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Programming microworlds are small and interactive environments, in which the learner learns from his interactions with visual or tangible entities having a strong semantic link with formal programming concepts. They promote knowledge assimilation and abstract programming concepts understanding by the use of visual metaphors and play. This thesis attempts to contribute to theoretical and methodological advances regarding the design and the assessment of such environments, which are known to have a great potential on learning without any evidence on that.As microworlds are game based learning environments, we first examined the gaming issue and its relation to learning. Based on a literature review, we emphasized as some authors, the need to distinguish between the game (the computing artefact) and the play (the situation that is triggered by the interactions with the game). The purpose is to analyze learning and establish concepts that will guide the design and the evaluation of learning. Then we reviewed some research on Computer Science Education, with the view to identify some widespread teaching approaches that address beginners’ difficulties in learning Object-Oriented Programming (OOP). We defined a new didactic approach for OOP introduction. We then defined the design dimensions of a microworld, we refer to as a transitional representation system, in which the learner develops knowledge on programming abstract and formal concepts, as a result to his interactions with the microworld interface.We have implemented the theoretical and methodological advances we provided, in a new OOP microworld based on a 3D constructive and animation game called PrOgO. PrOgO implements a transitional representation system, in which basic OOP concepts are depicted with visual and interactive 3D graphics. It enables play that arises from the learner’s interactions with its interface. Playing with PrOgO involves to imagining, creating and animating significant 3D constructions. PrOgO can be also deployed within a multi-device classroom through the Tactileo framework, we designed for that purpose. In the evaluation of learning, we use methods belonging to learning analytics by the collection and the analysis of digital interaction logs, with the view to classify and characterize learners. In addition to this, we examine the state of learners’ knowledge through test knowledge verifications. We also attempt to examine through statistical analysis, the learners’ actions and behaviours that affect their progress in pre/post evaluations of gained knowledge., Les micromondes de programmation sont des environnements restreints et interactifs, dans lesquels l’apprenant apprend en interagissant avec des entités visuelles ou tangibles, sémantiquement liées à des concepts de programmation formels. Ils favorisent l’assimilation de connaissances et la compréhension de concepts abstraits de programmation au moyen de métaphores visuelles et d’expériences ludiques. Cette thèse tente d’apporter des avancées théoriques et méthodologiques sur la conception et l’évaluation de tels environnements, qui sont connus pour avoir un grand potentiel sur l’apprentissage sans que cela ne soit démontré.Les micromondes étant des environnements d’apprentissage par le jeu, nous avons tout d’abord examiné la question du jeu et son lien à l’apprentissage. En nous appuyant sur une revue de la littérature, nous avons souligné au même titre que certains auteurs, la nécessité de distinguer le jeu-game (l’artefact informatique) du jeu-play (la situation qui découle des interactions avec le jeu-game). Le but étant de situer l’apprentissage et d’aboutir à des éléments de conception et d’évaluation de l’apprentissage. Nous nous sommes ensuite intéressés aux recherches en didactique de l’Informatique, afin d’identifier les approches d’enseignement les plus répandues visant à palier les difficultés d’apprentissage de la Programmation Orientée-Objet ( POO ) rencontrées par des débutants. Nous avons défini une nouvelle approche didactique pour l’introduction de la POO . Suite à cela, nous avons défini les dimensions de conception d’un micromonde, que nous désignons comme un système de représentation transitionnel, dans lequel l’apprenant développe des connaissances sur les concepts formels et abstraits de la programmation, suite à ses interactions avec l’interface du micromonde. Les avancées théoriques et méthodologiques apportées ont été mises en œuvre dans un nouveau micromonde de POO fondé sur un jeu de construction et d’animation 3D appelé PrOgO. PrOgO implémente un système de représentation transitionnel, dans lequel les concepts fondamentaux de la POO sont représentés par des graphiques 3D visuels et interactifs. Il crée un jeu-play qui découle des interactions de l’apprenant avec son interface. Jouer avec PrOgO consiste à imaginer, créer et animer des constructions 3D significatives. PrOgO peut également être déployé dans une classe multi-dispositifs, grâce au framework Tactileo conçu à cet effet. Dans l’évaluation de l’apprentissage, nous utilisons des méthodes relevant de l’analyse de l’apprentissage, par la collecte et l’analyse de traces d’interaction pour la classification et la caractérisation des apprenants. En complément à cela, nous examinons l’état des connaissances d’apprenants, au travers de tests de vérification de connaissances. Nous tentons également d’identifier par l’analyse statistique, les actions et les comportements d’apprenants qui déterminent leur progression dans l’évaluation pré/post de l’acquisition des connaissances.

Programming microworlds are small and interactive environments, in which the learner learns from his interactions with visual or tangible entities having a strong semantic link with formal programming concepts. They promote knowledge assimilation and abstract programming concepts understanding by the use of visual metaphors and play. This thesis attempts to contribute to theoretical and methodological advances regarding the design and the assessment of such environments, which are known to have a great potential on learning without any evidence on that. As microworlds are game based learning environments, we first examined the gaming issue and its relation to learning. Based on a literature review, we emphasized as some authors, the need to distinguish between the game (the computing artefact) and the play (the situation that is triggered by the interactions with the game). The purpose is to analyze learning and establish concepts that will guide the design and the evaluation of learning. Then we reviewed some research on Computer Science Education, with the view to identify some widespread teaching approaches that address beginners’ difficulties in learning Object-Oriented Programming (OOP). We defined anew didactic approach for OOP introduction. We then defined the design dimensions of a microworld, we refer to as a transitional representation system, in which the learner develops knowledge on programming abstract and formal concepts, as a result to his interactions with the microworld interface.We have implemented the theoretical and methodological advances we provided, in a new OOP microworld based on a 3D constructive and animation game called PrOgO. PrOgO implements a transitional representation system, in which basic OOP concepts are depicted with visual and interactive 3D graphics. It enables play that arises from the learner’s interactions with its interface. Playing with PrOgO involves to imagining, creating and animating significant 3D constructions. PrOgO can be also deployed within a multi-device classroom through the Tactileo framework, we designed for that purpose. In the evaluation of learning, we use methods belonging to learning analytics by the collection and the analysis of digital interaction logs, with the view to classify and characterize learners. In addition to this, we examine the state of learners’ knowledge through test knowledge verifications. We also attempt to examine through statistical analysis, the learners’ actions and behaviours that affect their progress in pre/post evaluations of gained knowledge., Les micromondes de programmation sont des environnements restreints et interactifs, dans lesquels l’apprenant apprend en interagissant avec des entités visuelles ou tangibles, sémantiquement liées à des concepts de programmation formels. Ils favorisent l’assimilation de connaissances et la compréhension de concepts abstraits de programmation au moyen de métaphores visuelles et d’expériences ludiques. Cette thèse tente d’apporter des avancées théoriques et méthodologiques sur la conception et l’évaluation de tels environnements, qui sont connus pour avoir un grand potentiel sur l’apprentissage sans que cela ne soit démontré.Les micromondes étant des environnements d’apprentissage par le jeu, nous avons tout d’abord examiné la question du jeu et son lien à l’apprentissage. En nous appuyant sur une revue de la littérature, nous avons souligné au même titre que certains auteurs, la nécessité de distinguer le jeu-game (l’artefact informatique) du jeu-play (la situation qui découle des interactions avec le jeu-game). Le but étant de situer l’apprentissage et d’aboutir à des éléments de conception et d’évaluation de l’apprentissage. Nous nous sommes ensuite intéressés aux recherches en didactique de l’Informatique, afin d’identifierles approches d’enseignement les plus répandues visant à palier les difficultés d’apprentissage de la Programmation Orientée-Objet (POO) rencontrées par des débutants. Nous avons défini une nouvelle approche didactique pour l’introduction de la POO. Suite à cela, nous avons défini les dimensions de conception d’un micromonde, que nous désignons comme un système de représentation transitionnel, dans lequel l’apprenant développe des connaissances sur les concepts formels et abstraits de la programmation, suite à ses interactions avec l’interface du micromonde.Les avancées théoriques et méthodologiques apportées ont été mises en oeuvre dans un nouveau micromonde de POO fondé sur un jeu de construction et d’animation 3D appelé PrOgO. PrOgO implémente un système de représentation transitionnel, dans lequel les concepts fondamentaux de la POO sont représentés par des graphiques 3D visuels et interactifs. Il crée un jeu-play qui découle des interactions de l’apprenant avec son interface. Jouer avec PrOgO consiste à imaginer, créer et animer des constructions 3D significatives. PrOgO peut également être déployé dans une classe multi-dispositifs, grâce au framework Tactileo conçu à cet effet. Dans l’évaluation de l’apprentissage, nous utilisons des méthodes relevant de l’analyse de l’apprentissage, par la collecte et l’analyse de traces d’interaction pour la classification et la caractérisation des apprenants. En complément à cela, nous examinons l’état des connaissances d’apprenants, au travers de tests de vérification de connaissances. Nous tentons également d’identifier par l’analyse statistique, les actions et les comportements d’apprenants qui déterminent leur progression dans l’évaluation pré/post de l’acquisition des connaissances.