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Multi-surface environments (MSEs) combine several of surfaces in a variety of physical arrangements to form a seamless information space. The large surfaces, such as tabletops and wall-displays are often used as a shared space to coordinate efforts, and handheld devices, such as tablets and smartphones are regarded as personal space supporting individual tasks. MSEs have shown benefits for supporting co-located activities, especially the ones involving rich data exploration, such as complex collaborative problem-solving and decision-making activities. However, the diversity of MSE also raises questions and challenges, as different configuration and devices factors of MSE can be suited for different kinds of activities, and developing collaborative activities in MSE remains complex. This dissertation studies how MSE can support users' collaboration in general, and collaborative learning specifically. It provides insights on how the configuration and form factors of devices in MSE shape users' collaborative behaviors, and offers implications on designing collaborative activities in MSE. It also contributes with a rapid prototyping tool, which can be easily used by non-experts, such as teachers, to create collaborative decision-making activities in MSE.; Les environnements multi-surfaces (MSE) combinent plusieurs surfaces dans une variété d'arrangements physiques pour former un espace d'information continu. Les grandes surfaces, telles que les tables et les écrans muraux, sont souvent utilisées comme espace partagé pour coordonner les efforts, et les périphériques portables, tels que les tablettes et les smartphones sont considérés comme des espaces personnels prenant en charge les tâches individuelles. Les MSE ont montré des avantages pour soutenir les activités co-implémentées, en particulier celles impliquant une exploration de données riches, telles que des activités collaboratives complexes de résolution de problèmes et de prise de décision. Cependant, la diversité des MSE soulève également des questions et des défis, car différents facteurs de configuration et dispositifs de MSE peuvent être adaptés à différents types d'activités, et le développement d'activités de collaboration dans les MSE reste complexe. Cette dissertation étudie comment les MSE peuvent soutenir la collaboration des utilisateurs en général et l'apprentissage collaboratif en particulier. Elle fournit des informations sur la façon dont la configuration et les facteurs de forme des périphériques des MSE façonnent les comportements collaboratifs des utilisateurs et propose des implications pour la conception d'activités collaboratives dans des MSE. Elle offre également un outil de prototypage rapide, qui peut être facilement utilisé par des non-experts, tels que des enseignants, afin de créer des activités de prise de décision collaboratives dans des MSE.

Multi-surface environments (MSEs) combine several of surfaces in a variety of physical arrangements to form a seamless information space. The large surfaces, such as tabletops and wall-displays are often used as a shared space to coordinate efforts, and handheld devices, such as tablets and smartphones are regarded as personal space supporting individual tasks. MSEs have shown benefits for supporting co-located activities, especially the ones involving rich data exploration, such as complex collaborative problem-solving and decision-making activities. However, the diversity of MSE also raises questions and challenges, as different configuration and devices factors of MSE can be suited for different kinds of activities, and developing collaborative activities in MSE remains complex. This dissertation studies how MSE can support users' collaboration in general, and collaborative learning specifically. It provides insights on how the configuration and form factors of devices in MSE shape users' collaborative behaviors, and offers implications on designing collaborative activities in MSE. It also contributes with a rapid prototyping tool, which can be easily used by non-experts, such as teachers, to create collaborative decision-making activities in MSE.; Les environnements multi-surfaces (MSE) combinent plusieurs surfaces dans une variété d'arrangements physiques pour former un espace d'information continu. Les grandes surfaces, telles que les tables et les écrans muraux, sont souvent utilisées comme espace partagé pour coordonner les efforts, et les périphériques portables, tels que les tablettes et les smartphones sont considérés comme des espaces personnels prenant en charge les tâches individuelles. Les MSE ont montré des avantages pour soutenir les activités co-implémentées, en particulier celles impliquant une exploration de données riches, telles que des activités collaboratives complexes de résolution de problèmes et de prise de décision. Cependant, la diversité des MSE soulève également des questions et des défis, car différents facteurs de configuration et dispositifs de MSE peuvent être adaptés à différents types d'activités, et le développement d'activités de collaboration dans les MSE reste complexe. Cette dissertation étudie comment les MSE peuvent soutenir la collaboration des utilisateurs en général et l'apprentissage collaboratif en particulier. Elle fournit des informations sur la façon dont la configuration et les facteurs de forme des périphériques des MSE façonnent les comportements collaboratifs des utilisateurs et propose des implications pour la conception d'activités collaboratives dans des MSE. Elle offre également un outil de prototypage rapide, qui peut être facilement utilisé par des non-experts, tels que des enseignants, afin de créer des activités de prise de décision collaboratives dans des MSE.

The preliminary design phase occurs near the launch of an engineering project, normally after an initial requirements gathering phase. Through a series of meetingswhich gathers the key actors of a project, effective preliminary design involves discussion and decision-making punctuated by group creativity techniques. These activities are designed to explore the potential solutions of the problem, such asbrainstorming or causal analysis, or to address the project itself, such as collaborative project planning. Such activities are usually conducted in traditional meeting rooms with pen and paper media, which requires significant time and effort to prepare, perform, and later render into a digitally exploitable format. These processes have resisted previous attempts of computer-supported solutions, because any additional instruments risk obstructing the natural collaboration and workflow that make these activities so beneficial. Over the past decade, technologies such as interactive table tops, interactive wall displays, speech recognition software, 3D motion sensing cameras, and handheld tablets and smartphones have experienced significant advances in maturity. Theirform factors resemble the physical configuration of traditional pen-and-paper environments,while their “natural” input devices (based on multi-touch, gestures, voice, tangibles, etc.) allow them to leverage a user’s pre-existing verbal, spatial,social, motor and cognitive skills. Researchers hypothesize that having these devices working in concert inside interactive spaces could augment collaboration forco-located (i.e. physically present) groups of users.There currently exist several interactive spaces in the literature, illustrating awide range of potential hardware configurations and interaction techniques. The goal of this thesis is first to explore what qualities these interactive spaces should exhibit in their interaction design, particularly with regard to preliminary designactivities, and second, to investigate how their heterogeneous and distributed computing devices can be unified into a flexible and extensible distributed computing architecture. The first main contribution of this thesis is an extensive presentation of an interactive space, which at its core uses a configuration not yet fully explored inprevious literature : a large multitouch table top and a large multitouch interactive Abstract board display. The design of this interactive space is driven by observations o fgroups engaged in preliminary design activities in traditional environments and a literature review aimed at extracting user-centered design guide lines. Special consideration is given to the user interface as it extends across multiple shared displays, and maintains a separation of concerns regarding personal and group work. Finally, evaluations using groups of five and six users show that using such an interactive space, coupled with our proposed multi-display interaction techniques, leads to a more effective construction of the digital artifacts used in preliminary design.The second main contribution of this thesis is a multi-agent infrastructure forthe distributed computing environment which effectively accommodates a widerange of platforms and devices in concerted interaction. By using agent-oriented programming and by establishing a common content language for messaging, the infrastructure is especially tolerant of network faults and suitable for rapid prototyping of heterogeneous devices in the interactive space., La phase de conception préliminaire est déterminante lors de la réalisation d’un projet industriel. Elle exploite généralement des outils méthodologiques tels que le brainstorming, l’analyse causale et le chronogramme, qui permettent la collaboration entre des participants aux compétences et aux approches différentes. Ces activités se déroulent dans des salles de réunions traditionnelles, autour d'une table ou devant un tableau blanc, avec l’aide de nombreux papiers et Post-it, ce qui rend la préparation, l’exécution, et l’exploitation de ce processus particulièrement difficile. Jusqu’à présent, cette phase de conception préliminaire a résisté à la numérisation, notamment parce que l’addition d’un dispositif informatique au sein de ces activités perturbe la communication et la collaboration naturelles entre participants. Au cours des dix dernières années, de nombreuses avancées technologiques ont été réalisées en ce qui concerne les dispositifs numériques tels que les tables et les tableaux interactifs, les smartphones et les tablettes tactiles. La similarité des configurations physiques de ces dispositifs avec les dispositifs plus traditionnels permet d’exploiter les capacités préexistantes des utilisateurs (l’habileté motrice, le raisonnement spatial, le langage parlé, etc.). Les chercheurs se basent sur l’hypothèse que ces nouveaux dispositifs, travaillant de concert au sein d’espaces interactifs, pourront augmenter la collaboration co-localisée pour les équipes de conception préliminaire. L’objectif de cette thèse est, d’une part, d’étudier la conception d’un espace interactif pour la collaboration co-localisée durant la phase de conception préliminaire, et d’autre part, de proposer une architecture permettant de réunir les dispositifs hétérogènes et distribués composant cet espace.La première contribution consiste en une présentation détaillée d’un espace interactif utilisant une configuration physique encore peu exploitée dans la littérature scientifique : une table et un tableau multi-tactiles de grandes dimensions. La conception de cet espace interactif a été basée sur des observations d’utilisateurs dans un contexte de conception préliminaire traditionnel et sur une revue de la littérature visant à identifier des principes de conception. Lors de la conception de cet espace, une attention particulière a été portée à l’interface utilisateur qui s’étend sur des écrans partagés et qui maintient une séparation entre les activités d’un participant et les activités d’une équipe. Enfin, les évaluations, réalisées avec des groupes de cinq à six participants, démontrent une amélioration dans l’exploitation des outils méthodologiques sur supports numériques par rapport à une utilisation traditionnelle lors de la conception préliminaire.La conception d’une infrastructure distribuée basée sur un système multi-agents constitue la deuxième contribution de cette thèse. Cette infrastructure parvient à rassembler de nombreuses plateformes et des dispositifs hétérogènes. Elle représente une solution intéressante pour les espaces interactifs, en particulier parce qu’elle tolère particulièrement bien la défaillance de réseau et permet un prototypage rapide des dispositifs.

The preliminary design phase occurs near the launch of an engineering project, normally after an initial requirements gathering phase. Through a series of meetingswhich gathers the key actors of a project, effective preliminary design involves discussion and decision-making punctuated by group creativity techniques. These activities are designed to explore the potential solutions of the problem, such asbrainstorming or causal analysis, or to address the project itself, such as collaborative project planning. Such activities are usually conducted in traditional meeting rooms with pen and paper media, which requires significant time and effort to prepare, perform, and later render into a digitally exploitable format. These processes have resisted previous attempts of computer-supported solutions, because any additional instruments risk obstructing the natural collaboration and workflow that make these activities so beneficial. Over the past decade, technologies such as interactive table tops, interactive wall displays, speech recognition software, 3D motion sensing cameras, and handheld tablets and smartphones have experienced significant advances in maturity. Theirform factors resemble the physical configuration of traditional pen-and-paper environments,while their “natural” input devices (based on multi-touch, gestures, voice, tangibles, etc.) allow them to leverage a user’s pre-existing verbal, spatial,social, motor and cognitive skills. Researchers hypothesize that having these devices working in concert inside interactive spaces could augment collaboration forco-located (i.e. physically present) groups of users.There currently exist several interactive spaces in the literature, illustrating awide range of potential hardware configurations and interaction techniques. The goal of this thesis is first to explore what qualities these interactive spaces should exhibit in their interaction design, particularly with regard to preliminary designactivities, and second, to investigate how their heterogeneous and distributed computing devices can be unified into a flexible and extensible distributed computing architecture. The first main contribution of this thesis is an extensive presentation of an interactive space, which at its core uses a configuration not yet fully explored inprevious literature : a large multitouch table top and a large multitouch interactive Abstract board display. The design of this interactive space is driven by observations o fgroups engaged in preliminary design activities in traditional environments and a literature review aimed at extracting user-centered design guide lines. Special consideration is given to the user interface as it extends across multiple shared displays, and maintains a separation of concerns regarding personal and group work. Finally, evaluations using groups of five and six users show that using such an interactive space, coupled with our proposed multi-display interaction techniques, leads to a more effective construction of the digital artifacts used in preliminary design.The second main contribution of this thesis is a multi-agent infrastructure forthe distributed computing environment which effectively accommodates a widerange of platforms and devices in concerted interaction. By using agent-oriented programming and by establishing a common content language for messaging, the infrastructure is especially tolerant of network faults and suitable for rapid prototyping of heterogeneous devices in the interactive space.; La phase de conception préliminaire est déterminante lors de la réalisation d’un projet industriel. Elle exploite généralement des outils méthodologiques tels que le brainstorming, l’analyse causale et le chronogramme, qui permettent la collaboration entre des participants aux compétences et aux approches différentes. Ces activités se déroulent dans des salles de réunions traditionnelles, autour d'une table ou devant un tableau blanc, avec l’aide de nombreux papiers et Post-it, ce qui rend la préparation, l’exécution, et l’exploitation de ce processus particulièrement difficile. Jusqu’à présent, cette phase de conception préliminaire a résisté à la numérisation, notamment parce que l’addition d’un dispositif informatique au sein de ces activités perturbe la communication et la collaboration naturelles entre participants. Au cours des dix dernières années, de nombreuses avancées technologiques ont été réalisées en ce qui concerne les dispositifs numériques tels que les tables et les tableaux interactifs, les smartphones et les tablettes tactiles. La similarité des configurations physiques de ces dispositifs avec les dispositifs plus traditionnels permet d’exploiter les capacités préexistantes des utilisateurs (l’habileté motrice, le raisonnement spatial, le langage parlé, etc.). Les chercheurs se basent sur l’hypothèse que ces nouveaux dispositifs, travaillant de concert au sein d’espaces interactifs, pourront augmenter la collaboration co-localisée pour les équipes de conception préliminaire. L’objectif de cette thèse est, d’une part, d’étudier la conception d’un espace interactif pour la collaboration co-localisée durant la phase de conception préliminaire, et d’autre part, de proposer une architecture permettant de réunir les dispositifs hétérogènes et distribués composant cet espace.La première contribution consiste en une présentation détaillée d’un espace interactif utilisant une configuration physique encore peu exploitée dans la littérature scientifique : une table et un tableau multi-tactiles de grandes dimensions. La conception de cet espace interactif a été basée sur des observations d’utilisateurs dans un contexte de conception préliminaire traditionnel et sur une revue de la littérature visant à identifier des principes de conception. Lors de la conception de cet espace, une attention particulière a été portée à l’interface utilisateur qui s’étend sur des écrans partagés et qui maintient une séparation entre les activités d’un participant et les activités d’une équipe. Enfin, les évaluations, réalisées avec des groupes de cinq à six participants, démontrent une amélioration dans l’exploitation des outils méthodologiques sur supports numériques par rapport à une utilisation traditionnelle lors de la conception préliminaire.La conception d’une infrastructure distribuée basée sur un système multi-agents constitue la deuxième contribution de cette thèse. Cette infrastructure parvient à rassembler de nombreuses plateformes et des dispositifs hétérogènes. Elle représente une solution intéressante pour les espaces interactifs, en particulier parce qu’elle tolère particulièrement bien la défaillance de réseau et permet un prototypage rapide des dispositifs.