Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

3 Ressources numériques proposées dans le portail Thermoptim-UNIT

Nous présenterons d'abord Thermoptim et les modules Diapason, puis les autres ressources du portail.

3.1 THERMOPTIM

Un outil comme Thermoptim permet de compléter un enseignement classique de la thermodynamique par une grande diversité d'activités pédagogiques, qui peuvent être regroupées en deux principales catégories : celles de découverte et initiation, notamment par exploration de modèles prédéfinis, et celles de construction de modèles, qui concernent des élèves cherchant à apprendre à modéliser par eux-mêmes des systèmes énergétiques. Selon les objectifs visés et surtout le temps disponible, l'enseignant peut privilégier l'une ou l'autre d'entre elles.

L'écran de la figure ci-dessous montre les 22 principales équations qu'il faut introduire pour étudier avec une précision raisonnable les performances de la plus simple des turbines à gaz dans le cadre d'un cursus classique. Il est bien sûr possible de simplifier, mais le modèle devient alors caricatural.

Les équations décrivant la compression apparaissent en haut à gauche en marron, et celles pour la détente en haut à droite en bleu. Ce sont les plus simples.

Les plus compliquées sont celles, en rouge en bas à gauche, qui permettent de déterminer la composition des gaz brûlés en sortie de chambre de combustion.

Modélisation classique d'une turbine à gaz

Et encore, pour simplifier les choses, avons-nous d'une part considéré ici un combustible particulièrement simple, et d'autre part omis de donner l'équation permettant de calculer la température de fin de combustion, qui est une équation implicite comprenant une intégrale dont l'une des bornes est inconnue.

Dans tous les cas, les propriétés des gaz font appel aux équations présentées en noir en bas de la figure. Elles sont nécessaires pour calculer les propriétés énergétiques de chacun des fluides mis en jeu.

Tout bien considéré, c'est au moins une quarantaine d'équations qui doivent être prises en compte pour obtenir un modèle à peu près vraisemblable de la turbine à gaz.

Bien évidemment, même si chacune des équations est connue, les risques d'erreur sont très nombreux lors de l'élaboration du modèle et de sa résolution, notamment du fait qu'elles sont couplées entre elles et que la résolution de certaines d'entre elles doit être faite de manière itérative.

Construire un modèle de turbine à gaz avec Thermoptim relève d'une logique radicalement différente de celle qui était traditionnellement mise en œuvre : nous privilégions en effet une approche qualitative des phénomènes, les calculs nécessaires pour les études quantitatives étant réalisés par les outils logiciels de manière transparente pour les élèves, c'est-à-dire sans qu'ils aient besoin, au moins dans un premier temps, d'en connaître le détail.

Le recours aux équations est réduit au minimum lors de l'initiation à la discipline, l'effort cognitif portant alors essentiellement sur la compréhension des concepts et des technologies ainsi que sur leur mise en pratique, et ce n'est qu'une fois que l'élève a acquis une maîtrise suffisante de la discipline que nous considérons que la mise en équations devient possible et pertinente.

Concrètement, comme le montre la figure ci-dessous, le modèle est construit par assemblage d'icônes placées sur le plan de travail d'un éditeur de schémas, l'architecture de la machine étant très proche de son schéma physique.

Chaque composant est ensuite paramétré grâce à un tout petit nombre de grandeurs caractéristiques. Les propriétés thermodynamiques des fluides étant encapsulées dans le logiciel, le calcul des performances se fait sans aucune difficulté avec une précision beaucoup plus grande que dans l'approche classique.

Modélisation d'une turbine à gaz avec Thermoptim

En utilisant un outil comme Thermoptim, on divise par 5 ou 6 le temps nécessaire pour calculer un cycle thermodynamique, et une fois le modèle établi, il est possible d'effectuer des analyses de sensibilité et de résoudre en quelques minutes ce qui demanderait des heures par les méthodes classiques.

De plus, il n'y a aucun risque d'erreur de programmation ou de lecture des propriétés. Il en résulte un gain de temps considérable sur un aspect des choses non essentiel sur le plan pédagogique, à savoir la résolution des difficultés calculatoires. Outre le temps gagné, la pénibilité du travail est grandement réduite, ce qui se traduit par un gain important de motivation des élèves, qui ne sont plus rebutés par la lourdeur et le caractère fastidieux des calculs.

De surcroît, des gains considérables sont obtenus en précision et donc en vraisemblance des calculs : il n'est plus nécessaire de recourir à des hypothèses caricaturales dans le seul but de rendre possibles les calculs. L'exemple type est celui des études des moteurs à combustion interne, qui à notre connaissance sont in fine considérés comme traversés par de l'air supposé parfait dans la quasi-totalité des enseignements de premier et second cycle dispensés dans le monde. Comment avec de telles hypothèses espérer intéresser des élèves qui aujourd'hui se soucient de l'impact environnemental de ces technologies : un moteur à air parfait n'a jamais pollué et ne polluera jamais !

3.2 MODULES DIAPASON

Les réflexions didactiques accompagnant le développement de Thermoptim ont fait apparaître l'intérêt de compléter le simulateur par d'autres outils relevant des TICE afin notamment de présenter aux élèves la réalité technologique, qu'ils méconnaissent très largement au début de leur apprentissage.

Ainsi, depuis septembre 2004, Thermoptim est complété par les modules de formation à distance sonorisés Diapason (figure 3.3). Ces modules permettent aux étudiants de travailler par eux-mêmes, à leur rythme, seuls ou en groupe, et d'avoir accès en ligne à tout moment :

  • aux explications orales données par l'enseignant en complément des supports écrits dont ils disposent ;

  • à des exercices utilisant le simulateur qui leur donnent la possibilité de se familiariser avec les différents cycles et leurs méthodes d'analyse.

Modules Diapason

Structurés en étapes, séances, parcours et cursus, les modules Diapason sont un environnement générique utilisable dans de nombreux contextes pédagogiques. Leur spécificité est d'associer une bande son à un écran, permettant aux élèves d'obtenir des explications orales contextuelles. Des hyperliens permettent d'accéder à des documents divers comme des tableurs ou des documents de référence au format pdf.

Ces modules, qui permettent de faire aussi bien des présentations théoriques, méthodologiques que technologiques, utilisent comme visualisateur un environnement d'exécution Flash supporté par la quasi-totalité des navigateurs Web, 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...

3.3 AUTRES RESSOURCES PEDAGOGIQUES

L'ensemble des ressources numériques que nous avons développées au cours des dix dernières années a été regroupé dans ce portail qui a été conçu pour que leur accès soit le plus facile possible (cf. note de présentation du portail).

L'ensemble des utilisateurs non identifiés a accès à une palette de ressources complémentaires permettant de définir de multiples scénarios d'usage, et structurées en quelques grandes rubriques :

  • Bases de thermodynamique, qui présente comme son nom l'indique les fondements de la discipline ;

  • Guides méthodologiques, qui regroupe diverses recommandations méthodologiques destinées à faciliter le calcul des systèmes énergétiques, des plus simples aux complexes. Son principal objectif est de sensibiliser le lecteur aux diverses problématiques abordées et de suggérer quelques pistes pour trouver des solutions appropriées, sans chercher à les traiter de manière exhaustive ;

  • Technologies, qui regroupe des fiches thématiques synthétiques présentant les principales technologies énergétiques, en distinguant d'une part les composants (compresseurs, turbines, chambres de combustion...) et d'autre part les systèmes complets (turbines à gaz, moteurs alternatifs, centrales à vapeur...) ;

  • Problèmes globaux, qui aborde les grands problèmes de l'énergie : énergie au niveau macro-économique (filières énergétiques, comptabilité économique et énergétique), et les aspects géopolitiques (situation énergétique mondiale, problèmes énergétiques des pays en développement, réserves et ressources, marchés de l'énergie) ;

  • Enseignement, qui comporte deux grands volets, le premier consacré à la pédagogie de la thermodynamique appliquée que nous préconisons et aux communautés d'enseignants qui participent au développement des ressources, et le second qui regroupe toutes les ressources mises en ligne, en particulier l'ensemble des séances Diapason utilisables pour la formation à distance ;

  • Logiciel, qui est principalement consacrée d'une part au progiciel Thermoptim, et d'autre part aux outils permettant de concevoir et de déployer des séances Diapason. Ces deux sous-rubriques comportent chacune une présentation des outils, de la documentation, et des ressources diverses.

Une cinquantaine d'utilisateurs qui doivent s'identifier ont en outre accès à d'autres rubriques spécifiques, comme par exemple les sites des communautés d'enseignants, ou bien un espace contenant des documents réservés aux enseignants (corrigés des fiches-guides de TD et des exercices). Pour disposer de cet accès, il suffit d'en faire la demande sur le portail et de pouvoir justifier de sa qualité d'enseignant.

Les principales ressources du portail sont les suivantes :

  • les fiches thématiques synthétiques d'une part constituent une introduction sommaire à la discipline, et d'autre part renvoient sur différentes activités pédagogiques (cours en ligne, exercices...). Placées dans les rubriques du portail (notamment dans Technologies), elles permettent de passer en revue l'ensemble du cours, un peu comme à partir du sommaire d'un livre, en ayant en plus accès à un bref panorama des sujets abordés. Une trentaine de fiches sur les composants et les systèmes a déjà été publiée. Un utilisateur intéressé par une technologie donnée, par exemple les turbines à gaz (figure ci-dessus section 3.1), dispose de quelques explications succinctes, de références bibliographiques, notamment vers les chapitres du manuel, et de liens directs vers les séances Diapason pertinentes et vers des activités personnelles comme des sujets d'exercices ou de projets. Si ces activités font appel à des modèles spécifiques, des liens permettent d'y accéder ;

  • au nombre d'une cinquantaine, les séances Diapason représentent un ensemble d'environ 1000 écrans sonorisés à 85 % (11 h de bandes-son) ;

  • les supports écrits, la plupart extraits du livre Systèmes Energétiques publié aux Presses de l'Ecole des Mines de Paris, sont téléchargeables à partir soit des fiches thématiques synthétiques, soit des séances Diapason ;

  • les fiches-guides de TD (une vingtaine est déjà disponible) constituent un type de ressource pédagogique particulièrement intéressant à double titre, car d'une part elles permettent de proposer aux élèves des activités personnelles de travaux dirigés, exercices ou projets, et d'autre part elles constituent un moyen particulièrement souple de réappropriation et personnalisation par les enseignants de ressources déjà développées, étant donné leur structure et leur contenu, qui est indicatif plus que normatif ;

  • les guides méthodologiques, déjà évoqués ci-dessus ;

  • la modélothèque de Thermoptim comporte une vingtaine de modèles développés sous forme de classes externes, qui permettent de représenter soit des corps ou des composants non disponibles dans le noyau de Thermoptim, soit des pilotes destinés à contrôler le déroulement des calculs, ceci afin de simuler des systèmes énergétiques novateurs, notamment à faible impact environnemental, comme des piles à combustible, des centrales solaires à concentration ;

  • enfin, les notes relatives à la pédagogie de la thermodynamique appliquée sont proposées pour nourrir la réflexion des enseignants qui désirent compléter leur formation sur ce sujet.

De plus, un module de formation à distance appelé ExPliSite et des applets sont proposés aux utilisateurs, ainsi qu'un utilitaire de digitalisation de courbes que nous ne présenterons pas ici.

3.3.1 EXPLISITE

En 2003-2004, un financement apporté par le projet Grande Ecole Virtuelle (GEV) du Groupe des Ecoles des Mines (GEM), a permis de commencer la réalisation, par la cellule TICE de l'Ecole des Mines de Paris, d'un premier module de formation à distance, appelé ExPliSite pour Exploration Pédagogique en Ligne avec Simulation de Technologies Energétiques (figure ci-dessous).

Bureau du module ExpliSite

Il s'agit d'un superbe environnement développé sous Flash proposant un scénario principal, des ressources pédagogiques transversales, un assistant de navigation, et des liaisons avec Thermoptim, avec plusieurs niveaux d'investigation. Trois des exemples de base de l'énergétique y sont traités : la turbine à gaz, la centrale à vapeur et la machine de réfrigération.

Sa mise au point a nécessité un très important effort de scénarisation et la réalisation de nombreux clips sous Flash puis leur insertion dans le module complet. Il est toutefois non sonorisé et il serait très difficile de lui ajouter de nouvelles fonctionnalités. Les parcours proposés aux élèves sont figés, du fait d'un parti pris initial assez normatif.

Son intérêt est de proposer aux élèves une progression scénarisée sur trois niveaux de complexité croissante, comprenant des explications technologiques et méthodologiques, des QCM, des comparaisons avec le cycle de Carnot...

Les scénarios comportent des liens vers les référentiels horizontaux portant notamment sur les bases et les composants, qui sont activés pour des compléments d'information ou en cas de difficultés. L'intégration du simulateur dans la scénarisation correspond à une des originalités et un des atouts de ces modules. L'évaluation en ligne des progrès effectués se fait essentiellement sous forme de QCM, portant sur des questions de compréhension, des bilans à compléter à partir des résultats fournis par le simulateur...

3.3.2 CALCULATEUR DES PROPRIETES DES FLUIDES

En complément de Thermoptim et des diagrammes interactifs, nous avons développé des petites applets Java comme le calculateur de propriétés thermodynamiques des corps présenté figure ci-dessous.

Bien que ses fonctionnalités soient limitées, il permet d'obtenir rapidement les propriétés de divers gaz idéaux et fluides réels condensables. Il offre la possibilité de choisir les jeux suivants de variables indépendantes : pression, température (en K ou °C) et titre, pression et enthalpie massique ou bien encore pression et entropie massique.

L'ensemble des résultats d'un calcul est écrit dans le champ de texte situé à gauche du bouton « Calculer » qui est sélectionnable, ce qui permet de recopier ces valeurs dans un tableur pour faciliter l'utilisation de cet outil.

On peut ainsi l'utiliser pour calculer sans difficulté les compressions et détentes adiabatiques, ou encore les laminages isenthalpiques.

Calculateur de propriétés thermodynamiques des corps

3.3.3 CALCULATEUR DE COMBUSTIONS

Un second calculateur est disponible (figure ci-dessous). Il permet d'effectuer des calculs de combustion relativement simples mais qu'il serait déjà très laborieux de faire à la main.

Calculateur de combustions

Le tableau de synthèse fournit de nombreux résultats sur la combustion.

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