la collaboration en ligne

  INTRODUCTION

L’émergence des moyens technologiques d’interconnexion des réseaux informatiques favorise le développement et l’exploitation de laboratoires en ligne. Ce dossier présente le concept de laboratoires en ligne et tente, à l’aide d’exemples concrets, de donner un aperçu des formes que peuvent prendre ces systèmes distribués et répartis qui favorisent le partage des ressources humaines et matérielles ainsi que l’interactivité, la coopération et la collaboration entre des acteurs mis en situation de téléapprentissage. Les usagers sont invités à expérimenter les exemples proposés afin de mieux comprendre les propos tenus dans le dossier.

Définition

Les laboratoires en ligne sont des environnements informatiques distribués et flexibles qui permettent à un apprenant d’effectuer, par les réseaux, des expériences seul ou en collaboration avec d’autres participants dans un contexte d’apprentissage à distance. Les participants sont des acteurs qui jouent chacun des rôles pendant une séance interactive en mode synchrone. Les laboratoires en ligne permettent le partage de ressources matérielles et d’expertises. Ils combinent les avantages des différents types de laboratoires ci-après.

 Laboratoire local : endroit physique qui accueille les utilisateurs tout en leur permettant de réaliser leurs tâches en se servant ou non d’équipements. Le lieu désigné peut être une salle ou un environnement naturel.

 Simulation interactive distribuée : elle exploite des grappes d’ordinateurs en réseau pour offrir aux usagers un environnement d’apprentissage autrement irréalisable dans un contexte d’autoformation à l’aide d’un seul ordinateur. Ici, la simulation permet de représenter des systèmes afin de prédire leurs comportements dans des contextes d’utilisation divers. En général, les simulations interactives, la conception, l’analyse et la visualisation assistées par ordinateurs vont de pair.

 Laboratoire virtuel : caractérisé par des simulations de scénarios expérimentaux modulaires conçus pour être mis en œuvre à partir d’un ou plusieurs ordinateurs. Les modèles mathématiques sont mis à contribution pour s’approcher le plus près de la crédibilité des simulations représentant des concepts théoriques ou des dispositifs réels. Dans certains cas de figure, il n’est pas possible de simuler des scénarios expérimentaux ou le comportement de dispositifs réels. C’est le cas où les modèles mathématiques sont trop complexes, par manque de disponibilité de puissance de calcul ou quand les délais des traitements informatiques sont longs. On a alors recours aux télé-laboratoires.

 Télé-laboratoire : permettent de réaliser, par les réseaux informatiques et en collaboration, des expérimentations en interagissant avec de vrais dispositifs qui sont soit des instruments et/ou des mécanismes réels distants.

Dans ce dossier, nous traitons des laboratoires en ligne basés sur les simulations distribuées, des laboratoires virtuels ainsi que des télé-laboratoires. Nous avons hébergé les différents exemples de laboratoires dans un environnement appelé Environnement de cours et de Laboratoires Assistés par les Technologies de l’Enseignement (ECLATE), dont on pourra voir quelques exemples dans la section réservée à cette fin.

Forme

On peut voir comment, à travers une plateforme de télécommunications appropriée, dotée d’un système de gestion dédié et d’un certain nombre d’interfaces de logiciels et de matériels, il est possible à des utilisateurs géographiquement dispersés d’accéder à des ressources disponibles dans plusieurs sites distants. Il est ainsi possible de miser sur l’accessibilité des ressources matérielles et humaines distribuées pour réaliser des expérimentations non possibles dans un contexte local. Le schéma de la Figure 1 permet d’illustrer les diverses formes que peut prendre un laboratoire en ligne. Par exemple, un usager au site A peut manipuler le bras robot articulé du site B. Étant donné que le bras robotisé articulé est composé de dispositifs motorisés et qu’ils sont commandés à distance à partir du poste A1 de télécommande, nous dirons qu’il s’agit là d’un contexte de télé-laboratoire. Également, à partir du poste de visioconférence (B) et de télémesure, il est possible d’effectuer des travaux pratiques à distance en mettant en jeux les équipements réels distants tels que l’analyseur de spectre et l’oscilloscope branché à un montage électronique, tous au site A.

Les autres acteurs d’un scénario pédagogique donné, avec les privilèges d’accès appropriés, pourraient intervenir parce qu’ils auraient, pendant la séance de travail pratique, les outils de collaboration en réseau adéquats pour agir ou observer les activités d’apprentissage à distance. La configuration permet également d’effectuer des séances de travaux pratiques basés uniquement sur des simulations distribuées ou sur la visualisation d’animation ou de produits multimédias diffusés par les réseaux informatiques.

Figure 1 : Laboratoire en ligne

Exemples

1. Le projet LVEST (Laboratoires virtuels pour l’éducation en science et technologie). Dans le cadre de ce projet, nous avons expérimenté la diffusion en temps réel de séquences vidéo filmées ou simulées, la simulation interactive d’expériences, la télémanipulation et la télémesure. De plus, le projet offrait des outils d’acquisition et d’analyse de données ainsi que des outils de communication entre apprenants et avec le formateur, ce qui permet l’échange de données expérimentales et la communication synchrone en modes texte, audio et vidéo. Lien :

Il existe dans le même projet LVEST plusieurs laboratoires en ligne, à savoir :

 Le laboratoire virtuel de génie électrique est un environnement de simulation tenant compte des technologies novatrices émergentes relatives au développement des produits commerciaux en instrumentation et mesures, telles que LabVIEW, un langage de programmation graphique de National Instruments, Intouch de la compagnie Wonderware et HP VEE de Hewlett Packard, pour ne citer que ceux-ci. L’intégration de ces produits dans un contexte de formation à distance posait des défis technologiques de taille, dont le choix du langage décrivant des dispositifs interconnectés, leurs adresses et leurs fonctions.

 Le laboratoire de Génie Informatique est un environnement de simulation visant l’apprentissage de la démarche expérimentale et des concepts scientifiques à l’œuvre dans les expériences. Le laboratoire de réseautique comprend des expériences de divers types réalisables individuellement ou en équipe et une interface de navigation entre les domaines, groupes d’expériences, expériences et espaces de ceux-ci, offrant de plus un accès vers les outils d’analyse des données et les services de communication éventuellement offerts par la plateforme.

 Le laboratoire virtuel en mécanique (VPLAB) (Figure 2) du projet LVEST est un environnement de simulation visant l’apprentissage à la fois de la démarche expérimentale et des concepts scientifiques à l’œuvre dans les expériences simulées. Lien :

2. Le projet VITELS (laboratoire virtuel de télécommunications pour la Suisse) fait partie du projet Campus Virtuel Suisse (CVS). Le but du projet VITELS est de développer un cours modulaire accompagné d’un ensemble de travaux pratiques effectués sans contrainte de présence physique dans les laboratoires. Les étudiants n’ont besoin que d’une connexion Internet. Au total, sept modules et une infrastructure d’authentification et d’autorisation sont développés et maintenus par les différents instituts et universités suisses impliqués dans ce projet. Le cours de base réalisé par VITELS comprend les sept modules suivants : Simulation de configuration d’un réseau IP ; Évaluation de performances d’un réseau réel IP ; Gestion et configuration d’un réseau IP virtuel ; Gestion d’un pare-feu ; Analyse de protocole ; Installation et configuration d’un système d’exploitation Linux ; Programmation client/serveur.

Par exemple, le Télé-laboratoire Linux est une expérience pratique en ligne du projet VITELS permettant d’installer et de configurer Linux « Mandrake » sur une machine réelle et à distance. Cette distribution de Linux propose un logiciel graphique (DrakX) (Figure 3) pour l’installation de Linux. L’interface graphique de DrakX est facile d’installation. Il est possible, pendant l’activité, de retourner à tout moment à une étape précédente. Le type d’installation peut être prédéfini selon le niveau de connaissance de GNU/Linux de l’utilisateur du disque dur. À gauche, les différentes phases d’installation sont identifiées et indiquent l’étape à laquelle se trouve l’utilisateur pendant la procédure. Les étapes accessibles et celles non accessibles par l’utilisateur sont également présentées sur l’interface.

Le Télé-laboratoire Linux permet deux types d’installations. Le premier est une installation réelle faite à distance sur une machine réelle et vierge et le deuxième type est une installation virtuelle. Ce dernier permet à un apprenant de simuler une installation, au cas où toutes les machines du laboratoire distant seraient occupées. D’autres fonctionnalités permettent de répliquer par la suite l’installation virtuelle sur une machine réelle.

Potentiel pédagogique

Avantages

 Flexibilité : Le concept d’expérimentation à distance repose sur une architecture permettant aux étudiants (apprenants) d’exploiter des ressources d’un laboratoire réel distant de manière flexible, sans se rendre physiquement au laboratoire. L’accès peut se faire à partir d’une salle d’ordinateurs d’un campus ou à partir de son domicile.
 Mode autoformation et commodité : Le fait de pouvoir confronter ses idées avec une expérience de laboratoire durant une phase d’apprentissage, sans attendre une séance formelle de travaux pratiques ou sans se déplacer au laboratoire local, constitue un avantage pédagogique et logistique important.
 Encadrement à distance : D’un point de vue pédagogique, cette solution permet un suivi à distance des étudiants par des formateurs avec des moyens de communication synchrones ou asynchrones. Ces moyens de communication (courriel, forum et chat) qui sont actuellement largement utilisés, constituent des outils incontournables pour la mise en place de plate-forme de téléapprentissage et particulièrement pour les laboratoires en ligne.
 Gestion : D’un point de vue logistique, une telle possibilité de réaliser des expériences de laboratoire sans égards au lieu et au moment où le participant accède à l’environnement permet aux établissements d’enseignement de répartir la charge d’exploitation, et donc de conserver une infrastructure gérable indépendamment de l’augmentation du nombre des étudiants. Cette solution permet également d’éviter le déplacement de matériel lourd ou encombrant dans une salle de cours pour réaliser des démonstrations. Elle permet aussi de partager des manipulations entre plusieurs institutions académiques à l’échelle mondiale et de faire profiter les pays émergents de ressources coûteuses auxquelles ils n’auraient autrement pas accès.
 Disponibilité et accessibilité : Finalement, dans le contexte d’un enseignement complètement suivi à distance, il est possible grâce aux laboratoires en ligne d’accéder à une formation pratique en laboratoire.

Inconvénients

 Normalisation : Certains laboratoires en ligne permettent des expériences pratiques à distance avec des simulations sans une nécessité d’installation d’applications dans le poste de l’apprenant. Par contre, il existe un nombre important de laboratoires en ligne qui nécessitent l’installation de l’application cliente sur la machine de l’apprenant. Cette contrainte pose des problèmes de compatibilité et d’interopérabilité dus à une diversité des applications, des types d’équipements informatiques et des systèmes d’exploitation utilisés pour la mise en œuvre de ces laboratoires. Certains laboratoires proposent pour chaque système d’exploitation une version adaptée pour accéder au laboratoire en ligne. La tendance est la mise en œuvre de laboratoires en ligne pour l’enseignement basé sur les services Web et des services de grilles de calcul avec des interfaces distribuées répondant à normes reconnues, telles que les métadonnées d’objets d’apprentissage LOM/IEEE et IMS-LD.

 Bande passante, fluidité et interactivité : Un problème récurrent est la limitation de la bande passante des réseaux qui se saturent rapidement si le nombre d’apprenants augmente de manière significative. Ce problème peut entraîner le découragement ou la démotivation des utilisateurs d’un tel système. Une collaboration inter-laboratoires distants, le recours à des réseaux à hauts débits ou le partage des ressources par l’utilisation d’une architecture multi-niveaux (plusieurs serveurs) pour centraliser les informations pourraient résoudre ce problème.

 Lacunes pédagogiques : Le problème le plus récurrent demeure dans le sujet du concept pédagogique, l’interaction formateurs-apprenants et le support pédagogique. Le plus souvent, les groupes de recherche ne sont formés que d’informaticiens qui ignorent parfois les concepts d’apprentissage (la pédagogie). Ils peuvent se limiter à leur propre solution alors qu’il existe des environnements pédagogiques très performants faits par des informaticiens en collaboration avec des spécialistes de l’enseignement à distance. Ce sont des groupes de recherches ou des sociétés composées d’experts dans le domaine des sciences de l’éducation et des informaticiens.

Démarche de production

Pour monter un laboratoire en ligne, il faut tenir compte des considérations suivantes :

  Architecture des laboratoires en ligne : Un modèle mixte est un choix à privilégier. Il comprend une fédération d’architectures réparties client/serveur, sans serveur et orientées services. Ces services pourraient être des services Web et des services de grilles de calcul. Étant donné que dans le cas des télé-laboratoires il y a toujours des dispositifs physiques associés à un serveur à relier à une infrastructure quelconque, il n’est donc pas possible, pour le moment, de se départir des fonctionnalités que nous procure la notion de serveurs bien que la tendance soit aux services Web et aux services de grilles de calcul. La flexibilité, l’autonomie et l’interopérabilité sont des caractéristiques désirables qui permettent à tout laboratoire de participer, par les réseaux informatiques, à divers systèmes de courtage de laboratoires en ligne. Pour une meilleure exploitation des laboratoires reposant sur des services Web et de grilles de calcul, il faudrait associer les informations publiées dans le UDDI (Universal Discovery and Description Integration) aux métadonnées décrivant ces laboratoires ainsi qu’aux objets qui les composent selon les normes telles que LOM/IEEE ou IMS-LD (Information Management System - Learning Design).

  Gestion de laboratoires en ligne : Qu’il s’agisse du cas d’un laboratoire à distance basé sur des simulations distribuées ou d’un télé-laboratoire permettant l’accès à des équipements distants, il n’est pas toujours facile de les séparer de l’environnement informatique de diffusion sur lesquels ils reposent. La gestion des ressources humaines et matérielles pour réussir des séances d’activités en laboratoire à distance est un défi à surmonter. Dans ce cas, il faudrait essayer de gérer les tâches, les rôles ainsi que les privilèges des acteurs et y associer les ressources appropriées permettant à ces derniers de réaliser en collaboration ou en mode auto-formation les activités proposées dans des scénarios pédagogiques.

  Interfaces logicielles distribuées : Elles sont mises en œuvre à l’aide de divers langages de développement de logiciels tels que le C/C++/C#, .NET, Visual Basic, Java et Java-RT. Le choix du langage doit reposer sur la possibilité de déployer ces interfaces tout en favorisant la réutilisabilité et l’interopérabilité. Afin de profiter de nombreuses fonctions et fonctionnalités déjà implémentées dans des logiciels et progiciels libres ou propriétaires existants, ces interfaces devraient le plus possible se servir de ces derniers comme moteurs de tâches de fond. C’est ce que nous avons fait dans les références.

  Le matériel : Le respect des normes et des standards doit guider la mise en place de dispositifs permettant les usages des laboratoires en ligne. Dans le cas des télé-laboratoires, nous proposons d’utiliser du point de vue logiciel la normalisation IVI (Interchangeable Virtual Instrument) pour raccorder, par les ports RS232, GPIB, USB, etc., les équipements physiques comprenant des dispositifs motorisés ou des instruments de mesures. D’autres exemples précis présentés dans la section Modèles, canevas et outils permettraient de compléter nos propos.

  Les réseaux informatiques : Il faudrait qualifier le réseau (local, dédié, Internet, filaire ou sans fil) en fonction de plusieurs facteurs. On peut dire très brièvement, sans entrer dans les détails, qu’un réseau dédié est plutôt au service d’une communauté ciblée et comporte plusieurs restrictions tandis que le réseau Internet est sujet à des phénomènes aléatoires tels que la congestion. Les aspects de la sécurité, du rayon d’action et du débit peuvent limiter le choix d’un réseau sans fil. Le choix d’un type de réseau ou d’un autre peut être favorable ou défavorable selon les critères de disponibilité, des types d’applications (temps réel), la fiabilité et la qualité de service, du débit, de la bande passante, de la sécurité. Plusieurs protocoles de communication peuvent être associés à ces choix technologiques.

OUTILS

Dans la majorité des cas, une application de laboratoires en ligne implique l’existence de certains composants tels qu’un navigateur, un serveur Web, un serveur d’applications et un serveur de base de données. La plupart des laboratoires en ligne sont conçus sur la base d’une architecture client-serveur.

1. Le navigateur client

On peut actuellement distinguer plusieurs navigateurs clients :

  Le client Web léger et universel : Seul le langage HTML est utilisé côté client, ce qui maximise l’accessibilité au site (tous les navigateurs Web sont adaptés). Ce type de client implique une forte interaction entre le navigateur et le serveur Web correspondant.

  Le client Web léger : Ce type de client supporte le langage JavaScript. L’utilisation de ce langage améliore l’interactivité, des tests peuvent être faits avant l’envoi des données vers le serveur Web qui se charge de mettre à jour la base de données. L’utilisation de langage JavaScript entraîne des risques supérieurs à celui du client Web léger universel..

  Le client Web alourdi : Les pages Web comportent des composants ActiveX, des applets Java, des plug-ins... Une partie importante des tâches est exécutée sur le client ce qui entraîne une évolution de l’interface graphique (graphique dynamique, rafraîchissement automatique

  Le client lourd : c’est une application client qui s’exécute presque entièrement sur la machine du client. Ce type de client correspond aux applications Intranet pour lesquelles on maîtrise la configuration du client. L’inconvénient de ce type de client est la nécessité d’installer l’application client sur le poste de chaque apprenant sont utilisés, ils s’exécutent sur le serveur d’applications. Avec cette approche, il n’est pas nécessaire de contrôler la configuration des postes clients des apprenants, et on maîtrise parfaitement les applications du côté des serveurs.

2. Les composants et infrastructures d’un laboratoire en ligne

Pour un fonctionnement performant et opérationnel des laboratoires en ligne, un modèle de cinq couches peut être mis en place (Diop 2004). Chacun des composants des couches joue un rôle de communicateur ou de traitement dans le processus d’établissement de connexions et d’interactions entre le poste de l’apprenant et les équipements cibles du laboratoire réel.

3. Solutions techniques utilisées

Pour la réalisation concrète, il existe un choix entre différentes technologies conçues pour développer des applications Web ; les plus connus sont : (i) les CGI (Common Gateway Interface), qui ont permis de développer les premiers sites Web dynamiques ; (ii) ASP de Microsoft ; (iii) JSP, les Servlets Java de Sun, Perl, ISAPI de Microsoft, NSAPI de Netscape, Perl de Apache, et PHP. Le plus souvent, des langages comme C++ ou JAVA sont utilisés pour programmer des applications clients/serveurs sur les différentes couches intermédiaires du modèle.

4. La solution Macro média Flash

Il s’agit de l’outil standard de création et de publication de contenus et d’applications dynamiques destinés aux ordinateurs de bureau comme aux périphériques mobiles. Macro média Flash permet l’intégration des données et un support vidéo de qualité pour développer des applications ou des contenus interactifs pointus.

Macro media Flash permet de créer des applications liées à des bases de données grâce à un environnement de développement basé sur des formulaires et des fonctions de liaison aux bases de données. Ils facilitent la création d’applications dynamiques et de simulations pour les laboratoires en ligne. Le logiciel commercial Toolbook développé par Asymétrie possède, en plus de son environnement de développement graphique, un langage de programmation objet appelé OpenSript qui le rend, lui aussi, flexible pour les programmeurs.