INITIALE)

PRÉPARATION INITIALE

Vous allez effectuer les opérations de branchement de la centrale.

1. Commencer par prendre la tuyauterie d’air comprimé.2. Brancher la tuyauterie d’air comprimé sur la centrale.3. Prendre la tuyauterie d’air comprimé de la soufflette.4. Brancher la tuyauterie d’air comprimé de la soufflette sur la sortie

d’air de la centrale.5. Mettre les gants.6. Prendre la clé fourche 30x32.7. Dévisser le détendeur d’azote.8. Reposer la clé fourche 30x32 sur la table.9. Prendre le détenteur d’azote.10. Vérifier le joint sur le détendeur.11. Poser le détendeur d’azote sur la bouteille.12. Reprendre la clé fourche 30x32.13. Visser le détendeur d’azote.14. Reposer la clé fourche 30x32 sur la table.15. Enlever les gants.16. Vérifier que la vanne de purge azote bas est sur la position f.17. Vérifier que la vanne de purge azote haut est sur la position f.18. Vérifier que la vanne de parage azote bas est sur la position f.19. Vérifier que la vanne de parage azote haut est sur la position f.20. Vérifier que le potentiomètre de réglage pression azote est au

minimum.21. Vérifier que le robinet du circuit d’huile est en position ‘retour

bache’.22. Vérifier que le régulateur de pression ‘Réglage pression huile’ est

au minimum.23. Prendre la prise électrique de la centrale.24. Brancher la prise électrique de la centrale sur le secteur.25. La procédure est terminée4.

4. Cette instruction n’a pas été prise en compte dans l’analyse des résultats, puisqu’elle n’induisait pas d’action relative au branchement de la centrale.

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ANNEXE 2

TRADUCTION fRANçAISEDE L’ÉCHELLE NASA-TLX

UTILISÉE POUR L’EXPÉRIENCE

• EXIGENCEMENTALE:Quellequantitéd’activitémentaleetper-ceptive a été nécessaire pour réaliser la tâche (par ex. réfléchir, décider, chercher, etc.) ?

[faible = 0 ; forte = 100]

• EXIGENCEPHYSIQUE:Quellequantitéd’activitéphysiqueaéténécessaire pour réaliser la tâche (par ex. pousser, déplacer, tourner, manipuler etc.) ?


• EXIGENCETEMPORELLE:Quellepressiontemporelleavez-vousressentie durant l’exécution de la tâche ? fallait-il gérer la réalisation de la tâche de manière lente (pression temporelle faible) ou de manière rapide (pression temporelle forte)?


• EFFORT:Queleffort(mentaletphysique)avez-vousdûfournirpouratteindre votre niveau de performance ?

[faible = 0 ; fort = 100]

• PERFORMANCE:Commentestimez-vousvotreperformanceencequi concerne la réalisation de la tâche ? (Quel est votre niveau de satis-faction concernant votre performance ?)

[Pour ce critère, l’échelle est inversée : fort = 0 ; faible = 100]

• FRUSTRATION : Vous êtes-vous senti satisfait, content, relaxé (= niveau de frustration faible) ou plutôt ennuyé, irrité, stressé (= niveau de frustration élevé) pendant la réalisation de la tâche ?


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