L`animations 3D, un soutien à l`apprentissage d`informations spatiales

L’animations 3D, un soutien à l’apprentissage
d’informations spatiales ?
Sandra Berney, Jonathan Groff, Laurence Gagnière
To cite this version:
Sandra Berney, Jonathan Groff, Laurence Gagnière.
L’animations 3D, un soutien à
l’apprentissage d’informations spatiales ?.
Sébastien George, Gaëlle Molinari, Chihab
Cherkaoui, Driss Mammas et Lahcen Oubahssi. 7ème Conférence sur les Environnements Informatiques pour l’Apprentissage Humain (EIAH 2015), Jun 2015, Agadir, Maroc. pp.65-70,
2015. <hal-01405933>
HAL Id: hal-01405933
https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01405933
Submitted on 30 Nov 2016
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L'animation 3D, un soutien à l'apprentissage
d'informations spatiales ?
Sandra Berney 1, Jonathan Groff 2, Laurence Gagnière 3
1
Université de Genève, FAPSE - TECFA, 1205 Genève, Suisse
[email protected]
2
Université de Bourgogne, LEAD-CNRS, 21078 Dijon, France
[email protected]
3
Unidistance, Technopôle 5, 3960 Sierre, Suisse
[email protected]
Résumé. Les ressources pédagogiques proposant des contenus en troisdimensions ont fait leur apparition dans de nombreux domaines. Ainsi
l'enseignement de l'anatomie, qui faisait jusque-là appel à des croquis en deux
dimensions, s'enrichit de ces nouvelles technologies numériques. Les
animations avec modèles tridimensionnels rotatifs (animation 3D) offrent à
l'apprenant des informations spatiales sur l'objet anatomique indisponibles avec
les graphiques en deux dimensions. Toutefois, l'influence des habiletés spatiales
dans le traitement cognitif des animations 3D ainsi que la nécessité de prendre
en compte les relations spatiales entre l'objet anatomique et le corps
tridimensionnel complexifient le processus d'apprentissage. Le but de l'étude
expérimentale pilote décrite ici est d'investiguer, à l'aide de données
oculométriques, l'interaction entre les animations 3D et les habiletés spatiales
dans un contexte d'apprentissage de l'anatomie. En outre, une méthode
d'indiçage visuel rétrospectif sera utilisée sur les données oculométriques pour
faire émerger et catégoriser les stratégies d'apprentissage des apprenants.
Mots-clés. Animation 3D, habiletés spatiales,
apprentissage de l'anatomie, informations 3D
données oculométriques,
Abstract. New resources providing three-dimensional (3D) content are novel
educational opportunities that should be considered. As opposed to the twodimensional approach traditionally used to teach anatomy, animations of a
three-dimensional rotating model (3D animation) provide learners with spatial
information on the anatomical 3D object, which is not available with twodimensional illustrations. However, the influence of learners' spatial ability in
processing 3D animations as well as the need to take into account the spatial
relationships between the anatomical object and the three-dimensional body
space are challenges to learning. An experimental eye-tracker study was
conducted to investigate the interplay between 3D animations and spatial ability
when learning functional anatomy. Additionally, retrospective verbal reporting
cued by eye-movement replay will be used in order to elicit participants'
learning strategies with these new 3D educational resources
Keywords. 3D animation, spatial ability, eye-tracker, learning anatomy, threedimensional information
Environnement Informatique pour l’Apprentissage Humain, Agadir, 2015
1
Introduction
Les ressources pédagogiques assistées par ordinateur, comme par exemple les
animations, ont fait leur apparition dans de nombreux champs d'application de
l'enseignement et de l'apprentissage. Initialement développée avec du contenu en
deux-dimensions, l'animation permet de transmettre une représentation explicite
d'objets dynamiques qui évoluent dans le temps, ce qui permet ainsi d'illustrer la
temporalité et la spatialité du comportement du contenu. Aujourd'hui, les programmes
informatiques offrent la possibilité de représenter des informations tridimensionnelles
au moyen d'animation 2D de modèles tridimensionnels (3D). Les animations avec des
modèles 3D rotatifs (animation 3D) offrent des informations supplétives sur l'objetmodèle tridimensionnel, telles que la profondeur et les indices spatiaux [1]. Elle
fournit également à l'apprenant une série continue de points de vue de l'objet-modèle
tridimensionnel, comme par exemple des perspectives multiples de son emplacement
et de sa position dans l'espace qui le contient.
Fortement documentée dans la littérature du domaine multimédia, l'influence des
habiletés visuo-spatiales individuelles pour l'apprentissage à partir d'animations est
discutée selon deux approches. D'un coté, l'hypothèse compensatoire [2] prédit que
les apprenants ayant de faibles habiletés visuo-spatiales, lorsqu'ils étudient à partir
d'animations, pourraient être mieux soutenus car l'animation fournit alors une
représentation externe explicite du contenu à apprendre. L'animation peut ainsi
compenser les faibles habiletés visuo-spatiales des apprenants. De l'autre côté,
l'hypothèse d'amélioration [2] affirme que les apprenants ayant de fortes capacités
visuo-spatiales sont cognitivement mieux équipés pour traiter les visualisations
dynamiques, ce qui leur permet d'obtenir de meilleures performances que les
apprenants ayant de faibles habiletés visuo-spatiales. Toutefois, le rôle –
compensatoire versus améliorateur – doit être considéré en fonction du facteur spatial
impliqué dans le traitement de la tâche visuo-spatiale [3]. Et les habiletés visuospatiales doivent également être considérées en fonction de leur interaction avec le
traitement de l'animation et les objectifs d'apprentissage des tâches demandées à
l'apprenant [3].
L'utilisation des animations 3D dans un domaine d'instruction spatialement
complexe, comme l'est l'anatomie fonctionnelle, pourrait être une solution adéquate
pour les apprenants ayant des capacités visuo-spatiales faibles [4] bien qu'elles
puissent être difficile à traiter pour les novices. L'apprentissage de l'anatomie
fonctionnelle est un défi car les apprenants doivent prendre en compte les
transformations complexes des structures et leurs translations dans le corps humain
tridimensionnel. Pour ancrer la structure dans l'espace tridimensionnel du corps,
l'anatomie se base sur des références d'orientation standardisées, dont la présence,
qu'elle soit intégrée aux structures ou à proximité, permet de désambiguïser la
position et la localisation des structures lors de l'apprentissage [3, 5]. L'apprenant sera
alors à même d'identifier les axes principaux de la structure, et ainsi déterminer son
orientation spatiale. Cet apprentissage nécessite de l'apprenant une manipulation
mentale de la structure anatomique 3D afin d'appréhender son orientation spatiale,
étape nécessaire pour arriver à une interprétation efficiente de son comportement
dynamique. Ces transformations mentales impliquent raisonnement spatial et imagerie
L'animation 3D, un soutien à l'apprentissage d'informations spatiales ?
mentale, et sont mises au défi par la nécessité de prendre en considération le caractère
tridimensionnel de l'espace du corps humain.
Pour effectuer ces opérations mentales, deux stratégies de transformations mentales
peuvent être employées. Une première stratégie est centrée sur des transformations
basées sur l'objet, ici en l'occurrence sur la structure anatomique; elle engagerait
principalement des habiletés visuo-spatiales de rotation mentale. La deuxième
stratégie est basée sur des transformations spatiales égocentriques, lors desquelles
l'apprenant adoptera une nouvelle perspective différente de son point d'observation
actuel; cette stratégie engagerait des habiletés visuo-spatiales de changement de
perspectives. Ces habiletés visuo-spatiales sont toutes deux influencées par de
nombreux facteurs, notamment par les propriétés des stimuli. Ainsi Zacks et Tversky
[6] ont montré que les stimuli corporels ou à base de segments du corps étaient
particuliers, car ce sont les seuls stimuli perceptifs à engager les deux types de
stratégies dans la vie quotidienne. En effet, regarder autrui bouger permet de
percevoir des transformations basées sur l'objet, alors que des transformations
spatiales égocentriques sont perceptibles lorsque l'on bouge ou se déplace [6]. Par
ailleurs, comme le démontre la littérature psychométrique, il est également possible
d'utiliser des stratégies de transformations mentales autres que celles qui sont
raisonnablement attendues pour effectuer une certaine tâche visuo-spatiale. Ainsi,
même pour l'un des tests standardisés couramment utilisé pour évaluer les capacités
de rotations mentales, le Mental Rotation Test [7], des chercheurs ont montré que les
participants utilisaient des stratégies mentales autres que les rotations mentales basées
sur l'objet pour résoudre les 24 items de ce test [8].
A la lumière des explications précédentes, l'apprentissage de l'anatomie
fonctionnelle soulève des interrogations pertinentes quant au(x) rôle(s) des habiletés
visuo-spatiales impliquées dans les transformations mentales exigées par
l'apprentissage initial des animations 3D et par les tâches visuo-spatiales
subséquentes. La présente étude expérimentale avait un double objectif. Le premier
était d'investiguer l'interaction des habiletés visuo-spatiales impliquées dans la phase
initiale de visionnement de l'animation 3D et la phase subséquente de résolution de la
tâche visuo-spatiale, en analysant les mouvements oculaires des participants
enregistrés durant les deux périodes de l'étude. Une longue durée de fixation sur une
ou des zones précises indique que l'observateur consacre davantage de temps à
interpréter une zone ou à connecter deux éléments, traduisant un traitement cognitif
plus profond de ces éléments [9]. Le second objectif était d'explorer les différentes
stratégies de transformations mentales en regard des stratégies oculométriques
utilisées pour traiter initialement l'animation 3D et pour résoudre la tâche visuospatiale subséquente. Pour ce faire, la méthode d'indiçage visuel rétrospectif a été
employée pour faire émerger les stratégies utilisées par les apprenants lors des deux
phases de l'étude. Pour des raisons de concision, seul le premier objectif de l'étude
sera présenté dans cette contribution. Nous avons fait l'hypothèse que les
performances à la tâche visuo-spatiale seront associées aux stratégies de
transformations mentales, mesurées par distinctes habiletés visuo-spatiales (habileté
de rotation mentale versus changement de perspectives), qui sont induites par les
références d'orientations présentes dans les animations 3D. Les performances à la
tâche visuo-spatiale impliqueront des données oculométriques focalisées sur l'objet
Environnement Informatique pour l’Apprentissage Humain, Agadir, 2015
scapula dans sa globalité ou sur la référence d'orientation pour les participants de la
condition axes et de la condition avatar, respectivement.
2
Méthode
Participants et conditions. Vingt-trois étudiants - 14 femmes et 9 hommes – de
psychologie et des sciences de l'éducation de l'Université de Genève, âgés entre 22 et
49 ans (âge moyen : 30.24; ET : 7.6), ont volontairement participé à l'expérience. Les
données incomplètes de deux participants ont été supprimées. Les participants étaient
aléatoirement répartis dans une des deux conditions expérimentales (avatar, n = 11, et
axes, n = 10)
Matériel. Le matériel d'apprentissage était constitué d'une animation 3D de
l'omoplate (Fig. 1 en haut), d'une session d'apprentissage en autonomie avec autofeedbacks, d'un post-test visuo-spatial (Fig. 1 en bas) et de deux tests visuo-spatiaux.
L'animation 3D présentait la structure tridimensionnelle de l'omoplate, pivotant à
360° associée à une référence d'orientation, dont deux versions ont été utilisées. Dans
la version "avatar" (Fig. 1 gauche), la référence d'orientation était représentée par un
petit avatar humain positionné à gauche de l'écran, pivotant de manière analogue avec
l'omoplate. Dans la version "axes" (Fig. 1 droite), des axes orthogonaux standardisés
étaient imbriqués dans l'omoplate, et pivotaient simultanément avec la structure. La
séance d'apprentissage, en deux phases, se composait i) de l'animation 3D de
l'omoplate et ii) d'une session d'apprentissage autogéré de 6 essais. Les participants
devaient décider si le positionnement anatomique des 2 objets (omoplate versus
références d'orientation) était congruent. Après ce choix, ils devaient rechercher dans
l'animation 3D l'image exacte représentant l'un des deux objets, ce qui leur permettait
d'auto-évaluer l'exactitude de leur réponse. Le post-test visuo-spatial comprenait 32
questions, identiques à celles de la session d'apprentissage, il évaluait la
compréhension de l'espace tridimensionnel du corps par rapport à l'omoplate et au
type de références d'orientation étudié. Deux mesures d'habiletés visuo-spatiales ont
été évaluées. Le Mental Rotation Test (MRT) [7] a été utilisé comme mesure du
facteur des relations spatiales évaluant la capacité à exécuter des transformations
basées sur l'objet. Le Perspective-Taking Spatial Orientation Test (PTSO) [10] a été
utilisé comme mesure du facteur d'orientation spatiale évaluant la capacité d'adopter
une perspective imaginée autre que celle observée. L'expérience présentée sur un
écran TFT 17 pouces Tobii T120 a permis de recueillir les données oculométriques
des participants.
Procédure. La session expérimentale, d'une durée d'environ 60 minutes, consistait en
3 phases. (1). Après avoir donné leur consentement pour participer à cette étude, les
participants remplissaient deux tests visuo-spatiaux – MRT et PTSO – en format
papier-crayon, dont la présentation a été contrebalancée. (2) Les participants ont tout
d'abord regardé une animation 3D sur l'organisation de l'espace en anatomie qui
présentait les 2 systèmes de références d'orientation – avatar et axes – de manière
synchrone. Puis, en fonction des groupes expérimentaux, ils ont étudié une animation
3D de la scapula soit avec un "avatar" (Fig. 1 gauche), soit avec des "axes" (Fig. 1
droite).
L'animation 3D, un soutien à l'apprentissage d'informations spatiales ?
Fig. 1. Copie d'écran de l'animation 3D (en haut) et d'une des questions du post-test (en bas). La
condition avatar est présentée à gauche et la condition axes à droite
Ils ont ensuite poursuivi avec la séance d'apprentissage, directement suivie du posttest visuo-spatial. (3) Les informations verbales concernant les stratégies
d'apprentissage utilisées lors de la phase (2) ont été récoltées avec un protocole
d'indiçage visuel rétrospectif.
3
Résultats principaux et discussion
Les résultats ne montrent aucune différence significative sur les scores du post-test
(F(1, 19) = 1.645 ; ns;), ni sur les habiletés visuo-spatiales entre les deux conditions
expérimentales (MRT: F <1; ns; PTSO: F < 1; ns;). Concernant les relations directes
entre le post-test et les habiletés visuo-spatiales, il ressort que les scores du post-test
étaient significativement corrélés avec les scores du MRT (r = .885, p< .001) et du
PTSO (r = .768, p = .006) uniquement pour les participants du groupe avatar.
L''influence des habiletés visuo-spatiales sur les performances du post-test n'est pas
identique dans les deux conditions d'apprentissage. Plus les capacités visuo-spatiales
des participants du groupe avatar étaient élevées, plus ils ont été en mesure de décider
si les images présentées étaient anatomiquement congruentes. Ce résultat met en
lumière l'effet bénéfique des axes comme références d'orientation pour les participants
ayant de faibles habiletés visuo-spatiales, puisque cette référence d'orientation leur a
permis d'obtenir des performances proches de celles des participants ayant de fortes
habiletés visuo-spatiales. Ceci est en adéquation avec l'hypothèse compensatoire [2].
L'exploration des relations entre les AOIs (scapula vs référence d'orientation) et les
habiletés visuo-spatiales a été effectuée pour les séquences de visionnement de
l'animation 3D et du post-test. Concernant les participants du groupe axes, les
Environnement Informatique pour l’Apprentissage Humain, Agadir, 2015
résultats pour la séquence de l'animation 3D révèlent une corrélation significative
entre la durée totale de fixation sur l'omoplate et les scores du MRT (axes : r = .767,
p = .006). Aucune corrélation n'a été trouvée pour la durée totale de fixation sur les
références d'orientation. Concernant la séquence du post-test, des corrélations
significatives ont été trouvées entre la durée de fixation sur l'omoplate et les deux
habiletés visuo-spatiales (MRT : r = .711, p = .021; PTSO : r = -.744, p = .014), ainsi
qu'entre la durée de fixation sur les références d'orientation, ici les axes, et les scores
du MRT (r = .752, p = .012). Les résultats concernant les participants du groupe
avatar s'avèrent plus mitigés. Seule une corrélation significative entre la durée totale
de fixation sur l'omoplate et les scores du MRT (r = .707, p = .010) pour la séquence
initiale de l'animation 3D a été trouvée. L'hypothèse a été ainsi partiellement
confirmée. Dans l'ensemble, ces résultats suggèrent qu'indépendamment des
références d'orientation présentes dans l'animation 3D, les participants ayant de fortes
capacités à effectuer des rotations mentales sur les objets ont observé plus longuement
la scapula que les références d'orientation (axes ou avatar) lors de l'encodage de ces
informations. Toutefois, la prise de décision de l'image anatomiquement congruente
des participants de la condition axes ayant de fortes habiletés visuo-spatiales est basée
sur une plus longue observation de la scapula et des axes que les participants ayant de
faibles compétences en rotation mentale, ou que les participants de la condition
avatar. Une analyse plus détaillée des données oculométriques est en cours, qui va
déterminer les AOIs en fonction des stratégies identifiées. L'ensemble des résultats de
cette étude sera présenté lors de la conférence.
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