Contribution de la motivation dans les jeux sérieux

La motivation incite les apprenants à s’engager dans une activité et à persévérer dans son accomplissement afin d’atteindre un but. Dans les Systèmes Tutoriels Intelligents (STI), les études sur la motivation des apprenants possèdent trois manques importants : un manque de moyens objectifs et fiables pour évaluer cet état, un manque d’évaluation de rôles joués par les facteurs motivationnels conçus dans l’environnement d’apprentissage et un manque de stratégies d’interventions motivationnelles pour soutenir la motivation des apprenants. Dans cette thèse, nous nous intéressons à mieux comprendre l’état de la motivation des apprenant ainsi que les facteurs et stratégies motivationnels dans un environnement d’apprentissage captivant : les jeux sérieux. Dans une première étude, nous évaluons la motivation des apprenants par l’entremise d’un modèle théorique de la motivation (ARCS de Keller) et de données électro-physiologiques (la conductivité de la peau, le rythme cardiaque et l’activité cérébrale). Nous déterminons et évaluons aussi quelques situations ou stratégies favorisant la motivation dans l’environnement des jeux sérieux étudié. Dans une deuxième étude, nous développons un prototype de jeux sérieux intégrant – dans une première version – quelques éléments motivationnels issus de jeux vidéo et – dans une deuxième version – des stratégies motivationnelles d’un modèle théorique de la motivation. Nous espérons, avec une évaluation motivationnelle de notre prototype, soutenir les apprenants à atteindre des hauts niveaux de motivation, de persévérance et de performance.Motivation encourages learners to be engaged in an activity and to persevere in its accomplishment in order to achieve a goal. In Intelligent Tutoring Systems (ITS), different studies of learners’ motivation have showed three major lacks: a lack of objective and reliable means to assess this state, a lack of evaluation of the roles played by motivational factors developed by learning environments, and a lack of motivational interventions to support learners’ motivation. In this thesis, we are interested in understanding the state of motivation, as well as motivational factors and strategies in an exciting learning environment: serious games. First, we carry out an empirical study to assess learners’ motivation using Keller’s ARCS psychological model combined with electro-physiological recordings, namely skin conductance, heart rate, and brain activity. We also identify and evaluate different situations and strategies that promote motivation in a serious game environment. Second, we develop a serious game which has some motivational elements (version 1) as well as different motivational strategies (version 2). Our serious game intends to support learners to rich high levels of motivation, perseverance and performance. We conduct an empirical assessment of learners’ motivation during interaction with our serious game

Détection et amélioration de l'état cognitif de l'apprenant

Cette thèse vise à détecter et améliorer l’état cognitif de l’apprenant. Cet état est défini par la capacité d’acquérir de nouvelles connaissances et de les stocker dans la mémoire. Nous nous sommes essentiellement intéressés à améliorer le raisonnement des apprenants, et ceci dans trois environnements : environnement purement cognitif Logique, jeu sérieux LewiSpace et jeu sérieux intelligent Inertia. La détection de cet état se fait essentiellement par des mesures physiologiques (en particulier les électroencéphalogrammes) afin d’avoir une idée sur les interactions des apprenants et l’évolution de leurs états mentaux. L’amélioration des performances des apprenants et de leur raisonnement est une clé pour la réussite de l’apprentissage. Dans une première partie, nous présentons l’implémentation de l’environnement cognitif logique. Nous décrivons des statistiques faites sur cet environnement. Nous avons collecté durant une étude expérimentale les données sur l’engagement, la charge cognitive et la distraction. Ces trois mesures se sont montrées efficaces pour la classification et la prédiction des performances des apprenants. Dans une deuxième partie, nous décrivons le jeu Lewispace pour l’apprentissage des diagrammes de Lewis. Nous avons mené une étude expérimentale et collecté les données des électroencéphalogrammes, des émotions et des traceurs de regard. Nous avons montré qu’il est possible de prédire le besoin d’aide dans cet environnement grâce à ces mesures physiologiques et des algorithmes d’apprentissage machine. Dans une troisième partie, nous clôturons la thèse en présentant des stratégies d’aide intégrées dans un jeu virtuel Inertia (jeu de physique). Cette dernière s’adapte selon deux mesures extraites des électroencéphalogrammes (l’engagement et la frustration). Nous avons montré que ce jeu permet d’augmenter le taux de réussite dans ses missions, la performance globale et par conséquent améliorer l’état cognitif de l’apprenant.This thesis aims at detecting and enhancing the cognitive state of a learner. This state is measured by the ability to acquire new knowledge and store it in memory. Focusing on three types of environments to enhance reasoning: environment Logic, serious game LewiSpace and intelligent serious game Inertia. Physiological measures (in particular the electroencephalograms) have been taken in order to measure learners’ engagement and mental states. Improving learners’ reasoning is key for successful learning process. In a first part, we present the implementation of logic environment. We present statistics on this environment, with data collected during an experimental study. Three types of data: engagement, workload and distraction, these measures were effective and can predict and classify learner’s performance. In a second part, we describe the LewiSpace game, aimed at teaching Lewis diagrams. We conducted an experimental study and collected data from electroencephalograms, emotions and eye-tracking software. Combined with machine learning algorithms, it is possible to anticipate a learner’s need for help using these data. In a third part, we finish by presenting some assistance strategies in a virtual reality game called Inertia (to teach Physics). The latter adapts according to two measures extracted from electroencephalograms (frustration and engagement). Based on our study, we were able to enhance the learner’s success rate on game missions, by improving its cognitive state

Environnements virtuels émotionnellement intelligents

Les émotions ont été étudiées sous différents angles dans le domaine de l'interaction homme-machine y compris les systèmes tutoriel intelligents, les réseaux sociaux, les plateformes d’apprentissage en ligne et le e-commerce. Beaucoup d’efforts en informatique affective sont investis pour intégrer la dimension émotionnelle dans les environnements virtuels (tel que les jeux vidéo, les jeux sérieux et les environnements de réalité virtuelle ou de réalité augmenté). Toutefois, les stratégies utilisées dans les jeux sont encore empiriques et se basent sur des modèles psychologiques et sociologiques du joueur : Courbe d’apprentissage, gestion de la difficulté, degré d’efficience dans l’évaluation des performances et de la motivation du joueur. Or cette analyse peut malmener le système dans la mesure où les critères sont parfois trop vagues ou ne représentent pas les réelles compétences du joueur, ni ses vraies difficultés. Étant donné que la stratégie d’intervention est très influencée par la précision de l’analyse et l’évaluation du joueur, de nouveaux moyens sont nécessaires afin d’améliorer les processus décisionnels dans les jeux et d’organiser les stratégies d’adaptation de façon optimale. Ce travail de recherche vise à construire une nouvelle approche pour l’évaluation et le suivi du joueur. L’approche permet une modélisation du joueur plus efficace et moins intrusive par l’intégration des états mentaux et affectifs obtenus à partir de senseurs physiologiques (signaux cérébraux, Activité électrodermale, …) ou/et instruments optiques (Webcam, traceur de regard, …). Les états affectifs et mentaux tels que les émotions de base (basées sur les expressions faciales), l’état d’engagement, de motivation et d’attention sont les plus visés dans cette recherche. Afin de soutenir l’adaptation dans les jeux, des modèles des émotions et de la motivation du joueur basé sur ces indicateurs mentaux et affectifs, ont été développés. Nous avons implémenté cette approche en développant un système sous forme d’une architecture modulaire qui permet l’adaptation dans les environnements virtuels selon les paramètres affectifs du joueur détectés en temps-réel par des techniques d’intelligence artificielle.Emotions were studied from different angles in the field of human-machine interaction including intelligent tutorial systems, social networks, online learning platforms and e-commerce. Much effort in affective computing are invested to integrate the emotional dimension in virtual environments (such as video games, serious games and virtual reality environments or augmented reality). However, the strategies used in games are still empirical and are based on psychological and sociological models of the player: Learning Curve, trouble management, degree of efficiency in the evaluation of performance and motivation of the player. But this analysis can mislead the system to the extent that the criteria are sometimes too vague and do not represent the actual skills of the player, nor his real difficulties. Since the intervention strategy is influenced by the accuracy of the analysis and evaluation of the player, new ways are needed to improve decision-making in games and organizing adaptation strategies in optimal way. This research aims to build a new approach to the evaluation and monitoring of the player. The approach enables more effective and less intrusive player modeling through the integration of mental and emotional states obtained from physiological sensors (brain signals, electro-dermal activity, ...) or/and optical instruments (Webcam, eye-tracker, ...). The emotional and mental states such as basic emotions (based on facial expressions), the states of engagement, motivation and attention are the most targeted in this research. In order to support adaptation in games, models of emotions and motivation of the player based on these mental and emotional indicators, have been developed. We have implemented this approach by developing a system in the form of a modular architecture that allows adaptation in virtual environments according to the player's emotional parameters detected in real time by artificial intelligence methods