Spatial ability and 3-D modelling strategies
Habileté spatiale et stratégies de modélisation 3D
Résumé
This thesis is part of the e-FRAN project EXAPP_3D and aims at caracterising engineering freshmen’s performance and activity in spatial tasks, at different stages in their engineering course. Spatial reasoning research originates from attempts to define intelligence and includes investigations of the relationship between spatial skills and performance in specific tasks, such as 3-D modelling.As individuals, we are regularly confronted to situations requiring our understanding and sometimes manipulation, whether physical or virtual, of physical objects and representations: finding one’s bearings on a map, fitting suitcases in the boot of a car, assembling furniture from instructions. Yet, spatial reasoning is more prevalent is certain tasks and professions. 3-D modellers for example need to use dedicated software programmes to create objects previously imagined by designers. Computer Assisted Design (CAD) tools first came to prominence in the industrial world in the 1980s, before integrating design courses, as they are aimed at meeting industrial needs. Design learning is now carried out through 3-D modelling software and draws on the understanding of object representations and the combined manipulation of design tools and the virtual objects these generate.ISA-Supméca’s students are exposed to spatial problems as soon as they join the school, namely in 3-D modelling courses. Although these students are enrolled in the same engineering course, the skills and knowledge they have acquired through their previous studies and extra-curricular activities differ. Do the spatial skills they have so far developped relate to their ability to complete the individual and collective 3-D modelling tasks they encounter in their engineering studies?To address this question, our investigations seek to caracterise the students’ performance in spatial tasks and what they do while completing those tasks. These include taking psychometric tests aimed at assessing the product of mental spatial operations and completing 3-D modelling exercises. Our experiments include measures of performance and observations of the students’ activity. This data collection is supplemented with questionnaires addressing the students’ extra-curricular activities and 3-D modelling software experience, in order to explore the possible sources of variance in our subjects’ performance and solving strategies. The caracterisation of the students’ performance and activity is then completed with the exploration of the relationship between those two manifestations.This set of experiments is carried out at the beginning of the school year and at the end of the first term. This repeated-measure design provides the opportunity to explore the malleability of spatial and modelling skills, and the solving strategies involved. The evolutions in performance are then compared with the students’ individual characteristics to test their potential effect.
Ce travail de thèse s’inscrit dans le projet e-FRAN EXAPP_3D et s’intéresse à caractériser les performances et l’activité d’étudiants ingénieurs engagés dans des tâches de résolution de problèmes spatiaux à différents moments de leur parcours de formation. La recherche relative au raisonnement spatial est issue de la recherche de la définition de l’intelligence et porte notamment sur la relation entre compétences spatiales et performance à des tâches spécifiques, telle la modélisation volumique.Dans la vie courante, nous sommes régulièrement confrontés à des situations dans lesquelles nous nous appuyons sur notre compréhension et parfois notre manipulation, réelle ou virtuelle, d’objets physiques et de représentations : se repérer sur une carte, ranger des valises dans le coffre d’une voiture, monter un meuble à partir de plans. La réflexion autour de la forme et de l’objet est plus prégnante dans certaines tâches et occupations. C’est le cas pour les modeleurs 3D qui, à l’aide de logiciels adaptés, réalisent les objets imaginés par les designers. Les outils de Conception Assistée par Ordinateur (CAO) sont apparus dans le monde industriel dans les années 1980, puis dans les formations dirigées vers les métiers du design et de la conception, dont les enseignements ont évolué afin de répondre aux besoins des entreprises, notamment en matière d’outils de conception. L’apprentissage de la conception se fait désormais à l’aide des modeleurs volumiques et mobilise la compréhension de représentations d’objets et la manipulation d’outils de conception et de représentation d’objets virtuels.Les étudiants ingénieurs d’ISAE-Supméca sont confrontés à des problèmes spatiaux dès la première année, notamment dans des enseignements dédiés à l’apprentissage de la modélisation volumique et d’outils de CAO. Bien qu’engagés dans une même formation, ces apprenants sont caractérisés par des compétences et connaissances variées, acquises notamment dans les filières post-bac qu’ils ont suivies et dans leur pratique de loisirs. Les compétences spatiales qu’ils ont développées entretiennent-elles une relation avec les tâches de modélisation volumique, individuelles et collectives, qu’ils vont rencontrer dans leurs études d’ingénierie ?Pour répondre à cette question, notre recherche s’oriente sur la qualification de la performance des étudiants dans des tâches spatiales et de l’activité mise en œuvre dans ces tâches pour réaliser cette performance. Pour ce faire, nous mobilisons deux types de problèmes spatiaux. D’une part, ceux présentés dans des tests psychométriques visant à mesurer le résultat d’opérations spatiales mentales et d’autre part, ceux présentés dans des exercices de modélisation volumique. Nous incluons dans nos expérimentations des modalités d’évaluation de la performance des étudiants, ainsi que des observations de leur activité. Cette prise de données est complétée par l’investigation de la pratique de loisirs et de logiciels de modélisation des étudiants au travers de questionnaires. En effet, au-delà de la performance, nous nous préoccupons d’en explorer de possibles sources de variance. Ces performances et activités caractérisées, nous nous attachons ensuite à explorer la possible relation qu’elles entretiennent.Ce protocole expérimental est déployé en deux temps : à l’arrivée des étudiants à ISAE- Supméca et à la fin du premier semestre d’enseignements. Cette mesure répétée nous permet d’explorer la potentielle malléabilité de ces compétences et processus de résolution. Les évolutions de performances sont finalement mises en regard avec les caractéristiques individuelles de nos étudiants pour en éprouver l’effet.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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