Competency- Based Learning in Mechanical Engineering at EPFL

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1 Competency- Based Learning in Mechanical Engineering at EPFL

2 Outline q Introduc=on q Project implementa=on q 1 st phase: Determina=on of societal needs and macro- competencies q 2 nd phase: Formula=on of learning outcomes q 3 rd phase: Implementa=on in the curriculum q Lessons learned

3 Introduc=on Why? q Bologna and interna=onal accredita=on trends q Con=nuous quality improvement q Learning outcomes integra=on q European Qualifica=on Framework (EQF) q OAQ- CTI audit recommenda=ons q BeRer descrip=on of targeted competences q Curricula more industry- oriented q More project/hands- on ac=vi=es at the bachelor level q Why Mechanical Engineering? q Pilot project before extending to whole EPFL q Laboratory (LGPP) with experience in competency- based approaches in the industrial environment

4 Introduc=on The Objec=ves To establish a framework and process for pilo=ng the Bachelor and Master programs q Reference on knowledge and skills that students must have at a given level q Tool to help students in the choice of courses q Framework to help teachers coordinate and relate different courses q Curriculum- per=nence criterion for the introduc=on and suppression of subjects

5 Project implementa=on 1 st phase q Determine societal needs for EPFL mechanical engineers (Delphi poll) q List of required macro- competencies (CTI approach) Delphi panel Industrial advisory board Pedagogists

6 Project implementa=on 1 st phase Composi=on of the Delphi panel: q 37 out of 52 completed ques=onnaires q 10 women, 42 men q Alma mater: 32 EPFL q Background: 25 Mechanical engineering q Degree: 12PhD, 21 Master q Work experience: 4 <5 years, 9 5 to 10 years, 25 >10 years q Posi=on: 12 R&D, 11 Management, 5 Produc=on q Company s size: 12 SME, 27 LE q Company s business: 25 manufacturing, 3 energy distribu=on, 3 transporta=on, 2 car manufacturer

7 Project implementa=on 1 st phase

8 Project implementa=on 1 st phase &#" Knowledge of Engineering Subjects &!" %#" %!" $#" $!" #"!" '()*+,-)+."/(0-1," 2*(345/6,+4-)0" '+7(3-+.0" '()*+,-)+."8-93+:5,0" ;.<-/"/6,+4-)0" =5,735." >?:4-0+:5," =5,:,<<4"4()*+,-)0" '()*+735,-)0" >7*(3"$" B57"0?()-C(/" D,5E"+,/"<,/(307+,/" F??.6"+,/"+,+.60(" F00(00"+,/")3(+7("

9 Project implementa=on 1 st phase '!" Knowledge of Engineering- Related Subjects &#" &!" %#" %!" $#" $!" #"!" ()*+,-." /0112),3450)" (30)016" 78914)" :4;85)*" <214)"= " >3302)5)*"?4@" A,)4)38" B0C",1D09C4)C",1D09C4)C" E896"F1D09C4)C" (--8)54+"4C":4-C89"+8G8+"

10 Project implementa=on 1 st phase Required macro- competencies Competency 1: Understand, quickly adapt to and communicate with the professional, technological, natural and economical environment Competency 2: Iden=fy, model, and analyze problems from a complex reality by adop=ng a scien=fic, holis=c and mul=disciplinary approach Competency 3: Design and implement innova=ve, effec=ve and durable solu=ons in an industrial and/or research context Competency 5: Act professionally and responsibly Competency 4: Manage people and projects

11 Project implementa=on 2 nd phase From competencies to learning outcomes for the 6 concentra=ons and the transversal domain Teaching Commission Concentra=on Advisors and Teachers Pedagogists

12 Project implementa=on 2nd phase Solids & Structures Design & Produc=on Energy 6 Concentra=ons Biomechanics Aero- Hydrodynamics Competency- Based Learning in Mechanical Engineering at EPFL Control & Mechatronics

13 Project implementa=on 2 nd phase Examples of Learning Outcomes q Energy: q Master the concepts of mass, energy, and momentum balance, E1 q Design a measurement set- up for an energy conversion system, E27 q Aero- Hydrodynamics: q Link flow behaviour with non- dimensional parameters (e.g. Reynolds and Mach numbers), AH2 q Op=mize the behaviour of a given flow by a numerical or experimental approach, AH38 q Transversal Domain: q Write a scien=fic or technical report, T6 q Form and mo=vate a team, T13

14 Project implementa=on 3 rd phase q Modifica=ons of the curriculum q New course descrip=on q Database of competencies q Student orienta=on tool q 2 nd round of modifica=ons of the curriculum Teaching Commission Concentra=on Advisors Industrial advisory board

15 Project implementa=on 3 rd phase Modifica=ons of the curriculum q Revamped courses q Computer- aided engineering I, II become Introduc=on to programming and Introduc=on to algorithmics, taught by a teacher in Mechanical engineering (1 st year) q Sta=cs becomes Mechanics of structures I and is berer coordinated with Mechanics of structures II, formerly Mechanics of structures (1 st, 2 nd year) q Fusion of Produc=on processes and Metals forming in one course (2 nd year) q Finite difference and finite volume methods become Discre=za=on methods (3 rd year)

16 Project implementa=on 3 rd phase Modifica=ons of the curriculum q New courses q Introduc=on to mechanical engineering (1 st year) q Fluid flow (2 nd year) q Aeroelas=city and fluid- structure interac=on (Master) q Par=cle- based methods (Master) q Mandatory Engineering internship (Master) q Other modifica=ons q Electronics from 2 nd to 3 rd year q Elimina=on of redundancies in the Design & Produc=on concentra=on

17 Génie mécanique ( , Master semestre 3) C: Project implementa=on 3 rd 3 H hebdo, Ex: 2 H hebdo D opt phase systèmes énergétiques industriels, E23 Objectifs d'apprentissage: New leurs principes course et leurs limites, descrip=on E7 Titre / Title Enseignant(s) / Instructor(s) Maréchal François: GM Langue / Language EN Programme(s) Période(s) Nombre d'heures / Number of hours Spéc / Type Réaliser Analyser une l'efficacité présentation énergétique orale, et T7le rendement exergétique des filière /orient Génie mécanique ( , Master semestre 1) C: 3 H hebdo, Ex: 2 H hebdo D opt Génie mécanique ( , Master semestre 3) C: 3 H hebdo, Ex: 2 H hebdo D opt Gestion de l'énergie et construction durable - master ( , Master semestre 1) C: 3 H hebdo, Ex: 2 H hebdo opt Mineur en Énergie ( , Semestre automne) C: 3 H hebdo, Ex: 2 H hebdo opt Objectifs d'apprentissage: Learning outcomes: Compétences de domaine: énergétiques, les impacts Domain skills: économiques et environnementaux, E9 Maîtriser les notions de rendements thermodynamiques, E6 Master the concepts of thermodynamic efficiency, E6 Etablir un diagramme de flux et calculer les bilans de matière et Establish the flow diagram of an industrial process and calculate the Analyse Compétences et synthèse transversales: de l'utilisation et conversion rationnelle de d'énergie de processus industriels, E22 corresponding energy and mass balance, E22 Analyser l'efficacité énergétique et le rendement exergétique des Analyse the energy and exergy efficiency of industrial energy systems, systèmes énergétiques l'énergie industriels, Rédiger E23 dans un rapport les procédés E23d'étude industriels. scientifique ou technique, T6 Connaître les principales technologies de conversion de l'énergie, Know the principles and limitations of the main energy conversion leurs principes et leurs limites, E7 technologies, E7 Méthodologie Réaliser une de présentation l'audit énergétique orale, T7 d'un processus industriel. Comprendre les enjeux de l'énergie: les ressources, les services Understand the challenges related to energy: resources, energy énergétiques, les impacts économiques et environnementaux, E9 services, economic and environmental impacts, E9 Compétences transversales: Documenter et communiquer Transversal skills: un projet, T12 Rédiger un rapport d'étude scientifique ou technique, T6 Write a scientific or technical report, T6 Réaliser une présentation orale, T7 Make an oral presentation, T7 systèmes de conversion d'énergie. Principes de l'intégration des Documenter et communiquer un projet, T12 Document and communicate a project, T12 Analyser les conséquences d'une décision ou d'une solution, T20 Analyse the consequences of a decision or solution, T20 Contenu: Content: Analyse et synthèse ded'amélioration l'utilisation et conversion rationnelle de du rendement Rational use and conversion deofprocessus. energy in industrial processes. Intégration optimale de l'énergie dans les procédés industriels. Méthodologie de l'audit énergétique de lad'un conversion processus industriel. d'énergie. Methodology for the Evaluation energy efficiency audit of industrial thermo-économique processes. des Principes de l'analyse exergétique des processus industriels et des Principles of the exergy analysis of industrial processes and energy systèmes de conversionanalyse d'énergie. Principes de et l'intégration synthèse des conversion de l'utilisation systems. Principles of the process et conversion integration using the pinchrationnelle de processus avec la méthode du pincement. Identification des options analysis method. Identification of the process efficiency improvement d'amélioration du rendement de processus. Intégration optimale de options. Optimal integration of the energy conversion systems. de la conversion d'énergie. d'un l'énergie Evaluation dans les thermo-économique des industriel. procédés industriels. Thermo-economic evaluation of energy savings options. Application to options de réduction de la consommation énergétique. Etude cas one industrial process case study. d'un processus industriel. Méthodologie de l'audit énergétique d'un processus industriel. Keywords: Mots clés: Energy efficiency, heat recovery, Energy conversion, Exergy analysis, Utilisation rationnelle de Mots Principes l'énergie, Conversion clés: de l'analyse exergétique des processus industriels et des de l'énergie, Analyse Pinch analysis, Industrial processes exergétique, Analyse pincement, systèmes Procédés industriels de conversion d'énergie. Principes de l'intégration des Required prior knowledge: Prérequis: Utilisation rationnelle Master dethe l'énergie, concepts of mass, energy, Conversion and momentum balance, E1 de l'énergie, Analyse Maîtriser les notions de bilans de matière, d'énergie et de quantité (Thermodynamique et énergétique I) de mouvement, E1 (Thermodynamique et énergétique I) Compute the thermodynamic properties of a fluid, E2 Calculer les propriétés exergétique, d'amélioration thermodynamiques d'un fluide, Analyse du E2 rendement (Thermodynamique pincement, de et énergétique processus. Procédés I) industriels Intégration optimale de (Thermodynamique et énergétique I) Master the concepts of heat and mass transfer, E3 (Heat and mass Maîtriser les notions de de transfert la deconversion chaleur et masse, E3 (Heat d'énergie. transfer) Evaluation thermo-économique des and mass transfer) Understand the main thermodynamic cycles, E5 (Thermodynamique et Comprendre les principaux cycles thermodynamiques, E5 énergétique I) (Thermodynamique et énergétique Prérequis: I) Calculate and design heat exchangers, E15 (heat and mass transfer) Calculer et concevoir des échangeurs de chaleur, E15 (Heat and Notion of optimization (Introduction à l'optimisation différentiable) mass transfer) d'un processus industriel. Notion d'optimisation (Introduction à l'optimisation différentiable) Type of teaching: Forme d'enseignement: course is organised as theoretical sessions and the resolution of a real case study to be realised in a team project. Le cours est organisé en de Mots sessions mouvement, théoriques clés: et comprend la E1 (Thermodynamique et énergétique I) résolution d'un cas d'étude réalisée dans un projet de groupe. Form of examination: Forme du contrôle: Présentation de groupe du cas d'étude. Examen oral sur l'application de la théorie au cas d'étude. Bibliographie et matériel: Objectifs d'apprentissage: Learning outcomes: Compétences Génie mécanique de domaine: ( , Master semestre 3) Domain skills: C: 3 H hebdo, Ex: 2 H hebdo D opt Gestion Maîtriser de les l'énergie notions et deconstruction rendements thermodynamiques, durable - master ( , E6 Master Master semestre the concepts 1) C: of 3 thermodynamic H hebdo, Ex: 2 efficiency, H hebdo E6 opt Etablir un diagramme de flux et calculer les bilans de matière et Establish the flow diagram of an industrial process and calculate the Mineur en Énergie ( , Semestre automne) C: 3 H hebdo, Ex: 2 H hebdo opt d'énergie de processus industriels, E22 corresponding energy and mass balance, E22 Analyser l'efficacité énergétique et le rendement exergétique des Analyse the energy and exergy efficiency of industrial energy systems, E23 Connaître les principales technologies de conversion de l'énergie, Learning Know the outcomes: principles and limitations of the main energy conversion technologies, E7 Compétences Comprendre les de domaine: enjeux de l'énergie: les ressources, les services Domain Understand skills: the challenges related to energy: resources, energy énergétiques, Maîtriser les les notions impacts de rendements économiquesthermodynamiques, et environnementaux, E6 E9 services, Master economic the concepts andof environmental thermodynamic impacts, efficiency, E9 E6 Compétences Etablir un diagramme transversales: de flux et calculer les bilans de matière et Transversal Establish the skills: flow diagram of an industrial process and calculate the d'énergie Rédigerde unprocessus rapport d'étude industriels, scientifique E22 ou technique, T6 corresponding Write a scientific energy or technical and mass report, balance, T6 E22 Analyser l'efficacité énergétique et le rendement exergétique des Make Analyse anthe oral energy presentation, and exergy T7 efficiency of industrial energy systems, systèmes Documenter énergétiques et communiquer industriels, un projet, E23 T12 E23 Document and communicate a project, T12 Analyser Connaître les les conséquences principales technologies d'une décision de conversion ou d'une solution, de l'énergie, T20 Analyse Know the the principles consequences and limitations of a decision of the or main solution, energy T20 conversion leurs principes et leurs limites, E7 technologies, E7 Contenu: Comprendre les enjeux de l'énergie: les ressources, les services Content: Understand the challenges related to energy: resources, energy énergétiques, les impacts économiques et environnementaux, E9 services, economic and environmental impacts, E9 Rational Transversal use and skills: conversion of energy in industrial processes. Write a scientific or technical report, T6 Methodology Make an oral forpresentation, the energy efficiency T7 audit of industrial processes. Principes de l'analyse exergétique des processus industriels et des Principles Document of the and exergy communicate analysisa of project, industrial T12 processes and energy Analyser les conséquences d'une décision ou d'une solution, T20 conversion Analyse the systems. consequences Principles of of a the decision process or solution, integration T20 using the pinch processus avec la méthode du pincement. Identification des options analysis method. Identification of the process efficiency improvement d'amélioration Contenu: du rendement de processus. Intégration optimale de options. Content: Optimal integration of the energy conversion systems. Thermo-economic evaluation of energy savings options. Application to options de réduction de la consommation énergétique. Etude de cas one Rational A paragraph industrial use and process conversion case to the study. of energy teacher s in industrial discre=on processes. Advanced energetics (ME-451) processus avec la méthode du pincement. Identification des options options de réduction de la consommation énergétique. Etude de cas Maîtriser les notions de bilans de matière, d'énergie et de quantité Mots clés: Calculer les propriétés The real case thermodynamiques study will be presented (group presentation). An d'un oral exam fluide, E2 will concern the application of the theory in the case study. (Thermodynamique Utilisation rationnelle et de énergétique l'énergie, Conversion I) de l'énergie, Analyse exergétique, Maîtriser les Analyse notionspincement, de transfert Procédés de chaleur industriels et de masse, E3 (Heat and mass transfer) Prérequis: Comprendre les principaux cycles thermodynamiques, E5 (Thermodynamique et énergétique I) Calculer Maîtriser et les concevoir notions de des bilans échangeurs de matière, de chaleur, d'énergie E15 et de (Heat quantité and mass de mouvement, transfer) E1 (Thermodynamique et énergétique I) Notion Calculer d'optimisation les propriétés (Introduction thermodynamiques à l'optimisation d'un fluide, différentiable) E2 (Thermodynamique et énergétique I) Forme Maîtriser d'enseignement: les notions de transfert de chaleur et de masse, E3 (Heat and mass transfer) Le matériel de référence peut être téléchargé depuis le site moodle ( Le polycopié du cours peut être commandé. Matière examinée / subjects examined Session Coefficient / Crédits ECTS Forme de l'examen / Type of examination Advanced energetics HIV 5 Oral Keywords: Methodology for the energy efficiency audit of industrial processes. Principles of the exergy analysis of industrial processes and energy Energy conversion efficiency, systems. heat Principles recovery, of Energy the process conversion, integration Exergy using analysis, the pinch Pinch analysis analysis, method. Industrial Identification processes of the process efficiency improvement options. Optimal integration of the energy conversion systems. Required Thermo-economic prior knowledge: evaluation of energy savings options. Application to one industrial process case study. Master the concepts of mass, energy, and momentum balance, E1 (Thermodynamique Keywords: et énergétique I) Compute the thermodynamic properties of a fluid, E2 (Thermodynamique Energy efficiency, heat et énergétique recovery, Energy I) conversion, Exergy analysis, Pinch Master analysis, the concepts Industrial of processes heat and mass transfer, E3 (Heat and mass transfer) Required Understand prior the knowledge: main thermodynamic cycles, E5 (Thermodynamique et énergétique I) Calculate Master the and concepts designof heat mass, exchangers, energy, and E15 momentum (heat and mass balance, transfer) E1 (Thermodynamique Notion of optimization et énergétique (Introduction I) à l'optimisation différentiable) Compute the thermodynamic properties of a fluid, E2 Type (Thermodynamique of teaching: et énergétique I) Master the concepts of heat and mass transfer, E3 (Heat and mass The course is organised as theoretical sessions and the resolution of a real Understand case studythe to main be realised thermodynamic in a team cycles, project. E5 (Thermodynamique et Competency- Based Learning in Mechanical transfer) Engineering at EPFL

18 Project implementa=on 3 rd phase Next steps: q Database of competencies q Student orienta=on tool q 2 nd round of modifica=ons of the curriculum

19 Lessons learned Errors & Difficul=es q Delphi ques=onnaire q Non- uniformity of the formula=on of learning outcomes q Time- management q Communica=on of the project q Actual feasibility of modifica=ons of the curriculum (constraints, personnel, facili=es)