Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Présentation de la méthode pédagogique

Présentation d'ensemble

Nous avons développé au cours des trente-cinq dernières années une nouvelle pédagogie de la thermodynamique appliquée à la conversion thermodynamique de l'énergie, aujourd'hui utilisée dans plus de cent vingt établissements d'enseignement supérieur, tant en licence qu'en maîtrise (écoles d'ingénieurs, universités) ainsi qu'en formation professionnelle.

Le processus d'élaboration de cette nouvelle pédagogie a été long car il nous a fallu inventer et développer de nombreuses ressources numériques et les tester auprès de diverses catégories d'apprenants.

Ces travaux n'ont été possibles que grâce au soutien de nombreux organismes et personnes auxquels nous adressons nos sincères remerciements, et en particulier la Fondation UNIT qui a joué un rôle déterminant.

D'année en année nous avons rassemblé dans ce portail différents documents relatifs à notre nouvelle approche pédagogique. Même s'ils partagent un même socle commun, il arrive que leur contenu varie légèrement en fonction de la date où ils ont été rédigés. Nous vous prions de nous en excuser.

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 radical de paradigme : 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, que l'on peut qualifier de fonctionnelle, et ce n'est que lorsque les élèves ont acquis une culture suffisante du domaine que les mises en équations un peu complexes peuvent être si nécessaire introduites. En utilisant un simulateur, nous supprimons de surcroît la nécessité d'apprendre aux élèves le détail du calcul des propriétés des fluides qui représente une partie non négligeable d'un enseignement classique. Ces évolutions conduisent à modifier en profondeur le contenu à enseigner, que nous proposons d'articuler selon un modèle appelé RTM(E). Pour limiter la charge cognitive qui leur est imposée, le contenu enseigné varie selon le niveau scientifique des apprenants.

  • enfin, en utilisant notre approche, d'une part les apprenants traumatisés par les enseignements classiques de la discipline sont rassurés lorsqu'ils s'aperçoivent que celle-ci peut être mise en pratique sans difficulté (la thermo sans peine), et d'autre part un suivi beaucoup plus personnalisé des élèves peut être mis en place. D'une manière générale, les apprenants 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 on le souhaite.

La présentation de notre reconception pédagogique s'articule autour des points suivants :

  • 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 explorations dirigées et des séances Diapason

  • une approche progressive en trois étapes

  • le suivi détaillé des élèves à mettre en place

  • les avantages et inconvénients de la construction et de l'exploration dirigée de modèles

  • les complémentarités entre approche disciplinaire et analyse fonctionnelle système

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 du personnel, 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 été remises en cause 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 fonctionnelle 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 sur le plan thermodynamique les 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 employés est relativement réduit, autant les systèmes qui peuvent être imaginés en les assemblant sont nombreux et 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 d'une part les transformations subies par les fluides qui les traversent et d'autre part les évolutions de référence correspondantes. Ce sont elles qui font le lien entre les technologies mises en œuvre et les hypothèses fondamentales retenues pour leur modélisation (par exemple, un échangeur ou une chambre de combustion est en première approximation isobare, un compresseur ou une turbine est généralement adiabatique...).

Quant aux systèmes, Thermoptim permet d'en simuler un grand nombre, les plus simples comme le réfrigérateur présenté ci-dessus correspondant à l'un des exemples de base de la discipline, aux plus complexes mettant en jeu des dizaines voire des centaines de composants.

Structure de Thermoptim

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), dans lequel les connaissances à transmettre sont regroupées en quatre grandes catégories reliées entre elles, appelées la Réalité, la Théorie, les Méthodes (et les Exemples).

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 à partir de 2004 les séances de formation à distance sonorisées Diapason (DIAporama Pédagogiques Animés et SONorisés) 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 leur apprentissage.

A partir de 2015, nous avons aussi mis au point des explorations dirigées de modèles préconstruits avec Thermoptim, grâce auxquelles les apprenants peuvent s'initier à l'utilisation du progiciel pour modéliser des systèmes de complexité croissante. Nous les présentons un peu plus bas dans cette page.

Les séances Diapason

La spécificité des séances 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.

Elles constituent une alternative aux vidéos qui est beaucoup plus facile à mettre en œuvre et à actualiser.

Leur structuration en étapes, séances et parcours permet de concevoir des environnements pédagogiques riches. Elles utilisent comme visualisateur un environnement d'exécution html 5 et Javascript 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 tableurs, des liens hypertexte...

Leur intérêt principal est leur excellente efficacité pédagogique :

  • lors de l'utilisation de ces séances, 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.

Vidéos

Depuis 2016, ces modules Diapason sont complétés par les vidéos qui ont été tournées pour nos trois MOOC (une soixantaine pour la thermodynamique appliquée et autant pour les problèmes énergétiques globaux).

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 des équations. L'expérience accumulée depuis une vingtaine 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.

GICQUEL_SIMO06.pdf

Sur la base des retours de nos élèves, il est 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 œuvre et à l'apprentissage de Thermoptim

  • la consolidation des notions vues lors de la première étape, avec éventuellement des compléments théoriques sur l'exergie, la combustion et les échangeurs de chaleur, l'étude des variantes des cycles de base, des cycles combinés et de la cogénération. Cette étape peut être l'occasion de réfléchir à la manière d'améliorer les cycles de base en réduisant les irréversibilités.

  • 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 œuvre.

Lors des Mooc, seules les deux premières étapes sont possibles, la troisième demandant un suivi personnalisé des apprenants.

Dans le cours complet sur la Conversion Thermodynamique de la Chaleur que nous proposons sous deux formes, des MOOC et un parcours scénarisé en deux parties, Modéliser et Simuler correspond à la première étape, et Cycles Classiques et Innovants à la seconde.

Suivi détaillé des élèves

Du fait de l'existence des séances Diapason ou des vidéos des MOOC, 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 qu'une 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, il nous paraît souhaitable de distribuer aux élèves une fiche recto-verso leur précisant les objectifs pédagogiques du cours, qui sert en quelque sorte de cahier des charges de formation et de contrat entre eux et l'enseignant. Elle devrait distinguer 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.

Construction et exploration dirigée de modèles

Un outil comme Thermoptim permet de compléter un enseignement 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 préconstruits

  • celles de construction de modèles, qui concernent des élèves cherchant à apprendre à modéliser par eux-mêmes des systèmes énergétiques.

De 1998 à 2016, la principale utilisation qui a été faite de cet outil dans l'enseignement supérieur correspond à la seconde catégorie. Elle permet aux apprenants d'aller au fond des choses et d'apprendre à construire par eux-mêmes différents cycles thermodynamiques, et leur confère ainsi une très grande autonomie, facteur de motivation, notamment lorsqu'ils sont en stage en entreprise.

Elle suppose toutefois que leurs premiers pas d'utilisation du progiciel fassent l'objet de séances de travaux dirigés nécessitant un encadrement effectué par des enseignants maîtrisant bien l'outil, certaines manipulations demandant un peu de pratique.

Pour d'autres contextes d'enseignement, la première catégorie peut aussi présenter de nombreux avantages. Pour réduire les difficultés liées à l'utilisation du progiciel, les apprenants ne bâtissent pas eux-mêmes les modèles, mais explorent et paramètrent des modèles déjà construits.

Le scénario est présenté dans un navigateur Java spécifique capable d'émuler Thermoptim, qui propose différentes activités aux apprenants, comme de retrouver des valeurs dans les écrans du simulateur, le reparamétrer pour effectuer des analyses de sensibilité... Des explications contextuelles leur sont données progressivement.

Les explorations dirigées sont définies dans un fichier html 5, qui permet d'ouvrir et de fermer des fichiers Thermoptim correspondant aux modèles étudiés, d'en tracer les cycles dans les diagrammes thermodynamiques, et de proposer des petits quiz aux apprenants pour qu'ils puissent vérifier leur bonne compréhension des méthodes abordées.

On s'assure ainsi qu'ils ne perdent pas de temps sur des erreurs de manipulation qui ne présentent pas d'intérêt pédagogique, ce qui est essentiel si on veut que leur travail puisse être réalisé dans le temps imparti. Les risques d'erreur diminuent considérablement, et, si elles surviennent, les apprenants n'ont qu'à réinitialiser le navigateur en rechargeant les fichiers dont ils disposent.

Par exemple, dans le MOOC Conversion Thermodynamique de la Chaleur, l'utilisation du simulateur se fait essentiellement sous forme d'une vingtaine d'explorations dirigées de modèles existants.

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 habituel et ne leur pose généralement pas de problème particulier.

Depuis le collège, ces élèves ont pris l'habitude de passer d'un sujet à l'autre en suivant leur emploi du temps scolaire et sans remettre en cause sa logique d'ensemble (Mathématiques de 8h à 10h, anglais ensuite...).

Il se trouve toutefois que cet état d'esprit n'est généralement pas partagé par des apprenants en formation professionnelle ou qui ont depuis longtemps quitté le système éducatif, pour qui les seuls enseignements qui ont du sens sont ceux qui sont directement reliés soit au métier qu'ils exerceront à l'issue de leur cursus, soit à l'application pratique qui les intéresse. Ces apprenants sont très réticents lorsqu'on leur demande de suivre des cours, notamment théoriques, s'ils n'en voient pas l'intérêt immédiat.

Leur souci est d'acquérir une ou plusieurs compétences, et le lien avec l'emploi doit leur être clairement expliqué. Ils peuvent même ne pas être en mesure de s'impliquer dans la formation tant qu'on ne leur a pas expliqué l'objectif concret du programme.

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.

De tels apprenants ne s'inscrivent donc pas du tout dans la logique déductive cartésienne, qui consiste à commencer par présenter les rappels de mathématiques et de physique avant de dérouler la théorie, pour aboutir à la pratique, logique qui sous-tend le scénario habituel des cours en formation initiale dans l'enseignement supérieur.

Même pour les étudiants en formation initiale, ce mode de présentation n'est d'ailleurs pas nécessairement le plus adapté. De nos jours, les apprenants ne s'engagent que s'ils perçoivent le sens et l'intérêt des cours qui leur sont proposés.

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.

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.

Trois modes pour notre approche pédagogique

Genèse de notre approche pédagogique

Au début des années 1990, nous avons commencé à enseigner un cours de machines thermiques aux élèves de l’École des Mines de Paris, ayant dû remplacer au pied levé un collègue immobilisé pour raisons de santé. Comme la très grande majorité des enseignants-chercheurs, nous avons commencé pendant deux ans environ par nous couler dans le moule mis en place par nos collègues en utilisant une approche pédagogique proche de la leur, et ce n'est qu'ensuite que nous l'avons remise en question, lorsque nous nous sommes trouvés en situation d'échec sur le plan pédagogique.

Le cours passait mal auprès des élèves, et, compte tenu de leur niveau, nous ne pouvions pas les blâmer. En approfondissant la question, nous sommes arrivés à la conclusion que si une chose devait être remise en cause, c'était essentiellement la pédagogie traditionnelle.

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.

Précisons tout d'abord que notre principal objectif pédagogique était et reste encore 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, selon les principes exposés ci-dessus.

A notre surprise, notre approche s'est révélée intéresser une audience beaucoup plus large que celle de nos élèves des Mines, non seulement au niveau universitaire, mais aussi pour la formation d'apprenants ne disposant pas d'un bagage scientifique aussi conséquent que nos élèves, comme par exemple les opérateurs de conduite de systèmes propulsifs et des installations de réfrigération et de climatisation de la Marine nationale ou bien des professionnels en formation continue.

Il en est résulté, après 2010 environ, un effort d'allégement du contenu scientifique de l'enseignement, l'accent étant mis sur la compréhension des phénomènes physiques plutôt que sur l'étude des équations qui les décrivent et que ces derniers apprenants ne mettent jamais en application par eux-mêmes dans leur pratique professionnelle.

Il nous est en particulier apparu préférable dans ce contexte de commencer le cours en évitant de recourir à la notion d'entropie difficile à bien comprendre par des apprenants ne disposant pas de connaissances poussées en mathématiques et en physique. Cela nous a conduit à remplacer le diagramme entropique (T,s) par le diagramme enthalpie-pression (h, ln(P)).

Parallèlement, de nouveaux outils ont été mis au point à l'occasion de la préparation de nos deux MOOC Conversion Thermodynamique de la Chaleur, afin que les apprenants puissent travailler de manière autonome, l'encadrement étant nécessairement réduit dans ce contexte.

Il s'agit d'une part des activités d'auto-évaluation, et d'autre part des explorations dirigées de modèles dont il a été fait état ci-dessus.

L'ensemble de ces développements a débouché sur une évolution de notre approche pédagogique initiale intégrant d'une part ces nouveaux outils et d'autre part ce souci d'alléger le plus possible les prérequis scientifiques. Nous parlons alors de présentation pédagogique allégée.

Il en résulte que notre approche pédagogique peut aujourd'hui se décliner selon trois modes complémentaires en fonction du niveau scientifique des apprenants.

Le premier mode, la présentation allégée, répond aux besoins des apprenants disposant d'un bagage scientifique minimal, et donc ne fait appel ni à l'entropie ni à l'exergie. Les exercices pratiques utilisent les explorations dirigées de modèles simples. Il s'agit typiquement du cours proposé dans nos MOOC CTC.

Le second mode, que l'on peut qualifier de progressif, s'adresse à des apprenants en licence ou à des professionnels en activité, pas particulièrement motivés par les aspects théoriques tout en étant capables de les suivre s'il le faut. Il commence par la présentation allégée que l'on complète en introduisant une démarche d'amélioration des cycles s'appuyant sur les bilans exergétiques et la comparaison avec le cycle de Carnot dans le diagramme entropique. Les exercices pratiques utilisent les explorations dirigées de modèles ainsi que quelques séances Diapason. Le cours 2022 sur les Systèmes Energétiques correspond à ce mode.

Le troisième mode est destiné à des élèves en master ou école d'ingénieurs familiers des développements théoriques. Il se distingue des précédents par deux points :

  • Tout d'abord, ces élèves sont habitués à une présentation "cartésienne" et disciplinaire de leurs enseignements, et rien ne s'oppose à ce que l'on commence par leur présenter toute la théorie avant de passer aux applications ;

  • Ensuite, comme pour eux l'utilisation de l'entropie ne pose aucun problème, on peut très rapidement introduire les diagrammes entropiques (T,s) et ceux de Mollier (h, s) ainsi que l'exergie et les bilans exergétiques.

La démarche d'amélioration des cycles s'appuyant sur les bilans exergétiques et la comparaison avec le cycle de Carnot devraient aussi constituer dans le troisième mode le fil directeur d'analyse des variantes des cycles simples. Les exercices pratiques utilisent soit les explorations dirigées, y compris celles faisant appel aux fonctionnalités avancées de Thermoptim, soit les séances Diapason où les apprenants construisent par eux-mêmes leurs modèles. La plupart des modules de cours proposés dans ce portail correspondent à ce mode.

A des degrés divers, chacun de ces modes s'appuie sur les éléments présentés dans cette page. Historiquement, c'est d'abord le troisième qui a été mis en œuvre.

En guise de synthèse

La méthode pédagogique que nous préconisons repose sur quelques grandes constantes :

  • réduire la charge cognitive des apprenants en limitant autant que possible les développements théoriques inutiles, ceux-ci variant selon le niveau scientifique des apprenants

  • les rendre opérationnels grâce au simulateur qui leur permet d'étudier de vrais problèmes et non pas des caricatures de la réalité compte tenu d'hypothèses trop simplificatrices

  • opérer un déplacement du contenu de l'enseignement en réduisant les mises en équation et en insistant sur les explications qualitatives relatives aux phénomènes physiques qui prennent place dans les systèmes étudiés

  • séquencer l'enchaînement des notions présentées en s'appuyant sur le modèle RTM(E) et sur l'approche fonctionnelle.

L'offre de formation avec Thermoptim s'est ainsi complétée et diversifiée et atteint une large audience, au niveau national et international.

Supports écrits

Trois ouvrages publiés aux Presses des Mines rassemblent, sous deux formes complémentaires, l'essentiel des développements présentés dans ce portail :

  • Systèmes Énergétiques, comportant trois tomes

  • Modéliser et simuler les technologies énergétiques

  • Introduction aux problèmes énergétiques globaux

Systèmes Énergétiques

Systèmes Énergétiques a été publié en 2009 avec un double objectif :

  • d'une part permettre aux débutants de comprendre les principes de conception des systèmes énergétiques et d'avoir une vision d'ensemble des différentes technologies utilisables pour leur réalisation,

  • et d'autre part de fournir à ses lecteurs confirmés des méthodes avancées d'analyse de ces systèmes. Il montrait comment peut être mise en œuvre une approche structurée de l'étude des technologies énergétiques s'appuyant sur le progiciel Thermoptim.

Compte tenu de l'étendue du domaine couvert, ce livre comporte trois tomes :

  • le premier tome (Méthodologie d'analyse, bases de thermodynamique, composants, Thermoptim) établit, après un rappel des bases de la thermodynamique, les principales équations permettant de calculer le comportement des différents composants génériques les plus utilisés dans les technologies énergétiques (compresseurs, turbines, chambres de combustion, organes de laminage, échangeurs de chaleur, batteries froides...). Une approche structurée de la modélisation des technologies de conversion de l'énergie (TCE) s'appuyant sur Thermoptim y est proposée, suivie de la présentation des principales fonctionnalités du progiciel. Ce tome contient l'essentiel des éléments permettant de comprendre comment les composants qui entrent en jeu dans une TCE peuvent être modélisés. Il explique aussi comment aborder les études de cycles et établir des bilans exergétiques ;

  • c'est dans le second tome (Applications "classiques") que sont examinées comment les bases établies dans le premier ont été mises en pratique jusqu'à récemment. Les principales TCE "classiques" y sont passées en revue, analysées comme des systèmes mettant en œuvre les composants dont le fonctionnement a été étudié précédemment. Le lien y est fait entre les connaissances théoriques et les réalisations technologiques qui font l'objet de présentations plus détaillées que dans les deux autres tomes ;

  • le troisième tome (Cycles avancés, systèmes innovants à faible impact environnemental) s'adresse surtout à des lecteurs confirmés souhaitant effectuer des modélisations avancées. Après leur avoir expliqué comment concevoir des extensions de Thermoptim appelées classes externes, il complète le second tome en abordant l'étude des cycles avancés innovants, notamment à faible impact environnemental, mettant pour la plupart en jeu de telles classes externes. Deux chapitres sont ensuite dédiés à la gestion temporelle de l'énergie, tandis que les suivants traitent des extensions de Thermoptim qui ont été introduites pour offrir la possibilité d'effectuer des études de dimensionnement technologique et de fonctionnement en régime non nominal. Ce tome est comme les autres illustré par de nombreux exemples de cycles modélisés avec Thermoptim, qui fournissent au lecteur des modèles dont il peut modifier à sa convenance la structure ou les paramètres pour effectuer des simulations diverses.

L'ensemble comporte environ 1100 pages et, malgré les simplifications apportées par la démarche proposée, il peut se révéler un peu ardu pour un certain nombre de lecteurs.

Une nouvelle édition est en cours de préparation, pour une publication prévue en 2023.

Modéliser et simuler les technologies énergétiques

Modéliser et simuler les technologies énergétiques, tout en s'inscrivant dans la même logique globale que le livre de 2009, propose à ses lecteurs l'approche pédagogique allégée introduite ci-dessus, afin de leur permettre d'apprendre à modéliser par l'exemple et de manière progressive les technologies énergétiques assurant la conversion thermodynamique de la chaleur.

L'essentiel du contenu de cet ouvrage constitue le support de cours du MOOC CTC (Conversion Thermodynamique de la Chaleur), décomposé en deux parties, Modéliser et Simuler (CTC-MS) et Cycles Classiques et Innovants (CTC-CCI).

Introduction aux problèmes énergétiques globaux

Introduction aux problèmes énergétiques globaux, co-écrit avec May Gicquel, cherche à fournir une base de réflexion sur l'ensemble des grands problèmes de l'énergie, en proposant une analyse des principaux aspects à prendre en considération :

  • l'offre d'énergie, dépendante des ressources et des filières technologiques disponibles ;

  • les implications macro-économiques de la demande d'énergie ;

  • les questions géopolitiques ;

  • les particularités de la situation des pays en développement.

L'essentiel du contenu de cet ouvrage constitue le support de cours du MOOC PEG.

Thèse en Sciences de l'Éducation sur le dispositif Thermoptim

Une thèse en Sciences de l'Éducation a été soutenue le 3 février 2016 par Madame Atika MOKHFI, pour obtenir le doctorat d'Aix-Marseille Université. Cet important travail a reçu la meilleure mention.

Son titre est : "Étude d'un dispositif d'enseignement à distance en libre accès sur le web : une approche didactique du travail enseignant dans le supérieur. Le cas du dispositif Thermoptim-UNIT à l'école MINES ParisTech".

Cette thèse s'appuie notamment sur des enquêtes menées auprès d'enseignants et d'étudiants de la discipline utilisant le dispositif Thermoptim, menées par questionnaires et entretiens, dont les témoignages valident le bien-fondé de la démarche.

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.

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