L’enseignement et l’apprentissage de la FAO dans l’éducation : vers une méthodologie du choix de logiciel Mourad Abouelala m.abouelala@um5s.net.ma Pascale Brandt-Pomares pascale.brandt-pomares@univ-amu.fr Mourad Tahajanan m.tahajanan@um5s.net.ma

Résumé

L’apprentissage de la fabrication assistée par ordinateur (FAO) dans le milieu universitaire nécessite la recherche d’un modèle capable de rendre compte des interactions des étudiants avec divers agents de médiation : le logiciel, l’ordinateur, le tutoriel, le cours dans toutes ses dimensions, le travail en groupe…

La présente recherche montre que la théorie de l’activité (TA) fournit un modèle suffisamment complet et dynamique pour décrire et comprendre comment les étudiants peuvent esquisser les savoirs à travers ces divers agents de médiation. Ceci mènera à une méthodologie pour le choix d’un type de logiciel support pour l’enseignement de la FAO.

Se basant sur ce modèle nous avons établi un questionnaire qui a été administré aux étudiants pour évaluer un logiciel type de FAO.

Mots clés

CFAO, outil de modélisation et simulation, théorie de l’activité

Introduction

Les outils de modélisation et simulation (OMS) se présentent comme des outils de préparation, d’analyse et d’évaluation de la fabrication des pièces mécaniques

avant la phase d’exécution par des systèmes de production devenus complexes et coûteux.

Les OMS sont des moyens visuels et interactifs permettant une meilleure préparation de la fabrication et une bonne approche d’éventuels problèmes lors de l’usinage.

La pratique de la simulation dans le domaine de la productique a été facilitée par le nombre croissant d’OMS disponibles sur le marché (Gubencu et al., 2009). La concurrence vive a poussé les industriels à chercher à augmenter leur compétitivité en mettant en œuvre ces moyens pour réduire les coûts, augmenter la qualité des produits et permettre d’introduire une flexibilité dans la production. Les entreprises sont à la recherche de conseils à propos des caractéristiques voulues et souhaitées concernant l’OMS en productique en adéquation avec leurs objectifs : type de production, type de machines, performance et coût global d’acquisition. L’usage d’outils de simulation comme moyen pour faciliter la mise en œuvre des productions est devenu très courant dans l’industrie et par voie de conséquence dans l’enseignement.

Compte tenu de l’incidence de l’OMS sur les compétences requises en relation avec le marché du travail, les établissements d’enseignement technologique se trouvent aussi confrontés à un problème de choix. Selon Sotak et al. (2010), le choix a un double impact, d’une part, sur la scénarisation adoptée par le professeur qui doit tenir compte des profils des étudiants et de leur motivation, et d’autre part, sur l’atteinte des performances visées et la facilité d’apprentissage des étudiants. Plusieurs travaux récents, comme ceux de Sotak et al. (id.), analysent la situation actuelle dans l’enseignement des systèmes de conception et fabrication assistée par ordinateur (CFAO) dans les écoles secondaires et les universités. L’un des points essentiels de leur conclusion montre le manque d’études pertinentes relatives à la prise en compte spécifique des outils utilisés. Selon leur recommandation, il est nécessaire de commencer à aborder cette question dans l’enseignement avec beaucoup plus de détails et d’une manière systémique. D’après Parker (2010), les logiciels utilisés en apprentissage doivent simuler le plus fidèlement possible des cas d’étude réels de l’entreprise. Toutefois, étant donné la complexité et le coût de la plupart des systèmes utilisés en entreprise, l’apprentissage, l’installation et la mise en œuvre demanderont de la part des enseignants un temps alloué considérable ; un examen attentif est nécessaire pour le choix des logiciels qui offrira l’expérience éducative la plus adéquate pour les étudiants. Les décisions de choix de logiciels sont souvent basées sur des jugements individuels ou connaissance superficielle plutôt que sur une évaluation formelle qui permet une analyse cohérente, structurée et reproductible (Huber et Giuse, 1995). Un processus formel est nécessaire parce que la sélection et l’évaluation des outils logiciels doivent être effectuées d’une manière quantifiable cohérente pour être efficace. En utilisant une méthode formelle, la justification de la décision de sélection ne repose pas seulement sur des facteurs techniques, intuitifs, ou politiques (Bandor, 2006). Compte tenu de la fréquence de  telles décisions, on pourrait s’attendre à de nombreuses études très spécialisées sur le sujet. Cependant, les critères d’évaluation du logiciel ne sont pas clairement définis et élaborés dans la littérature (Jadhav et Sonar, 2009). Beise (2006) confirme qu’il y a peu de recherche et peu de manuscrits en littérature qui traitent des études comparatives des logiciels pour l’enseignement supérieur. Jadhav et Sonar (2009) observent également que peu de travail a été fait sur l’établissement d’une méthodologie générique qui peut être utilisée pour la sélection de progiciels. Ils poursuivent en affirmant qu’il y a un manque de critères d’évaluation de logiciels, et par conséquent, il est nécessaire d’élaborer un cadre composé d’une méthodologie de sélection de logiciels, une technique d’évaluation, un critère d’évaluation, et un système pour aider les décideurs dans le processus de sélection de logiciels (Jadhav et Sonar, 2009).

Notre objectif, dans cette étude, est de développer un processus formel pour l’évaluation et la sélection des logiciels de FAO d’une manière quantifiable et cohérente pour un apprentissage efficace de la FAO et de développer une approche globale, en tenant compte non seulement de l’apparence et de la fonctionnalité du logiciel, mais aussi des différents facteurs liés à l’enseignement et à l’apprentissage de la FAO.

Les composantes de la FAO et sa place dans la chaîne numérique

Pour assurer une meilleure productivité dans le domaine de la fabrication de pièces sur machine-outil à commande numérique (MOCN), l’adoption de la fabrication assistée par ordinateur (FAO) est recommandée mais nécessite un niveau de compétences élevé. Plusieurs programmes universitaires offrent des cours, tutoriaux et travaux pratiques d’ateliers dans le domaine de la conception et de la fabrication. L’utilisation des logiciels de FAO, décrite par la figure 1, est devenue très répandue. Or, on constate que si ces logiciels ont les mêmes fonctionnalités, ils présentent des interfaces différentes.

Les systèmes FAO sont conçus pour générer le code pour le pilotage de MOCN. Le système utilise les informations et données suivantes : modèle géométrique nominal de la pièce à usiner, forme du brut et nature du matériau, trajectoires des outils, type d’outils de coupe.

La recherche d’une méthode d’évaluation du logiciel à utiliser dans l’enseignement- apprentissage de la FAO, nous conduit à focaliser notre intérêt sur la façon dont l’étudiant va développer ses connaissances et sur ce qui peut rendre son action plus efficace. Ainsi, nous nous interrogeons sur la manière dont les étudiants apprennent.

Cadre théorique

Selon Bachelard (1947), il existe plusieurs modèles possibles décrivant des situations d’apprentissage. Pour rendre compte de la complexité de ces situations nous focalisons sur les facteurs qui entrent en jeu dans ces situations quand elles portent sur des savoirs de CFA0 à partir des modèles théoriques constructivistes et cognitivistes et des prolongements qu’apportent la théorie de l’activité. Les aspects congruents de ces différentes approches donnent un cadre d’étude aux situations d’enseignement-apprentissage de la CFAO.

Approche constructiviste

La théorie constructiviste suggère que les étudiants apprennent en construisant leurs propres connaissances, en particulier à travers l’exploration pratique. Elle souligne que le contexte dans lequel une idée est présentée, ainsi que l’attitude et le comportement des apprenants ont une influence sur l’apprentissage. Les étudiants apprennent en incorporant de nouvelles connaissances à celles déjà acquises.

Nous retiendrons comme principales caractéristiques de ce modèle pour notre étude que l’apprentissage est centré sur l’étudiant, qu’il est favorisé par des éléments de contexte et en particulier par le travail collaboratif et l’action de  l’enseignant comme facilitateur et non instructeur. Dans ce modèle, les erreurs sont tolérées et font partie de l’acquisition de connaissances. Ainsi, d’un point de vue constructiviste, l’étudiant apprend en effectuant des actions, et l’enseignant utilise des situations-problèmes comme support d’enseignement.

Approche cognitiviste

L’approche cognitiviste traite des processus mentaux tels que la mémoire et la résolution de problèmes. Le courant cognitif a été largement adopté récemment en liaison avec les travaux sur la logique mathématique, et en particulier dans le domaine du développement des technologies de l’information comme supports d’enseignement. Le cognitivisme est basé sur deux métaphores :

• Le cerveau est semblable à un ordinateur et traite l’information par le biais de systèmes ouverts qui peuvent communiquer avec l’environnement en manipulant des symboles.
• Le cerveau est semblable à un réseau de neurones où les concepts sont liés les uns aux autres par des relations spécifiques.

Mais selon Baddeley (1994), il fautdistinguer entre la mémoire et l’apprentissage pour tenir compte des comportements humains. En fait, tout système cognitif serait constitué d’une architecture à trois composantes :

• une base de connaissance ou de la mémoire à long terme ;
• une instance de traitement ;
• un moteur d’inférence.

En effet, tout apprentissage est basé sur l’activité de la mémoire. À tout moment, le système de mémoire enregistre des perceptions et guide la réalisation des actions. Selon Annette Aboulafia et al., la psychologie cognitive analyse les processus mentaux humains dans le but de comprendre le comportement humain. Par ailleurs, selon Nardi (1996), la science cognitive a été le cadre théorique dominant l’étude de l’interaction homme-machine (IHM) mais en ignorant l’étude d’artefacts et en insistant principalement sur les représentations mentales. Or, l’emploi d’outils prédominant dans la CFAO nous amène à explorer d’autres cadres théoriques, en plus des modèles théoriques de l’apprentissage décrits ci-dessus.

Toujours selon Nardi (id.), la théorie de l’activité est un outil de description et de clarification puissant plutôt qu’une théorie fortement prédictive. L’objet de la théorie de l’activité est de comprendre l’unité de la conscience et de l’activité, en particulier par rapport à des contextes où la médiation de la technologie occupe un rôle central (Blin, 2004). En effet, la théorie de l’activité a été utilisée pour étudier l’activité de l’homme dans un certain nombre de domaines de recherche (Jonassen, 2000), y compris l’interaction homme-machine (Nardi, 1996, Kaptelinin, 1996, Kuutti, 1996) et en tenant compte de l’environnement de ces interactions (Cole et Engeström, 1993 ; Engeström, 2001).

La théorie de l’activité (AT pour Activity Theory) en tantque courantdes sciences humaines représente un cadre conceptuel dont l’unité fondamentale d’analyse est l’activité humaine. Elle est définie comme un système cohérent de processus mentaux internes, d’un comportement externe et de processus motivationnels qui sont combinés et dirigés pour réaliser des buts conscients. Les domaines de l’interaction homme-machine (IHM) et du travail coopératif assisté par ordinateur (TCAO) y font recourt (Bourguin, 2000). Dessus (2006) confirme que cette théorie peut être qualifiée de constructiviste en ce que « toute activité d’apprentissage prend place dans un contexte […] et part du principe que l’apprentissage émerge de l’activité plutôt qu’il en est un préalable. »

La nature de la technologie et des jugements de valeur qui lui sont associés, son interaction avec la culture environnante et le contexte éducatif, les interrelations entre les facteurs clés dans des contextes d’apprentissage et de la vie réelle, représentent des questions cruciales pour fournir un modèle dynamique temporel, situationnel, social et culturel permettant de décrire et de comprendre comment les étudiants peuvent développer leurs savoirs lors de l’enseignement-apprentissage du module FAO. La théorie de l’activité fournit un cadre d’analyse puissant pour mesurer l’efficacité de la situation d’enseignement-apprentissage qui nous amène à étudier l’interaction de l’étudiant avec l’outil technologique dans un environnement plus large.

De ce qui est relaté ci-dessus dans le cadre théorique concernant l’approche cognitiviste et la théorie de l’activité, nous pourrions affirmer que ces deux éléments sont complémentaires et permettent la description des facteurs qui influencent l’enseignement et l’apprentissage de la FAO.

Application de la théorie de l’activité au cas de l’apprentissage de la FAO

D’après la théorie de l’activité, la performance des étudiants travaillant sur un logiciel de FAO est conditionnée par plusieurs facteurs, notamment ceux liés à l’étudiant, à l’artefact (constitué du logiciel installé sur un ordinateur), au professeur et aux paramètres liés à l’organisation et à l’environnement. Tous ces facteurs sont en interrelation comme l’illustre la figure 2.

Les principales relations de la figure 2 sont définies ci-après.

• L’étudiant est au centre du système de
• Les pôles des triangles du modèle d’Engeström représentent les nœuds clés. Ils sont à analyser de manière isolée mais également en interaction les uns avec les

Définitions des pôles :

• Étudiant (ou sujet) : individu ou sous-groupe que l’observateur a choisi d’analyser. Ex : l’étudiant ou groupe d’étudiants.
• Objectif ou objet : transformation de l’environnement qui est visé par l’activité (tâche à réaliser, objectif à Ex. : élaborer le programme en code G de la pièce (être performant dans l’utilisation du logiciel FAO)).
• Artefact : logiciel FAO ou outil : outils matériels ou symboliques qui médiatisent l’activité (logiciel, ordinateur, tutorial), dans ce contexte, l’activité d’apprentissage, se décompose en actions et opérations. : logiciels FAO, pratiques pédagogiques nouvelles.
• Communauté : ensemble des sujets (ou des sous-groupes) qui partagent le même objet et se distinguent par là même d’autres communautés. : industriels, autres universités et instituts, concepteurs, développeurs, utilisateurs des logiciels FAO.
• Division du travail : elle reprend à la fois la répartition horizontale des actions entre les sujets ou les membres de la communauté et la hiérarchie verticale des pouvoirs et des Elle est établie en fonction du niveau des compétences nécessaires pour atteindre les résultats et la performance requise. Ex. : les responsables pédagogiques de l’université, les départements, les enseignants, les techniciens. Les actions sont constituées des différents éléments que les différents  acteurs mettront en œuvre et qui permettront de mettre en œuvre la FAO dans l’éducation (ex. : une des actions d’un professeur sera par exemple de faire moins de transmissif, donc de laisser une place soit à de l’apprentissage par recherche en adoptant une approche constructiviste, soit au PBL (Problem Based Learning, etc.), une des actions du corps administratif sera de prévoir et de maintenir en état une salle équipée pour l’accomplissement de cette activité).
• Règles : elles font référence aux normes, conventions, habitudes… implicites et explicites qui maintiennent et régulent les actions et les interactions à l’intérieur du système. : les textes législatifs sur l’ordonnancement des études (respect d’un programme, de taux horaire pour les cours, les travaux dirigés et les études de cas).

Étude de cas

Les principaux objectifs de la présente étude consistent, grâce à la théorie de l’activité, à :

• décrire les différents facteurs qui influent sur les performances de l’étudiant pour apprendre et utiliser un logiciel de FAO, ce qui permet ensuite de déterminer les variables et les facteurs à étudier ;
• examiner l’efficacité de l’étudiant en utilisant un logiciel de FAO pour conclure sur la pertinence du logiciel FAO utilisé dans la situation d’enseignement-

L’utilisation de la théorie de l’activité permet l’élaboration d’un outil et d’une méthodologie adaptée pour prendre en compte les principaux paramètres liés au processus d’apprentissage ciblé. C’est en soi un premier résultat produit par notre approche. L’outil est un questionnaire dont les facteurs ou les variables découlent directement du modèle élaboré à partir de l’approche théorique.

La contribution du modèle permet également d’établir que l’efficacité pourrait être déterminée par l’appréhension et la manière de percevoir des sujets, en l’occurrence des utilisateurs de la FAO dans le domaine de l’éducation, que sont les étudiants.

En se basant sur le modèle TA, l’efficacité consiste en la mise en œuvre effective de la compétence à générer le code G de la pièce en utilisant le logiciel FAO. Cette compétence dépend d’un ensemble de facteurs, cités ci-dessous :

• *X1 : Profil de l’étudiant.
• *X2 : Prérequis en informatique et infographie.
• *X4 : Aspect ergonomique du logiciel FAO.
• *X5 : Aspect pédagogique et contenu technique du logiciel FAO.
• *X3 : Perception des professeurs et enseignants.

Alors que nous cherchons à qualifier l’efficacité des logiciels utilisés dans un processus d’enseignement dans lequel l’étudiant est l’élément central, nous avons  choisi de recueillir les appréciations des étudiants sur l’influence de ces facteurs, ainsi que la perception des enseignants.

Dans le présent travail, nous ne considérons que la perception des étudiants. Un questionnaire présenté par le tableau 1, a été établi conformément au cadre théorique basé sur la TA ; la norme ISO de l’ergonomie, comme suggéré par Ratier (ibid.), en utilisant la littérature et en consultation avec un groupe nominal de travail de trois enseignants de FAO.

Conclusion

En traitant l’évaluation d’un logiciel FAO dans le domaine de l’éducation en référence à un cadre théorique basé sur la théorie de l’activité nous avons défini les facteurs à prendre en considération dans cette évaluation. Cette démarche a abouti à l’intégration de ces facteurs dans la construction du questionnaire adressé aux étudiants.

Une première phase du traitement des réponses au questionnaire administré aux étudiants a permis d’étudier l’influence de certains facteurs liés au profil des étudiants et à leur connaissance préalable des logiciels ainsi qu’à leur perception de l’ergonomie de l’interface et du lien entre ce qui est enseigné en termes de contenu pendant le cours et mis en œuvre réellement grâce à l’outil.

Ces quelques résultats nous incitent à poursuivre l’analyse afin de prendre en compte d’autres variables telles que la motivation de l’étudiant et de considérer un échantillon plus grand. Cependant, ces premiers résultats ont permis de définir un ensemble de conditions qui doit être réalisé dans le but d’une évaluation précise. En perspective une étude complémentaire de l’efficacité du logiciel fera l’objet du traitement des réponses du questionnaire administré aux enseignants. Le professeur étant considéré d’emblée comme un facteur clé dans le processus d’apprentissage.

Tableau 1 : Questionnaire administré aux étudiants

La variable dépendante Y= efficacité
prog_piéce	Êtes-vous arrivé à élaborer le programme de la pièce ?
résultat_Attendu	Le résultat final correspond-il à vos attentes ? (conformément à l’étude théorique)
X1 = profil du sujet
Genre	Quel est votre genre (masculin ou féminin) ?
Frères	Vous avez combien de frères et sœurs ?
Langue	Quelle 2e langue maîtrisez-vous ?

 

X2 = connaissances préalables en informatique et infographie
Info_college	Pendant vos études au collège ou au secondaire, avez-vous été initié à l’informatique ?
	Avec quels outils, étiez-vous familiarisé(e) ?
Lang_prog	Quel langage de programmation maîtrisez-vous ?
Util_internet	Fréquence d’utilisation de l’Internet ?
Log_CAO	Quels logiciels de CAO manipulez-vous avec aisance ?
Log_FAO	Quels logiciels de FAO manipulez-vous avec aisance ?
X3 = perception (des professeurs et enseignants)
Ind_objec	Les objectifs sont-ils indiqués à l’étudiant ?
Progress_op	Les opérations (proposées par le logiciel) présentent-elles une progression logique ?
Poly/ecran	Y a-t-il une organisation pages-polycopié /pages écran du logiciel ?
Perso_logiciel	Pouvez-vous personnaliser le logiciel pour répondre à vos buts pédagogiques ?
Contenu/objec_ visé	Le contenu correspond-il aux objectifs visés ?
Assistance	Donnez un niveau à votre assistance durant le travail de l’étudiant ?
X4 = Aspect ergonomique de l’OMS
densité_fen	Les fenêtres présentent-elles une forte densité d’affichage ?
raccourcis	Le logiciel présente-il des raccourcis clavier aux boutons d’action ?
accé_aide	Existe-t-il un fichier d’aide facile d’accès ?
gest_erreurs	Le logiciel présente-t-il une gestion d’erreurs ?
Durée_tache	La durée de réponse à une tâche est-elle ?
X5 = Aspect pédagogique et contenu technique de l’OMS
déroul_travail	Savez-vous à tout moment où en êtes-vous dans le déroulement du travail ?
act-retour	Les possibilités d’action en retour sont-elles diverses ?
not_log-not_cours	Le logiciel utilise-t-il les mêmes termes et notations que le cours théorique ?
X6 = Durée de réalisation du travail (efficience) sur l’OMS
durée	La durée pour effectuer votre travail est-elle ?
X7 = Satisfaction de l’étudiant du résultat donné par l’OMS

Bibliographie

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