Memoire Online - La pratique réflexive comme levier du changement de posture dans l'enseignement de la modélisation multiphysique

Former les enfants à devenir acteur du monde économique de demain implique souvent de les confronter à ce qui se pratique au quotidien et à ce qui est attendu dans l'avenir. Les enseignants retrouvent dans les programmes par les réformes, les évolutions observables du secteur industriel ou scientifique comme par exemple l'utilisation des outils numériques.

Les réformes au sein de l'éducation nationale se succèdent à tous les niveaux. L'avant dernière réformeconcernant l'enseignement technologique STI2D^1(*) a eu lieu en 2011 et celle de l'enseignement général SSI^2(*) en 2010. Cette dernière réforme, « L'école de la confiance », concerne l'ensemble des sections du cycle terminal et est par conséquent appliquée à ces deux branches d'enseignement.

Comme pour les réformes précédentes, les enseignants SII^3(*) peuvent travailler à la fois en STI2D et en SSI ou dans une seule de ces deux sections. Ils disposent de deux programmes distincts avec des préconisations institutionnelles différentes. Ces deux programmes comportentles mêmes domaines desavoir puisque les contextes scientifiques et industrielssontidentiques.

Comme le précise le programme des STI2D (2019), « les enseignements technologiques ne peuvent s'effectuer sans un usage éclairé et responsable du numérique dont l'intégration dans les produits est une réalité et participe à l'innovation. Il est donc pertinent d'envisager dès maintenant la réalisation de « jumeaux numériques » lors des projets. », et également celui de la spécialité SI (2019) « Les sciences de l'ingénieur s'intéressent aux objets et aux systèmes artificiels, appelés de façon plus générique « produits ». Cette appellation de « produit » réunit sous un même terme l'objet matériel et son jumeau numérique. »

Le « jumeau numérique » est la représentation virtuelle, c'est-à-dire un modèle dynamiqued'un produit physique dont il reproduit les caractéristiques essentielles. Il s'agit là d'une innovation inscrite dans les programmes.

Ces deux programmes vont permettre de préparer les futurs étudiants et donc les futurs ingénieurs à intégrer les écoles et les entreprises en ayant dans leurs bagages l'outil conceptuel associé à la modélisation multiphysique( Annexe 4 : Modélisation multiphysique.).

L'explication de la plupart des phénomènes, qu'ils soient naturels ou provoqués, font intervenir de nombreuses branches de la physique. On qualifie de multiphysique un modèle dont le « comportement dépend de différents domaines des sciences physiques : mécaniques, thermiques, chimiques, électromagnétiques, etc... »^4(*)

L'étude de la modélisation passe souvent par une décomposition en monophysique plus simple à analyser avant d'être parfois considérée sous un angle plus global.

Si ce n'est l'apparition de « jumeaux numériques », l'évolution de ces deux programmes ne font pas évoluer considérablement celui de la spécialité SI qui était déjà bien étoffé, mais cette évolution rajoute beaucoup d'éléments au programme de la STI2D ( Annexe 2).

Par ailleurs, en analysant les compétences du programme STI^5(*) génie électrique du hors-série du 24 novembre 1992, abrogé en 2012 ( Annexe 1), on constate qu'il n'y a pas de compétences propres à la modélisation et à la simulation. Il est fait référence de la compétence « produire une maquette, ce qui nécessite [...] d'utiliser un outil informatique d'aide à la conception de câblage ».Une différentiation de la pratique informatique selon les différentes ramifications des STI pose déjà le problème de l'accommodation de l'outilinformatique mais aussi celui des logiciels.

Les programmes de formation qui ont succédé ceux de 2012, ont marqué le pas de la modélisation, d'abord dans la réforme du lycée impulsée par Luc Chatel en 2009 et dernièrement l'école de confiance^6(*)lancée par Jean-Michel Blanquer en 2018.

Le tableau suivant montrequelques exemplesde contenus des programmessur la modélisation multiphysique, en termes d'objectifs et de compétences. Programmes amenés par les réformes Chatel et Blanquer.

STI2D	SSI
2009 : Chatel
O5 - Utiliser un modèle de comportement pour prédire un fonctionnement ou valider une performance.	B2. Proposer ou justifier un modèle. B3. Résoudre et simuler. B4. Valider un modèle.
2019 : Blanquer
O6 - Préparer une simulation et exploiter les résultats pour prédire un fonctionnement, ...	Proposer et justifier des hypothèses ou simplification en vue d'une modélisation. Caractériser les grandeurs physiques en entrées/sorties d'un modèle multi-physique traduisant la transmission de puissance.

En STI2D, en plus de l'utilisation des modèles, les élèves sont amenés à préparer la simulation, c'est-à-dire consolider le modèle en le rendant plus fiable et dans la spécialité SI les élèves doivent pouvoir modéliser (ce qui n'était pas le cas dans le programme précédent) et caractériser les grandeurs physiques.

De plus,en 2011 la création du CAPET^7(*)SII et en 2012 l'agrégation^8(*)SII, les enseignants relevant d'une des quarante-deux valences STI sont affectés suivant quatre champs : architecture et construction (L1411), énergie (L1412), information et numérique (L1413), ingénierie mécanique (L1414).

Ces enseignants ont suivi une formation de spécialité propre à leur valence et doivent depuis la réforme Chatel dispenser en STI2D un enseignement transversal en classe de première et de terminale, et maintenant totalement transversal en première et en partie en terminal depuis la réforme Blanquer.

Pour les sciences de l'ingénieur, les enseignants sont susceptibles d'enseigner différents domaines des sciences depuis la loi Chatel.

Par ailleurs, on retrouve dans les programmes d'enseignement des notions sur la modélisation multiphysique qui recouvre comme son nom l'indique plusieurs domaines des sciences industrielles.L'enseignant SII est peu ou prou confronté d'une part à un domaine qu'il ne maîtrise pas toujours et d'autre part confronté à une mise en application du programme pour lequel il n'a pas forcément suivi de formation. Quoiqu'il en soit ces enseignants doivent dispenser des nouveaux contenus du programme en rencontrant parfois des difficultés. On voit apparaître ici un décalage entre les attendus des programmes et le niveau de maîtrise didactique de l'enseignant.

Me concernant, j'ai eu l'occasion de poursuivreune formation universitaireen2012, ce qui m'a permis en 2015 devalider mon master 2 en GEII^9(*) à l'université de Cergy-Pontoise. De ce fait, j'ai eu l'opportunité de travailler sur la modélisation multiphysique au sein du laboratoire SPIE^10(*) et de découvrir un logiciel dédié à la modélisation.

Dès la rentrée 2009, j'ai commencé à semersans grande difficulté la modélisation dans mon enseignement,de par l'obtentiondu master 2 et du travail personnel réalisé. Aujourd'hui je constate les bénéfices de cette innovation. Cela autant pour les élèves qui trouvent un sens dans leur apprentissage puisqu'elle intègre parfaitement ce qui est attendu pour le métier d'ingénieur.Ainsi que pour moi-même étant donné quele travail par ilot amène une souplesse de fonctionnement permettant de me rendre plus disponible pour ceux qui ont des difficultés.

Mon travail sur ce mémoire s'appuie sur la formation à l'enseignement de la modélisation multiphysique pour l'année scolaire 2019-2020. Celle-ci avait été mise en place depuis 2016 pour l'ancienne réforme et continue pour la réforme actuelle. Elle est également proposée pour les enseignants du cycle 4^11(*) qui ont vécus la mise en place de la réforme au collège de 2015.

C'est à l'occasion des différentes rencontres en 2016 avec Dominique Petrella IA-IPR (Inspecteurs d'académie - Inspecteurs pédagogiques régionaux) et Laurent Martin formateur académiqueque cette formation a été proposé au PAF (Programme Académique de Formation). A ce jour, deuxautres formateurs et moi-même dispensons cette formation sur l'académie de Versailles depuis la rentrée 2016.J'ai dispensé la formation aux FSTG et PSTG^12(*)issues de concours (CAPET et Agrégation) ou en reconversion, ainsiqu'aux enseignants titulaires et contractuels.Par ailleurs, étant chargé de mission d'inspection depuis deux ans,lors de mes visites-conseils des CTEN^13(*),je constateque la modélisation multiphysique n'est pratiquement pas abordée dans les enseignementset ce malgré l'achat du logiciel par les DDFPT^14(*).Ce constat m'amène à penser que les enseignants ont des difficultés dans la mise en place de la modélisation.

Ainsi,faisant frein à l'enseignement de la modélisation, la résistance des enseignants face à cette innovation se manifeste depuis la réforme Chatel et encore aujourd'hui.

Comment amener les enseignants à construire et utiliser les modèles multiphysiques dans leur enseignement ?

* ¹ STI2D : Sciences et Technologies Industrielles et du Développement Durable.

* ⁴ https://theconversation.com/multiphysique-une-discipline-pour-mieux-predire-et-comprendre-les-phenomenes-complexes-73811

* ¹² FSTG : fonctionnaire stagiaire (poste à temps complets) ; PSTG : professeur stagiaire (stagiaires à mi-temps).

La pratique réflexive comme levier du changement de posture dans l'enseignement de la modélisation multiphysique

1 Introduction :