Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Présentation de la méthode pédagogique

Présentation d'ensemble

Précisons tout d'abord que notre principal objectif pédagogique est de rendre nos élèves capables d'étudier des systèmes énergétiques innovants, ce qui suppose :

  • une maîtrise suffisante des bases théoriques

  • une connaissance approfondie des aspects technologiques (réalisations existantes, principales contraintes)

  • la capacité de concevoir et de dimensionner des cycles thermodynamiques novateurs.

Compte tenu des difficultés auxquelles est confrontée l'approche classique de la discipline, nous avons été amenés à proposer une reconception de cet enseignement, développée ci-dessous, dont les principaux traits sont résumés dans une communication au colloque TICE 2006 qui s'est déroulé du 21 au 23 octobre 2006 à Toulouse.

Une reconception pédagogique à 3 dimensions complémentaires

Il est aujourd'hui classique de situer les réflexions pédagogiques dans une triangulation dont les trois sommets sont l'apprenant, l'enseignant et le savoir.

Cette analyse met en évidence trois grandes classes de pédagogies :

  • celle des acquisitions s'intéresse à ce que l'élève apprend et comprend

  • celle des contenus à la manière dont l'enseignant définit ce qu'il enseigne

  • celle des relations est centrée sur le couple enseignant-élève

Un des principaux intérêts de cette triangulation est de bien rappeler qu'il ne saurait être question de restreindre une démarche pédagogique à une seule de ces dimensions, comme certains ont quelquefois été tentés de le faire, explicitement ou implicitement.

Triangle didactique

Notre reconception pédagogique concerne précisément ces trois dimensions :

  • sur le plan de la pédagogie des acquisitions, notre travail s'inscrit dans la continuité des préconisations effectuées par les théoriciens des sciences cognitives et du constructivisme (voir références). Nous avons essentiellement cherché à réduire la charge cognitive des apprenants, notamment en les déchargeant de la plupart des difficultés calculatoires auxquels ils étaient confrontés.

  • comme nous le montrons plus loin, notre approche, en matière de pédagogie des contenus, correspond à un changement de paradigme radical : au lieu de recourir à une présentation très axiomatique de la discipline, nous proposons de commencer par une démarche qualitative et systémique d'assemblage de composants élémentaires, et ce n'est que lorsque les élèves ont acquis une culture suffisante du domaine que les mises en équations un peu complexes sont introduites. En utilisant un simulateur, nous supprimons de surcroît la nécessité d'apprendre aux élèves le détail du calcul des propriétés des fluides. Ces évolutions conduisent à modifier en profondeur le contenu à enseigner, que nous proposons d'articuler selon un modèle appelé RTM(E) .

  • enfin, un suivi beaucoup plus personnalisé des élèves peut être mis en place en utilisant notre approche. D'une manière générale, ils sont confrontés à des alternances de travail en ligne, qui peut être fait seul ou en groupe, et de séances collectives en présentiel. Pendant les créneaux horaires dédiés au travail en ligne, un tutorat individuel peut facilement être mis en place si nécessaire.

Approche disciplinaire et analyse fonctionnelle système

La formation initiale classique s'adresse à des élèves habitués à suivre des cursus disciplinaires : le découpage de leurs enseignements par matières déconnectées les unes des autres est pour eux tout à fait habituelle et ne leur pose généralement pas de problème particulier.

Il se trouve toutefois que cet état d'esprit n'est souvent pas partagé par des élèves en formation professionnelle, pour qui les seuls enseignements qui ont un sens sont ceux qui sont directement reliés au métier qu'ils exerceront à l'issue de leur cursus. Ces élèves sont très réticents lorsqu'on leur demande de suivre des cours, notamment théoriques, s'ils n'en voient pas l'intérêt immédiat.

Pour eux, l'approche disciplinaire ne se justifie pas du tout a priori, bien au contraire, et, si on veut les motiver pour qu'ils s'investissent dans ces cours qu'ils jugent souvent rébarbatifs, il faut recourir à des pédagogies plus motivantes.

L'analyse fonctionnelle système (AFS) est une méthode développée par la Marine Nationale au Centre d'Instruction Naval de Saint Mandrier (le nom a été choisi par M. F. Colonna, enseignant au CIN).

Il s'agit d'une méthode pédagogique qui s'appuie sur les outils de l'Analyse Fonctionnelle (fondamentalement une méthode de conception de dispositifs techniques ou organisationnels), pour définir un fil directeur permettant aux élèves de découvrir et comprendre les différents éléments composant les systèmes qu'ils étudient, et les liens qui les relient.

Elle permet notamment d'identifier la meilleure manière d'introduire les pré-requis scientifiques de manière contextuelle, renforçant ainsi la motivation des élèves pour les apprendre.

C'est une méthode qui se révèle très bien adaptée pour des élèves de faible niveau en mathématiques et en physique, ou bien pour des professionnels en formation continue qui sont en activité depuis longtemps et ont oublié leurs bases dans ces disciplines.

Mais l'analyse fonctionnelle présente aussi de l'intérêt pour des élèves en formation initiale en école d'ingénieurs ou à l'université : elle leur confère un regard complémentaire sur les systèmes qu'ils étudient.

En particulier, les diagrammes FAST que nous proposons permettent de rassembler de manière graphique et interactive toute l'information sur un dispositif technique :

  • fonctions assurées, présentées hiérarchiquement ;

  • solutions techniques retenues ;

  • valeurs des paramètres caractéristiques ;

  • documentation technique et d'utilisation.

Compte tenu de son intérêt, nous avons inclus dans ce portail une page de présentation de l'analyse fonctionnelle système et de son utilisation pour la formation en énergétique, en particulier pour les cycles de réfrigération et les cycles moteurs, et nous avons inséré des analyses fonctionnelles sommaires dans certaines fiches thématiques.

Notre reconception pédagogique peut être présentée en distinguant :

  • le contexte général de la formation des ingénieurs

  • les difficultés rencontrées dans l'enseignement de la thermodynamique appliquée

  • l'intérêt d'utiliser le simulateur Thermoptim pour dépasser une première difficulté pédagogique

  • une deuxième difficulté pédagogique : l'enseignement de la réalité technologique

  • l'intérêt pédagogique des modules Diapason

  • l'approche progressive en trois étapes proposée

  • le suivi détaillé des élèves à mettre en place

  • des références sur la pédagogie

Contexte général

Le contexte de la formation des ingénieurs a beaucoup évolué au cours des dernières années. Même si leurs connaissances scientifiques et techniques et leur capacité à les mobiliser pour résoudre des problèmes concrets sont parmi les spécificités qui continuent à les distinguer le plus des autres cadres supérieurs, ils doivent de plus en plus, comme eux, se préoccuper des dimensions non techniques de leur travail, c'est-à-dire de gestion des hommes, d'économie des projets, de marketing des produits, d'impact environnemental des technologies... Dans ces conditions, le temps dont ils disposent pour s'investir dans la technique et leur motivation pour le faire sont aujourd'hui plus réduits qu'auparavant. De plus, le volume horaire consacré aux matières techniques dans les programmes de formation des ingénieurs diminue lui aussi progressivement, les travaux dirigés et les projets étant souvent les premiers sacrifiés.

Cette évolution du cahier des charges de la formation nous oblige à renouveler les pédagogies que nous mettons en œuvre, mais, fort heureusement, nous disposons aussi de nouveaux atouts du fait de l'existence des environnements virtuels.

Bien que l'énergétique puisse être considérée comme une science ancienne (ses bases ont été établies il y a plus d'un siècle), elle demeure un domaine en très forte évolution du fait à la fois des progrès réalisés dans le domaine des matériaux ou celui du contrôle commande, des contraintes physiques et géopolitiques sur les ressources, et des évolutions de la réglementation, qui conduit à mettre au point des dispositifs de plus en plus respectueux de l'environnement. Des changements technologiques considérables sont encore attendus dans les prochaines décennies. Ils feront appel à des compétences fortes en thermodynamique appliquée, notamment pour la mise au point de nouveaux cycles intégérés à haut rendement et faible impact environnemental.

Notre objectif est de former nos élèves au mieux pour qu'ils puissent relever ces défis.

Difficultés rencontrées dans l'enseignement de la thermodynamique appliquée

Il est bien connu que la thermodynamique est une matière difficile à enseigner. Le problème est identifié de longue date, et de nombreux efforts ont été faits pour y remédier, mais jusqu'à récemment on manquait encore de solutions, et ceci malgré les efforts déployés par les enseignants et les évolutions des programmes.

La liaison théorie / applications, essentielle pour la compréhension de toute discipline, est beaucoup moins simple et intuitive en thermodynamique qu'elle ne l'est dans d'autres champs de la physique. Dans la démarche classique de l'enseignement des sciences expérimentales, comme par exemple en électricité ou en mécanique, la théorie et les applications à des réalisations simples sont présentées à peu près en même temps aux élèves, avec si possible quelques travaux pratiques. La pertinence des modèles simples (U = R I, équilibre des forces) est alors facilement vérifiée et le lien entre théorie et technologie semble immédiat ; c'est ainsi que l'on parle des "lois" de la physique élémentaire, alors qu'il s'agit bien de modèles directement intelligibles qui peuvent expliquer le fonctionnement de nombreuses technologies très utiles et connues de tous (lampe électrique, résistance chauffante, machines simples comme le treuil, le palan, le plan incliné, le pendule...).

Pour les systèmes énergétiques, il est malheureusement presque toujours impossible de trouver des modèles à la fois simples et précis. En caricaturant à peine, on pourrait dire que les approches classiques de la discipline sont confrontées à un dilemme, les modèles auxquels elles conduisent étant soit irréalistes, soit incalculables.

Dans ces approches, compte tenu des difficultés qu'il y a à calculer avec précision les propriétés des fluides thermodynamiques, on est en effet généralement conduit soit à faire des hypothèses un peu trop simplificatrices, soit à adopter des méthodes fastidieuses à mettre en pratique : c'est ainsi par exemple que, dans presque tous les enseignements supérieurs de premier et deuxième cycle au monde, les moteurs à combustion interne sont analysés avec l'hypothèse que le fluide technique est de l'air, lui-même supposé se comporter comme un gaz parfait. Quant aux calculs des cycles de réfrigération ou à vapeur, ils sont faits en utilisant soit des tables numériques nécessitant des interpolations rébarbatives soit des diagrammes papier relativement imprécis.

Il en résulte deux écueils qui ont pour effet de démotiver les étudiants :

  • les hypothèses de calcul étant trop simplistes, ils ne comprennent pas l'intérêt pratique des modèles qu'ils élaborent, ceux-ci étant très éloignés de la réalité ;

  • les calculs précis des cycles étant fastidieux, ils sont rebutés par la discipline.

Si les approches classiques présentent de telles limitations, c'est à notre sens parce qu'elles datent d'une époque où l'ingénieur n'avait à sa disposition que sa règle à calculs et sa table de logarithmes, et qu'elles n'ont pas évolué depuis plusieurs décennies...

Utilisation du simulateur Thermoptim pour dépasser une première difficulté pédagogique

Il est possible de dépasser les difficultés rencontrées par les approches classiques si l'on remarque que la thermodynamique est beaucoup plus simple sur le plan qualitatif que sur le plan quantitatif, et si l'on renouvelle la pédagogie en ayant un large recours aux logiciels de simulation pour effectuer les calculs.

L'utilisation du progiciel Thermoptim permet à un élève de s'initier à l'étude des systèmes énergétiques en explorant ou en assemblant par lui-même des modèles des principales technologies de conversion de l'énergie. Celles-ci se présentant comme des assemblages de composants traversés par des fluides thermodynamiques qui y subissent des transformations diverses, on simplifie grandement les choses si on adopte une double démarche, en commençant par dissocier la représentation globale du système, généralement assez simple, de l'étude de ses différents composants considérés individuellement.

La représentation d'ensemble se révèle très utile sur le plan qualitatif : elle peut être faite visuellement et permet de bien comprendre le rôle joué par chaque composant dans le système complet. Sur le plan didactique, elle est essentielle pour bien assimiler les principes de conception de ces technologies. Une fois que l'on a bien à l'esprit la structure interne d'un moteur ou d'un appareil frigorifique, l'étude du comportement de l'un de ses composants est facilitée parce que l'on comprend comment il s'insère dans le tout et quelle est sa contribution au fonctionnement global.

Si l'on dispose d'un environnement graphique approprié comme l'éditeur de schémas de Thermoptim, la structure interne du système peut être décrite sans aucune difficulté. On obtient ainsi une représentation qualitative très parlante, qu'il ne reste plus ensuite qu'à quantifier en paramétrant les propriétés thermodynamiques des différents composants puis en les calculant. Cette représentation qualitative présente de surcroît la particularité d'être dans une très large mesure indépendante des hypothèses que l'on retient pour le calcul des divers composants : il s'agit d'un invariant du système.

Machine de réfrigération dans Thermoptim

Cette distinction entre composants et systèmes joue un rôle fondamental dans la pédagogie que nous préconisons. Autant en effet le nombre de composants thermodynamiques les plus communément employésest relativement réduit, autant les systèmes qui peuvent être imaginés en les assemblant peuvent être variés : il existe à ce niveau un champ d'investigation encore considérable pour les décennies à venir.

Pour ce qui concerne les composants (compresseurs, organes de détente, avec ou sans travail, échangeurs, chambres de combustion...), les élèves doivent bien comprendre les évolutions subies par les fluides qui les traversent et surtout être capables de faire le lien entre les technologies mises en oeuvre et les hypothèses fondamentales retenues pour leur modélisation (par exemple, un échangeur ou une chambre de combustion sont en première approximation isobares, un compresseur ou une turbine est généralement adiabatique...).

Structure de Thermoptim

Quant aux systèmes, Thermoptim leur permet d'en simuler un grand nombre, les plus simples comme le réfrigérateur présenté ci-dessus correspondant aux exemples de base de la discipline.

Les principales innovations pédagogiques apportées par Thermoptim sont les suivantes :

  • tout d'abord, les calculs fastidieux étant supprimés et la plupart des aspects quantitatifs étant pris en charge par l'ordinateur, les élèves peuvent davantage se concentrer sur l'acquisition des schémas de pensée de la discipline

  • Thermoptim est basé sur la distinction d'un certain nombre de concepts élémentaires, appelés types primitifs, dont la structure présentée ci-dessus aide les élèves à bien comprendre les inter-relations

  • en utilisant le progiciel, les débutants acquièrent le vocabulaire et les concepts de base qui sont encapsulés dans les écrans présentés et dont la conception a été faite avec soin en s'assurant que leur contenu est aussi simple que possible. Une fois que ce vocabulaire est appris, l'apprentissage coopératif avec les pairs et les enseignants est renforcé.

  • l'éditeur de schémas / synoptique rassemble de manière synthétique en un seul écran toute l'information pertinente sur un cycle thermodynamique (sa structure, les interconnexions entre ses composants, les valeurs des variables d'état, le bilan global...)

  • Thermoptim n'est pas seulement un très bon didacticiel : ses fonctionnalités en font aussi un puissant simulateur professionnel utilisé par des industriels comme EDF, le CEA ou Framatome

  • il place la réflexion des élèves à un niveau conceptuel et méthodologique supérieur, les aspects purement calculatoires étant sous-traités à l'ordinateur. Il y a non seulement réduction de la charge cognitive, mais aussi augmentation significative de la capacité de résolution des problèmes ;

  • enfin, Thermoptim rend les élèves vraiment opérationnels, ce qui est un facteur majeur de leur motivation, et donc de leur attention.

Deuxième difficulté pédagogique : l'enseignement de la réalité technologique

Afin de contourner les difficultés auxquelles l'enseignement de cette discipline est traditionnellement confronté, les connaissances à enseigner ont été profondément restructurées conformément à un modèle appelé RTM(E) . La présentation des méthodes et des exemples est désormais basée sur l'utilisation du simulateur ce qui permet d'éviter de commencer par noyer les élèves dans des équations et des calculs rébarbatifs.

Dès lors que la question des calculs est très largement résolue grâce à l'emploi d'outils logiciels, la présentation aux élèves de ce que nous appelons la réalité technologique est devenue à notre sens la principale difficulté résiduelle : plus de 50 % du temps passé en cours est consacré à la description des machines, de leurs principes de fonctionnement et des contraintes technologiques rencontrées.

Cette difficulté est renforcée dans la méthode classique en présentiel qui se révèle fatigante tant pour les enseignants que pour les élèves, surtout si les séances de cours sont regroupées sur plusieurs heures consécutives.

C'est pourquoi, en complément de Thermoptim, bien adapté pour enseigner les méthodes de travail et les exemples, mais pas pour la réalité technologique ni la théorie, nous avons développé en 2004 les modules de formation à distance sonorisés Diapason qui permettent de dépasser ces dernières difficultés en rassemblant, sous une forme concise et disponible à tout moment, l'ensemble des informations dont les élèves ont besoin pour apprendre.

Les Modules Diapason

La spécificité des modules Diapason est d'associer une bande son à un écran, permettant aux élèves d'obtenir des explications orales contextuelles sur des questions relatives tant à la théorie et à la technologie qu'à la mise en œuvre pratique du simulateur.

La structuration des modules en étapes, séances, parcours et cursus permet de concevoir des environnements pédagogiques riches. Des hyperliens permettent d'accéder à des documents divers comme des tableurs ou des pdf. Basés sur une double structure xml, ces modules utilisent comme visualisateur un environnement d'exécution Flash libre de droits, supporté par la quasi-totalité des navigateurs Web récents, qui permet de synchroniser des ressources multimédia variées, comme des images, des bandes-son, des documents pdf, des animations swf, des tableurs, des liens hypertexte...

Leur intérêt principal est leur excellente efficacité pédagogique :

  • lors de l'utilisation de ces modules, les élèves sont plus actifs qu'en salle de cours, en ce sens qu'ils règlent eux-mêmes leur rythme d'écoute, mais surtout ils choisissent eux-mêmes les moments où ils étudient, et sont donc disponibles lorsqu'ils le font ; ils apprennent mieux, d'autant plus qu'ils ont tout loisir de revenir en arrière ou de compléter les informations qui leur sont présentées en recourant aux documents écrits ;

  • les bandes-son ayant une durée moyenne de moins d'une minute, leur attention peut être soutenue lorsqu'ils étudient une étape, et ils ne passent à la suivante qu'après un temps de repos ;

  • lorsqu'ils travaillent, les élèves disposent de l'ensemble des ressources pédagogiques dont ils ont besoin ; en cas de doute ou s'ils ont été absents, ils peuvent se référer sans aucune difficulté aux explications orales de l'enseignant

La présentation sonorisée de ces modules préparée à votre attention vous permettra d'en savoir plus.

Approche progressive en trois étapes

Nous pensons que l'apprentissage est un processus itératif qui se prête bien à une pédagogie progressive, allant du simple (mais toujours réaliste, c'est fondamental) au compliqué. Pour des raisons à la fois cognitives et psychologiques, il vaut mieux, et c'est particulièrement vrai de la thermodynamique appliquée, commencer par montrer aux élèves comment le savoir qu'on leur présente peut concrètement être mis en application, en limitant au maximum les difficultés conceptuelles. Rappelons qu'ils doivent avant tout se familiariser avec une réalité nouvelle, qu'ils ne connaissent quasiment pas, et que cet apprentissage se traduit déjà par une charge cognitive élevée.

Au début, il nous semble préférable de leur montrer qu'existent des environnements comme Thermoptim avec lesquels ils peuvent "faire de la thermo sans peine" et obtenir des résultats très précis sans écrire une seule équation. Une fois que leurs réticences initiales sont vaincues et qu'ils ont assimilé le vocabulaire et les concepts de base, il devient possible de franchir une nouvelle étape et d'introduire davantage d'équations. L'expérience accumulée depuis une dizaine d'années confirme que, une fois qu'ils ont réalisé qu'existent aujourd'hui des méthodes très performantes pour passer à l'application, des apprenants initialement très réticents vis à vis de la théorie demandent souvent des approfondissements : dès que sont tombés les blocages psychologiques mis en place par des présentations de la discipline trop axiomatiques et très peu applicables, les élèves deviennent beaucoup plus réceptifs vis à vis des équations, sans doute parce qu'ils ne craignent plus de se retrouver incapables de les mettre en pratique. Nombreux sont ceux qui souhaitent en savoir plus et bien comprendre comment les calculs sont effectués.

Une discussion un peu plus approfondie sur l'utilisation pédagogique des simulateurs, ainsi que sur la question très controversée des équations qui doivent être présentées aux élèves, a été présentée lors d'une communication invitée au Colloque SIMO 2006 – systèmes d'information, modélisation, optimisation et commande en Génie des Procédés : le virtuel dans la réalité quotidienne, les 11 et 12 octobre 2006 à Toulouse.

Sur la base des retours des élèves qui ont travaillé avec ces modules, il est ainsi apparu souhaitable de graduer la progression en trois grandes étapes :

  • l'acquisition des concepts et des outils, consacrée aux rappels de thermodynamique, à l'étude des cycles de base, à la découverte des technologies mises en oeuvre et à l'apprentissage de Thermoptim

  • la consolidation des notions vues lors de la première étape, avec des compléments théoriques sur l'exergie et les échangeurs, l'étude des variantes des cycles de base, des cycles combinés et de la cogénération

  • les approfondissements et la mise en application personnelle, donnant lieu à l'étude de cycles novateurs et à des réflexions sur les perspectives technologiques, à l'occasion de mini-projets menés seuls ou en groupes.

A titre d'exemple, vous pouvez consulter le module d'auto_formation aux systèmes énergétiques qui vous montrera comment ces principes peuvent être mis en oeuvre.

Suivi détaillé des élèves

Du fait de l'existence des modules Diapason, les élèves travaillent partiellement en ligne et partiellement lors de séances obligatoires en présentiel, selon un dosage qui dépend des contextes.

Il est bien entendu que la plus grande souplesse dans l'emploi du temps comporte aussi certains risques, notamment de manque d'assiduité. Il faut donc mettre en place un suivi rigoureux des élèves, et ne pas hésiter à les relancer régulièrement par courriel pour leur rappeler d'avancer dans leur travail.

Lors du démarrage du cours, une fiche recto-verso leur précisant les objectifs pédagogiques du cours est distribuée aux élèves. Elle distingue ce qui doit être parfaitement mémorisé, ce qui doit être compris et le savoir faire à acquérir.

Le mécanisme d'évaluation qui nous paraît aujourd'hui le meilleur comporte un petit oral et un travail personnel sur projet, généralement réalisé en binôme.

L'oral permet de s'assurer en un quart d'heure que chacun des élèves a bien mémorisé un certain nombre de concepts de base, comme les allures des cycles élémentaires, leur représentation dans les diagrammes usuels, et a compris les fondements de la discipline. Le projet, qui se déroule en présentiel avec encadrement, permet de vérifier qu'il a mis en pratique le savoir acquis sur un cas concret.

Références sur la pédagogie

Nous avons rassemblé un certain nombre de références bibliographiques ou de liens Internet qui nous ont servi lors de nos propres réflexions sur la pédagogie de la thermodynamique. Elles sont loin d'être exhaustives mais peuvent constituer une introduction utile pour un certain nombre de collègues.

copyright R. Gicquel

Réalisé avec Scenari (nouvelle fenêtre)