PARTIE 2 : APPLICATION À L ENSEIGNEMENT DE LA THERMODYNAMIQUE

DIDACTIQUE 1783 Utilisation pédagogique des simulateurs par École des Mines de Paris - 75272 Paris Cedex 06 renaud.gicquel@ensmp.fr PARTIE 2 : APPLICATION À L ENSEIGNEMENT DE LA THERMODYNAMIQUE Didactique RÉSUMÉ Un premier article a permis de présenter un certain nombre de modélisations des connaissances à enseigner et des mécanismes cognitifs mis en œuvre lors de l apprentissage. Dans ce deuxième article, centré sur l utilisation du simulateur de thermodynamique «thermoptim», on décrit tout d abord les innovations apportées par ce simulateur, sa structuration conceptuelle, et les différentes utilisations didactiques qui peuvent en être faites : exploration, assemblage de modèles préétablis ou création de nouveaux modèles de composants. L auteur propose ensuite quelques exemples de mise en œuvre pour la formation à distance. 1. INTRODUCTION Dans le premier volet de cet article, paru dans le numéro précédent du Bulletin des professeurs de physique et de chimie, nous avons montré les éclairages très intéressants qu apporte la didactique en proposant des modélisations des connaissances à enseigner et des mécanismes cognitifs mis en œuvre lors de l apprentissage. Nos analyses ont permis d affiner la typologie de ces connaissances, de mieux comprendre les différents niveaux de contrôle cognitif des apprenants, de mettre en évidence l importance fondamentale de l acquisition des schèmes de la discipline, et de rappeler le rôle décisif des conceptions initiales des apprenants. Dans ce second volet, nous confrontons ces analyses à l expérience pédagogique acquise au cours des sept dernières années avec le simulateur Thermoptim, dont elles ont partiellement inspiré le développement, et nous présentons succinctement des modules de formation à distance récemment mis en ligne. Ces deux réalisations NTE illustrent comment les réflexions de la première partie peuvent être mises en œuvre sur le plan pratique. Vol. 98 - Décembre 2004

1784 UNION DES PROFESSEURS DE PHYSIQUE ET DE CHIMIE 2. INNOVATIONS APPORTÉES PAR LE SIMULATEUR THERMOPTIM 2.1. Les simulateurs Les simulateurs sont des outils incorporant des Méthodes (1) et facilitant leur mise en œuvre. Sur le plan industriel, ils présentent de nombreux atouts, car ils permettent d augmenter très sensiblement la productivité des ingénieurs qui ont à effectuer des modélisations, tant en terme de temps que de coût : tout d abord, leurs environnements de travail facilitent (grâce à des interfaces conviviales) et surtout sécurisent la modélisation en minimisant les risques d erreur lors de la définition des modèles (automatisation des liens entre composants, génération automatique d équations, tests de cohérence ) ; ensuite, leur capacité de résolution de problèmes et leur portée excèdent de loin celles qui seraient accessibles à un ingénieur développant seul ses modèles : ils capitalisent des savoirs multiples ; la précision des résultats des bons simulateurs est excellente, et leurs modèles sont très réalistes ; ils permettent un archivage des projets étudiés, et proposent généralement des bibliothèques de projets résolus qui peuvent être réutilisés moyennant quelques adaptations ; ils permettent d effectuer facilement des études de sensibilité ou des optimisations, et proposent souvent des interfaces d analyse des résultats obtenus ; ils peuvent être utilisés aussi bien en conception que pour le diagnostic d installations existantes (souvent en vue de pouvoir évaluer les améliorations possibles). D une manière générale, l utilisation pédagogique des simulateurs permet d enrichir l apprentissage des élèves pour de multiples raisons : ils facilitent l acquisition du savoir-faire, les élèves étant déchargés des difficultés calculatoires : la discipline ne reste pas un ensemble de concepts abstraits ; ils permettent d effectuer des études de cas réalistes ; en facilitant les calculs, ils rendent plus attractive l étude des exemples ; ils permettent de réduire la charge cognitive dans la phase d acquisition des schèmes (cf. partie 1) ; ils placent l automatisation des tâches (cf. partie 1) 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 ; en fournissant un environnement d apprentissage professionnel, ils peuvent rendre les élèves vraiment opérationnels, ce qui est un facteur majeur de leur motivation, et donc de leur attention ; ils permettent des actions collaboratives entre les élèves et entre eux et les enseignants. (1) Pour définir les catégories de savoirs à enseigner aux élèves, le modèle RTM(E) présenté dans le premier volet se révèle un guide très utile. Il propose de regrouper les connaissances à transmettre en quatre grandes catégories reliées entre elles, appelées la Réalité, la Théorie, les Méthodes (et les Exemples). Utilisation pédagogique des simulateurs : application à l enseignement... Le BUP n o 869

DIDACTIQUE 1785 2.2. Le simulateur Thermoptim Depuis 1997, nous avons développé à l École des Mines de Paris une démarche pédagogique novatrice utilisant le progiciel Thermoptim, basée sur un nouveau paradigme privilégiant les aspects qualitatifs, notamment lors de l initiation à la discipline, et une participation active des élèves rendue possible par une réduction des enseignements magistraux et une extension des explorations virtuelles, travaux dirigés et/ou projets. Le temps nécessaire à ces activités constructivistes est récupéré sur le volume horaire précédemment consacré à certains aspects quantitatifs présentant un intérêt pédagogique secondaire, dont l étude peut être avantageusement remplacée par une utilisation raisonnée d outils logiciels appropriés. Thermoptim possède quatre dimensions complémentaires qui le rendent très bien adapté pour l enseignement de la thermodynamique appliquée et pour l étude des systèmes énergétiques : il permet de représenter de nombreuses installations énergétiques de manière très réaliste (turbines à gaz, cycles à vapeur, machines de réfrigération...) ; son éditeur de schémas (cf. figure 1) permet de construire graphiquement d une manière simple et intuitive les modèles de ces installations, puis constitue un écran synoptique rassemblant de manière synthétique et directement compréhensible toute l information qualitative et quantitative pertinente sur le dispositif étudié, c est-à-dire à la fois sa structure, ses performances globales et, aux différentes interconnexions du système, l état des fluides mis en jeu ; Didactique Figure 1 : Synoptique d un cycle à vapeur. Vol. 98 - Décembre 2004

1786 UNION DES PROFESSEURS DE PHYSIQUE ET DE CHIMIE son simulateur est parfaitement adapté pour effectuer des expérimentations virtuelles en faisant varier divers paramètres ou en changeant les fluides ; les cycles peuvent être tracés sur les différents diagrammes thermodynamiques utilisés par les professionnels : (T, s), (h, log P), (h, s), (h, x h ), (s, x h ) (cf. figure 2). Figure 2 : Cycle à vapeur dans un diagramme entropique. Transposée dans plus de soixante-dix autres établissements d enseignement supérieur, aussi bien en premier cycle (classes préparatoires et IUT) qu en second ou troisième cycle (écoles d ingénieur, universités), cette méthode a montré que, dans tous les cas, l utilisation de Thermoptim permet de fortement motiver les élèves, qui s investissent beaucoup plus qu auparavant dans l enseignement. Leur participation est nettement plus active et ils travaillent à leur rythme, avec plus d assiduité. Ils acquièrent très rapidement une bonne maîtrise de l outil, et cherchent alors à comprendre la réalité physique des installations qu ils étudient. Leur assimilation de la thermodynamique est bien meilleure qu auparavant. Nous avions donné quelques indications sur son utilisation en CPGE (Classes préparatoires aux grandes écoles) dans un numéro précédent du Bulletin de l Union des Physiciens [1]. Les enseignants sont eux aussi satisfaits, même si l introduction de cette nouvelle pédagogie leur demande la première fois un travail préparatoire non négligeable. Les contacts avec les étudiants sont plus intéressants et personnalisés. Travaillant sur des exemples réalistes, proches des cas rencontrés dans l industrie, ils se sentent responsabilisés et cherchent à donner le meilleur d eux-mêmes. Les lecteurs intéressés pourront trouver de nombreuses ressources, notamment pédagogiques, sur le site de référence du progiciel : http://www.thermoptim.com Utilisation pédagogique des simulateurs : application à l enseignement... Le BUP n o 869

DIDACTIQUE 1787 2.3. Apports de Thermoptim Les principales innovations pédagogiques apportées par Thermoptim sont les suivantes : il contribue à structurer efficacement les schèmes des élèves ; il permet une approche visuelle très féconde ; bien qu étant un puissant simulateur professionnel, ses fonctionnalités en font aussi un très bon didacticiel. 2.3.1. Structuration conceptuelle Thermoptim est basé sur la distinction d un certain nombre de concepts élémentaires, appelés types primitifs [2] : les corps et les points permettent de calculer les propriétés intensives des fluides utilisés, pour diverses valeurs de la pression, de la température, ou d autres variables ; ces fluides subissent des évolutions (transformations ou transfos) qui peuvent être regroupées en un petit nombre de grandes catégories, dont les plus courantes sont les suivantes : des compressions, des détentes avec ou sans travail, des combustions et des échanges de chaleur. C est à ce niveau que sont spécifiés les débits-masses mis en jeu, et que donc les propriétés extensives peuvent être calculées ; les fluides mis en jeu parcourent les machines en formant des réseaux plus ou moins complexes qu il faut pouvoir décrire. Les transfos correspondent à une partie de ces circuits. Elles sont complétées par trois types de nœuds (des diviseurs, des mélangeurs ou des séparateurs de phase) ; lorsque deux fluides échangent mutuellement de la chaleur, ils forment des échangeurs de chaleur, composants couplés dont les deux transformations ne peuvent être calculées séparément. L ensemble de ces types primitifs (corps, points, transfos, nœuds, échangeurs) est regroupé dans le progiciel sous le nom de projet. La figure 3 schématise les relations logiques qui existent entre eux. Didactique Figure 3 : Structure de Thermoptim. Vol. 98 - Décembre 2004

1788 UNION DES PROFESSEURS DE PHYSIQUE ET DE CHIMIE Chacun de ces types primitifs se traduit dans Thermoptim par un écran dans lequel apparaissent les différents paramètres qu il faut connaître pour les calculer. La conception de ces écrans a fait l objet de nombreuses discussions avec divers enseignants du domaine pour s assurer qu ils soient à la fois aussi simples et complets que possible, le formalisme adopté étant très proche de celui utilisé dans la pratique. L expérience montre qu utiliser Thermoptim permet aux débutants d acquérir le vocabulaire et les notions encapsulées dans ces écrans. Le progiciel aide ainsi les élèves à structurer leur représentation, c est-à-dire leurs schèmes. Jusqu à fin 2002, seuls les composants disponibles dans le noyau de Thermoptim pouvaient être étudiés, ce qui limitait les possibilités de l outil. L interfaçage de Thermoptim avec des classes (éléments de code Java) externes permet de réaliser des extensions à partir du noyau commun, en ajoutant des modules externes reconnus par le progiciel, qui définissent des éléments qui apparaissent automatiquement dans ses écrans de manière transparente pour l utilisateur. Cette nouvelle fonctionnalité offre des perspectives pédagogiques très attractives pour des élèves disposant déjà d une certaine culture en thermodynamique. 2.3.2. Intérêt de l approche visuelle La représentation d ensemble se révèle très utile sur le plan qualitatif, car elle peut être faite visuellement et permet de bien comprendre le rôle joué par chaque composant dans le système complet. Une des originalités de Thermoptim est de combiner dans un même environnement cette présentation visuelle et systémique avec une description analytique classique des composants. Ce faisant, le progiciel mobilise aussi bien l intelligence logico-mathématique des apprenants que leur intelligence visuelle et spatiale. Comme le souligne GARDNER, le fait de proposer plusieurs voies d approche (de la thermodynamique) faisant appel à diverses formes d intelligence est un atout majeur pour débloquer des incompréhensions chez les apprenants [3, p. 50]. C est d autant plus important que des blocages psychologiques à l égard de cette discipline existent souvent chez les élèves du fait de leur formation antérieure. L expérience acquise avec Thermoptim confirme ce point, ainsi que certaines remarques de GIORDAN [4] : bien qu arrivant avec des préconceptions fortes (réticences et démotivation vis-à-vis de la thermodynamique), le nouveau paradigme pédagogique et les outils qui le rendent possible permettent de complètement modifier le rapport à la discipline de nombreux élèves, au point qu à l issue du cours, nombreux sont ceux qui souhaitent des compléments théoriques qu ils refusaient au début. 2.3.4. Un simulateur doublé d un didacticiel Si Thermoptim a pu diffuser dans de nombreux établissements d enseignement supérieur, c est qu il répond à un besoin, les élèves étant de plus en plus réticents devant les méthodes classiques d enseignement de la thermodynamique. La double démarche quali- Utilisation pédagogique des simulateurs : application à l enseignement... Le BUP n o 869

DIDACTIQUE 1789 tative-quantitative mise en œuvre est très innovante, au même titre que l utilisation des diagrammes interactifs permettant de visualiser très facilement les cycles dans les différents systèmes de coordonnées. Quant aux méthodes systémiques, depuis la description qualitative d un système jusqu à la méthode d optimisation, elles élargissent significativement la capacité de résolution de problèmes dans le domaine. L expérience accumulée depuis 1997 a montré que les utilisations possibles de Thermoptim peuvent être regroupées en trois catégories principales [5] : les activités d exploration guidées, dans lesquelles l élève se contente de visualiser des modèles préassemblés dans un catalogue d exemples, les activités d assemblage de modèles à partir de composants prédéfinis, dans lesquelles il doit lui-même construire et paramétrer le système qu il étudie, et enfin l ajout de nouveaux composants à ceux du noyau existant, ce qui lui demande d écrire par lui-même le modèle du composant (choix des paramètres caractéristiques, des variables de couplage et du jeu d équations approprié, définition de l interface graphique et implémentation informatique). La première catégorie s adresse à des débutants, surtout s ils disposent de peu de temps et s ils travaillent par eux-mêmes, par exemple en suivant un module de formation en ligne ; on pourra à titre indicatif les faire travailler sur un modèle de réfrigérateur domestique, en les faisant retrouver les composants sur l appareil familial, analyser le cycle, en le comparant à celui de CARNOT... La seconde nécessite plus de temps, ainsi qu un apprentissage plus poussé de Thermoptim, notamment de la part de l encadrement qui doit pouvoir corriger des erreurs de construction des modèles ; par exemple, des élèves pourront construire et paramétrer un modèle de centrale électrique qu ils auront visitée. La troisième enfin s adresse à des élèves déjà familiers du progiciel et suffisamment confirmés en thermodynamique pour pouvoir concevoir par eux-mêmes des modèles de composants, comme un composant «tuyère» pour modéliser le fonctionnement d un turboréacteur. La référence [6], préparée à l occasion d un récent stage LIESSE (Liaisons interdisciplinaires avec les écoles d enseignement supérieur pour une structuration des échanges), propose un certain nombre d activités pédagogiques qui peuvent être menées avec Thermoptim pour l exploration des cycles de base de la thermodynamique, dont l étude est dans tous les cas recommandée, car ils permettent aux élèves d élaborer les schémas cognitifs élémentaires à partir desquels ils peuvent ensuite élaborer des représentations d installations plus complexes. Thermoptim peut bien s insérer dans un cursus classique «objectiviste» de cours magistraux et d exercices en séance de TD ou sous forme de projets. De plus, ses fonctionnalités le rendent parfaitement approprié pour un usage dans un contexte constructiviste, puisqu il permet aux étudiants d explorer de nombreuses variantes réalistes des cycles de base sans être ralentis par les difficultés quantitatives. Les mécanismes de structuration de leur savoir peuvent ainsi être beaucoup plus riches. JONASSEN identifie trois étapes dans la formation du savoir : introductive, avancée et experte [7]. L un des atouts de Thermoptim est qu il peut être efficacement utilisé à Didactique Vol. 98 - Décembre 2004

1790 UNION DES PROFESSEURS DE PHYSIQUE ET DE CHIMIE chacune de ces trois étapes : au niveau introductif, c est un environnement structurant qui, comme indiqué plus haut, réduit la charge cognitive tout en faisant acquérir le vocabulaire et les concepts de base encapsulés dans les écrans ; au niveau avancé, l utilisateur peut travailler sur des problèmes réalistes et non pas caricaturaux (comme des moteurs à combustion interne à air parfait). De plus, pendant ses stages, un étudiant utilisant Thermoptim est pleinement opérationnel dans l entreprise où il travaille. C est très stimulant pour le stagiaire qui s engage plus à fond, ce qui se traduit par un apprentissage contextuel meilleur ; au niveau expert, Thermoptim a été utilisé par Électricité de France, le CEA (Commissariat à l énergie atomique) et Framatome pour étudier des systèmes très complexes, et en particulier l optimisation de générateurs de vapeur à plusieurs pressions pour des cycles combinés (2). Il est ainsi possible d adapter le rythme éducatif en fonction du niveau et des connaissances antérieures des étudiants, et de faire travailler certains d entre eux sur des projets plus compliqués que d autres, en pouvant ultérieurement les faire confronter leurs expériences avec leurs pairs. Thermoptim peut aussi être utilisé pour renforcer la pensée réflexive sur les limites des divers modèles thermodynamiques, en comparant les différents modes de calcul et hypothèses sur les propriétés des corps (gaz idéal, fluide réel) ou sur les évolutions dans les transformations (compression ou détente isentropique / polytropique ). 3. EXEMPLE DE MISE EN ŒUVRE POUR LA FORMATION À DISTANCE Le simulateur Thermoptim, dont le développement a été inspiré par ces réflexions, a jusqu à aujourd hui été utilisé essentiellement en présentiel. Nous sommes en train de développer des modules de formation à distance basés sur les principes présentés dans cet article, dont un premier prototype a été mis en ligne fin juillet 2004. Il est librement accessible à l adresse suivante : http://www-cenerg.ensmp.fr/cours/se/themes/accueil.html Les modules sont structurés en étapes, séances, parcours et cursus. Ils utilisent un environnement d exécution Flash appelé visualisateur, supporté par la quasi-totalité des navigateurs, permettant de synchroniser des ressources multimédias variées (images, bandes-son, documents (.pdf), animations (.swf), tableurs, liens hypertexte, simulateur Thermoptim ). L étape est la brique élémentaire des modules : le plus souvent, il s agit d une diapositive sonorisée, le texte correspondant à peu près à ce qui pourrait être dit oralement aux (2) Le cycle thermodynamique de production d électricité avec rendement de 47 % du nouveau concept de réacteur nucléaire à haute température HTR-VHTR commercialisé par Framatome-Areva a été optimisé avec Thermoptim. Utilisation pédagogique des simulateurs : application à l enseignement... Le BUP n o 869

DIDACTIQUE 1791 élèves dans une présentation classique, mais certaines étapes sont des petites animations, ou bien des textes introductifs ou récapitulatifs. À une étape peuvent être associés des liens hypertexte permettant de télécharger des documents de travail ou de consulter des sites Internet pertinents dans le contexte de l étape. Une séance est une séquence d étapes que l élève doit en principe suivre linéairement. Cependant, comme il dispose à tout moment du sommaire de la séance sur la gauche du visualisateur, il peut se déplacer à loisir dans les étapes. Un exemple de séances est un exercice d application traité pas à pas. Trois niveaux qualifient approximativement la difficulté des séances. Un parcours est une suite de séances, constituant par exemple une leçon, la première séance pouvant être un rappel de cours (Théorie ou Méthodes), ou bien la description d une technologie (Réalité), et les suivantes une série d exercices d application (Méthodes et Exemples). L élève peut ici aussi suivre ou non l ordre proposé, le sommaire du parcours étant directement accessible. Les cursus définissent des séries de parcours basés sur des scénarios cohérents et progressifs permettant aux élèves d atteindre des objectifs pédagogiques différenciés en termes de mémorisation, de compréhension, et d acquisition de savoir-faire. Chaque cursus dispose d une page web particulière, dont le contenu est défini en fonction du contexte pédagogique, et qui donne accès au visualisateur. Il est possible de visualiser simultanément plusieurs cursus, ce qui peut par exemple permettre de travailler sur l un des exercices relatifs aux cycles complexes (cycles combinés, cogénération...) tout en disposant dans un autre écran d explications détaillées sur l un des exemples élémentaires. Didactique CONCLUSION Le premier volet de cet article nous a permis de montrer qu en proposant des modélisations des connaissances à enseigner et des mécanismes cognitifs mis en œuvre lors de l apprentissage, la didactique apporte des éclairages théoriques très intéressants pour l élaboration de nouvelles pédagogies. Dans ce deuxième volet, nous avons pu vérifier que ces analyses fournissent une grille de lecture féconde pour comprendre le succès rencontré par l utilisation pédagogique du simulateur Thermoptim, tant en présentiel qu à distance. Sept années d utilisation d une telle pédagogie ont prouvé qu elle permet d atteindre simultanément plusieurs objectifs : motiver les élèves pour une discipline d accès difficile, leur permettre de bien maîtriser les concepts de base utilisés dans ce domaine, former leur jugement en développant leur capacité d analyse des technologies énergétiques en privilégiant une approche système et qualitative, et les familiariser avec un (ou des) environnement de modélisation à la fois très didactique et à fort potentiel. La démarche que nous proposons diffère radicalement des méthodes classiques : Vol. 98 - Décembre 2004

1792 UNION DES PROFESSEURS DE PHYSIQUE ET DE CHIMIE une bonne partie des calculs étant effectués par un logiciel, les difficultés calculatoires disparaissent, la précision augmente, et les cas traités sont beaucoup plus réalistes. Sur le plan psychologique, l effet est immédiat : la thermodynamique perd son statut de discipline difficile pour devenir facile à mettre en œuvre et opérationnelle. Le déblocage des réticences des élèves passe ainsi par l adoption d un changement majeur de paradigme rendu possible par les NTE. BIBLIOGRAPHIE [1] FAYE S. et GICQUEL R. Thermoptim, une autre façon d apprendre la thermodynamique. Bull. Un. Phys., janvier 2002, vol. 96, n 840, p. 53-68. [2] GICQUEL R. Systèmes énergétiques. Tomes 1 et 2, Presses de l École des Mines de Paris, 2001. [3] GARDNER H. Les intelligences multiples, Pour changer l école : la prise en compte des différentes formes d intelligence. Paris : Retz, 1996. [4] GIORDAN A. Apprendre : une alchimie complexe - Apprendre autrement aujourd hui? 10 e entretiens de la Villette, Cité des Sciences et de l Industrie, 1999. [5] GICQUEL R. Utilisations pédagogiques de Thermoptim. Note téléchargeable sur le site : http://www.thermoptim.com [6] GICQUEL R. Activités pédagogiques avec Thermoptim : exploration de divers cycles, problématique d optimisation. Note préparée pour des stages LIESSE, téléchargeable sur le site : http://www.thermoptim.com [7] JONASSEN D., MAYES T. et MCALEESE R. A Manifesto for a constructivist approach to technology in higher education, in DUFFY T., JONASSEN D. et LOWYCK J. (Eds), Designing constructivist learning environments. Heidelberg, FRG : Springer-Verlag. Professeur École des Mines de Paris Paris VI e Utilisation pédagogique des simulateurs : application à l enseignement... Le BUP n o 869