Des explications pour reconnaître et exploiter les structures cachées d'un problème combinatoire

L'identification de structures propres à un problème est souvent une étape clef pour la conception d'heuristiques de recherche comme pour la compréhension de la complexité du problème. De nombreuses approches en Recherche Opérationnelle emploient des stratégies de relaxation ou de décomposition dès lors que certaines structures idoines ont été identifiées. L'étape suivante est la conception d'algorithmes de résolution qui puissent intégrer à la volée, pendant la résolution, ce type d'information. Cet article propose d'utiliser un solveur de contraintes à base d'explications pour collecter une information pertinente sur les structures dynamiques et statiques inhérentes au problème. Identifying structure in a given combinatorial problem is often a key step for designing efficient search heuristics or for understanding the inherent complexity of the problem. Several Operations Research approaches apply decomposition or relaxation strategies upon such a structure identified within a given problem. The next step is to design algorithms that adaptively integrate that kind of information during search. We claim in this paper, inspired by previous work on impact-based search strategies for constraint programming, that using an explanation-based constraint solver may lead to collect invaluable information on the intimate dynamic and static structure of a problem instance

L'apport du jeu pour le développement de compétences en mathématique chez les élèves au premier cycle du secondaire

La présente recherche est née de notre intérêt à comprendre davantage le potentiel de différents types de jeux pour les apprentissages mathématiques des élèves du secondaire. L'absence de données de recherche sur l'utilisation du jeu au secondaire en mathématiques nous pousse à vouloir investiguer le potentiel d'un tel moyen dans notre enseignement auprès d'élèves du premier cycle du secondaire. Plus spécifiquement, dans le contexte du nouveau curriculum au Québec (MELS 2003), nous avons cherché à comprendre comment le jeu utilisé dans les classes de mathématiques pouvait aider à développer des compétences chez les élèves. Nous avons élaboré, à cette fin, trois jeux, dont deux ont fait l'objet d'une analyse dans le cadre de cette recherche. L'utilisation de ces jeux, expérimentés auprès d'un groupe de quatre élèves du premier cycle du secondaire, nous a permis de répondre aux questions suivantes: Quelles compétences mathématiques sont sollicitées dans ces jeux ? Sous quelles composantes? Quelles connaissances mathématiques, habiletés plus générales y sont mobilisées? Bref, quel est le potentiel de ces jeux en lien avec les apprentissages des élèves?\ud L'analyse des productions des élèves au cours des jeux a montré plus spécifiquement les apports de ces derniers pour le développement de la compétence de communication. Les élèves ont dû, dans chacun des jeux, organiser leurs idées à des fins de communication à autrui. Un certain raisonnement déductif et combinatoire y est aussi à l'oeuvre dans le cas d'un des jeux. Une utilisation de ces jeux serait pensable, à plus long terme, de manière à davantage intégrer ces derniers à la séquence d'enseignement régulière. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Didactique des mathématiques, Enseignement des mathématiques, Utilisation du jeu dans l'enseignement, Développement de compétences mathématiques, Premier cycle du secondaire, Compétence de communication, Raisonnement combinatoire, Raisonnement déductif

Un Mécanisme Constructiviste d'Apprentissage Automatique d'Anticipations pour des Agents Artificiels Situés

This research is characterized, first, by a theoretical discussion on the concept of autonomous agent, based on elements taken from the Situated AI and the Affective AI paradigms. Secondly, this thesis presents the problem of learning world models, providing a bibliographic review regarding some related works. From these discussions, the CAES architecture and the CALM mechanism are presented. The CAES (Coupled Agent-Environment System) is an architecture for describing systems based on the agent-environment dichotomy. It defines the agent and the environment as two partially open systems, in dynamic coupling. The agent is composed of two sub-systems, mind and body, following the principles of situativity and intrinsic motivation. CALM (Constructivist Learning Anticipatory Mechanism) is based on the constructivist approach to Artificial Intelligence. It allows a situated agent to build a model of the world in environments partially deterministic and partially observable in the form of Partially Observable and Factored Markov Decision Process (FPOMDP). The model of the world is constructed and used for the agent to define a policy for action in order to improve its own performance.Cette recherche se caractérise, premièrement, par une discussion théorique sur le concept d'agent autonome, basée sur des éléments issus des paradigmes de l'Intelligence Artificielle Située et de l'Intelligence Artificielle Affective. Ensuite, cette thèse présente le problème de l'apprentissage de modèles du monde, en passant en revue la littérature concernant les travaux qui s'y rapportent. À partir de ces discussions, l'architecture CAES et le mécanisme CALM sont présentés. CAES (Coupled Agent-Environment System) constitue une architecture pour décrire des systèmes basés sur la dichotomie agent-environnement. Il définit l'agent et l'environnement comme deux systèmes partiellement ouverts, en couplage dynamique. L'agent, à son tour, est composé de deux sous-systèmes, l'esprit et le corps, suivant les principes de la situativité et de la motivation intrinsèque. CALM (Constructivist Anticipatory Learning Mechanism) est un mécanisme d'apprentissage fondé sur l'approche constructiviste de l'Intelligence Artificielle. Il permet à un agent situé de construire un modèle du monde dans des environnements partiellement observables et partiellement déterministes, sous la forme d'un processus de décision markovien partiellement observable et factorisé (FPOMDP). Le modèle du monde construit est ensuite utilisé pour que l'agent puisse définir une politique d'action visant à améliorer sa propre performance

Méthodologie d'aide à la décision multicritère pour l'ordonnancement d'ateliers discontinus

Les ateliers de fabrication de composants électroniques sont caractérisés par un mode opératoire discontinu et flexible, par un flux de produits cyclique et par un fort besoin en équipements qui rend complexe leur gestion. L'objectif des travaux de ce mémoire est l'optimisation multicritère de ces activités de production, donnant lieu à un problème d'ordonnancement à court terme. Le modèle de Simulation à Événements Discrets (SED) habituellement employé est cependant lourdement pénalisé par le temps de calcul nécessaire au traitement de problèmes de taille industrielle. Le SED est ainsi remplacé par une technique de modélisation reposant sur des réseaux de neurones, au sein desquels un algorithme de rétropropagation est mis en oeuvre. Le temps de calcul se trouve alors considérablement réduit. Enfin, lors de la phase d'optimisation, l'utilisation d'un Algorithme Génétique Multicritère (AGM) offre la possibilité de considérer de plusieurs critères d'évaluation. La démarche est validée sur un exemple didactique, représentatif des industries de fabrication de semi-conducteurs. ABSTRACT : Scheduling of electronic components manufacturing systems is identified as a complex task, mainly because of the typical features of the process scheme, such as cyclic flows and the high number of equipment items. Actually, production managers have to cope with various objectives, which contribute also to scheduling complexity. Discrete-event simulation (DES) is one of the most widely used methods to study, analyze, design, and improve manufacturing systems, however their applications in industrial processes takes an enormous computing time. In this study, we propose the DES substitution by an approach based on a neural network technique coupled with a multiobjective genetic algorithm for multi-decision scheduling problems in semiconductor wafer fabrication. The training phase of the neural network was performed by use of the previously developed discrete-event simulator, by using a backpropagation algorithm. The neural networks are then embedded in a multiobjective genetic algorithm (MOGA) to optimize the decision variables and to deal with the set of compromise solutions for the studied criteria, thus giving the optimal Pareto zone solutions. The computing time is then considerably reduced. The program efficiency is validate by means of a simplified industrial examples based on semiconductor manufacturing

Moyens informatiques de restitution en archéologie monumentale : cas du temple de Karnak

L’objectif de notre recherche est l’exploration et l’étude de la question de l’instrumentation informatique des projets de reconstitution archéologiques en architecture monumentale dans le but de proposer de nouveaux moyens. La recherche a pour point de départ une question, à savoir : « Comment, et avec quels moyens informatiques, les projets de reconstitution architecturale pourraient-ils être menés en archéologie? ». Cette question a nécessité, en premier lieu, une étude des différentes approches de restitution qui ont été mises à contribution pour des projets de reconstitution archéologiques, et ceci, à ses différentes phases. Il s’agit de comprendre l’évolution des différentes méthodologies d’approche (épistémologiquement) que les acteurs de ce domaine ont adoptées afin de mettre à contribution les technologies d’information et de communication (TIC) dans le domaine du patrimoine bâti. Cette étude nous a permis de dégager deux principales avenues: une première qui vise exclusivement la « représentation » des résultats des projets et une seconde qui vise la modélisation de ce processus dans le but d’assister l’archéologue dans les différentes phases du projet. Nous démontrons que c’est la deuxième approche qui permet la combinaison et met à la disposition des archéologues une meilleure exploitation des possibilités que l’outil informatique peut et pourra présenter. Cette partie permet de démontrer la nature systémique et complexe de la mise à contribution des TICs dans le domaine de la restitution archéologique. La multitude des acteurs, des conditions techniques, culturelles et autres, des moyens utilisés ainsi que la variété des objectifs envisagés dans les projets de reconstitution archéologiques poussent à explorer une nouvelle approche qui tient compte de cette complexité. Pour atteindre notre objectif de recherche, la poursuite de l’étude de la nature de la démarche archéologique s’impose. Il s’agit de comprendre les liens et les interrelations qui s’établissent entre les différentes unités techniques et intellectuelles en jeu ainsi que les différents modes de réflexions présents dans les projets de reconstitution archéologique du patrimoine bâti. Cette étude met en évidence le rapport direct entre le caractère subjectif de la démarche avec la grande variabilité des approches et des raisonnements mis en œuvre. La recherche est alors exploratoire et propositionnelle pour confronter notamment le caractère systémique et complexe de l’expérience concrète et à travers les publications savantes, les éléments de la réalité connaissable. L’étude des raisonnements archéologiques à travers les publications savantes nous permet de proposer une première typologie de raisonnements étudiés. Chacune de ces typologies reflète une méthodologie d’approche basée sur une organisation d’actions qui peut être consignée dans un ensemble de modules de raisonnements. Cette recherche fait ressortir, des phénomènes et des processus observés, un modèle qui représente les interrelations et les interactions ainsi que les produits spécifiques de ces liaisons complexes. Ce modèle témoigne d’un processus récursif, par essais et erreurs, au cours duquel l’acteur « expérimente » successivement, en fonction des objectifs de l’entreprise et à travers des modules de raisonnements choisis, plusieurs réponses aux questions qui se posent à lui, au titre de la définition du corpus, de la description, de la structuration, de l’interprétation et de la validation des résultats, jusqu’à ce que cette dernière lui paraisse satisfaire aux objectifs de départ. Le modèle établi est validé à travers l’étude de cas du VIIème pylône du temple de Karnak en Égypte. Les résultats obtenus montrent que les modules de raisonnements représentent une solution intéressante pour assister les archéologues dans les projets de reconstitution archéologiques. Ces modules offrent une multiplicité de combinaisons des actions et avantagent ainsi une diversité d’approches et de raisonnements pouvant être mis à contribution pour ces projets tout en maintenant la nature évolutive du système global.The goal of our research is to explore and study the use of computerized tools in archaeological reconstruction projects of monumental architecture in order to propose new ways in which such technology can be used. The first question we ask is: "How and with which computerized tools can architectural reconstruction projects be conducted in archaeology? In our quest to answer this question, we begin with a study of the different restitution approaches used in various phases of archaeological reconstruction projects. This involves understanding how the different methods of approach have evolved (epistemologically), how those involved in such projects have put information and communication technologies to use in the field of built heritage. This study has identified two main avenues: one whose sole aim is the "representation" of project results and another whose aim is to model this process in order to assist the archaeologist through various phases of a project. We have demonstrated that it is the second approach which combines and offers archaeologists a better utilization of the possibilities offered by computer assisted tools. This allowed us to demonstrate the complex and systemic nature of ICT’s in the field of archaeological reconstruction. The multiple actors, conditions, means and goals considered in archaeological reconstruction projects have led us to explore a new approach that reflects this complexity. In order to achieve the goal of our research, it was necessary to further study the nature of the archaeological process. This involved understanding the links and interrelations between the various components that define the archaeological approach and the various thought processes involved in heritage building archaeological reconstruction projects. This study showed a direct relationship between the subjective nature of the process and the diversity of approaches and thought processes which can be implemented. This exploratory and propositional research reinforces the systemic and complex nature of our approach and prompts us to explore, in practice and through published literature, the elements of known reality. The study of archaeological reasoning through academic publications has allowed us to propose an initial typology of arguments studied. Each of these typologies reflects a methodological approach based on organized actions that can be recorded in a set of reasoning modules. This research has allowed us to highlight phenomena and observed processes, leading to a model representing interrelationships and interactions as well as the specific results of these complex interconnections. This pattern reflects a cyclical process of trial and error, in which the actors consecutively 'experience' (according to the project’s goals and through reasoning modules), several answers to the questions exposed to him under the corpus definition, description, structure, interpretation and validation of the results until the latter would appear to meet the original targets. The model developed was validated through a case study of the seventh pylon of the Karnak temple in Egypt. The results show that the reasoning modules offer an interesting solution assisting archaeologists in archaeological reconstruction projects. The multiple action combinations offered by these modules are an advantage to many approaches and thought processes which could be useful to such projects while maintaining the progressive nature of the overall system

Modélisation de l'apprenant : application d'un modèle cognitif au développement d'un système d'apprentissage

Bien que le diagnostic des erreurs des apprenants soit central à toute stratégie d'intervention correctrice relevant au mode d'évaluation dans un système d'apprentissage, trop souvent, la prise d'information qui l'accompagne est incomplète ou incertaine. Ajoutons aussi le problème de la modélisation dans un contexte d'apprentissage où on ne peut observer directement ce qui se passe dans la tête d'un apprenant, ni de savoir avec certitude son plan de raisonnement, ni le but qu'il cherche à accomplir. Il s'ensuit une réduction de l'efficacité des interventions pédagogiques qui limite les apprentissages scolaires. Cette thèse apporte des solutions à cette problématique. Elle consiste en la conception et le développement d'un Système Tutoriel Intelligent pour le Diagnostic des Erreurs en Soustraction (TIDES). Elle s'inscrit dans une perspective d'évaluation diagnostique des compétences et connaissances arithmétiques en utilisant une approche originale qui vise à modéliser l'apprenant dans une situation d'apprentissage où les informations sur cet apprenant sont potentiellement incomplètes ou incertaines. Dans cette thèse, nous présentons la conception, le développement et une mise à l'essai du système TIDES. Le design de ce système est basé sur un modèle cognitif, la théorie d'apprentissage ACT-R d'Anderson, capable d'analyser le comportement d'un apprenant et de savoir son état cognitif. Le choix de ce design est discuté et justifié aussi. L'architecture du système TIDES comporte au moins trois modules: un module qui permet de spécifier des tâches à l'apprenant, un module d'analyse qui permet d'analyser les actions de l'apprenant et un module de diagnostic qui permet d'inférer les informations sur l'apprenant, d'évaluer ses compétences impliquées dans une tâche d'apprentissage, de détecter sa stratégie mise en œuvre, en s'appuyant sur une méthode de reconnaissance de plan, de prédire sa prochaine action la plus probable et de savoir avec exactitude les causes réelles de ses erreurs. Les caractéristiques du système TIDES sont décrites en détail dans la thèse. La méthodologie d'une mise à l'essai du système avec une vingtaine d'élèves est présentée et les données recueillies dans cette mise à l'essai sont regroupées et analysées. L'ensemble des résultats obtenus indique que le système TIDES offre le potentiel d'analyser et de diagnostiquer les erreurs des apprenants de façon plus précise, et donne effectivement lieu à un apprentissage conforme à celui qui était prévu en se basant sur la méthode originale adoptée. Enfin, nous proposerons des améliorations possibles (extension du système TIDES à l'aide des réseaux bayésiens) que nous présenterons comme explorées mais non encore complètement intégrées dans l'état actuel du système TIDES et aussi non évaluées. Il s'agit en fait de déterminer à quelles conditions le modèle bayésien peut être intégré à un système d'apprentissage, en tant que système tutoriel intelligent et dont le domaine d'apprentissage est l'arithmétique. \ud ______________________________________________________________________________ \ud MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Intelligence artificielle, environnement interactif pour l'apprentissage humain, système tutoriel intelligent, théories d'apprentissage, Modèle d'Anderson ACT-R, modélisation d'un apprenant, analyse des erreurs, diagnostic des erreurs, modélisation statistique et réseaux bayésiens

Vers une vision systémique du processus de l'explication : récit d'une recherche sur l'intégration de la pédagogie, de l'ingénierie et de la modélisation

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal

Une nouvelle approche d'aide à la conception par ordinateur en architecture basée sur la modélisation d'opérateurs sémantiques et la création de maquettes procédurales

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal

Apprentissage des probabilités chez des élèves du secondaire dans une séquence d'enseignement basée sur la simulation de jeux de hasard et d'argent : émergence de conceptions

À partir de mes préoccupations concernant l'enseignement des probabilités, j'ai entretenu le besoin de comprendre comment les élèves conceptualisent le hasard et les probabilités, ce qui m'a amené à m'engager dans un processus de maîtrise. En m'intéressant à l'évolution des concepts probabilistes à travers l'histoire des mathématiques et le cheminement scolaire des élèves, j'ai constaté que la construction des notions probabilistes chez les mathématiciens et les élèves est essentiellement reliée aux jeux de hasard. Toutefois, puisqu'un grand nombre d'adolescents et d'adultes participent excessivement à des jeux de hasard et d'argent, plusieurs études ont mis en évidence les lourdes conséquences sociales engendrées par le problème du jeu excessif. Une recension des écrits dans les domaines de didactique des mathématiques et de psychologie m'a permis de consulter diverses études concernant l'émergence des conceptions d'élèves, par rapport au hasard et aux probabilités, en contextes scolaire et quotidien. Après avoir clarifié ma position épistémologique, j'ai entrepris une analyse conceptuelle des concepts à l'étude dans ce mémoire. Tout d'abord, compte tenu du fait que le terme « conception » revêt plusieurs significations dans les écrits en didactique, j'ai dû définir ce que j'entends par « conception ». Ensuite, j'ai choisi le modèle de « complexification conceptuelle » pour expliquer l'évolution des conceptions pouvant être déclenchée par un facteur d'ébranlement. À partir de ce moment, je me suis demandé comment se manifestent et évoluent certaines conceptions d'élèves de niveau secondaire dans une séquence d'enseignement des probabilités basée sur la simulation de jeux de hasard et d'argent. Mes questions de recherche ont été formulées comme suit : A) Parmi les conceptions ciblées dans cette recherche, soit les conceptions du hasard, la conception équiprobabilité, la conception contrôle du hasard, la conception approche du résultat et la conception dépendance, lesquelles se manifestent chez des élèves de quatrième secondaire? B) Comment se manifestent ces conceptions? C) Les conceptions des élèves sont-elles ébranlées au cours d'une séquence d'enseignement ou sont-elles persistantes? D) Qu'est-ce qui ébranle les conceptions et, ainsi, enclenche un processus de complexification conceptuelle? En collaboration avec une enseignante de quatrième secondaire, j'ai construit et expérimenté une séquence d'enseignement des probabilités basée sur la simulation de jeux de hasard et d'argent, qui visait l'émergence de cinq différentes conceptions. Les séances en classe ont été enregistrées (audio et vidéo). De plus, les 30 élèves de la classe ont répondu à deux questionnaires écrits et plusieurs d'entre eux ont été interviewés à la fin de la séquence d'enseignement. Un pseudonyme a été attribué à chaque élève et à l'enseignante afin d'assurer la confidentialité des participants. L'analyse des données a permis d'inférer les conceptions énumérées précédemment. Dans certains cas, elles se sont manifestées chez les mêmes élèves à divers moments de la séquence d'enseignement, ce qui a rendu possible une description d'un processus de complexification conceptuelle chez ces élèves. Ce fut le cas par exemple des conceptions du hasard et de la conception équiprobabilité qui ont émergé et évolué chez Danik et Tommy. Dans d'autres cas, les conceptions se sont manifestées de manière beaucoup plus isolée, ce qui a rendu impossible la description d'un processus de complexification de ces conceptions. Ce fut le cas par exemple des conceptions contrôle du hasard, approche du résultat et dépendance, pour lesquelles je me suis restreint à présenter des manifestations ponctuelles de ces conceptions chez divers participants. Au terme de l'analyse des données, je suis revenu à mes questions de recherche et je me suis demandé comment ce mémoire permettait ou ne permettait pas d'y répondre. Ensuite, j'ai identifié les limites de cette recherche, de même que les nouvelles questions qu'elle soulève. Finalement, j'ai fait ressortir l'éclairage qu'apporte ce mémoire sur le problème initial de recherche, ce qui m'a amené à dégager des implications pour l'enseignement et d'autres pour la recherche. \ud ______________________________________________________________________________ \ud MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Conceptions, probabilités, hasard, complexification conceptuelle, simulateur de probabilités, jeux de hasard et d'argen