Cette thèse rend compte d'une recherche portant sur l'utilisation d'environnements virtuels en formation professionnelle. Cette recherche est conduite en référence au programme empirique et technologique du « cours d'action » et a été menée dans le contexte industriel de la professionnalisation des agents de terrain dans les centrales nucléaires. Trois dispositifs de formation ont été co-conçus, expérimentés et analysés. Les résultats font état (i) des structures typiques de différents niveaux dans l'organisation du cours d'expérience des acteurs lors de l'utilisation de l'environnement virtuel en situation de formation, ainsi que (ii) des expériences-type de reenactment, de projection aux futures situations de travail et de mise en intrigue dynamique. Les avancées technologiques se sont concrétisées par et portent sur la re-conception de chacun des trois dispositifs de formation, tout en donnant lieu également à des pistes de re-conception de l'environnement virtuel lui-même. La discussion des résultats empiriques permet (i) d'examiner le reenactment sous le regard de l'imagination productive en explicitant la place des images, (ii) de souligner le rôle des abductions dans la dynamique d'apprentissage/développement et l'intérêt des « laboratoires de curiosités », ou encore (iii) de proposer un essai méthodologique pour l'Observatoire du programme du cours d'action : l'entretien de remise en situation à partir de traces artificielles. Un second niveau de discussion technologique permet de proposer trois principes de conception de situations de formation mobilisant des environnements virtuels : (i) l'aide à la réflexivité augmentée, (ii) l'aide à l'extension de la sémiose et l'encouragement des abductions, et (iii) l'encouragement à l'expérience mimétique.