Evaluation de l'efficacité pédagogique des jumeaux numériques en environnements virtuels immersifs

Evaluation of the educational effectiveness of digital twins in immersive virtual environments

• Auteur / Autrice : Pierre Bondesan
• Direction : Simon Richir
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Réalité virtuelle et augmentée
• Date : Inscription en doctorat le 12/09/2022
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAMPA - Laboratoire Angevin de Mécanique, Procédés et InnovAtion
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Paris, ENSAM

Mots clés

Mots clés libres

Réalité virtuelle

Jumeaux numériques

Apprentissage

Interactions homme-machine

Virtual reality

Digital twins

Learning

Human-machine interactions

Résumé

Les jumeaux numériques, en proposant une interconnexion d'un système avec sa réplique numérique permettent de nombreuses actions (contrôle en temps réel, manipulation à distance, tests de scénarios multiples). Ils sont largement utilisés dans l'industrie 4.0 et sont même considérés comme l'une des 10 tendances stratégiques technologiques (Burke, Walker & Clearley, 2016). Toutefois, nous observons qu'ils sont encore peu utilisés dans l'éducation mais peuvent également jouer un rôle important dans le développement des environnements virtuels éducatifs (Mashaly, 2021). Ces dernières années ont été bouleversées par la pandémie Covid-19 qui a forcé le monde à se réorganiser dans tous les domaines d'activité. L'éducation ayant été particulièrement touchée, les enseignants et les élèves ont dû faire face à la contrainte de ne plus pouvoir être physiquement dans la même pièce. Cette expérience a entrouvert des paradigmes d'apprentissage avec la possibilité d'interagir avec les objets d'apprentissage à distance grâce aux technologies immersives (réalité virtuelle, Métavers, réalité étendue). Les environnements virtuels immersifs permettant une collaboration synchrone de plusieurs utilisateurs, ce qui rend possible le co-apprentissage. Les études sur les environnements virtuels éducatifs montrent que les élèves peuvent interagir de manière plus intuitive avec les objets d'apprentissage et présentent une plus forte motivation et un plus fort engagement que lors d'un apprentissage classique (Parong & Mayer, 2018). Cependant, les résultats obtenus lors d'un apprentissage basé sur des technologies immersives restent dans certains cas moins bons que les résultats obtenus lors d'un apprentissage basé sur un support classique (Hamilton et al., 2021). La réalité virtuelle facilite les interactions avec les jumeaux numériques par une manipulation réaliste des équipements industriels par les utilisateurs. Cette association entre jumeaux numériques et technologies immersives présente des avantages dans le processus de production comme la réduction des risques et la réduction du délai et des coûts lors de modifications (Havard et al., 2019). Les jumeaux numériques en réalité virtuelle constituent un intérêt particulier chez un public d'étudiants ingénieurs amenés à manipuler ces technologies dans leurs futures missions et offrent des potentialités de pédagogie active (Kister, 2022). Ainsi, concernant les apprentissages, les environnements virtuels immersifs et les jumeaux numériques révèlent de nouvelles potentialités, mais soulèvent aussi de nombreuses questions scientifiques concernant les interactions humain-machine. En adoptant une démarche de conception centrée utilisateur, cette thèse vise à évaluer l'efficacité pédagogique des jumeaux numériques dans des environnements virtuels immersifs destinés à l'apprentissage (objectif 1) et générer des préconisations ergonomiques pour la conception de jumeaux numériques en contexte d'apprentissage (objectif 2). Bibliographie : Hamilton, D., McKechnie, J., Edgerton, E., & Wilson, C. (2021). Immersive virtual reality as a pedagogical tool in education : A systematic literature review of quantitative learning outcomes and experimental design. Journal of Computers in Education, 8(1), 1‑32. https://doi.org/10.1007/s40692-020-00169-2 Havard, V., Jeanne, B., Lacomblez, M., & Baudry, D. (2019). Digital twin and virtual reality : A co-simulation environment for design and assessment of industrial workstations. Production & Manufacturing Research, 7(1), 472 489. https://doi.org/10.1080/21693277.2019.1660283 Kister, M. 2021, Apprentissage Actif combiné problèmes/projets. QPES 2021, Questions de Pédagogies dans l'Enseignement Supérieur, LA ROCHELLE, France Mashaly, M. (2021). Connecting the Twins : A Review on Digital Twin Technology & its Networking Requirements. Procedia Computer Science, 184, 299‑305. https://doi.org/10.1016/j.procs.2021.03.039 Parong, J., & Mayer, R. E. (2018). Learning science in immersive virtual reality. Journal of Educational Psychology, 110(6), 785‑797. https://doi.org/10.1037/edu0000241 B. Burke, M. Walker, D. Cearley, “Top 10 Strategic Technology Tends for 2017”, 14th October 2016, Gartner Inc. https://www.gartner.com/en/documents/3471559

Digital twins, by providing an interconnection of a system with its digital copy, allow numerous actions (real-time monitoring, remote operation, multiple scenario testing). They are widely used in Industry 4.0 and are even considered as one of the 10 strategic technology trends (Burke, Walker & Clearley, 2016). However, we observe that they are still not commonly used as learning object but may will play an important role in the development of educational virtual environments (Mashaly, 2021). The last few years have been dramatically affected by the Covid-19 pandemic, which has forced the world to reorganize itself in all areas of activity. Education having been particularly affected, teachers and students had to face the challenge of not being physically in the same place. This experience introduced learning paradigms with the possibility to interact remotely with learning objects through immersive technologies (virtual reality, Metaverse, extended reality). Immersive virtual environments allowing synchronous collaboration of several users, which makes co-learning possible. Studies on educational virtual environments have shown that students can interact more intuitively with learning objects and have a higher level of motivation and engagement than in traditional learning situation (Parong & Mayer, 2018). However, the results from learning based on immersive technologies remain in some cases not as good as the results from learning based on a traditional medium (Hamilton et al., 2021). Virtual reality makes it easier for users to interact with their digital twins through realistic manipulation of industrial equipment. This combination of digital twins and immersive technologies offers benefits in the production process such as risk minimization and reduction of time and cost when making changes (Havard et al., 2019). Virtual reality digital twins represent a particular interest among an audience of engineering students who will be required to manipulate these technologies in their future assignments and offer potential for active pedagogy (Kister, 2022). Thus, concerning learning, immersive virtual environments and digital twins offer new potentialities, but also raise numerous scientific questions about human-machine interactions. By adopting a user-centered design approach, this thesis aims to evaluate the educational effectiveness of digital twins in immersive virtual environments for learning (objective 1) and generate ergonomic guidelines for the design of digital twins in a learning context (objective 2). Bibliography : Hamilton, D., McKechnie, J., Edgerton, E., & Wilson, C. (2021). Immersive virtual reality as a pedagogical tool in education : A systematic literature review of quantitative learning outcomes and experimental design. Journal of Computers in Education, 8(1), 1‑32. https://doi.org/10.1007/s40692-020-00169-2 Havard, V., Jeanne, B., Lacomblez, M., & Baudry, D. (2019). Digital twin and virtual reality : A co-simulation environment for design and assessment of industrial workstations. Production & Manufacturing Research, 7(1), 472 489. https://doi.org/10.1080/21693277.2019.1660283 Kister, M. 2021, Apprentissage Actif combiné problèmes/projets. QPES 2021, Questions de Pédagogies dans l'Enseignement Supérieur, LA ROCHELLE, France Mashaly, M. (2021). Connecting the Twins : A Review on Digital Twin Technology & its Networking Requirements. Procedia Computer Science, 184, 299‑305. https://doi.org/10.1016/j.procs.2021.03.039 Parong, J., & Mayer, R. E. (2018). Learning science in immersive virtual reality. Journal of Educational Psychology, 110(6), 785‑797. https://doi.org/10.1037/edu0000241 B. Burke, M. Walker, D. Cearley, “Top 10 Strategic Technology Tends for 2017”, 14th October 2016, Gartner Inc. https://www.gartner.com/en/documents/3471559