Laboratoire Interaction Collaborative Téléformation Téléactivités (ICTT) INSA de Lyon -...

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I – Introduction

Problématique

Objectifs

II - État de l’art

III - Proposition d’un modèle générique de téléTP

IV - Mise en œuvre : ICTT@Lab

V - Expérimentation et résultats

VI - Conclusion & perspectives

Plan

I - Introduction






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Problématique

Problématique – Objectifs

I - Introduction

Intégration des STIC dans les environnements d’apprentissage : téléCours, téléTD, télé-projets, téléTP

Besoins Nécessité d’activités pratiques à distance au sein des campus numériques

Partage d’équipements lourds et coûteux

Impossibilité de déplacer ou dupliquer les dispositifs lourds Non pertinence de remplacer un dispositif par un simulateur

Accès aux équipements n’importe quand et de n’importe où Contraintes

Commande non directe (clavier, souris, joystick, ...)

Observation non directe (reconstitution virtuelle, webcam, …)

Sécurité (acteurs humains, dispositif technologique, système informatique)

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Problématique

La conception des téléTP et l’interdisciplinarité (Informatique, didactique de la physique, robotique)


Absence de solutions globales offrant une véritable plate-forme d'accueil de scénarios / dispositifs

Constats initiaux Systèmes de téléTP isolés (absence de liens avec les environnements

d’apprentissage ) Dédiés à des dispositifs spécifiques Focalisation sur la commande à distance Absence de séparation contenu/contenant

I - Introduction

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Objectifs


Objectifs de la recherche Proposition d’un modèle générique et réutilisable de téléTP en sciences de

l’ingénierie

I - Introduction

Contraintes Élaboration dans un souci de généricité et de réutilisabilité des ressources liées

à tout téléTP

Cette plate-forme devra être réutilisable quelle que soit la discipline Adaptable (objectifs recherchés, des contraintes liées au dispositif) S’intègre de manière homogène dans un environnement pédagogique général

Proposition d’une plate-forme d’accueil Dispositifs technologiques quelconques Intégration des outils auteurs de scénarisation Déroulement des scénarios pédagogiques

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I – Introduction

II - État de l’art Les EIAH

Les téléTP: bilan sur la situation actuelle

III - Les téléTP: bilan sur la situation actuelle

IV - Proposition d’un modèle générique de téléTP

V - Mise en œuvre : ICTT@Lab

VI - Expérimentation et résultats

VII- Conclusion & perspectives

Plan

I – Introduction






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Les EIAH

1960 EAO (Enseignement Assisté par Ordinateur)

II – État de l’art

Les EIAH – Les téléTP

1970 EIAO1 (Enseignement Intelligemment Assisté par Ordinateur)

1985 Tuteurs intelligents (ITS - Intelligent Tutoring Systems)

2000 EIAH (Environnement Informatique pour l’Apprentissage Humain)

1990 EIAO2 (Enseignement Interactif Assisté par Ordinateur)

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FOAD

Formation Ouverte et A Distance

FAD

Formation A Distance

Quelques modes de formation


Positionnement des téléTP au sein des différents modes de formations

e-formation

Formation par la voie électronique

téléformation

Formation à distance par la voie électronique

téléTP

Travaux pratiques à distance

e-TP


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Dispositifs & OutilsLes EIAH – Les téléTP

ApprentissageTutorat

Apprenants

À l'exécution

Auteur

Temporalité

À la préparation

Scénario pédagogique

ÉcritureOutil auteur

Écriture des

ressources pédagogiques

Copie

Stockage

Tuteur

LMS

Learning Management System : Système de gestion de sessions

de formation


DistributionLCMS

Ré-écriture

Learning Content Management System : système de conception et de gestion des contenu

pédagogiques.

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OWASIS

Moodle

Plates-formes



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Normalisation

Objectifs (Simard, 2002) Accessibilité : faciliter la recherche, identification, accès Interopérabilité : portabilité technique des objets pédagogiques Ré-utilisabilité : ré-utilisation des contenus pédagogiques Durabilité : pérennité des contenus pédagogiques Adaptabilité : adaptation des contenus pédagogiques

Principaux standards SCORM AICC IMS-LD



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Genèse de notre travail Cadre de travail : les Travaux Pratiques à distance (téléTP)

Groupe de 8 élèves (quatrième année) – département GI Six mois (3000 heures – homme par projet)

Les projets collectifs

Pieuvre Soutenu par INCA - Région Rhône Alpes 2000/2001 Objectif : la mise en place d’une méthodologie réutilisable de mise à distance d’un

dispositif d’automatique en utilisant les technologies du virtuel.

Tipy 2001/2002 Objectif : la finalisation de la conception et la réalisation d’un prototype

d’environnement générique de téléTP



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Systèmes

physiques

Typologie des systèmes de TP

réelthéorique

Systèmes réels

Systèmes virtuels

Systèmes hybrides

Concept ou outil informatique

Java, C, UML

Système en vraie grandeur et contexte

Machine outil

Maquette pédagogique

Un modèle réduit d’un magasin vertical

industriel

Système à caractère pédagogique

La ligne de transfert -

AIP

Données expérimentales

Données océanographiques

Simulateur pédagogique

Simulateur d’un pendule

Dispositif technique

Oscilloscope,

PH-Mètre

Exe

mp

les



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Les formes de téléTP

Rée

l

distancielprésentiel

théo

riq

ue

Accès à des données

Télémesure

Manipulation partielle

Manipulation totale

téléTP

Laboratoires distants

Laboratoires hybrides

Laboratoires virtuels

TP présentiels

Systèmes physiques

Systèmes hybrides

Systèmes virtuels



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Laboratoires virtuels

Les oscillations du pendule



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Régulation de niveau

Instrument de mesure

IHM à distance du régulateur

IHM à distance de l’instrument

Les laboratoires distants



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Quelques projets de téléTP INSA de Lyon AIP-RAO ISTASE à Saint-Étienne

Au niveau de la région Rhône-Alpes

Au niveau national Évariste TPLine RoboTeach

Au niveau européen Retwine

Au niveau international TéléRobot australien LVEST



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TéléTP et recherche scientifique

Analyse d’articles scientifiques

Conclusions tirées

Plates-formes dédiées [Berntzen et al., 2001] Forte orientation téléopération [Chen et al., 1999] Indépendance par rapport aux outils existants Fusion contenant/contenu [Azorin et al., 2004] Absence d’une prise en charge des standards de la e-formation Manque d’homogénéité entre les solutions développées



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téléTP : greffe ou développement spécifique ?

Greffe+ Réutilisation des acquis en EIAH (outils existants)

+ Intégration des standards

- Dépendance des standards

Développement spécifique- Réingénierie d’outils existants (gestion des scénarios, communication, …)

- Travail conséquent (temps, ressources, …)

+ meilleure maîtrise des produits développés



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Plan

I – Introduction


III - Proposition d’un modèle générique de téléTP Approche méthodologique

Modèle de TP

Modèle de téléTP

Synthèse



VI- Conclusion & perspectives

I – Introduction






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Modèle par discipline


Approche méthodologique – Modèle de TP – Modèle de téléTP – Synthèse

Conception incrémentale avec retours d’usage

réel

présentiel

théo

riq

ue

1. Observation

2. Identification d’invariants d’un TP à l’autre (dès le 2ème passage)

3. Conceptualisation

4. Vérification et validation par un autre TP

5. Identification d’invariants entre présentiel et à distance

7. Extension / Ablation

6. Prise en compte des contraintes

2

Modèle de téléTP

à distance

8. Instanciation

9. Observation

10. Retour d’usage

11. Correction

Modèle de TP

1

Un TP particulier

3

Un téléTP particulier

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Modèle interdisciplinaire


TP particuliers

Inst

ance

s

téléTP particuliers

Modèl

es p

ar d

isci

pline

Haut niveau (théorique)

Bas niveau (réel)

Présentiel Distanciel

Modèle de TP de chimie

Modèle de TP de physique

Modèle de téléTP de physiqueModèle de

téléTP de chimie


1

auto auto

auto

auto

Modèle de TP d’automatique

Modèle de téléTP

d’automatique2

Modèle de TP

Modèle de téléTP

45

Modèl

es

inte

rdis

ciplin

aire

s

auto

autoauto

3

6

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Modèle par discipline : cas de l’automatique



présentiel

1. Observation

2. Indentification d’invariants d’un TP à l’autre (dès le 2ème passage)



Modèle de TP

1 2

Modèle de téléTP

à distance

3

Un TP particulier


réel

théo

riq

ue

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TP d’automatique au département GIApproche méthodologique – Modèle de TP – Modèle de téléTP – Synthèse

Magasin vertical Régulateur de niveau d’un liquide

Four industrielAsservissement de position


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Identification d’un modèle de TP

Le modèle de TP proposé

0..*

TP

Objectif pédagogique

Dispositif technologique

Prérequis

0..*

0..*

1..*

1..*

0..*

Organisation pédagogique

1..1

1..1

Activités pédagogiques

Durée

Support pédagogique

Travail en groupe

Acteur humain

Manipulation

Observation

Activité expérimentale

Communication

Réflexion et production

imp

liqu

e >

< implique

réalise >



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Construction d’un modèle de téléTPApproche méthodologique – Modèle de TP – Modèle de téléTP – Synthèse

téléopérationtéléopération

Dispositifs technologiquesDispositifs technologiques


téléformationtéléformation

TuteurTuteurGroupe Groupe

d’apprenantsd’apprenantsGroupe Groupe

d’apprenantsd’apprenants

Interface

Modèle de TP

1présentiel




2

Modèle de téléTP

à distance

3


Un TP particulier

réel

théo

riq

ue

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Cycle de vie : téléCours et standardisationApproche méthodologique – Modèle de TP – Modèle de téléTP – Synthèse



Apprenants

À l'exécution

DistributionLCMS Y

Ré-écritureAuteur

Temporalité

À la préparation


ÉcritureOutil auteur X

Copie

Stockage

Tuteur

LMS Z

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Cycle de vie : téléTP et standardisationApproche méthodologique – Modèle de TP – Modèle de téléTP – Synthèse

Choix d’IMS-LD



Apprenants

À l'exécution

DistributionLCMS X

Ré-écritureAuteur

Temporalité

À la préparation



Copie

Stockage

Tuteur

LMS XDD11


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Cycle de vie : téléTP et réutilisabilitéApproche méthodologique – Modèle de TP – Modèle de téléTP – Synthèse

XDD22


identique

DD33


identique

X

Scénario spécifique


Apprenants

À l'exécution

DistributionLCMS X

Ré-écritureAuteur

Temporalité

À la préparation



Copie

Stockage

Tuteur

LMS XDD11




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Cycle de vie : téléTP et réutilisabilité



Apprenants

À l'exécution

DistributionLCMS X

Ré-écriture

Temporalité

À la préparation

Écriture

Copie

Stockage

Tuteur

LMS X


Apprenants

À l'exécution

DistributionLCMS X

Ré-écritureAuteur

Temporalité

À la préparation



Copie

Stockage

Tuteur

DD22


identique

DD33


identique


DD11


Scénario générique

Description formelle d’une

classe de dispositifs

X

X

Adaptation

automatique


31/57

Extrait de la description : quelconque

Dispositif

Composant Fonctionnalité

Exécuter

Run/Stop

R.A.Z.

Pas à Pas

Paramétrer

Actionner

Composant de Partie Opérative

Actionneur

Contrôleur

Moteur

Vérin

Automate

PID Universel

Composant de Partie Contrôle

IHM



Choix du formalisme : ontologies (OWL)

Héritage

Association

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Extrait de la description : fours industriels

Choix des termes : patron ou classe de dispositifs



Four industriel

Actionneur

Gradateur

Vérin de porte

Capteur

État porte : ouverte/fermée

Température four

Contrôleur

PID universel

IHM

Pupitre

Webcam

% puissance

ouvrir / fermer

porte

Manuel / Auto

T°four(t)

Erreur(t)

P, I, D

T° désirée (auto)

Actionner

Exécuter

Visionner

Paramétrer

Composants Fonctionnalités

Modifier

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Description formelle : généralisation

Base de connaissances de description des dispositifs

Outil d’exploitation (gestion, interrogation) Liste des patrons disponibles ? Quel sont les fonctionnalités de base d’un four industriel ?



Ontologie Ontologie mèremère

Niveau générique

Patron fours Patron fours industrielsindustriels

Niveau semi-génériquePatron Patron

magasins magasins verticauxverticaux

Niveau instancesfour industriel four industriel

11

four industriel four industriel 33

four industriel four industriel 22

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Outils proposés

Un middleware, ELaMS (Electronic Laboratory Management System)


Fonctionnalités Installer et référencer de nouveaux dispositifs Gérer l’utilisation des dispositifs technologiques Adapter un scénario générique à un dispositif installé Servir d’intermédiaire entre le LMS et les dispositifs

Outil spécifique

Un serveur d’ontologies (OntoServ)

Avoir un mécanisme de description de classes de dispositifs technologiques pour l’écriture de scénarios pédagogiques génériques

Outil unique


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Chaîne d’édition : cycle de vie typeApproche méthodologique – Modèle de TP – Modèle de téléTP – Synthèse

Dispositif technologique 1


DD11

DD22

ELaMS

Temporalité

À la préparation

Scénariogénérique

Écriture Distribution

Auteur

Outil auteur

LCMS

Tutorat

Apprentissage

À l'exécution

ApprenantsTélémanipulation

LMS

Copie

Stockage

TuteurScénariospécifique

Adaptation automatique


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Architecture du framework

InterfaceInterface

AspectsAspects téléopérationtéléopération

Aspects Aspects téléformationtéléformation



DD11 DD22 DD33



LCMS

LMSLMS11LMSLMS33

LMSLMS22

IHMIHM

Groupe Groupe d’apprenantsd’apprenants

IHMIHM IHMIHM

TuteurTuteurGroupe Groupe

d’apprenantsd’apprenants AuteurAuteurOutil

auteur

Scénario générique


ELaMS1

requêtes HTTP

requêtes HTTP

XML-RPCXML-RPCIHMIHM

AdministrateurAdministrateurOntoServ ELaMS2

XML-RPCXML-RPC

requêtes HTTP

requêtes HTTP

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Synthèse


Modèle de téléTP Niveau téléformation Niveau interface Niveau téléopération

Réutilisabilité de scénarios (téléTP) Plates-formes : standardisation des scénarios pédagogiques Dispositifs technologiques : descriptions formelles

Architecture associée au modèle à mettre en place

Moyens et solutions Plates-formes : séparation contenant / contenu Outils spécifiques aux téléTP (le serveur d’ontologies, le système de

gestion des dispositifs)


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Plan

I – Introduction



IV - Mise en œuvre : ICTT@Lab Scénario d’usage

Analyse AMDEC



I – Introduction






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Scénario d’usageScénario d’usage – AMDEC


Ajouter un nouveau patron au serveur

d’ontologies

Ajouter un nouveau dispositif au sein

d’ELaMS

Éditer un nouveau scénario

Adapter ce scénario à un

dispositif

Publier le scénario sur le LMS

Réserver une session de téléTP

sur ELaMS

Suivre la session selon le scénario

proposé

Tuteur/apprenants

Responsable

Administrateur

Auteur

Tuteur

TuteurTuteur

Mettre à distance un dispositif

Administrateur

Temps

40/57

Mettre à distance un dispositifScénario d’usage – AMDEC

Webcam


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Reload

Éditer un scénario pédagogiqueScénario d’usage – AMDEC

http://www.ictt.insa-lyon.fr/Generic/Template/oven.owl

Pupitre.afficher()


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Ajouter un nouveau patronScénario d’usage – AMDEC


Magasin vertical

Un extrait d’un patron pour un magasin vertical

Composant de Partie Opérative

Actionneur

Contrôleur

Automate

Composant de Partie Contrôle

IHM Logiciel

Commande Retour

BoutonClavier

Ok Plus Moins

Star_stop

Composant

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Mon magasin

Département GI

Ajouter un nouveau dispositif

Scénario d’usage – AMDEC

Le middleware ELaMS

http://134.214.46.146

http://www.ictt.insa-lyon.fr/Elaboratories/applets.html

http://134.214.46.163/demo/edu640x480v.shtml


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Adapter ce scénario à un dispositifScénario d’usage – AMDEC


45/57

Suivre une session de téléTP



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Analyse de la sûreté de fonctionnement

Sécurité Acteurs humains Système informatique Dispositifs technologiques


AMDEC (Analyse des Modes de Défaillances, de leurs Effets et de leur Criticité) Objectifs

Analyse de la sûreté de fonctionnement du système Démarche qualité Sécurité, fiabilité, maintenabilité et disponibilité

Résultat Évaluation de la gravité des évènements Mise en évidence des éléments critiques du système Proposition d’actions préventives (ou curatives)


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Plan I – Introduction




V - Expérimentation et résultats Démarche

Instanciation

Résultats & analyse

Généricité


I - Introduction






48/57

La démarche expérimentale

Objectifs: la validation de notre système (modèle de téléTP) implique une série d’expérimentations dans l’ensemble des configurations possibles

14 facteurs (LMS, Réseau informatique, …), deux modalités par facteur implique 16384 expériences

Contraintes d’ expérimentations (matérielles et humaines)

Démarche – Instanciation – Résultats & analyse – Généricité


Plan d’expériences Taguchi (32 expériences)

théo

riq

ue

réel

présentiel

1. Observation

2. Indentification d’invariants d’un TP à l’autre (dès le 2ème passage)



Modèle de TP

1




2

Modèle de téléTP

à distance

8. Instanciation

9. Observation

10. Retour d’usage

11. Correction

3


Un TP particulier

49/57

Site 2

PC1

Site 1

INTERNET

apprenants

tuteur

Réalisation d’une expérience

webcam

Salle machines

Le dispositif technologique



Applications informatiques

Site 3

50/57

Site 2Site 1

INTERNET

webcam

Salle machines

Le dispositif technologique Applications

informatiques

Site 3

apprenants

tuteur

Dispositif de mesure

Contrôle distant via VNC

Site 3

Observateur

Capture d’écran du tuteur (en

local)

Capture d’écran des apprenants

(en local)

Capture d’écran des apprenants (à distance) via

VNC


camera


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Analyse et résultats de l’expérimentation

L’approche d’analyse proposée

Définition d’une grille pour évaluer le système

Tuteur (9 critères), apprenants (8 critères), observateur (4 critères)

Analyse qualitative et quantitative des mesures d’usages



Conclusions tirées de l’expérimentation

Moins acceptable Peu acceptable Acceptable Très acceptable

Satisfaction du tuteur31 54 78 101 124

93

Satisfaction des apprenants25 44 63 81 100

77

Satisfaction de l’observateur19 33 48 63 76

66

Satisfaction générale75 188 244 300131

224

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Généricité de notre approche

Constat

Difficulté d’arriver à un modèle générique interdisciplinaire en un seul travail de thèse



Généricité vis-à-vis des téléTP en automatique

Bonne performance en téléTP de la même classe

A confirmer pour 2 à 3 autres dispositifs

Généricité vis-à-vis des autres disciplines

Cas d’un téléTP en chimie

Conclusion

Le point à améliorer: les ontologies

La proposition de la méthodologie générale

53/57

Plan

I - Introduction





VI- Conclusion & perspectives Conclusion

Perspectives

I - Introduction






54/57

Bilan : schéma intégrateur

Modèlede téléTP

Niveautéléformation

Niveautéléopération

Niveauinterface

Chaîned’édition

Complété parArchitecture

Transformation

Miseen œuvre

Développement et choix

AMDEC

Prise en compte de la sûreté de fonctionnement

PrototypeICTT@Lab Intégration

Mise à l’épreuve

Plan d’expériences

Corrections éventuelles

Liens de composition

Conclusion – Perspectives

VI – Conclusion & perspectives

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Nos Contributions


Un état de l’art


L’approche et la méthodologie Le recours à des techniques et démarches spécifiques

Le Web sémantique (ontologies) L’AMDEC Les plans d’expériences

Nouvelle application des standards de téléformation

L’utilisation originale d’un LMS dans un contexte de téléTP

Réutilisation Scénario au sein des outils auteurs et LMS différents Scénario sur des dispositifs semblables

Outils réalisés OntoServ ELaMS

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Perspectives


Mise en œuvre de l’ensemble de la méthodologie (étapes 4 à 6)


Réalisation des 31 expériences du plan Taguchi (32 expériences)

Généralisation et adaptation des ontologies à une variété de dispositifs technologiques

Indexation des scénarios de téléTP dans les LCMS

Prise en compte de l’aspect collaboratif et des accès concurrentiels Un dispositif par plusieurs groupes d’apprenants Un dispositif par des apprenants séparés dans l’espace

Intégration d’un système de trace

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Merci …Merci …

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