La méthode pédagogique que nous préconisons repose sur quelques grandes constantes :
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réduire la charge cognitive des apprenants en limitant autant que possible les développements théoriques inutiles, ceux-ci variant selon le niveau scientifique des apprenants
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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
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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
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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.
Trois modes en fonction du niveau scientifique des apprenants
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 :
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une maîtrise suffisante des bases théoriques
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une connaissance approfondie des aspects technologiques (réalisations existantes, principales contraintes)
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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.
A notre surprise, notre approche s'est révélée intéresser une audience beaucoup plus large que celle de nos élèves des Mines de Paris, 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 d'explorations dirigées de modèles.
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.
Notre approche pédagogique de la thermodynamique peut aujourd'hui se décliner selon trois modes complémentaires. Les ressources correspondantes sont disponibles dans l'espace Enseignement du portail Thermoptim-Unit.
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 Énergétiques 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 trois points :
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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 ;
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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 ;
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Enfin, l'utilisation de Thermoptim peut se faire à la fois sous forme d'exploration et de construction de modèles.
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.
