Introduction

Considérée jusqu'ici comme particulièrement difficile par des générations d'étudiants et d'ingénieurs, la thermodynamique appliquée aux systèmes énergétiques dispose désormais d'une méthode d'apprentissage originale et extrêmement simplifiée basée sur une reconception radicale de la pédagogie de la discipline et sur deux outils faisant partie de ce que l'on appelle aujourd'hui communément les TICE (Technologies de l'Information et de la Communication pour l'Enseignement). L'une est spécifique de la discipline, le simulateur Thermoptim, tandis que l'autre est beaucoup plus générique : les modules de formation à distance sonorisés Diapason (Diaporamas Pédagogiques Animés et Sonorisés).

Thermoptim permet quant à lui de modéliser très simplement les systèmes énergétiques, tandis que les modules Diapason donnent accès à tout moment aux explications orales de l'enseignant sur des questions relatives tant à la théorie et à la technologie qu'à la mise en œuvre pratique du simulateur.

Leur utilisation conjointe permet de recourir à des approches pédagogiques qui rencontrent un grand succès auprès des élèves, alors que celles qui sont classiquement mises en œuvre sont généralement décriées.

Thermoptim et la nouvelle approche pédagogique qu'il rend possible ont progressivement diffusé dans l'enseignement supérieur, en France et dans le monde, de telle sorte qu'on a pu estimer qu'en 2008, plus de 120 établissements et plus de 7 000 élèves l'ont utilisé, pour un total d'environ 57 000 heures-élèves. Il peut être employé aussi bien en formation initiale qu'en formation continue par des ingénieurs en activité désireux d'actualiser leurs connaissances sur les systèmes énergétiques classiques ou innovants, notamment à faible impact environnemental.

L'intérêt qu'il a suscité au cours des années a justifié la mise au point de nombreuses ressources numériques y faisant appel, qui sont aujourd'hui rassemblées dans ce portail .

Sur la base des retours d'utilisation des élèves qui ont travaillé avec cette méthode, il est apparu souhaitable de graduer la progression en trois grandes étapes :

1. 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 ;

2. la consolidation des notions vues lors de la première étape, avec quelques compléments théoriques comme par exemple sur les échangeurs et l'exergie, l'étude des variantes des cycles de base, des cycles combinés et de la cogénération ;

3. les approfondissements et la mise en application personnelle, donnant lieu à l'étude de cycles novateurs et/ou plus complexes que les précédents ainsi qu'à des réflexions sur les perspectives technologiques, à l'occasion de mini-projets menés seuls ou en groupes.

Les deux premières étapes sont en quelque sorte standard : elles permettent à un élève d'acquérir, dans le cadre d'un parcours très balisé, les bases de la discipline. En auto-formation, elles peuvent reposer essentiellement sur les séances Diapason qui le guident pas à pas dans les premières leçons, d'une part en lui présentant les technologies et un minimum de théorie, et d'autre part en lui expliquant comment mettre en œuvre le simulateur pour étudier les cycles de base.

Au fur et à mesure que sa culture du domaine et sa compréhension de la discipline se développent, l'élève gagne en autonomie et peut utiliser des ressources numériques complémentaires de Thermoptim et des modules Diapason, comme les fiches thématiques de composants et systèmes et les fiches-guides de TD, ainsi que de nombreux exercices. Au cours de la troisième étape, il peut vraiment personnaliser son cursus en fonction de ses centres d'intérêt et de ses aspirations.

Ce guide d'usages pédagogiques a pour objectif d'expliquer comment ces ressources peuvent être utilisées dans l'enseignement. Il est divisé en cinq grandes parties.

La première présente la problématique pédagogique et les ressources développées.

Les trois suivantes fournissent des illustrations concrètes d'activités pédagogiques les utilisant, appliquées aux centrales à vapeur, aux turbines à gaz et aux machines de réfrigération, en suivant les trois grandes étapes mentionnées ci-dessus :

• initiation ;

• consolidation ;

• approfondissement.

La seconde partie est la plus développée dans ce guide car c'est elle qui permet d'acquérir les connaissances de base qui constitueront les fondements pour la suite.

Elle joue un rôle critique en ce sens qu'elle conditionne la compréhension des notions sur lesquelles s'appuieront les activités de consolidation et d'approfondissement présentées ultérieurement.

Au cours de cette phase d'acquisition des concepts et des outils, l'expérience montre qu'il est préférable que les élèves suivent pas à pas les étapes qui leur sont proposées et que nous avons cherché à expliciter le plus possible dans cette partie.

Dans la suite, ayant structuré leurs connaissances, les apprenants deviennent de plus en plus autonomes et le séquencement des activités pédagogiques prend moins d'importance.

Toutefois, le temps de travail des élèves n'est pas du tout proportionnel à la taille des sections de ce guide : certaines activités de consolidation et surtout d'approfondissement peuvent les mobiliser pendant de très longues durées,car elles représentent des investissements personnels significatifs.

La cinquième partie propose une présentation allégée des cycles thermodynamiques élémentaire destinée à des apprenants en formation professionnelle dont les connaissances initiales en thermodynamique sont succinctes. Elle présente la particularité de ne pas faire appel à la notion d'entropie, souvent difficile à bien comprendre pour les débutants, et constitue un sous-ensemble d'une note de présentation plus complète à laquelle vous pouvez vous référer si vous le souhaitez.

Il est clair que l'utilisation qui peut être faite de ces ressources est beaucoup plus diversifiée que les quelques pistes qui sont proposées dans ce guide, et qu'elles peuvent être enchaînées de nombreuses manières qu'il n'était pas possible de décrire toutes ici.

Notre ambition est donc juste de présenter quelques scénarios d'usage cohérents en indiquant à quelle catégorie d'apprenants ils peuvent a priori s'adresser. Chaque enseignant pourra ensuite définir son propre usage personnalisé, en fonction du contexte dans lequel il travaille et de son parti-pris pédagogique.

Tout comme un certain nombre de collègues y ont déjà contribué, les pages de ce portail sont ouvertes à ceux qui souhaiteraient partager leur approche avec la communauté d'enseignants.

Les principales références, valables pour l'ensemble du document, sont données ci-dessous.

Références

[1] GICQUEL, R. Systèmes Energétiques, tome 1 : méthodologie d'analyse, bases de thermodynamique, Thermoptim, Presses de l'Ecole des Mines de Paris, janvier 2009.

[2] GICQUEL, R. Systèmes Energétiques, tome 2 : Applications, Presses de l'Ecole des Mines de Paris, janvier 2009.

[3] GICQUEL, R. Systèmes Energétiques, tome 3 : cycles et modélisations avancés, systèmes innovants a faible impact environnemental, Presses de l'Ecole des Mines de Paris, janvier 2009.

[4] GICQUEL, R. Utilisation pédagogique des simulateurs : Volet 1 : éclairages de la didactique, Bulletin de l'Union des Professeurs de Physique-Chimie, n° 868, novembre 2004.

[5] GICQUEL, R. Utilisation pédagogique des simulateurs : Volet 2 : application à l'enseignement de la thermodynamique, Bulletin de l'Union des Professeurs de Physique-Chimie, n° 869, décembre 2004.

[6] SWELLER, J. Cognitive technology: Some procedures for facilitating learning and problem solving in mathematics and science. Journal of Educational Psychology, 81 (4), 457-466, 1989.

[7] GICQUEL, R. Le progiciel Thermoptim, une boîte à outils pour l'énergétique, Techniques de l'Ingénieur, Génie Energétique, BE 8047, 2009.