Les interfaces tangibles en éducation : quelles potentialités ?

Les interfaces tangibles sont une technologie qui permet aux élèves d’interagir avec l’ordinateur en utilisant des objets quels qu’ils soient. Diverses applications pédagogiques sont envisagées : l’étude de l’astronomie, l’éducation à l’environnement, entre autres. Il s’agit d’une technologie encore en phase de test, mais les premières études montrent des résultats encourageants.

Les interfaces tangibles font partie de ces technologies en plein développement. Ici il ne s’agit plus de manipuler une souris, de taper sur un clavier, ou encore d’utiliser son index pour interagir avec l’interface, cette technologie s’utilise avec des objets quels qu’ils soient. Des études montrent que ce nouveau type d’interface peut présenter des bénéfices, à la fois, sociaux, cognitifs, coopératifs et physiques pour les élèves. En présence de ces interfaces, comme nous le verrons ci-dessous, l’élève peut échanger et communiquer plus facilement sur les actions qu’il entreprend, travailler en collaboration être encouragé dans sa réflexion, l’erreur pouvant être plus facilement corrigée. 

Hiroshi Ishii, chercheur au Massachussets Institute of Technology Media Lab, où le concept est né, définit une interface tangible de la façon suivante : « un outil de manipulation d’objets réels intégrés dans un environnement virtuel ». L’espace est donc pris en compte dans l’interaction humain-système.

De façon plus simple, l’interface tangible est la dernière génération d’interfaces « humain-système ». Voici les différentes interfaces qui existent à l’heure actuelle :

• Interface textuelle : c’est la première génération d’interfaces. Elle utilise uniquement le clavier en entrée et uniquement les chiffres et lettres en sortie (par exemple, le système opérationnel DOS). Soulignons que ce type d’interface n’est presque plus utilisé, sauf par des professionnels spécialisés dans l’informatique.
• Interface graphique : c’est la deuxième génération. Cette interface correspond à l’ordinateur que nous avons l’habitude d’utiliser aujourd’hui. Elle utilise en entrée le clavier et la souris. En sortie, il y a du texte et des images.
• Interface tactile : il s’agit de la troisième génération. Elle correspond au smartphone ou à la tablette tactile, que nous avons de plus en plus l’habitude d’utiliser. Ce type d’interface permet d’interagir sur un écran avec ses doigts ou avec un stylet.
• Interface tangible : c’est la dernière génération. Tangible provient du latin tangere, qui signifie « toucher ». Il ne s’agit donc plus seulement ici d’interagir avec des objets virtuels sur un écran, mais de manipuler de véritables objets physiques.

Comme l’explique Alan Blackwell, de l’université de Cambridge : « tout objet issu de l’environnement peut devenir médiateur entre l’usager et le système et par conséquent être défini comme objet tangible ». La spécificité des interfaces tangibles est de ne pas intercaler une interface supplémentaire, telle que le clavier, la souris ou le stylet, dans le processus de communication qui s'établit entre l'utilisateur et l'environnement informatique.  

L’interface tangible implique des conditions d’interaction spécifiques. En effet, avec ce type de technologie l’interaction avec les deux mains est fortement encouragée. Il ne s’agit plus uniquement de se servir de son index ou de taper sur son clavier, mais de saisir les objets et de les déplacer sur l’interface. Ce « contrôle multitouche » permet la manipulation directe d’objets, via des interactions naturelles et intuitives. D’autre part, les utilisateurs de l’interface peuvent se situer n’importe où autour de l’interface et se déplacer. Selon Rebecca Fiebrink et Dan Morris, chercheurs à l’université de Princeton et auteurs d’un article récent sur le sujet, il est plus facile d’observer et de comprendre les actions, les buts et les gestes des autres utilisateurs autour de la table, comparé à une collaboration via un ordinateur.

Un exemple qui a fait l’objet d’études en France est l’interface Tangisense, développée dans le cadre d’un projet de recherche financé par l’Agence nationale de la Recherche (ANR), au sein du laboratoire Multicom de Grenoble. Cette interface peut s’intégrer dans plusieurs domaines, tels que la composition musicale et l’éducation à l’environnement. En musique, la technologie permet de créer une composition en posant des notes sur l’interface. À chaque note posée, le son de la note se fait entendre et les utilisateurs peuvent observer et découvrir les notes observées.

Dans l’exemple de l’éducation à l’environnement, l’interface se compose d’une table sur laquelle est projeté un fond de carte (Parc du Vercors, par exemple), les objets à manipuler sont des animaux (bouquetin, chèvre, etc.) et en face de la table se trouve un écran d’information. À chaque animal posé sur la table, une fiche descriptive de l’animal s’affiche à l’écran et il est possible d’entendre son cri. Si l’animal n’est pas placé correctement sur la table, une croix rouge lumineuse apparaît afin de signaler l’erreur. Enfin, si un prédateur est placé à proximité d’une proie, un chemin lumineux mettra en évidence la relation entre les deux animaux. Cette application permet d’apprendre la biodiversité de façon ludique mais également d’enseigner tout en faisant participer les élèves.

Comme le souligne Andrew Manches de l’université de Nottingham, étant donné que les objets sont manipulés en trois dimensions sur une surface horizontale, la grande majorité de ces tables permet à l’utilisateur d’agir tout en parlant et en gardant un œil sur ce que font les autres. En effet, les participants peuvent modifier la localisation des objets à la fois par rapport à eux mais également par rapport aux autres individus. Cela permet d’attribuer à l’objet une place significative et d’ainsi développer le raisonnement spatial.

Une hypothèse qui fait l’objet de recherches actuellement est que les objets 3D utilisés dans une interface tangible sont perçus et compris plus rapidement que les objets 2D perceptibles par l’intermédiaire d’un écran d’ordinateur. Selon Sara Price, chercheur au London Knowledge Laboratory, la nature tactile de ces objets offre un ressenti sensoriel qui va optimiser l’interaction.

Sur cette question, la recherche d’Anne Marie Pipper et James Hollan, de l’université de Californie, apporte un premier résultat. Leur étude a porté sur une classe de 20 collégiens en préparation à un contrôle de biologie. Les élèves avaient trois tâches à réaliser :

• une activité d’étiquetage,
• une discussion avec un camarade,
• la réalisation d’un schéma anatomique.

La classe a été divisée en deux groupes : le premier réalisait ces tâches sur l’ordinateur, le deuxième sur une table tangible sur laquelle il était possible de dessiner, déposer des étiquettes tout en ayant un retour validant ou infirmant les réponses fournies.

Plusieurs variables ont été étudiées :

• le temps passé pour réaliser les tâches,
• le nombre de fois où l’élève a recommencé son dessin ou étiquetage avant de le valider,
• le nombre d’essais avant de terminer et de rendre son travail au propre,
• la note obtenue à l’activité d’étiquetage anatomique,
• les moyens (oraux ou écrits) qui ont été utilisés pour la discussion avec les camarades.

Plusieurs constats peuvent être énoncés. Premièrement, les élèves utilisant l’interface tangible ont perçu de façon moins dramatique le fait de faire une erreur, par rapport à ceux manipulant un ordinateur, car il était beaucoup plus simple de corriger les dessins anatomiques et donc de revenir sur leurs erreurs. Les élèves avec l’interface tangible ont donc eu plus de facilité et de liberté pour recommencer et reprendre les schémas. Par ailleurs, l’usage de l’interface tangible a encouragé les élèves à faire plus de croquis, à les tester, et à les analyser. Cette technologie a également permis une coopération plus active et plus équitable entre les élèves partageant une même surface. Cela leur a offert la possibilité de s’exprimer verbalement à tour de rôle mais également d’apporter des modifications aux croquis. L’interface tangible a ainsi permis aux élèves de discuter plus librement tout en apportant directement des modifications aux schémas.

Certaines interfaces tangibles sont ainsi élaborées dans le but précis d’être destinées à l’enseignement. Voici quelques exemples :

• Interface tangible pour l’astronomie (en japonais) de Jun Yamashita et Hideaki Kuzuoka  (université de Tsukuba, Japon) : Il s’agit d’un globe (l’interface) et à l’aide d’un petit avatar (l’objet tangible), l’élève peut placer son avatar partout sur le globe et peut ainsi voir à l’écran les caractéristiques du système solaire par rapport à sa position.
• Interface tangible pour l’initiation à l’algèbre de Zeina Leong  et Michael Horn 2011 (Northwestern University, Washington DC) : Il s’agit d’une balance avec deux bras (l’interface), chacun étant numéroté de 1 à 9. En fonction de l’opération qui lui est demandée (multiplication, soustraction, addition), l’élève doit placer les petites pastilles (objet tangible) sur les chiffres correspondant à l’opération nécessaire pour trouver le résultat. Par exemple, si on lui indique le chiffre 7, il devra mettre, sur le bras gauche, une pastille sur 3 et 4, par exemple, et sur le bras droit une pastille sur le chiffre 7 afin de rétablir l’équilibre de la balance. 

Ce que les chercheurs attendent de ces interfaces est le retour immédiat qu’elles confèrent à l’élève lui permettant de prendre rapidement connaissance des erreurs et ainsi avancer plus facilement dans la réalisation de l’activité. La collaboration et les échanges entre élèves sont susceptibles d’être encouragés par la proximité qu’ils peuvent avoir autour d’une même surface de travail.

Les interfaces tangibles en sont actuellement au stade de développement. De nombreux prototypes émergent cependant, concernant les domaines de l’architecture, du design ou de l’art. En France, les universités de Valencienne et Grenoble ont ainsi développé plusieurs applications pour l’interface tangible Tangisense..

D’un point de vue pédagogique, elles semblent être prometteuses et porteuses de nouvelles formes d’interactions. Selon les premières études, en présence de ce type de technologie, les élèves seraient plus enclins à communiquer, à échanger entre eux et avec l’enseignant sur ce qu’ils perçoivent pour ensuite demander des explications. Les objets tangibles utilisés encourageraient la réflexion, la prise d’initiative et les actions.

Actuellement certaines études portent sur des aspects techniques tels que la diversification des retours donnés à l’élève, ainsi que sur l’exploration de toutes les interactions qu’il est possible d’avoir avec les objets utilisés. Par ailleurs, d’autres travaux menés par l’auteur de cet article à l’université de Metz portent sur « l’affordance » des objets : à savoir, pour un objet, le degré de visibilité des utilisations possibles. Ces recherches soulignent l’importance de l’aspect des objets. Ces derniers doivent être immédiatement lisibles, montrer quelles sont les actions et fonctions qu’ils permettent. Toutefois, il faudra encore quelques années pour connaître les impacts concrets de cette technologie sur l’enseignement et l’apprentissage.

Mélanie Becker - Doctorante en ergonomie des Interfaces Hommes Machines à l'Université de Lorraine à Metz et ergonome en Ingénierie des Facteurs Humains

date de publication : 26/06/2012

• en présence de ce type de technologie, encourager les élèves à communiquer entre eux et avec l’enseignant sur ce qu’ils perçoivent pour ensuite demander des explications sur le sujet d'étude ;
• les objets doivent avoir un aspect identifiable, être lisibles et montrer quelles sont les actions et fonctions qu’ils permettent.

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• Caelen, J. Becker, M . & Pellegrin, A. (2011). Tangibility and human-computer interaction: an alternative approach to affordance. IADIS Multi Conference on Computer Science and Information Systems , Roma, 20-26 July 2011.
• Fiebrink, R., & Morris, M. R. (2009). Dynamic Mapping of Physical Controls for Tabletop. Computer Human Interaction, 471-480.
• Ishii, H., and Ullmer, B. (1997) Tangible Bits: Towards Seamless Interfaces Between People, Bits, and Atoms. CHI, 234-41
• Kubicki S., Lebrun Y., Lepreux S., Adam E., Kolski C., Mandiau R. (2009). Exploitation de la technologie RFID associée à une table interactive avec objets tangibles et traçables, Application a la gestion de trafic routier. Génie Logiciel, 31, pp. 41-45
• Leong, Z. A., & Horn, M. S. (2011). Representing Equality?: A Tangible Balance Beam for Early Algebra Education. Interface, 173-176.
• Manches, A., O'Malley, C. and Benford, S. (2009) 'The Role of Physical Representations in Solving Number Problems: a Comparison of Young Children's Use of Physical and Virtual materials', Computers & Education 54(3), 622-640.
• Price, S. (2008). A representation approach to conceptualizing tangible learning environments. Paper presented at the 2nd international conference on Tangible and embedded interaction - TEI '08 . New York, USA, Feb.
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