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Les jeux sérieux s’inscrivent dans un courant qui cherche à explorer l’utilisation des jeux numériques dans des contextes où la finalité première dépasse le simple divertissement. Cette utilisation dans le champ éducatif est justifiée par la capacité de ces jeux à avoir des impacts positifs liés à l’apprentissage sur les plans cognitif, affectif et social. Les études empiriques, conduites pour vérifier les bénéfices présumés de ces jeux, tendent à s'accorder pour confirmer leur pertinence et efficacité. Cependant, il en ressort que ces bénéfices dépendent de la qualité de leur conception et d'intégration dans des dispositifs de formation. Or, les approches et théories existantes à cet effet sont à un stade précoce de construction et sont loin d’être consensuelles. Plus spécifiquement, ces approches présentent des limites en ce qui concerne leurs fondements théoriques, l’absence de démarches de conception détaillées et la difficulté d’intégrer, d’une façon équilibrée, les éléments favorisant la motivation et ceux favorisant l’apprentissage. Dans ce contexte, la présente recherche vise à remédier à ces limites en proposant un modèle de design des jeux sérieux qui soutient la conception et le développement de ces jeux pour une finalité pédagogique. À cet effet, nous avons mis en œuvre une démarche méthodologique basée sur l’approche de recherche orientée par la conception (Design-based research), en vue de répondre à la question de recherche suivante : comment concevoir des jeux sérieux efficaces pédagogiquement et motivants ? Ladite approche a consisté, conformément au modèle de Reeves (2006), en quatre phases : la définition d’un problème pratique, le développement d’une solution à partir des principes de design existants, des cycles itératifs de tests et d’affinement de la solution et la production de nouveaux principes de design généralisables à d’autres contextes. Elle a permis l’élaboration d’une démarche globale, cohérente et intégrée de design des jeux sérieux. Le cas échéant, la démarche proposée porte sur un modèle théorique de l’expérience optimale d’apprentissage par jeux sérieux, des principes de design qui devraient guider le processus de design de ces jeux, une méthodologie détaillée pour conduire ce processus, ainsi que des outils d’aide au design qui définissent pour chacune des étapes les paramètres pédagogiques, ludiques et techniques à prendre en considération. Les implications du modèle proposé sont multiples. Il contribue au comblement des lacunes de connaissances relatives à l’utilisation et le design des jeux sérieux. Plus spécifiquement, il décrit l’expérience d’apprentissage par ces jeux et détermine les caractéristiques et les conditions d’émergence de cette expérience. Il réduit la complexité inhérente au design de ces dispositifs, en proposant des principes de design, une méthodologie détaillée et des outils. Il structure le processus de design autour des principes issus des domaines de design pédagogique (instructional design) et de design des jeux (game design) et en décrit les résultats attendus. Il lie la théorie à la pratique en proposant un cadre théorique descriptif du processus de design ainsi que des orientations claires et pratiques pour le mettre en œuvre. De même, les outils qu’il propose peuvent servir de support pédagogique, pour initier les concepteurs au processus de design, ainsi que de support de communication entre les différentes parties prenantes lors d’une démarche participative de design centrée sur l’utilisateur. Mots-clés : Apprentissage par le jeu, design des jeux sérieux, design pédagogique, pédagogie ludique, jeu sérieux., Serious games are part of a movement that seeks to explore digital games in contexts where the primary purpose is other than pure entertainment. In education, this use is justified by the ability of these games to impact cognitive, emotional, and social learning. Empirical studies conducted to verify the presumed benefits of these games tend to confirm their relevance and instructional effectiveness. Nevertheless, they suggest that these benefits depend on the quality of their design and implementation. However, the existing approaches and theories related to serious games design are at an early stage of construction and are far from consensual. More specifically, these approaches have limitations in terms of theoretical foundations, a lack of detailed design methodologies, and a difficulty of integrating, in a balanced way, the elements that promote motivation and those that promote instruction. In this context, this thesis aims to remedy these limitations by proposing a serious game design model that supports the design and development of serious games for an educational purpose. To this end, we have implemented a methodology based on the Design-based research approach to answer the following research question: how to design serious games that are pedagogically effective and intrinsically motivating? Therefore, our methodology consisted, following Reeves’ model (2006), of four phases: analysis of a practical problem, development of a solution informed by existing design principles and technological innovations, iterative cycles of testing and refinement of the solution, and reflection to produce new design principles generalizable to other contexts. Our goal was to develop a comprehensive, coherent, and integrated approach to serious game design. As a result, our research proposes a theoretical model describing an optimal learning experience through serious games, a set of five design principles that should guide the design process, and tools to support instructional designers during the design process. The implications of the proposed approach are multiple. It helps to fill knowledge gaps concerning the design of serious games. More specifically, it describes the expected learning experience through these games and determines the characteristics and conditions of emergence of this experience. It reduces the complexity inherent to the design process by proposing design principles, detailed methodology, and practical tools. It structures the design process based on principles from the instructional design and game design fields. Finally, the approach links theory to practice by providing a descriptive theoretical framework of the design process and clear practical implementation guidelines. Likewise, the accompanying tools can serve as educational support to initiate instructional designers into the design process and as a communication tool to support the relationship between different stakeholders during a participatory user-centred design process.

Vers l’âge de 7 ans, les patients atteints de fibrose kystique (FK) sont amenés à suivre une thérapie par pression expiratoire positive (PEP). Celle-ci consiste à réaliser une série d’exercices respiratoires répétitifs et méthodiques. Cependant, ces exercices peuvent être ennuyeux et démotivants pour des jeunes enfants et entrainent un taux d’adhésion quotidien de moins de 50%. Ce faible résultat affecte grandement la qualité et l’espérance de vie à long terme des patients, en plus d’avoir un impact social et familial considérable. Ces derniers utilisent les aspects ludiques et interactifs des jeux vidéo pour motiver et susciter l’engagement des sujets envers l’activité et son contenu. Ils ont déjà faits leurs preuves dans le domaine de la santé et de l’éducation en favorisant l’apprentissage ou la réhabilitation par exemple. Ce projet de recherche-création cherche à valider la possibilité d’utiliser des jeux spécialement conçus pour la thérapie PEP ainsi que l’intérêt des jeunes atteints de FK à les utiliser dans le cadre de leurs exercices thérapeutiques. L’objectif est de favoriser l’adhésion des jeunes envers cette thérapie et faciliter l’apprentissage et l’application des techniques associées. Cette approche ludique vise ultimement à améliorer la qualité de vie des jeunes atteints de FK dans la durée. Grâce à une collaboration entre des étudiants de l’Université de Montréal et des spécialistes en santé de la clinique de FK du CHU Ste-Justine, trois prototypes de jeux et un prototype d’interface électronique, utilisé pour contrôler les jeux et pour être compatibles avec l’appareil PEP le plus utilisé en Amérique du Nord (le PariPEP®), ont été conçus dans le cadre de ce projet. Les prototypes ont été testés sur place, à la clinique FK de l’hôpital pour enfants, dans le cadre d’une étude pilote effectuée auprès de 10 jeunes patients, toutes et tous âgés entre 8 et 10 ans., At around the age of 7 years old, younger patients diagnosed with cystic fibrosis (CF) are usually prescribed a new therapy using positive expiratory pressure (PEP). For PEP therapy, patients are required to perform a series of repetitive and methodical breathing exercises to improve lung capacity among other health benefits. However, these exercises can be boring and demotivating for young children. As a result, daily adherence rate to PEP therapy is less than 50%. In turn, this affects the quality of life and long-term health of patients as well as directly impacting their families. In the education and health sectors, serious games are already used with children to help them with learning, therapy and even physical rehabilitation. Serious games leverage the fun and interactive aspects of video games to motivate and improve the commitment of the player to learn the targeted material or adhere to a specific health behaviour. This research-creation project seeks to validate the efficacy of using games specially designed to help patients adhere to PEP therapy exercises more regularly. The objective is to encourage them to get involved in their daily exercises and to facilitate the learning and application of the breathing techniques. This playful approach ultimately aims to improve the quality of life of CF children over time. Leveraging a multi and interdisciplinary collaboration between students from University of Montreal and specialists from the CF clinic at CHU Ste-Justine, three games prototypes and an electronic device prototype, used to control the games, were developed for the most popular PEP device in North America (PariPEP®). The games and electronic device prototypes were tested at the CF clinic, within the hospital for children, as part of a pilot study with 10 young patients, aged from 8 to 10 years old., Mémoire en recherche-création. Master in research-creation

Un état cognitif peut se définir comme étant l’ensemble des processus cognitifs inférieurs (par exemple : perception et attention) et supérieurs (par exemple : prise de décision et raisonnement), nécessitant de la part de l’être humain toutes ses capacités mentales en vue d’utiliser des connaissances existantes pour résoudre un problème donné ou bien d’établir de nouvelles connaissances. Dans ce contexte, une attention particulière est portée par les environnements d’apprentissage informatisés sur le suivi et l’analyse des réactions émotionnelles de l’apprenant lors de l’activité d’apprentissage. En effet, les émotions conditionnent l’état mental de l’apprenant qui a un impact direct sur ses capacités cognitives tel que le raisonnement, la prise de décision, la mémorisation, etc. Dans ce contexte, l’objectif est d’améliorer les capacités cognitives de l’apprenant en identifiant et corrigeant les états mentaux défavorables à l’apprentissage en vue d’optimiser les performances des apprenants. Dans cette thèse, nous visons en particulier à examiner le raisonnement en tant que processus cognitif complexe de haut niveau. Notre objectif est double : en premier lieu, nous cherchons à évaluer le processus de raisonnement des étudiants novices en médecine à travers leur comportement visuel et en deuxième lieu, nous cherchons à analyser leur état mental quand ils raisonnent afin de détecter des indicateurs visuels et cérébraux permettant d’améliorer l’expérience d’apprentissage. Plus précisément, notre premier objectif a été d’utiliser les mouvements des yeux de l’apprenant pour évaluer son processus de raisonnement lors d’interactions avec des jeux sérieux éducatifs. Pour ce faire, nous avons analysé deux types de mesures oculaires à savoir : des mesures statiques et des mesures dynamiques. Dans un premier temps, nous avons étudié la possibilité d’identifier automatiquement deux classes d’apprenants à partir des différentes mesures statiques, à travers l’entrainement d’algorithmes d’apprentissage machine. Ensuite, en utilisant les mesures dynamiques avec un algorithme d’alignement de séquences issu de la bio-informatique, nous avons évalué la séquence logique visuelle suivie par l’apprenant en cours de raisonnement pour vérifier s’il est en train de suivre le bon processus de raisonnement ou non. Notre deuxième objectif a été de suivre l’évolution de l’état mental d’engagement d’un apprenant à partir de son activité cérébrale et aussi d’évaluer la relation entre l’engagement et les performances d’apprentissage. Pour cela, une étude a été réalisée où nous avons analysé la distribution de l’indice d’engagement de l’apprenant à travers tout d’abord les différentes phases de résolution du problème donné et deuxièmement, à travers les différentes régions qui composent l’interface de l’environnement. L’activité cérébrale de chaque participant a été mesurée tout au long de l’interaction avec l’environnement. Ensuite, à partir des signaux obtenus, un indice d’engagement a été calculé en se basant sur les trois bandes de fréquences α, β et θ. Enfin, notre troisième objectif a été de proposer une approche multimodale à base de deux senseurs physiologiques pour permettre une analyse conjointe du comportement visuel et cérébral de l’apprenant. Nous avons à cette fin enregistré les mouvements des yeux et l’activité cérébrale de l’apprenant afin d’évaluer son processus de raisonnement durant la résolution de différents exercices cognitifs. Plus précisément, nous visons à déterminer quels sont les indicateurs clés de performances à travers un raisonnement clinique en vue de les utiliser pour améliorer en particulier, les capacités cognitives des apprenants novices et en général, l’expérience d’apprentissage., A cognitive state can be defined as a set of inferior (e.g. perception and attention) and superior (e.g. perception and attention) cognitive processes, requiring the human being to have all of his mental abilities in an effort to use existing knowledge to solve a given problem or to establish new knowledge. In this context, a particular attention is paid by computer-based learning environments to monitor and assess learner’s emotional reactions during a learning activity. In fact, emotions govern the learner’s mental state that has in turn a direct impact on his cognitive abilities such as reasoning, decision-making, memory, etc. In this context, the objective is to improve the cognitive abilities of the learner by identifying and redressing the mental states that are unfavorable to learning in order to optimize the learners’ performances. In this thesis, we aim in particular to examine the reasoning as a high-level cognitive process. Our goal is two-fold: first, we seek to evaluate the reasoning process of novice medical students through their visual behavior and second, we seek to analyze learners’ mental states when reasoning to detect visual and cerebral indicators that can improve learning outcomes. More specifically, our first objective was to use the learner’s eye movements to assess his reasoning process while interacting with educational serious games. For this purpose, we have analyzed two types of ocular metrics namely, static metrics and dynamic metrics. First of all, we have studied the feasibility of using static metrics to automatically identify two groups of learners through the training of machine learning algorithms. Then, we have assessed the logical visual sequence followed by the learner when reasoning using dynamic metrics and a sequence alignment method from bio-informatics to see if he/she performed the correct reasoning process or not. Our second objective was to analyze the evolution of the learner’s engagement mental state from his brain activity and to assess the relationship between engagement and learning performance. An experimental study was conducted where we analyzed the distribution of the learner engagement index through first, the different phases of the problem-solving task and second, through the different regions of the environment interface. The cerebral activity of each participant was recorded during the whole game interaction. Then, from the obtained signals, an engagement index was computed based on the three frequency bands α, β et θ. Finally, our third objective was to propose a multimodal approach based on two physiological sensors to provide a joint analysis of the learner’s visual and cerebral behaviors. To this end, we recorded eye movements and brain activity of the learner to assess his reasoning process during the resolution of different cognitive tasks. More precisely, we aimed to identify key indicators of reasoning performance in order to use them to improve the cognitive abilities of novice learners in particular, and the learning experience in general.

Les transports publics soutiennent l’indépendance et encouragent l’inclusion sociale, scolaire et professionnelle. Ils sont des moyens sûrs pour avoir accès à la ville, aux services et aux activités. Toutefois, l’usage des transports publics en service régulier nécessite des connaissances et un savoir-faire que tous les voyageurs, tels que les personnes ayant des incapacités intellectuelles, ne maîtrisent pas. En effet, pour la plupart des individus, l’apprentissage de l’utilisation des transports publics se fait par l’expérience personnelle; néanmoins, pour les personnes qui ont des incapacités intellectuelles, il est nécessaire d’avoir recours à une formation pour acquérir des expériences de déplacement. La formation aux déplacements comme approche inclusive permet aux personnes qui ont des incapacités intellectuelles à apprendre l’utilisation des transports publics en service régulier, ce qui peut les aider à être plus autonomes et également à acquérir des compétences de déplacement. Cependant, la recherche a identifié des contraintes liées à la formation aux déplacements telles que les coûts temporels, les coûts par stagiaire, la peur liée à la sécurité ou à la compréhension des concepts complexes, etc. Ce travail vise à concevoir un cahier des charges fonctionnel pour le développement d’un jeu sérieux visant l’initiation aux transports publics en service régulier pour des personnes qui ont des incapacités intellectuelles et leurs formateurs/agents aidant. L’objectif étant de répondre aux besoins d’apprentissage et d’enseignement et à surmonter certains des obstacles identifiés., Public Transport supports independence and encourages social, educational and vocational inclusion. It is a sure means to gain access to the city, services and activities. However, using fixed-route requires knowledge and know-how that all travelers, such as people with intellectual disabilities, do not master. While for most of us learning to travel is done through personal experience, for people with intellectual disabilities there is a need for travel training in order to build up travel experience and confidence. Travel training as an inclusive approach allows people with intellectual disabilities to learn the fixed-route, which may help them to be more autonomous and also gain self-determination skills. Research has identified, however, some constraints related to travel training such as: time cost, cost per trainee, fear related to safety or the understanding of complex concepts, etc. Our project aims to design the functional specifications document for the design of a serious game for people with intellectual disabilities and their caregiver/trainers in order to support learning and teaching needs of how to use the fixed-route and overcome some of the identified constraints.

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.