Proposition de thèse en environnement informatique pour l’apprentissage humain en contrat doctoral à IMT Nord Europe

Unité : CERI SN

Responsable hiérarchique : Jean-Philippe Vandeborre

Direction de thèse : Mathieu Vermeulen 

Encadrement de thèse : Alexis Lebis (alexis.lebis@imt-nord-europe.fr) et Mylène Lagardère (mylene.lagardere@imt-nord-europe.fr)

Nature de l’emploi : Thèse de doctorat

Lieu de travail : Bâtiment Informatique et Automatique, Centre d’Enseignement, de Recherche et d’Innovation Systèmes Numériques, 764 boulevard Lahure 59500 Douai, France

La présence sur site sera une nécessité.

Spécialités : Informatique – Environnements Informatiques pour l’Apprentissage Humain – Intelligence Artificielle

Mots-clés : TP simulé, TP hybride, détection de comportement, EIAH (Environnements Informatiques pour l'Apprentissage Humain), jumeaux numériques, recommandation

Contexte : École sous tutelle du ministère en charge de l’économie et des finances, et école de l’Institut Mines Télécom, IMT Nord Europe a 3 missions principales : former des ingénieurs responsables aptes à résoudre les grandes problématiques du XXIème siècle ; mener des recherches débouchant sur des innovations à haute valeur ajoutée ; soutenir le développement des territoires notamment en facilitant l’innovation et les créations d’entreprises. Son objectif est de former les ingénieurs de demain, maîtrisant à la fois les technologies numériques et les savoir-faire industriels. Idéalement située au carrefour de l’Europe, à 1 heure de Paris, 30 minutes de Bruxelles et 1H30 de Londres, IMT Nord Europe a l’ambition de devenir un acteur majeur des grandes transformations industrielles, numériques et environnementales du XXIème siècle en combinant, tant dans ses enseignements et que dans sa recherche, les sciences de l’ingénieur et les technologies du digital.

Localisée sur 2 sites principaux d’enseignement et de recherche, à Lille et à Douai, IMT Nord Europe s’appuie sur plus de 20000m² de laboratoire pour développer un enseignement de haut niveau et une recherche d’excellence dans les domaines suivants :

•              Systèmes Numériques

•              Energie Environnement

•              Matériaux et Procédés

Pour plus de détails, consulter le site internet de l’Ecole : www.imt-nord-europe.fr

La thèse se déroulera au sein du Centre d’Enseignement, de Recherche et d’Innovation – Systèmes Numériques (CERI SN), sur le site de Douai. Le laboratoire est structuré en 3 axes de recherche :

ARTS (Autonomous, ResilienT Systems), MCLEOD (Modelling and control of Complex systems in Large Environments requiring Optimized Decisions) et HIDE (Human, Interaction, DEcision). Ce dernier étudie les modèles d’apprentissage centrés sur l’humain et l’interaction entre l’humain et son environnement.

Dans le cadre de ce recrutement, le candidat ou la candidate intégrera l’axe HIDE sur la thématique des Environnements Informatiques pour l’Apprentissage Humain, avec la possibilité d’interagir avec d’autres collègues impliqués dans les autres axes de recherche.

Missions : Cette thèse de doctorat en informatique vise à proposer des modèles et des outils pour la conception de travaux pratiques (TP) hybrides pour permettre la mise en œuvre de nouveaux algorithmes de recommandation à destination des apprenants.

La thèse se déroule dans le cadre du projet AMI CMA (Appel à Manifestation d’Intérêt « Compétences et Métiers d’Avenir », dans le cadre du Plan France 2030)  réunit six partenaires complémentaires :  l’ISPA (Institut Supérieur de Plasturgie Appliquée, anciennement Polyvia Formation), le centre de formation de l’Union des transformateurs de polymères, le consortium réunit NAE, le réseau normand des professionnels de l’aéronautique, du spatial, de la défense et de la sécurité, Unitex organisation professionnelle du secteur textile en Rhône-Alpes, le Syndicat des régénérateurs de matières plastiques (SRP) et l’Institut Mines-Télécom Nord Europe. Les objectifs du projet CAP3R sont de renforcer l’accompagnement des industriels des polymères et composites dans leurs avancées en termes de recyclabilité, de recyclage et de réincorporation de matériaux recyclés, d’anticiper les besoins en emplois et compétences des entreprises dans les domaines des polymères et composites et accélérer la mise en œuvre de formations y préparant en créant des modules dédiés aux enjeux spécifiques des entreprises, fortement impactées par les évolutions circulaires et en forts besoins de nouvelles compétences sur ces thématiques. Au-delà de la formation, l’ambition collective du consortium est également de susciter chez les futures recrues le désir d’une industrie bas-carbone made in France et d’accroître l’attractivité de ces secteurs à travers un plan de promotion et de sensibilisation.

Les travaux pratiques (TP) sont largement mis en œuvre dans l’enseignement supérieur. Ils apportent aux étudiants la mise en pratique nécessaire des connaissances théoriques vues lors des cours. Dans le cadre de l’approche par compétences (APC), qui s’impose aujourd’hui aux établissements de l’enseignement supérieur, les TP peuvent s’apparenter aux Situations d’apprentissage et d’évaluation (Saé) qui permettent de placer les étudiants dans un cadre propice à la mobilisation des compétences et à leur évaluation [1].

Pour autant, les TP physiques (en laboratoire ou en salle TP) sont aujourd’hui difficiles à mettre en œuvre [2]. Ils nécessitent des groupes de petite ou de moyenne taille (jusqu’à une vingtaine de personnes), une contrainte mise à mal par le nombre croissant d’étudiants dans certains cursus. De plus, leur mise en œuvre demande parfois un outillage ou un environnement complexe, en particulier dans les disciplines expérimentales (biologie, électronique, chimie, etc.). C’est pourtant ce cadre complexe qui permet d’apporter la situation réaliste (s’approchant ainsi d’une situation professionnelle) propice à l’évaluation des compétences des étudiants. Ce point pose aussi la question des coûts des TP — notamment humain — qui entrave leur déploiement à grande échelle, une situation que l’on perçoit dans les premières années à l’université française. Conséquemment, il n’est pas rare d’observer une forme de banalisation du TP, le transformant en une suite linéaire d’instructions qui n’offre que peu de l’attitude à l’étudiant et où la scénarisation pédagogique est absente.

De nombreuses initiatives et travaux ont abordé l’idée des TP à distance ou TP simulés, mettant en avant leurs coûts réduits dans la durée, la possibilité de passer à de grands groupes et apportant la promesse d’un accompagnement personnalisé de l’étudiant en s’appuyant par exemple sur les learning analytics [3]. Se faisant, les TP simulés s’éloignent de la Saé et de la situation professionnelle initiale. Plus récemment et en particulier lors de la crise du COVID, la question des dispositifs hybrides [4] est apparue. De fait, il s’agit, pour les TP, de proposer le meilleur de deux mondes : un environnement réaliste et concret avec un scénario souple et adapté. Le TP alternerait entre phases à distance (TP simulé) et en présence (TP physique), avec l’idée d’optimiser l’efficience des activités par rapport aux objectifs pédagogiques. Pour cela, il est nécessaire de travailler la cohérence entre ces phases mais aussi celle des scénarios des activités, ici des TP simulés et physiques.

Ainsi, ce travail sur le scénario pose plusieurs questions sur l’organisation du cours ou de la formation et sur le scénario des activités. Des travaux [5] proposent l’analyse des traces d’apprentissages pour comparer les scénarios prédictifs (attendus par les concepteurs) et les scénarios descriptifs (observés par les concepteurs et réalisés par les apprenants) [6]. En particulier, la détection des erreurs des apprenants lors du TP simulé pourrait permettre de concevoir le scénario du TP physique, mais aussi de les aider à mobiliser les compétences (savoir-faire, gestes, etc.) nécessaires. Ainsi, les questions suivantes se posent avec acuité : Comment assister les étudiants pour préparer le TP physique ? La réalisation du TP simulé favorise-t-il la réalisation du TP physique et quels seraient alors les apports d’un TP hybride, alliant TP simulé et TP physique ?

Pour lier les composantes distancielles (simulées) et présentielles (physique) d’un tel dispositif, les jumeaux numériques semblent être une opportunité intéressante. Venus de l’industrie, ils sont les deux aspects d’un même objet : une version physique d’une machine ou d’un environnement et sa version numérique à l’identique d’un point de vue processus et des données.

L’objectif de cette thèse sera de travailler sur le scénario de TP simulés pour favoriser la réalisation des TP physiques pour favoriser l’acquisition de savoir-faire complexes. Les TP simulés pourraient ainsi permettre d’expérimenter des manipulations et de tester des scénarios, avant de les reproduire sur le TP physique.

Une expérimentation de ces TP sera mise en œuvre dans le cadre du projet CAP3R et en particulier pour un TP sur les matériaux composites, permettant ainsi le recueil des données d’apprentissage des étudiants. Il s’agit de fait de créer un écosystème de formation hybride imbriquant des environnements physiques, des environnements numériques et des processus d’amélioration continu.

Références bibliographiques

1. Poumay M, Tardif J, Georges F, Scallon G (2017) Organiser la formation à partir des compétences : Un pari gagnant pour l’apprentissage dans le supérieur. De Boeck Supérieur

2. Venant R (2017) Les learning analytics pour promouvoir l’engagement et la réflexion des apprenants en situation d’apprentissage pratique. Phdthesis, Université Paul Sabatier - Toulouse III

3. Broisin J, Venant R, Vidal P (2017) Lab4CE: a Remote Laboratory for Computer Education. Int J Artif Intell Educ 27:154–180. https://doi.org/10.1007/s40593-015-0079-3

4. Martinet B (2024) Accompagner la conception de dispositifs pédagogiques dans des contextes mêlant présence et distance. Phdthesis, Université de Lorraine

5. Vermeulen M, Mandran N, Labat J-M (2016) Chronicle of a Scenario Graph: From Expected to Observed Learning Path. In: Verbert K, Sharples M, Klobučar T (eds) Adaptive and Adaptable Learning. Springer International Publishing, pp 321–330

6. Pernin J-P, Lejeune A (2004) Dispositifs d’apprentissage instrumentés par les technologies: vers une ingénierie centrée sur les scénarios. In: Technologies de l’Information et de la Connaissance dans l’Enseignement Supérieur et de l’Industrie. pp 407–414

Activités : L’objectif principal de la thèse est de définir de nouveaux modèles et outils pour la conception de travaux pratiques hybrides. Cet objectif général se décline selon les points de recherche suivant :

•    Favoriser la mobilisation de compétences spécifiques par les apprenants dans un contexte d’enseignement hybride ;

•    Permettre l’analyse des scénarios observés des apprenants (détection des erreurs, caractéristiques du parcours) dans un TP simulé pour aider les apprenants à préparer les TP physique et ainsi favoriser leurs apprentissages ;

•    Concevoir un système de recommandation au sein du TP simulé d’une situation de TP physique pour favoriser l’apprentissage de savoir-faire spécifiques en amont du TP pour les apprenants.

Profil du candidat : Diplômé Bac+5 minimum en informatique, ingénierie des connaissances ou psychométrie, la personne recrutée sera amenée dans le cadre de ses missions à collaborer avec un public varié (ingénieurs, chercheurs de spécialité diverses). Les compétences suivantes sont attendues :

Aptitudes :

· Sens de la communication et du travail en équipe.

· Sens de l’écoute et du service aux utilisateurs.

· Autonomie, organisation et rigueur.

· Créativité et ingéniosité, force de proposition

· Curiosité et ouverture d’esprit

Compétences :

· Compréhension et rédaction de textes en anglais

· Analyse critique

· Mise en œuvre et Gestion de projet

· Présentation de ses travaux à l’oral et défendre ses idées

Connaissances :

· Langage de programmation (C++, Python, Rust...)

· Intelligence Artificielle symbolique

· Graphe de concepts et/ou ontologie web (OWL)

· Learning Analytics

· Dev. sous moteur de jeu (unity, UE, Godot)

· Ingénierie pédagogique serait un plus

Conditions :

Les candidatures sont attendues avant le 1er septembre 2025. Le ou la candidate enverra ses résultats académiques complets (licence et master), son CV ainsi qu’une lettre de motivation succincte présentant son intérêt pour le sujet, et rédigée sans assistance automatique type LLM. Le ou la candidate est également libre d’adjoindre des documents supplémentaires reflétant son expérience de recherche. Bien que le recrutement soit prévu pour un début de thèse au 1er octobre, il est envisageable que ce jalon soit sobrement décalé, notamment dû aux contraintes administratives.

Renseignements et modalités de dépôt de candidature :

Pour tout renseignement sur le poste, merci de vous adresser à Mathieu Vermeulen et Alexis, enseignant-chercheur IA, mathieu.vermeulen@imt-nord-europe.fr et alexis.lebis@imt-nord-europe.fr, 03 27 71 24 02.

Pour tout renseignement administratif, merci de vous adresser à la Direction des Ressources Humaines : jobs@imt-nord-europe.fr  

Date limite de candidature : 01/09/2025