16 décembre 2013 | La Revue POLYTECHNIQUE 10/2013 | Logiciels

Un professeur d’ingénierie utilise des méthodes d’enseignement exploratoires

Le professeur James Andrew Smith a introduit dans ses cours axés sur la robotique et sur les microsystèmes l’utilisation de Maplesoft, un logiciel de modélisation et de simulation. Cette méthode d’enseignement dite «approche inductive» a permis aux étudiants d’approfondir leur compréhension et de se familiariser avec des outils d’analyse, de visualisation, ainsi que de conception.

James Andrew Smith, professeur d’ingénierie électrique et biomédicale à l’Université Ryerson de Toronto, au Canada, est fier des modifications expérimentales qu’il a apportées au cours de sa démarche pédagogique. Il a introduit des outils et des méthodes grâce auxquels les étudiants acquièrent des connaissances par effet d’interaction, explorent mieux le sujet et peuvent en approfondir la compréhension. C’est ce qu’il appelle une «approche inductive» de l’enseignement, préférable à «l’approche déductive» habituelle. Il considère MapleSim, le logiciel de modélisation et de simulation au niveau système, comme un outil majeur d’apprentissage inductif, très différent des outils d’apprentissage déductif.

James Andrew Smith a introduit MapleSim dans le programme d’ingénierie électrique de troisième année, dans des cours axés sur l’introduction à la robotique et aux microsystèmes. L’un des objectifs assignés à ces cours, est de familiariser les étudiants avec des outils d’analyse, de simulation, de visualisation, ainsi que de conception. Il s’est servi de cet outil de modélisation au niveau système pour voir comment une approche inductive de l’enseignement pouvait améliorer la compréhension des étudiants. «Avec une approche inductive, les étudiants peuvent explorer un système et dériver des équations à partir des comportements qu’ils observent dans ce système», explique James Andrew Smith. «Si l’on compare avec l’approche déductive, méthode d’enseignement classique, cela implique de donner aux étudiants une série d’équations et de les laisser en déduire la signification, ainsi que le type de comportement que cela démontre. L’approche inductive permet l’acquisition de connaissances par effet d’interaction et incite les étudiants à poursuivre leurs explorations».

Une interaction suivant différents scénarios

Selon James Andrew Smith, les outils classiques ont leur place, mais ils ne laissent pas les étudiants voir sous la carapace, et c’est là un obstacle à l’apprentissage. «Ce qui distingue MapleSim des autres logiciels, c’est que les étudiants peuvent lui demander des équations sous-jacentes et interagir avec lui dans différents scénarios. Avec ce logiciel, les étudiants peuvent facilement faire le lien entre les modèles analytiques des manuels et les solutions numériques résultant de la simulation. MapleSim possède, par ailleurs, une interface utilisateur très intuitive qui facilite le travail des étudiants pour explorer le logiciel et aboutir à de nouvelles conclusions».

James Andrew Smith fournit, à titre d’exemple, une question simple traitée dans le programme d’ingénierie de troisième année. Un concept très fondamental abordé par tous les étudiants en cours d’ingénierie électrique, c’est le sujet des amplificateurs opérationnels. Il est important que les étudiants fassent la relation entre la manière dont un amplificateur opérationnel module le signal, ou amplifie/atténue le signal. Toute suite logicielle dédiée à la simulation doit être capable de faciliter la compréhension très claire de ce concept.

En général, l’instructeur se réfère à un manuel standard du genre «L’art de l’électronique» et donne aux étudiants les règles d’or des amplificateurs opérationnels, en leur expliquant comment le courant est présent à certaines sorties et pas à d’autres, et pourquoi les tensions affichent telle valeur plutôt qu’une autre. On demande ensuite aux étudiants de résoudre les circuits à la main. «Il y a là un risque potentiel d’erreur important», confie James Andrew Smith. «C’est beaucoup demander aux étudiants, surtout s’ils n’ont aucune expérience en électronique, et il leur est difficile d’arriver à comprendre en un laps de temps aussi court».

Une exploration au moyen de différents scénarios

James Andrew Smith au contraire, dans son approche intuitive, leur apporte MapleSim. Il demande aux étudiants, pour commencer, de réaliser le schéma, puis la simulation avec MapleSim. Il leur fait ensuite extraire les équations sous-jacentes dans MapleSim, explorer l’outil au moyen de différents scénarios et analyser les équations pour en tirer des conclusions. «Ce qu’il y a de bien, ici, c’est que les étudiants peuvent comparer avec ce qu’ils voient dans leurs manuels», précise James Andrew Smith. «Le processus de simulation qu’ils suivent est le même que dans le manuel. Ce constat conforte ce qu’ils ont lu et crée un lien sympathique entre leurs exercices sur ordinateur et les explications du manuel».

Des illustrations du monde réel

Par ailleurs, James Andrew Smith va plus loin avec MapleSim, en étendant les exemples de base du manuel pour montrer aux étudiants des illustrations du monde réel plus utiles. Ainsi, leur champ d’application s’élargit, ce qui les incite à réfléchir au-delà des limites du problème spécifique. Du fait de l’approche au niveau système de MapleSim envers les systèmes multi-domaines, les étudiants étendent souvent un problème d’ingénierie électrique à ce qu’ils apprennent dans les cours d’ingénierie mécanique ou d’expérimentation. «Pour moi, c’est ça, la vraie puissance de ce logiciel», ajoute le James Andrew Smith. Il concurrence les autres outils similaires grâce à ses capacités de modélisation multi-domaine. De plus, il fournit aux étudiants un environnement de travail familier et les aide à lier les problèmes et exemples dans différents domaines afin d’avoir une vue d’ensemble».

James Andrew Smith est persuadé que MapleSim est un logiciel essentiel de la boîte à outils des enseignants, car il facilite l’apprentissage inductif qui, selon lui, constitue le paradigme de demain.