Cette thèse, réalisée dans le cadre d’un projet de recherche pluridisciplinaire financé par le Ministère de l’Économie, de l’Industrie et de l’Emploi, étudie le fonctionnement de systèmes didactiques scolaires et universitaires dans un contexte d’apprentissage médiatisé par un serious game dédié au génie mécanique appelé Mecagenius®. Les travaux ont pour parti contribué à produire des outils de conception de ce serious game et à étudier les usages didactiques de professeurs et d’élèves dans des classes de lycée, d’IUT et d’université. Le processus de conception et d’évaluation s'est appuyé sur trois études emboitées relevant de programmes épistémologique, didactique et cognitif. Les résultats ont permis de rendre compte de l’usage didactique de Mecagenius® dans des classes ordinaires à travers la manière dont les professeurs l’utilisent et d'identifier les stratégies d’études individualisées mises en œuvre par des élèves contrastés selon leur position d'excellence dans la classe. La recherche met en évidence des usages contrastés d'intégration de l'artefact à la pratique des enseignants allant de modalités transmissives à des formes de genèse instrumentale spécifiques leur permettant, au fil des interactions avec les élèves, d'utiliser le serious game en plus ou moins grande adéquation avec les choix didactiques ayant présidé à sa conception. Du côté des élèves, les résultats pointent des stratégies différentielles pouvant contribuer pour les meilleurs au développement de compétences spécifiques de génie mécanique ; les plus faibles n'étant pas en mesure de dépasser les obstacles à l’apprentissage rencontrés dans le jeu. La conclusion envisage des pistes pour la formation des enseignants relative à l’usage des serious games en classe.