UNE APPROCHE PSYCHOLOGIQUE DE LA NOTION DE CONTRAINTE EN RÉSOLUTION DE PROBLÈMES

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1 Chevalier, A., & Cegarra, J. (2008). Une approche psychologique de la notion de contrainte en résolution de problèmes. Le Travail Humain, 71(2), SYNTHÈSES REVIEWS UNE APPROCHE PSYCHOLOGIQUE DE LA NOTION DE CONTRAINTE EN RÉSOLUTION DE PROBLÈMES SUMMARY Par A. CHEVALIER 1 et J. CEGARRA 2 A PSYCHOLOGICAL APPROACH TO CONSTRAINTS IN PROBLEM-SOLVING Many studies have been conducted on the role of constraints in psychology and artificial intelligence (A.I.) since the sixties. In psychology as well as in A.I., these studies were led in various problem-solving domains, such as design or scheduling problems, cooperative or individual problem-solving. Although many definitions and approaches to constraints were suggested, no synthesis article has already been realized. This is the purpose of our current article. This article reviews the researches conducted in cognitive and ergonomic psychology that tackle the role of constraints, and includes the main studies from A.I. used in psychology. As most studies focused on the role of constraints in individual problem-solving situations, we chose to attend more precisely to these activities and to illustrate them with various examples from empirical studies. This review starts with the presentation of the main definitions, typologies, and statuses often attributed to constraints in psychology and A.I. Beyond the controversy surrounding these various definitions, typologies, and status, we will highlight how complementary they may be. The second part of this review exposes the operations realized on constraints, emphasizing the three operations that were distinguished in A.I. and psychology: formulation, propagation and satisfaction. We define these operations according to the A.I. approach, and emphasize their psychological implications. Then we present the two most studied operations in psychology: relaxation and elimination of constraints. 1 Université de Paris X-Nanterre UFR SPSE (bât. C) Laboratoire Processus Cognitifs et Conduites Interactives (EA 3984), 200, avenue de la République, F Nanterre cedex. Aline.Chevalier@u-paris10.fr 2 CLLE-LTC Laboratoire Travail et Cognition (UMR CNRS 5263). Centre Universitaire Jean-François Champollion, Place de Verdun Albi cedex 9, France. Julien.Cegarra@univ-jfc.fr

2 2 We conclude this article by suggesting three ways of research about the role of constraints in problem-solving: (1) relationships between constraints and complexity, (2) relationships between constraints and difficulty, and (3) relationships between constraints and attention processes. Key words: Constraint, Typology, Formulation, Propagation, Satisfaction, Problem-Solving.

3 3 I. INTRODUCTION Depuis près de cinquante ans, de nombreux travaux s'intéressent à la notion de contrainte, aussi bien en intelligence artificielle (I.A.) qu'en psychologie cognitive et ergonomique. En effet, dès les années 60, les outils informatiques assistant les processus de conception (conception assistée par ordinateur, systèmes à base de connaissances, etc.) se sont appuyés sur l'idée que résoudre un problème de conception consiste à obtenir la satisfaction d'un ensemble de contraintes (Sutherland, 1963). Nous retrouvons cette idée, par exemple, dans la conception d'objets graphiques (Waltz, 1972), dans la conception de sites Web (Chevalier & Ivory, 2003), dans la conception architecturale (Lebahar, 1998) ou encore dans l'ordonnancement de production (Fox, 1990 ; Lopez & Roubellat, 2007). Dans la résolution de problèmes de conception, les systèmes d'aide ont été dotés d'une capacité à gérer les contraintes, avec l'objectif de décharger les opérateurs du maintien des contraintes satisfaites au cours du processus de conception (cf., par exemple, Borning, Freeman-Benson, Maloney, & Wilson, 1991 ; Ress & Young, 1998). Les formalismes élaborés en I.A. ont alors stimulé des travaux en psychologie cognitive et ergonomique. Cela a conduit à la proposition d un grand nombre de définitions et à la mise en place de nombreuses études au sein de différents domaines. En revanche, aucun travail, à notre connaissance, n'a présenté une synthèse de la notion de contrainte alors qu'elle est à la base de nombreux travaux dans ces deux disciplines. Aussi, cette synthèse poursuit-elle un double objectif, celui de permettre au lecteur d'obtenir une vue d'ensemble des travaux portant sur les contraintes et celui de susciter de nouvelles pistes de réflexion et de recherche relatives à cette notion. De manière générale, et selon le dictionnaire usuel de la langue française, on peut définir une contrainte comme une "obligation créée par les règles en usage dans un milieu" (Le Petit Larousse, 2002). Mais, si l'on définit une contrainte uniquement comme une obligation, on soustrait alors de la définition la possibilité pour les contraintes de décrire, non pas ce qu'il faut faire, mais aussi ce qu'il ne faut pas faire, c'est-à-dire une interdiction. Or, il est admis dans la littérature que les obligations tout comme les interdictions constituent des contraintes qui peuvent être attribuées, par exemple, dans la consigne d'une expérimentation. De ce point de vue, les contraintes constituent une partie de la description de la tâche à remplir par le sujet. A titre d'illustration, Richard (1999) indique, en situation de résolution de problèmes de laboratoire (comme le problème de la Tour de Hanoï), que les contraintes constituent les composantes employées par les sujets pour se représenter le problème. Cette représentation

4 4 initiale du problème va activer certains éléments de connaissances qui permettront au sujet de définir un ensemble de solutions possibles (Knoblich, Ohlsson, Haider, & Rhenius, 1999). Aussi, les contraintes jouent-elles un rôle prépondérant dans l'activité du sujet en résolution de problèmes, en contribuant au contrôle de son activité, en permettant notamment de déterminer sur quels aspects porter son attention. L'étude des contraintes dans cette synthèse se centre principalement sur les situations individuelles de résolution de problèmes, qu'il s'agisse de problèmes de terrain (tels que les problèmes de conception ou d'ordonnancement) ou de laboratoire. Le point de vue disciplinaire de ce travail est celui de la psychologie cognitive et ergonomique, tout en nous appuyant sur des travaux conduits en I.A. (ces derniers étant sélectionnés selon leur contribution aux recherches en psychologie). La première partie de cette synthèse est consacrée à la présentation et à la discussion des différentes tentatives de définitions et typologies de contraintes élaborées dans le champ de la psychologie comme dans celui de l'i.a ( II). Cette section propose des mises en relation entre ces typologies en les regroupant selon trois aspects : la provenance, le poids et le niveau d'abstraction des contraintes. La seconde partie de cette synthèse est consacrée aux différentes opérations qui peuvent être effectuées sur les contraintes ( III). En effet, lorsque nous caractérisons les contraintes selon les typologies évoquées précédemment, nous ne définissons pas l'utilisation qui en est faite par le sujet. Nous pouvons parler de manière générique de gestion de contraintes pour désigner l'ensemble des opérations qui permettent de manipuler les contraintes. Différentes études présentent d'ailleurs l'activité des agents (humains ou artificiels) en situation de résolution de problèmes par la gestion de contraintes, que cela soit en I.A. (cf., par exemple, Stefik, 1981a, 1981b ; Bobrow & Stefik, 1986 ; Mackworth, 1987, 1997, 1999 ; Bekker & Vermeeren, 1996) ou en psychologie cognitive et ergonomique (cf., par exemple, Darses, 1991, 1994 ; Bonnardel, 1992 ; Détienne, 1998 ; Knoblich et al., 1999 ; Richard, 1999 ; Chevalier, 2003 ; Cegarra, 2004 ; Chevalier & Cegarra, 2006). C'est l'ensemble de ces opérations qui sera discuté dans cette partie. Nous concluons cette synthèse par la proposition de nouvelles pistes de recherche qui devraient permettre d'approfondir encore la notion de contrainte ( IV). II. LES DIFFERENTES TYPOLOGIES DE CONTRAINTES Comme nous l'avons présenté en introduction, la notion de contrainte a suscité de nombreux travaux, aussi bien en psychologie qu'en I.A. Ce faisant, différentes définitions et typologies de contraintes ont été proposées. Nous avons choisi de présenter certaines tentatives de définitions de la notion de contrainte ( II.1), pour ensuite nous focaliser sur les

5 5 typologies les plus souvent rencontrées dans la littérature ( II.2). Cette partie se termine par des mises en relation entre ces typologies en les regroupant selon trois aspects : la provenance des contraintes, leur poids et leur niveau d'abstraction. II.1. LES TENTATIVES POUR DEFINIR LA NOTION DE CONTRAINTE Compte tenu de la diversité des travaux que les contraintes ont suscités depuis plus de quarante ans et qu'aucun travail de synthèse n'ait été réalisé pour proposer un cadre théorique commun, différentes approches et définitions se retrouvent dans la littérature. Selon les auteurs et le champ disciplinaire auxquels nous nous rattachons, une contrainte constitue notamment : Une interprétation des données initiales du problème (Eastman, 1970 ; Lebahar, 1983 ; Bonnardel, 1992). Une restriction sur l'ensemble des actions possibles (Richard, 1994, 1995), en permettant de réduire l'espace de recherche du sujet (Darses, 1994). Une composante employée par les sujets pour se représenter le problème à résoudre (Richard, 1999). Une représentation spécifique d'une relation entre variables (Sutherland, 1963). Une condition à satisfaire pour obtenir un but (Stefik, 1981a). Une description partielle de traits structurels et conceptuels de la solution (Stefik, 1981a ; Darses, 1994). Nous allons exposer, à présent, de façon plus précise de quelle façon ces différentes définitions se retrouvent dans la littérature, en proposant également des mises en relation. Dans le champ de l'i.a., les travaux d'ivan Sutherland au Massachusetts Institute of Technology, au début des années 60, sont souvent considérés comme pionniers dans la résolution de problèmes par satisfaction de contraintes. Il s'agissait, à la suite des actions réalisées par l'utilisateur, au travers d'un crayon optique, de retrouver à l'intérieur d'une base de données la figure géométrique la plus probable, en utilisant pour cela un réseau de contraintes. Sutherland (1963, p.70, notre traduction) définissait une contrainte comme "une représentation spécifique d'une relation entre variables, stockée en mémoire, qui limite la liberté des variables, c'est-à-dire qui réduit le nombre de degrés de liberté du système". Cette définition sera conservée au fil des différents travaux en I.A., mais également en psychologie. Ainsi, trente ans plus tard, en psychologie cognitive, Richard (1994, 1995) définissait une contrainte comme une restriction sur l'ensemble des actions possibles dans chaque état de la situation lorsque le sujet est confronté à un problème bien défini et fermé tous les éléments

6 6 nécessaires à sa résolution sont donnés dans l'énoncé (Reitman, 1964 ; Simon, 1995) et il n'admet qu'une solution optimale (tel que le problème de la Tour de Hanoï). Sur cette base, la notion de contrainte véhicule l'idée selon laquelle une contrainte permet de réduire l'ensemble des actions possibles du sujet, ainsi que les solutions envisagées. Dans les situations de résolution de problèmes de conception, problèmes mal définis et ouverts (toutes les informations nécessaires à leur résolution ne sont pas fournies dans l'énoncé et plusieurs solutions peuvent satisfaire un même problème), les contraintes ont un double intérêt. Elles permettent de réduire les options de solution envisagées par les concepteurs, mais également d en suggérer de nouvelles. En effet, sur la base de situations analogues rencontrées antérieurement, le concepteur dispose de contraintes qu'il peut adapter et appliquer au problème courant (Holyoak & Thagard, 1989). Par exemple, Burkhardt et Détienne (1995), dans le domaine de la conception de programmes informatiques, ont montré que se référer à une situation analogue (problème source) permet au concepteur d'introduire de nouvelles contraintes issues de ce problème source. La sélection du problème source pourrait dans ce cas être guidée par les contraintes du problème cible. L'introduction de ces nouvelles contraintes pourrait générer la description de nouveaux buts qui n'étaient pas exprimés jusqu'alors et conduire ainsi à la construction d'une nouvelle représentation mentale. Par ailleurs, les contraintes importées du problème source pourraient aider à la suppression de contraintes du problème cible jugées alors inutiles, voire même fournir un nouvel ensemble de contraintes. Compte tenu que les contraintes nouvellement générées contribuent à de nouvelles possibilités de choix et d'actions, les contraintes constituent une description partielle de la solution (Darses, 1994), en ce sens que définir une contrainte sur l'objet à concevoir revient à décrire partiellement la solution (à introduire une compromission). En effet, parce qu'une contrainte représente une condition à satisfaire pour obtenir un but, elle constitue une description partielle des traits structurels ou conceptuels de la solution (Stefik, 1981a). Par ailleurs, l'idée selon laquelle une contrainte constitue une interprétation des données initiales a été le postulat sur lequel ont reposé la plupart des premières investigations psychologiques notamment dans le domaine architectural (Eastman, 1970 ; Lebahar, 1983) et aérospatial (Bonnardel, 1992). Les contraintes conditionnent alors la représentation de la tâche que le concepteur se construit et permettent le raffinement d'un plan abstrait en séquences spécifiques (Darses, 1994). Cela rejoint la conception de Simon (1981), selon laquelle les contraintes jouent un rôle prépondérant dans la réalisation des buts que le concepteur définit au cours même de son activité.

7 7 Les travaux de Stefik (1981a, 1981b) se rapprochent de la conception de Simon (1981) énoncée précédemment. Selon Stefik (1981a, 1981b), les contraintes spécifient des interactions entre sous-problèmes. Outre la mise en relation qui peut être faite entre la conception de Simon (1981) et celle de Stefik (op.cit.), cette idée trouve des équivalents dès les années 60 en architecture avec Alexander (1964). Ce dernier proposait d'analyser les problèmes de conception architecturale en termes d'exigences et de besoins élémentaires, définis au cours de l'analyse du problème et qui doivent être structurés par la compréhension des relations qu'ils entretiennent entre eux. Plus récemment, Lee, Eastman et Zimring (2003) soulignent, toujours dans le domaine architectural, que résoudre un problème revient à considérer les relations entre différentes contraintes. Par exemple, les architectes réalisent des croquis pour mettre en évidence des conflits entre contraintes techniques (Lebahar, 1998). Dès lors que le concepteur résout des conflits entre contraintes, il commence à spécifier une solution (Visser, 2002). Cependant, les interactions entre sous-problèmes ne se résument pas à la résolution de conflits car les contraintes peuvent aussi spécifier un sous-ensemble de combinaisons acceptables entre plusieurs variables et non une valeur de variable unique (Darses, 1997b ; Scott, Horvath, & Day, 2000). En résumé, et comme nous l'avons développé en introduction de cette partie, selon les auteurs, l'accent peut plutôt être posé sur l'une des trois caractéristiques des contraintes présentées précédemment (ces caractéristiques ne sont pas incompatibles entre elles) : (1) réduction des actions possibles, (2) description partielle de la solution ou (3) spécification d'interactions entre sous-problèmes. Par ailleurs, toutes les contraintes ne sont pas directement accessibles au sujet, et peuvent provenir de différentes sources. II.2. LA PROVENANCE DES CONTRAINTES Dans le champ de la psychologie cognitive et ergonomique, les contraintes que les sujets doivent satisfaire se distinguent selon leur provenance. Dans les activités de résolution de problèmes conduits en situation de laboratoire, Richard (1995) note l'intervention de deux types de contraintes dans l'activité du sujet : Les contraintes réelles imposées par la situation dans laquelle se trouve le sujet et auxquelles il doit s'adapter. Il s'agit par exemple des règles attribuées dans l'énoncé du problème. Les contraintes supplémentaires que le sujet se fixe (par exemple, sous la forme d'inférences) pour résoudre un problème donné et qui peuvent être d'origines diverses

8 8 (procédures inappropriées que le sujet applique à la situation, buts construits par le sujet, etc.). Par la suite, Richard (Richard & Tijus, 1998 ; Richard, 1999) privilégiera les expressions de contraintes explicites et de contraintes implicites. Les contraintes explicites proviennent directement de l'énoncé du problème à résoudre. Il s'agit des règles attribuées auxquelles le sujet doit se conformer, qui lui indiquent ce qu'il doit faire ou ne pas faire. La notion de contrainte implicite met l'accent sur les inférences du sujet à partir d'une activité de compréhension des contraintes explicites. Une contrainte implicite peut résulter d'une mauvaise interprétation de la consigne et n'est donc pas forcément correcte. La notion de contraintes implicites peut cependant être développée, dès lors que l'on ne restreint pas la description de la provenance des contraintes aux situations où les sujets ne disposent d'aucune expérience du problème. De cette façon, la typologie élaborée par Richard peut être rapprochée de celle proposée par Ullman, Wood et Craig (1990) dans le domaine de la conception industrielle de produits mécaniques. Ces derniers parlent de contraintes données, c'est-à-dire prescrites au début de la tâche, ce qui rejoint les contraintes réelles et explicites définies par Richard (op.cit.). Ullman et al. (op.cit.) décrivent aussi des contraintes dérivées qui sont plus larges que les contraintes supplémentaires et implicites. En effet, ces auteurs incluent dans cette notion l'activité de compréhension du problème à résoudre mais aussi les contraintes ajoutées par l'expérience des sujets. Cette approche est importante, notamment lors d'études prenant en compte le niveau d expertise des opérateurs. D'autres auteurs ont encore affiné la description de la provenance des contraintes. Savage, Miles, Moore et Miles (1998) ont proposé dans des tâches simples de conception (comme, par exemple, la construction de ponts en papier) une classification des contraintes en trois types : Les contraintes externes qui sont définies comme des facteurs économiques, tels que le temps et le coût. Les contraintes internes qui sont définies comme les connaissances du sujet, c'est-àdire liées à l'expérience dans le domaine considéré. Les contraintes inhérentes provenant de la tâche qui correspondent aux caractéristiques physiques comme la taille ou l'espace. Si l'approche de Savage et al. (op.cit.) discrimine les contraintes internes et inhérentes au sein des contraintes dérivées, elle se limite cependant à la description des contraintes sur les objectifs, alors que les contraintes peuvent aussi limiter les procédures de résolution du problème (comme nous le détaillerons au II.4).

9 9 Afin de bien distinguer la provenance des contraintes, sans se restreindre aux contraintes contenues dans la tâche prescrite, on peut alors se référer et élargir les travaux de Bonnardel (1992), portant sur la résolution de problèmes de conception dans le domaine aérospatial. On peut ainsi distinguer trois types de contraintes : Les contraintes prescrites. Elles sont définies par le commanditaire et/ou peuvent résulter d'une analyse du cahier des charges par le concepteur. Ces contraintes concernent des aspects techniques et/ou fonctionnels spécifiques au problème à satisfaire, comme la composition d'un produit donné par différents matériaux. Elles sont identifiées avant le début du processus de conception (Eastman, 1970) et déterminent la représentation de l'état initial du problème en formulant également des spécifications fonctionnelles ou physiques (Ullman, Dietterich, & Stauffer, 1988). Ces contraintes sont en quelque sorte incontournables et indépendantes du concepteur. Selon Darses (1994), ces contraintes prescrites sont rarement exprimées par les concepteurs comme des propriétés de solutions mais plutôt comme des données de représentation du problème. En fonction du domaine de conception considéré, ces contraintes peuvent être majoritairement des propriétés de l'état final. Par exemple, dans la conception de sites Web, la contrainte prescrite "l'historique du client doit figurer dans le site" constitue une propriété de l'état final du problème, en ce sens que le texte relatif à l'historique devra figurer sur l'une des pages du site, c'est-à-dire sur le produit à réaliser (Chevalier, 2002). La prise en compte d'une contrainte de ce type permet d'envisager une propriété de l'état final (le produit) sans pour autant apporter d'indice sur l'activité cognitive du processus de résolution mis en oeuvre par le concepteur pour parvenir à cet état. Les contraintes construites sont élaborées par le concepteur et sont généralement liées à l'expertise. Elles sont évoquées par le concepteur sous la forme d'inférences grâce à l'activation de connaissances acquises avec l'expérience. Elles ne concernent pas seulement le domaine technique en question et peuvent être de différentes natures (par exemple, une contrainte construite à partir de connaissances issues d'un domaine différent). Les contraintes déduites découlent de l'analyse des contraintes déjà définies et/ou de l'état courant de la solution du problème. Elles surviennent au cours de la conception comme une conséquence inévitable de décision de la conception et peuvent résulter aussi bien de contraintes construites que de contraintes prescrites. Dans tous les cas, ces contraintes, de la même façon que les contraintes construites, sont inférées par les concepteurs.

10 10 A partir de cette classification, il est possible de rapprocher les types de provenance, bien que ces typologies aient été proposées dans des domaines variés (conception aérospatiale, problèmes de laboratoire, conception de produits mécaniques, etc.), c'est ce que nous proposons dans le tableau 1. Tableau 1. Récapitulatif et mise en relation des différentes typologies de contraintes selon les auteurs. Table 1. Summary and relationship between the different constraint typologies according to authors. Il est possible d'illustrer ces trois grands types de provenances des contraintes par le problème classique des neufs points (proposé par Maier, 1930, cité par Richard, 1995) dont une contrainte prescrite (contenue dans la consigne) est la suivante : "Vous devez joindre les neuf points en dessinant quatre lignes droites continues sans jamais lever le crayon". La majorité des sujets qui ne parviennent pas à résoudre ce problème utilisent la contrainte déduite suivante : "joindre deux points par un segment de droite, c'est aller d'un point à un autre en ligne droite sans dépasser les points". Pour que le problème devienne solvable, il faut comprendre que tracer un segment passant par les deux points, revient à joindre les points, même si le segment dépasse le cadre (figure 1). Une fois le problème résolu, une seconde passation permet de formuler une contrainte construite conduisant à l'atteinte de la solution en évitant de renouveler la procédure qui a autorisé la découverte de la solution. Figure 1 : Le problème des neufs points et sa solution. Figure 1: The nine-dot problem and its solution. La typologie proposée par Bonnardel (op.cit.) a l'avantage de pouvoir être identifiée dans la plupart des activités de résolution de problèmes, tant pour les problèmes de laboratoire que pour les problèmes de terrain. La caractérisation des situations individuelles de résolution de problèmes par cette typologie présente l'avantage de permettre la comparaison de certains résultats et, ainsi, d'être en mesure de dégager certaines connaissances généralisables d'un domaine à l'autre. Cependant, les résultats que l'on obtient grâce à ce type d'analyse ne permettent pas de caractériser assez finement l'activité cognitive du sujet. Une possibilité pour développer l'analyse de l activité consiste à détailler la provenance des contraintes. C'est l'approche employée par Norman (1988), qui suggère une typologie "universelle", distinguant des

11 11 contraintes physiques (des obligations liées aux propriétés des objets), sémantiques (liées aux connaissances disponibles sur les objets), culturelles (c'est-à-dire les conventions) et logiques (lorsqu'une contrainte ne présente pas d'alternatives). Le problème de cette typologie est que les contraintes sont définies de manière générique et ne sont plus associées au statut que l'opérateur lui-même leur attribue. En effet, les contraintes physiques tout comme culturelles sont, du point de vue humain, des contraintes irrépressibles que les sujets ne peuvent généralement pas contourner. Cette typologie mélange en réalité la provenance des contraintes et leur pondération implicite. Or, la provenance et la pondération peuvent être étudiées séparément comme l'indique la partie suivante. II.3. LE POIDS ACCORDE AUX CONTRAINTES Dans de nombreuses situations de résolution de problèmes, telles que les activités de conception, différentes solutions peuvent être proposées selon le concepteur, à partir des mêmes contraintes prescrites. Ces solutions pourront être jugées acceptables, mais non optimales, aux yeux d'un autre concepteur qui pourrait établir un ordre différent sur les contraintes et, ainsi, parvenir à une solution différente pour un même problème. La sélection préférentielle de certaines données du problème, au détriment des autres, peut être perçue comme la pondération de contraintes énoncées initialement ou connues préalablement (Darses, 1994). Janssen, Jégou, Nougier et Vilarem (1989) soulignent que la prise en compte des contraintes dans l'activité des sujets peut être différente selon le statut qui leur est attribué statut qui dépend en partie de la source de la contrainte. Ces auteurs distinguent deux pondérations des contraintes : Les contraintes de validité : elles doivent impérativement être vérifiées dans les solutions développées. Ces contraintes peuvent être constituées par les données initiales du problème (par exemple, les spécifications attribuées dans le cahier des charges), ainsi que par les conditions de validité technique de l'objet (Anderson & Evans, 1996). Les contraintes de préférence : ce sont des contraintes qui rendent compte du fait que les objets admissibles ne sont pas équivalents au vu de critères d'évaluation de sources très diverses (par exemple, le coût ou la robustesse). Ces contraintes de préférence peuvent être satisfaites de plusieurs façons et à des degrés variables, et peuvent supporter diverses conditions d'application. Elles sont donc intégrées au processus avec une plus grande souplesse que les contraintes de validité. Par exemple, Janssen et al. (1989) ont conçu un système qui a la possibilité de retirer ou d'ajouter des

12 12 contraintes de préférence et le principe, sous-jacent à ce système, consiste à vérifier si l'ensemble courant de contraintes peut être satisfait afin d'aider l'utilisateur (du système) dans ses choix de conception. Par conséquent, on parle d'une contrainte de préférence lorsqu'on peut la "contourner", c'est-à-dire lorsque sa pondération est modifiable. Une contrainte a le caractère de préférence parce qu'elle autorise une plus grande liberté quant au choix de ses valeurs. On met l'accent sur son caractère flexible et négociable puisque jusqu'au dernier moment, on peut modifier l'importance qu'on lui attribuera dans le processus de conception. Quand on parle de contraintes de validité, on insiste sur le fait que la pondération est très élevée et que ces contraintes sont difficilement contournées. En d'autres termes, la distinction préférence versus validité reflète en réalité la manière dont les sujets sont encouragés à satisfaire la contrainte concernée (la satisfaction est présentée au cours du III.1). Pour les contraintes de validité, les choix sont fermement maintenus, tandis que l'application des contraintes de préférence autorise une attitude plus flexible. La prescription du poids de contraintes peut aussi s'effectuer par l'intermédiaire d'un outil informatisé. Ainsi, dans les situations où un opérateur doit spécifier ses décisions par l'intermédiaire d'un outil informatique, le concepteur de l'outil a pu inclure certaines pondérations dans les contraintes. Par exemple, dans des travaux conduits sur la conception d'outils informatisés d'assistance à l'opérateur, Vessey, Jarvenpaa et Tractinsky (1992) considèrent que les contraintes peuvent se différencier selon leur statut : Le statut restrictif qui concerne les contraintes qui doivent être respectées. Le statut guidé qui a trait aux contraintes que les opérateurs sont encouragés à respecter. Le statut flexible où les opérateurs sont libres dans le respect des contraintes. Cette distinction peut être rapprochée des niveaux de prescription de contraintes suggérés par Scott et al. (2000) dans la même situation. Ces auteurs, en se référant aussi aux études conduites par Jankowski (1997) et Day (1996), distinguent les possibilités de remises en cause de contraintes autorisées à l opérateur par l'outil (ou équilibrage dans les termes des auteurs) : L'équilibrage restrictif, lorsque l'opérateur ne peut contourner les contraintes. Dans la conception d'interfaces logicielles, on privilégie l'expression "fonction de contrainte" pour désigner le fait que le comportement de l opérateur est bloqué jusqu'à la résolution d'un problème (Lewis & Norman, 1986 ; Reason, 1993), par exemple suite à un message d'erreur. L'équilibrage guidé, dès lors que l'opérateur est orienté vers leur satisfaction. Ce guidage peut être plus ou moins actif. Un outil offre un guidage actif si, par exemple,

13 13 il affiche un avertissement lorsque l'utilisateur viole une contrainte relevant d'une pratique standard. A titre d'illustration, dans les travaux de Culverhouse (1995) sur la conception de matériel électronique, plusieurs situations de conception sont caractérisées (telles qu'une conception innovante ou une conception de variante). Selon la situation, les outils proposés aux concepteurs les contraignent plus ou moins dans leur activité. Cela permet d'empêcher les concepteurs de recommencer une nouvelle proposition dans le cas d'une conception de variante. D'après les travaux que nous venons de présenter, nous pouvons mettre en relation les pondérations et statuts attribués aux contraintes selon les auteurs de la façon suivante (tableau 2) : Tableau 2. Pondération et statut attribués aux contraintes selon les auteurs. Table 2. Weight and status allocated to constraints according to authors. Si l'on peut admettre que les pondérations des contraintes sont attribuées par le prescripteur, que cela soit ou non au travers d'un outil, elles ne correspondent donc pas forcément à celles que les opérateurs considèrent. Aussi, est-il nécessaire de prendre en compte l'importance que ces derniers attribuent, eux-mêmes, aux contraintes. Cette importance peut être différente d'un opérateur à l'autre, évoluer au cours de son activité ou encore varier selon le problème à résoudre. Par exemple, les outils d'ordonnancement de production industrielle planifient dans le temps les commandes à produire en considérant les dates de livraison comme des contraintes de validité. Or, dans les études de terrain, on constate que les opérateurs peuvent aussi relâcher ces contraintes pour se donner des marges de manœuvre supplémentaires afin de minimiser le nombre total de livraisons en retard (Higgins, 1999). Il convient donc d'inclure une typologie des poids accordés aux contraintes reflétant l'activité du sujet. Dans cette direction, Anderson (1995) a proposé deux pondérations de contraintes que les sujets attribuent au cours de leurs activités quotidiennes : Les contraintes nécessaires qui doivent être satisfaites pour poursuivre leur activité, par exemple "être à l'heure pour un entretien d'embauche". Les contraintes optionnelles qui correspondent aux connaissances du sujet et, notamment, à ses connaissances normatives, comme par exemple "il est habituel de manger vers 20 heures". Anderson (1995) employait l'expression "contrainte de préférence" mais cette appellation amène à une confusion avec la préférence attribuée

14 14 à la contrainte par le prescripteur, le terme de contraintes optionnelles est donc privilégié dans ce cas. Toujours en ce qui concerne les pondérations attribuées aux contraintes, Scott et al. (op.cit.) ont montré que la source d'autorité, c'est-à-dire le statut, la position et/ou l'expertise reconnue au prescripteur de la contrainte, joue un rôle majeur sur l'importance accordée aux contraintes prescrites. Par exemple, dans un outil de conception assistée par ordinateur, des contraintes peuvent relever de standards professionnels, de préférences clients, de choix industriels, de normes internationales (telles que les normes ISO), etc. qui n'ont pas la même importance aux yeux du concepteur. Cette relation ne peut se concevoir uniquement de manière statique, car la valeur attribuée à une contrainte dépend non seulement de la source d'autorité, mais également des interactions que le sujet entretient avec cette source au cours de son activité. A titre d'illustration, dans le cadre des activités de relations de services, telles que la conception de sites Web ou la conception architecturale, qui peuvent apparaître a priori comme des activités individuelles pour le concepteur, requièrent en réalité l'intervention plus ou moins directe d'autres acteurs du processus de conception (Falzon & Lapeyrière, 1998 ; Chevalier & Bonnardel, 2001). Par exemple, en conception de sites Web, on peut distinguer au moins trois types d'acteurs intervenant dans le processus de conception, qui sont le concepteur du site, le commanditaire et les futurs utilisateurs (Chevalier & Bonnardel, 2001). Néanmoins, ces différents acteurs ne pouvant pas être présents tout au long de la réalisation du produit, c'est au concepteur de tenter d'adopter leurs points de vue en plus du sien. Certains de nos travaux montrent que les concepteurs mobilisent pour cela différentes contraintes, reflétant les besoins potentiels de ces autres acteurs du processus de conception (Chevalier, 2002 ; Chevalier & Ivory, 2003). Le poids associé aux contraintes et le statut du prescripteur vont donc faire l'objet d'évaluations par les opérateurs. Ces évaluations vont aussi dépendre de l'expertise des opérateurs et de leurs préférences en termes de conception. Par exemple, on peut noter, des différences quant à la façon de gérer les contraintes selon le niveau d'expertise des concepteurs : les experts ont tendance à mettre de côté davantage de contraintes que les novices, qui se compromettent rapidement dans la satisfaction des contraintes (Chevalier & Bonnardel, 2003). Les travaux que nous venons de citer ont été conduits lors d'études de terrain. Toutefois, la pondération de contraintes se retrouve également dans la résolution de problèmes de laboratoire. Dans ces situations particulièrement, il faut souligner que, pour un sujet, le caractère explicite d'une contrainte ne justifie pas immédiatement une pondération plus forte que pour des contraintes implicites. Par exemple, Richard (1999), en ce qui concerne la résolution du problème de la Tour de Hanoï, note que certains sujets infèrent une contrainte

15 15 (contrainte implicite) "ne pas déplacer un disque de la tige de gauche à la tige de droite sans s'arrêter sur celle du milieu". L'induction de cette contrainte fait que le sujet ne parvient pas à la solution finale ou y parvient, mais avec un nombre d'actions ou d'états intermédiaires plus important. En effet, cette contrainte, que le sujet va considérer dans un premier temps comme nécessaire, le conduit à construire un espace de recherche sur-contraint ne permettant de parvenir à la solution. Ce ne sera qu'en situation d'impasse que le participant s'apercevra que cette contrainte n'est pas nécessaire (parce qu'elle n'appartient pas à la consigne), et qu'il pourra l'éliminer pour parvenir plus rapidement à la solution. Outre cette distinction en fonction du poids accordé aux contraintes, il est nécessaire de prendre en compte leur niveau d'abstraction. En effet, le niveau d'abstraction va également intervenir dans la pondération des contraintes réalisée par les sujets comme nous l'indiquons dans la partie suivante. II.4. LE NIVEAU D'ABSTRACTION DES CONTRAINTES Les contraintes du problème peuvent être distinguées selon le niveau d'abstraction auquel elles se situent (Ullman et al., 1988 ; Gero, 1990 ; Ullman et al., 1990 ; Bonnardel, 1992 ; Darses, 1997a, 1997b). Les contraintes se situent alors sur un continuum abstrait-concret (Darses, 1994). A une extrémité, les contraintes décrivent des aspects fonctionnels ou conceptuels de l'objet (par exemple, la fiabilité ou le coût) et à l'autre extrémité, les contraintes s'appliquent à des traits physiques. Entre ces deux extrémités du continuum s'intercalent des niveaux d'abstraction intermédiaires auxquels seront attachées des contraintes. Darses (1994) souligne que l'intérêt de ce continuum réside dans le fait qu'il distingue bien les contraintes produisant des connaissances transférables à un ensemble de problèmes de celles qui produisent des connaissances spécifiques au problème traité. Les premières sont des contraintes de haut niveau d'abstraction, elles sont indépendantes du domaine, alors que les secondes sont spécifiques au domaine. De cette façon, les contraintes deviennent de plus en plus dépendantes du domaine (ou inversement) ou, tout au moins, très difficilement transférables au fur et à mesure qu'elles décrivent des aspects physiques. Cela permet d'associer aux contraintes un degré d'opérationnalité qui dépend de leur efficacité à produire une solution. Cette propriété conduirait d'ailleurs les concepteurs à exprimer directement une contrainte à un bas niveau d'abstraction plutôt qu'à évoquer son équivalent fonctionnel (Bonnardel, 1992).

16 16 Pour décrire plus finement ces contraintes selon cette dimension abstrait-concret (ou finmoyen), il est possible de se référer aux travaux d'anderson et Evans (1996) qui identifient trois catégories de contraintes courantes : Les contraintes sur l'action désignent des restrictions entre les possibilités d'action sur l'environnement ; par exemple "pour faire A, il faut l'outil O". Les contraintes sur l'enchaînement de l'activité représentent des restrictions sur les séquences de contraintes ; par exemple : "A ne peut être réalisé qu'après B". Les contraintes sur le comportement consistent en des critères que doit atteindre le sujet ; par exemple : "consacrer peu de temps à la tâche C". Les contraintes sur le comportement sont cependant peu détaillées alors qu'elles semblent constituer une catégorie qui n'est pas indépendante des deux autres : il s'agit des métaconnaissances. Elles peuvent aussi porter sur l'action ou l'enchaînement de l'activité. Parce que ces catégories ne semblent pas clairement délimitées, il nous semble alors pertinent de proposer trois niveaux pour détailler les contraintes sur la dimension fin-moyen : Les contraintes sur les moyens, c'est-à-dire les ressources externes que le sujet peut manipuler. Ces ressources peuvent être de nature physique et/ou virtuelle selon le domaine considéré. Par exemple, "on dispose de l'outil A pour parvenir à faire telle action". Les contraintes sur les procédures, lorsque les contraintes portent directement sur les étapes de résolution du problème. Il s'agit, par exemple, de contraintes sur la méthode de résolution autorisée pour résoudre un problème donné. Par exemple, "avant de faire l'action B, il faut réaliser l'action A". Les contraintes sur les objectifs (objectifs intermédiaires ou finaux). Un objectif peut se traduire par un ensemble de variables qui spécifient les états à atteindre. Ces variables sont interprétées comme des contraintes, partiellement ordonnées du fait des pondérations attribuées à chacune d'entre elles. Dans cette perspective, la représentation des objectifs sur laquelle le sujet s'appuie est entièrement soumise à la structuration des contraintes et du but qu'il se construit (Richard, Poitrenaud, & Tijus, 1993). Par exemple, pour résoudre un problème de transformation d'états (comme la Tour de Hanoï), le sujet devra identifier quelle(s) contrainte(s) implicite(s) éliminer afin d'atteindre l'objectif final (Richard et al., 1993). Ainsi, pouvons-nous remarquer que ces différentes contraintes entretiennent d'étroites relations entre elles. Les contraintes qui portent sur les moyens influent sur les contraintes qui portent sur les objectifs et réciproquement. En effet, les moyens dont le sujet dispose pour

17 17 résoudre son problème vont permettre de définir les objectifs à atteindre. Les objectifs à atteindre vont avoir un impact sur les moyens définis pour y parvenir. Par ailleurs, c'est une distinction que l'on peut identifier dans des travaux de psychologie cognitive et d'i.a. mais aussi, par exemple, en psycholinguistique. Ainsi, Caron et Caron-Prague (1991) distinguent les contraintes qui relèvent de la situation, de l'organisation du processus ou des objectifs que se fixe le sujet, ce qui rejoint notre proposition concernant les trois niveaux de contraintes. S'il est possible de proposer ces niveaux de contraintes pour développer la proposition d Anderson et Evans (1996), il faut aussi noter une omission fréquente relative à un autre classement des contraintes : la dimension "partie-tout" dans les termes de Rasmussen (1986). En effet, s'il est possible de caractériser une contrainte selon son niveau d'abstraction relatif à une hiérarchie "fin-moyen", il faut aussi prendre en compte le niveau de détail de cette contrainte. Une contrainte peut, en effet, conduire à inférer un nombre plus ou moins important de nouvelles contraintes, en d'autres termes une contrainte donne lieu à une propagation plus ou moins importante. Par exemple, dans la conception de sites Web, la contrainte "le budget accordé à ce site est restreint" va conduire à inférer de nombreuses contraintes sur le site à réaliser, alors qu'une contrainte comme "ne pas développer de moteur de recherche pour ce site" ne conduit à inférer qu'un nombre limité de nouvelles contraintes. Dans le cadre d'une revue de questions sur les contraintes en psychologie, il est nécessaire de mettre en avant cette dimension parce qu'elle a été souvent omise dans les travaux sur les contraintes en psychologie cognitive et ergonomique alors qu'elle peut se révéler particulièrement importante pour étudier la complexité traitée par les opérateurs. C'est un point qui sera présenté dans les perspectives de cet article. Par ailleurs, la prise en compte des deux dimensions qui ont été présentées ci-dessus ("partie-tout" et "fin-moyen") constitue la base de la conception d'interfaces écologiques (Ecological Interface Design). L'objectif de cette approche étant d'identifier (et par-là même rendre opérationnelles) les contraintes intrinsèques de la tâche afin de les rendre visibles aux opérateurs pour qu'ils puissent les considérer (Vicente, 1999). D'après les travaux que nous venons de citer, les contraintes prises en compte par le sujet, pour résoudre un problème donné, peuvent varier selon leur nature, leur importance et leur niveau d'abstraction. Aussi, la résolution d'un problème va-t-elle se caractériser par la manipulation de contraintes sur lesquelles le sujet devra effectuer différentes opérations pour parvenir à la proposition d'une solution. C'est ce que nous développerons dans la partie III.2.

18 18 III. AGIR SUR LES CONTRAINTES : LES OPERATIONS Une opération constitue un traitement appliqué sur une contrainte dont l'action modifie le réseau ou l'ensemble de contraintes établi aux cours des différentes étapes du processus de résolution de problèmes. Initialement, les opérations sur les contraintes (par exemple, leur formulation ou leur propagation) ont été proposées en I.A. ; celles-ci seront présentées dans la partie III.1. Néanmoins, des travaux conduits en psychologie montrent que d'autres opérations doivent aussi être considérées pour décrire plus finement les modes opératoires humains (par exemple, les mécanismes d'élimination de contraintes), elles seront l'objet de la partie suivante. III.1. FORMULATION, PROPAGATION ET SATISFACTION DE CONTRAINTES Dans la littérature scientifique s'intéressant aux activités de conception et plus particulièrement depuis les travaux de Stefik (1981a) dans le champ de l'i.a., on considère que traiter une contrainte, c'est lui appliquer en général successivement trois opérations : la formuler, la satisfaire et la propager. Ces opérations sont considérées comme une suite de traitements élémentaires qui portent sur les contraintes. Plus précisément, selon Stefik (op.cit.) : La formulation d'une contrainte est définie comme l'expression d'une contrainte non encore particularisée. En conception, cela correspond à ajouter de nouvelles contraintes (Darses, 1994). Une contrainte est formulée lorsque deux variables sont mises en relation. Par exemple, l'énoncé "selon la taille du bâtiment, on mettrait des routeurs plus ou moins grands" met en relation les variables "capacité des routeurs" et "taille du bâtiment" sans en déterminer la valeur (exemple emprunté à Darses, 1994). D'un point de vue cognitif, la formulation d'une contrainte correspond à une représentation mentale d'une contrainte sans qu'une valeur ne soit arrêtée. La satisfaction d'une contrainte est définie comme l'expression d'une contrainte particularisée. Une contrainte satisfaite correspond à toute relation entre des variables auxquelles des valeurs sont explicitement associées et qui forment une combinaison valide. On peut alors parler d'erreur, si l'ensemble des contraintes à considérer n'est pas satisfait (Lee et al., 2003). Pour Darses (1994), satisfaire une contrainte consiste à trouver des valeurs telles que la relation entre les variables considérées soit satisfaite. Par exemple, dans "les points de contact se feraient au niveau 3, avec des routeurs, je crois que c'est préférable pour un réseau pareil", la contrainte est satisfaite (exemple emprunté à Darses, op.cit.). Par conséquent, d'un point de vue cognitif, une contrainte

19 19 est satisfaite dès lors qu'elle a fait l'objet d'un traitement pour parvenir à une solution concrète. La propagation d'une contrainte rend compte de la création et/ou de l'introduction d'une nouvelle contrainte dans le processus de conception, suite à l'expression d'une contrainte antérieure. Par exemple, la contrainte prescrite "puisque le client demande d'indiquer les avantages pour les adhérents" peut conduire à l'inférence de la contrainte suivante : "pour cela, on aurait peut-être pu indiquer les avantages pour les adhérents sur toutes les pages du site Web en les mettant en caractères gras et en plus gros" (exemple tiré de Chevalier, 2002). D'un point de vue cognitif, propager une contrainte revient à partir d'une contrainte donnée via un processus inférentiel à induire ou déduire une nouvelle contrainte. De nombreux travaux en conception ont d'ailleurs mis en évidence l'introduction systématique, par le concepteur, de contraintes supplémentaires pour faire face à une tâche donnée (Bonnardel, 1992 ; Darses, 1994 ; Détienne, 1998 ; Chevalier, 2002). Par ailleurs, des analyses de protocoles verbaux, en conception de réseaux informatiques, montrent que ces trois opérations sur les contraintes sont généralement appliquées par les concepteurs selon les modalités suivantes (Darses, 1994) : des contraintes sont formulées et satisfaites dans le même temps, certaines sont seulement formulées, tandis que d'autres voient leur satisfaction dissociée de leur formulation. Les travaux de Darke (1984), puis ceux de Darses (1997b), montrent que la plupart du temps les concepteurs déterminent la valeur de la contrainte au moment même où ils l'énoncent : la satisfaction d'une contrainte est généralement acquise dès que la relation est formulée. Ainsi, les concepteurs se compromettent rapidement dans des traits de la solution, ceux-ci étant définis par simple évocation des contraintes associées. Il y a ainsi une réduction plus rapide, dans ce cas, de l'espace de recherche. Dans certains cas, les contraintes sont seulement formulées, notamment lorsque des contraintes sont éliminées (ce point sera développé au III.2). Enfin, dans le troisième cas, la satisfaction est dissociée de la formulation et peut être reportée à une étape plus avancée du processus de conception. Cela permet notamment de propager les contraintes (Darses, 1997b), ce qui conduit alors à simplifier ou à expliciter un réseau de contraintes (inférence de nouvelles contraintes, réduction de l'ensemble des valeurs que peut prendre une variable, etc.). De plus, une étude conduite en conception de sites Web montre que la mise en œuvre de cette stratégie de report dépend en partie du niveau d'expertise des concepteurs (Chevalier & Bonnardel, 2003). En effet, les concepteurs professionnels adoptent cette stratégie plus fréquemment que les concepteurs débutants. Cette stratégie permet aux concepteurs professionnels de ne pas se compromettre trop rapidement et/ou trop

20 20 prématurément dans des solutions qui risqueraient de demander a posteriori un important travail de révision. Enfin, un constat spécifique aux travaux en psychologie doit être pris en compte concernant la satisfaction des contraintes. En effet, un sujet humain peut très bien satisfaire oralement une contrainte, de telle sorte que celle-ci soit opérationnalisable, sans pour autant la réaliser concrètement dans la tâche. A l'inverse, en I.A., comme dans les travaux de Stefik (1981a), la satisfaction désigne simultanément la détermination de la valeur d'une variable, ainsi que la réalisation effective de cette satisfaction. Pour cela, il est nécessaire, dans les études de sujets humains d'adjoindre l'adjectif "effectif" lorsque le sujet exploite concrètement la contrainte dans le produit de son activité. Par exemple, un sujet peut énoncer oralement une contrainte de façon très précise (la satisfaire), sans pour autant en tenir compte dans sa production finale (Chevalier & Ivory, 2003). Comme nous l'avons indiqué précédemment, l'activité du sujet, en situation de résolution de problèmes, ne se réduit pas seulement à formuler, propager et satisfaire des contraintes d'autres mécanismes sont impliqués. Il s'agit, notamment, des processus de relâchement et d'élimination de contraintes, présentés dans la partie suivante. III.2. DU RELACHEMENT A L'ELIMINATION DE CONTRAINTES L'approche proposée par Stefik (1981a) se limite à une démarche descendante, se traduisant par une planification de type hiérarchique. Cette démarche descendante peut être résumée de la façon suivante : une fois que le sujet a pris connaissance du problème à résoudre (les contraintes sont formulées), il doit décomposer le problème en sous-problèmes (les contraintes sont propagées) pour déterminer une solution. Les solutions spécifiques à chaque sous-problème (solutions partielles) conduiraient à la solution globale du problème (Simon, 1973). Dans ce cas, la planification consisterait seulement à élaborer et/ou à mettre en œuvre des plans, ceux-ci étant une représentation schématique et/ou hiérarchisée susceptible de guider l'activité du sujet (Hoc, 1987). Hoc (op.cit.) propose, en plus de cette planification de type descendante, une planification de type ascendante. Cette démarche ascendante conduit des détails de la situation aux plans. Ces deux types de planification interviennent, à des degrés variables, dans l'activité du sujet. Cette démarche dite opportuniste (Hayes-Roth & Hayes-Roth, 1979), formalisée par un modèle Blackboard, permet ainsi un passage continu entre une démarche de type ascendante et une démarche descendante. Le comportement opportuniste se caractérise également par des retours en arrière et des anticipations sur l'état de solution, tels que les reports à plus tard (Falzon, Bisseret, Bonnardel,