La formation des ingenieurs

3. Contexte général de l’expérience :
Les raisons qui nous ont amenés à mettre en œuvre une nouvelle pédagogie en sciences, parallèlement aux formes traditionnelles d’enseignement, tiennent à l’évolution actuellement constatée simultanément dans les trois milieux concernés par la formation des ingénieurs : les étudiants en amont, les écoles d’ingénieurs et les universités en tant que dispositif de formation, et en aval le milieu professionnel des entreprises et sociétés qui emploient les services des jeunes diplômés.
Les étudiants et la science :
A l’entrée d’une école d’ingénieurs, les étudiants font montre de connaissances scientifiques souvent étendues, mais les enseignants constatent fréquemment leur incapacité à exploiter ces connaissances dans l’approche concrète du monde. De nombreux étudiants sont passifs durant leur formation, n’ayant pas pris conscience de la nécessité de se mobiliser pour commencer à assumer leur devenir professionnel. Ils manquent aussi souvent d’autonomie dans la réflexion, d’imagination et même de créativité, cherchant majoritairement à répéter les comportements et processus déjà acquis plutôt que de créer de nouveaux chemins de pensée et d’être imaginatifs.

Or il est clair que l’acquisition pure de connaissances - qui se réduit malheureusement souvent à une stratification d’informations, largement pratiquée durant toute leur scolarité - et la formation de compétences scientifiques sont de natures différentes : cette différence est la disponibilité effective du savoir dans un contexte d’application, donc dans la capacité de l’étudiant à faire naturellement et spontanément appel à un ensemble cohérent de connaissances, de savoir-faire et d’attitudes pour progresser.

La désaffection actuellement constatée des étudiants pour les filières scientifiques pourrait être l’indicateur d’un réel décalage entre leurs besoins profonds et ce que le système scolaire leur propose. Quelques raisons à cette désaffection viennent immédiatement à l’esprit.
La première est que les sciences sont d’un abord difficile, et il semble bien que la « mode », pour certains étudiants, soit aujourd’hui de privilégier d’autres valeurs que l’effort d’apprendre. Cette évolution des mentalités pourrait s’avérer inquiétante, si la jeunesse développait plus avant cette illusion de pouvoir acquérir sa liberté et son autonomie future en s’affranchissant des efforts et des contraintes de l’apprentissage du monde et de ses lois. Or les sciences constituent l’une des clés qui sont à notre portée pour apprendre à déchiffrer le monde.

Par ailleurs, l’enseignement secondaire privilégie largement le traitement théorique, et même purement mathématique, de nombreux thèmes scientifiques. L’élève en finit par confondre les modèles théoriques (destinés à reproduire, à un niveau de complexité donné, le comportement réel d’un objet) avec la réalité. Par ailleurs, en classe l’élève est rarement en situation de demandeur de savoir ou de savoir-faire. Il est soumis à un flux de connaissances et de pratiques dont il n’a pas eu l’occasion de ressentir le besoin. Enfin, certaines méthodes traditionnelles, dont l’emploi est actuellement justifié surtout pour des raisons économiques liées à la « massification » de l’enseignement, ne paraissent plus adaptées au contexte social actuel.

Parmi les nouvelles donnes du monde moderne, on peut citer l’accélération évidente des flux d’informations, étroitement liée au développement des moyens informatiques et à leur applications diverses : télévision et jeux vidéo pratiqués dès le jeune âge, internet pour l’accès illimité au savoir, et l’informatique pratiquée dans le cadre familial ou scolaire. Le virtuel envahit donc la vie quotidienne de la jeunesse, et que sait-on actuellement de son impact psychologique, mais aussi intellectuel, sur les jeunes cerveaux ? Les neurosciences ou la psychologie devront un jour éclairer cette question.

Il est cependant déjà clair que la génération « télé » est de moins en moins disposée à apprendre selon les mêmes méthodes que nos grands-parents, dont la vie - certes dure - se déroulait pourtant à un rythme moins trépidant et beaucoup plus en contact avec le réel, la nature.

L’enseignement supérieur :
Les méthodes d’enseignement évoluent bien sûr en permanence, et l’enseignement supérieur constitue un laboratoire où s’élaborent en permanence des projets nouveaux, dont la « sélection naturelle » gardera les meilleurs pour la postérité. Fait nouveau depuis quelques années dans le domaine de l’enseignement scientifique, par un curieux retournement de situation peut-être dû à quelque habile campagne de marketing, c'est le progrès technologique qui semble dicter la voie du progrès, comme on l’a déjà constaté dans toute la société depuis plusieurs décennies. Ainsi peut-on expliquer, en partie, l’engouement actuel pour l’application des nouvelles technologies de l’information et de la communication (NTIC) au développement de méthodes d’enseignement virtuelles : enseignement asynchrone, assisté, à distance ... Il ne s’agit en aucun cas de porter quelque jugement de valeur sur ces nouveaux outils d’enseignement dont la puissance laisse augurer de prodigieuses réalisations, mais de signaler qu’ils ne font qu’éloigner encore un peu plus les étudiants du réel durant leur apprentissage scientifique. Citons par exemple les logiciels de simulation de phénomènes physiques, ou les « travaux pratiques virtuels » : certains étudiants ont désormais encore moins d’occasions de se confronter à la réalité des choses, bien plus difficiles à maîtriser ou à modéliser que ce qu’en laissera penser l’écran d’un ordinateur. Certes, le modèle de simulation présenté sur l’écran peut être extrêmement sophistiqué, mais ce niveau de perfectionnement est-il aussi profitable à l’étudiant qu’il ne l’a été au concepteur du logiciel qui démontre ainsi sa capacité de modélisation des phénomènes ?
Dans ce contexte, le développement de méthodes d’enseignement consacrées à un renforcement de contact avec la réalité des choses est une nécessité. Apprendre à la jeunesse à décrypter le monde réel, donc à déchiffrer les lois sous-jacentes à l’infinie diversité du monde, c’est l’un des meilleurs moyens dont nous disposions actuellement pour l’initier à l’apprentissage autrement plus difficile, et jamais terminé, de la vie elle-même et de ses « lois ». Evitons que la jeunesse ne finisse par s’imaginer qu’elle peut fabriquer ses propres lois et supplanter la nature. La méthode d’apprentissage par l’action s’inscrit dans ce cadre : constituer un contre-poids méthodologique susceptible d’équilibrer le développement annoncé des NTIC.




Les attentes du milieu professionnel :
Compte tenu de l’évolution rapide de la société moderne, personne ne peut affirmer aujourd’hui avec certitude quelles compétences scientifiques et techniques seront les plus précieuses pour des ingénieurs dans 20 ans. Or un ingénieur formé aujourd’hui occupera un poste à responsabilité éventuellement d’ici quelques années, et très certainement dans 30 ans. Dans sa formation initiale, l’acquisition de compétences scientifiques, techniques et humaines est bien sûr indispensable, jointe à la maîtrise des outils actuels du métier. Cette intégration de compétences n’est que partielle dans de nombreux cas, et la société serait fondée à demander à ses institutions des comptes sur le « rendement » de leurs formations d’ingénieurs.

Mais la formation initiale doit aussi apprendre à s’adapter à des nouveaux contextes professionnels ou à de nouvelles situations, et à évoluer dans les méthodes et dans les outils mis en œuvre. L’industrie est donc demandeuse de réactivité, une aptitude qui est plus du ressort de l’attitude mentale et du comportement, donc du savoir-être, que du savoir.

L’apprentissage par l’action, un élément de réponse :
Le contexte de la formation des étudiants évolue donc rapidement, à l’heure actuelle. Cette évolution dont les modalités ne sont ni maîtrisées, ni même prévisibles, ne peut qu’interpeller les enseignants dans leurs pratiques habituelles : sont-elles encore adaptées ? Ne devraient-ils pas remplacer, ou au moins améliorer les méthodes traditionnelles, afin de maintenir l’offre de formation au niveau d’exigence de la demande nouvelle ? C’est vraisemblablement une question importante pour l’avenir de notre société : peut-on vraiment s’imaginer que des méthodes de formation devenues obsolètes n’auront pas un impact négatif sur le niveau et la qualité de l’industrie de demain ?

La diversité des problèmes posés (humains, techniques, scientifiques, socio-économiques, environnementaux) nécessite une réponse multi-forme et de l’imagination. L’apprentissage par l’action est l’un des aspects de la réponse qu’élabore progressivement l’Ecole des Mines. Les premiers essais de cette méthode d’enseignement se sont déroulés, en 1996, de manière concomitante au lancement d’une expérience de partenariat avec les écoles élémentaires : l’opération Main à la Pâte.

L’apprentissage par l’action et la Main à la Pâte :
L’opération Main à la Pâte vise le développement de l’enseignement scientifique à l’école élémentaire. Les enfants sont actifs, expérimentent eux-mêmes et se forgent une opinion qu’ils apprennent à formaliser par écrit, mais qu’ils confrontent aussi à celles de leurs camarades. La tâche de l’enseignant y est absolument centrale : il doit savoir faire émerger les conceptions préalables des enfants, organiser les expériences et encadrer les activités, laisser du temps et de la liberté d’action aux enfants mais aussi contrôler, lors des mises en commun, l’orientation des idées fortes de la classe, et enfin faire émerger une synthèse ouverte et juste du sujet étudié ! L’enseignant ne peut faire face à une mission d’une telle complexité que s’il se trouve placé au centre d’un dispositif de soutien pédagogique (conseil et formation spécifique à l’enseignement actif) et scientifique (support face aux questions émergentes, rencontres classes – personnel scientifique, formation spécifique à la démarche scientifique), mais aussi d’accompagnement dans la préparation et l’encadrement des séquences en classe (aspects matériels). D’où l’idée d’instaurer un partenariat entre un établissement d’enseignement supérieur et des écoles : accompagnement dans les classes par des étudiants ou du personnel, élaboration de malles pédagogiques, sessions de formation à la démarche scientifique, …
L’expérience a confirmé que les problèmes d’apprentissage scientifique rencontrés par les enfants, les enseignants d’école primaire ou les élèves-ingénieurs sont semblables à la base. La confrontation des expériences à tous les niveaux s’est rapidement avérée enrichissante. Les enfants sont potentiellement beaucoup plus réactifs que les adultes, et l’analyse des problèmes de compréhension scientifique est bien plus aisée lorsqu’il s’agit de concepts élémentaires. Cette double approche – en terme de niveaux – de l’enseignement des sciences est donc rapidement devenu un outil de développement de la méthode d’apprentissage par l’action.

4. Les principes généraux de l’apprentissage par l’action :
Bien qu’il soit hors de question de prétendre énoncer des principes universels de l’apprentissage actif, on peut énumérer quelques axes qui émergent des modules développés en sciences physiques et en mathématiques :

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  Placer l’étudiant en contexte réaliste et incertain : les situations et problèmes traités doivent être les plus proches possible de cas réels ou d’applications concrètes. Cela motive les étudiants et réduit le caractère artificiel et préparé de l’exercice.
  
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  La mise en situation précède et suscite le transfert de savoir : l’assimilation du savoir n’est possible et effective que lorsque l’étudiant en est demandeur, ce qui se produit lorsque la situation rencontrée suscite un nouveau besoin de compréhension ou de connaissance.
  
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  Rendre l’étudiant actif : après le transfert de savoir de l’enseignant vers l’étudiant, seule une mise en œuvre concrète et personnelle permet une intégration par le vécu sous forme d’un surcroît de compétences.
  
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  Donner à l’étudiant le temps d’apprendre : les contraintes de programme ne justifient pas le rythme souvent effréné des transferts de connaissances auxquels sont soumis les étudiants. Même s’ils s’en trouvent capables de résoudre avec brio les problèmes d’examens, il ne reste souvent rien du programme traité au bout de quelques semaines. A l’inverse, il est honnête de reconnaître que même ce type d’activité aura fait progressé l’étudiant en terme de comportements et de gestion des contraintes.
  
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  Renvoyer régulièrement à l’étudiant l’image de son activité et de ses résultats : il s’agit d’un « effet miroir » qui est fondamental dans l’apprentissage, car l’étudiant ne peut faire évoluer consciemment ses attitudes ou méthodes que s’il prend conscience de ses défauts. Ce renvoi systématique d’informations de l’enseignant vers l’étudiant devrait être au centre des préoccupations des enseignants : en pratique, on constate trop souvent que l’étudiant n’est pas guidé dans ses progrès, la phase d’actions correctives qui doit normalement suivre l’évaluation des résultats étant absente.
  

Principe simplifié des formes traditionnelles d’enseignement

Principe d’une méthode d’apprentissage actif

5. Le module de sciences physiques en 1^ère année :
Contrairement à de nombreuses expériences pédagogiques, très novatrices et intéressantes mais limitées pour des raisons d’organisation à un petit groupe d’élèves, l’expérience de l’apprentissage par l’action est délibérément menée depuis le début à l’échelle d’une promotion complète (110 étudiants en 1^ère année), tant en physique qu’en mathématiques. Cette expérience en grandeur nature engage donc la participation de nombreux enseignants et leur a demandé beaucoup de temps de conception et d’organisation.
Si l’élaboration d’un module de mathématiques a dû respecter le cadre strict de l’apprentissage d’un programme bien défini, il n’en va pas de même en sciences physiques. Ici, le but premier est le développement de la réactivité, de la motivation et – par conséquent – des compétences de chaque étudiant, par le vécu de situations réelles et au travers de l’apprentissage de la démarche scientifique. Ce module propose, au travers d’un support scientifique et technique, des situations assez comparables dans leur essence à ce que les étudiants rencontreront dans l’industrie et toute la vie professionnelle : il contribue donc à les y préparer, et constitue la première pierre d’une formation spécifique orientée vers l’entrepreneuriat.
Mise en œuvre concrète :
En début de 1^ère année, chaque étudiant prend possession d’une mallette qui contient tout le matériel et l’outillage nécessaire à la confection des montages d’expérience dans le domaine de l’électricité. La promotion est divisée en 6 groupes, chaque groupe est encadré par le même enseignant durant tout le module. L’activité des 6 groupes se déroule strictement en parallèle durant les 5 mois que dure le module. Pour 50 heures programmées à l’emploi du temps, le travail réel nécessaire de la part des étudiants est estimé à un minimum de 120 heures. Dans les faits, ce chiffre peut se trouver gonflé par le temps que passent les étudiants à rechercher la cause des pannes de leurs montages : en l’absence de méthode et de réelle compréhension du problème, cette recherche peut durer très longtemps !
La spécificité de ce module tient aux moyens matériels importants mis en œuvre, qui ont permis de doter chaque étudiant de tout le matériel nécessaire (l’assemblage d’une mallette complète revient à 850 F) : de ce fait, chaque étudiant doit réaliser personnellement tous les montages d’expérience et franchir les obstacles tels que les pannes, les erreurs de manipulation, les imprévus, …
Pour que les cours puissent se dérouler simultanément pour toute la promotion, il est impératif de travailler en salles banalisées. Ceci offre l’avantage d’instiller peu à peu dans les esprits l’habitude de « faire des sciences » n’importe où et avec peu de matériel : on laisse croire trop souvent aux profanes qu’il est indispensable de disposer d’espaces dédiés et de matériel sophistiqué pour étudier concrètement des problèmes scientifiques. Cela est bien sûr exact à haut niveau, ou dans des circonstances où la sécurité l’exige, mais beaucoup d’apprentissages de base devraient sortir des laboratoires. Les étudiants apportent en cours leur mallette et leurs montages, les enseignants étant équipés des moyens nécessaires pour alimenter en électricité chaque étudiant à sa place.

Le travail personnel et les cours :
La préparation des circuits et montages d’expérience est systématiquement effectuée à domicile, individuellement ou en groupe : peu importe l’organisation de chacun, pourvu que les réalisations soient opérationnelles en temps utile. Cet objectif est en fait très difficile à atteindre, car totalement nouveau pour les étudiants qui s’organisent visiblement très mal au départ : câbler en vitesse un circuit la veille d’un cours Apa n’est pas une stratégie efficace, car on oublie évidemment d’intégrer dans son planning le temps de recherche des pannes.
En classe, le travail porte principalement sur l’analyse collective des problèmes, la conception de protocoles d’activité et aussi la réalisation d’une partie des expériences. Ceci permet à l’enseignant de constater de visu la capacité de chaque étudiant d’utiliser son matériel, et de contrôler la qualité opérationnelle de ses montages. En cas de besoin, l’enseignant apporte également les informations ou la théorie qui permettront au groupe de progresser, aussi bien sur un plan organisationnel que scientifique, par exemple : comment organiser une campagne de mesures ou évaluer l’incertitude de résultats, comment modéliser le montage étudié pour pouvoir prévoir son comportement dans de nouvelles circonstances, comment peut-on mesurer la longueur d’ondes radio avec un voltmètre continu, … Il peut aussi donner tous les conseils utiles à la réalisation ultérieure des montages et circuits.

Dans l’idéal, l’enseignant devrait aborder une nouvelle expérience en suscitant la réflexion collective par une mise en situation adaptée, puis laisser au groupe la possibilité d’exprimer ses conceptions, ses idées. Dans une seconde étape, l’enseignant peut émettre des critiques envers les propositions qui ont émergé, ou plus concrètement prévenir le groupe des conséquences des options prises. Il n’est pas possible, en général, de laisser chercher suffisamment longtemps les étudiants pour qu’ils soient confrontés effectivement aux problèmes soulevés par l’enseignant, mais ce serait bien sûr la meilleure solution. En effet, la confrontation réelle à la conséquence de leurs choix suscite un appel à la réflexion et à l’aide de l’enseignant : les étudiants deviennent demandeurs de savoir et vraiment réceptifs au surcroît d’informations, de connaissance ou de « sagesse » que l’enseignant est à même de leur apporter.

Une assistance technique est assurée librement en dehors des cours.
Des rapports d’activité sont ensuite rédigés personnellement : ils peuvent porter sur le résultat d’une expérience, mais en physique ceci ne constitue pas toujours un moyen d’évaluation objectif, et la demande porte plus souvent sur les méthodes et la démarche, sous la forme de protocoles d’activités, qu’il s’agisse de régler un appareil, reproduire un phénomène ou mesurer un paramètre.

Les rapports sont rédigés sur un cahier qui fait la navette entre étudiant et enseignant, véhiculant dans un sens les rapports et dans l’autre, les remarques et les notes.

Le contenu :
Le support technique est constitué de 12 expériences de difficulté progressivement croissante, réalisable avec le seul matériel des mallettes : caractérisation de composants électriques courants, assemblage de systèmes électroniques, mesures thermiques astucieuses, assemblage et réglage d’une boucle de régulation, émission d’ondes radio et assemblage d’un compteur Geiger constituent la trame du cour. Son aboutissement, un détecteur de rayonnements ionisants, représente pour beaucoup d’étudiants un défi qu’ils n’auraient jamais pensé pouvoir réussir après 5 mois de présence à l’Ecole des Mines. Le seul appareil de mesure nécessaire d’un bout à l’autre est un simple multimètre à aiguille, qui offre pourtant de nombreuses possibilités à l’étudiant qui prend la peine de bien comprendre son fonctionnement.
Les contraintes :
Pratiquer une forme active d’enseignement entraîne inévitablement des contraintes pour tous les participants.

Les étudiants sont indéniablement perturbés par cette forme d’activité apparemment nouvelle pour eux. Leurs critiques portent principalement sur la charge de travail, mais il ressort clairement des analyses que les nombreuses heures passées par certains sur cette activité ne sont que le reflet d’un manque d’organisation, de gestion des objectifs et des contraintes imposées par l’enseignant, et d’un manque de rigueur scientifique et technique. Le véritable problème est donc de persuader assez tôt les étudiants qu’ils ont tout intérêt à modifier leur attitude dans le cadre de ce module : la tactique très répandue – et souvent implicite, c’est-à-dire plus inconsciente que délibérée – d’éluder les problèmes ne s’avérant pas payante dans le cadre d’Apa, ils ont tout intérêt à s’impliquer dès le départ et faire les efforts d’analyse et de réflexion qui leur sont demandés.

On constate régulièrement leur grande difficulté à mettre en application efficacement les bases théoriques acquises dans le passé, aussi simples soient-elles. Il en va ainsi pour les outils mathématiques comme pour les bases physiques, fort utiles pour construire un modèle sommaire et concevoir une méthode d’étude expérimentale : contrairement à ce que les étudiants ont connu jusque là, les problèmes posés et les situations rencontrées ne délivrent pas un énoncé structuré des questions à résoudre. C’est à chacun de construire et clarifier l’énoncé, afin de pouvoir ensuite attaquer sa résolution. Autre difficulté, les étudiants semblent parfois surpris de devoir poursuivre concrètement une expérience jusqu’à son terme, alors qu’ils pensent avoir bien saisi intellectuellement la teneur des travaux à effectuer. Les obliger à achever le travail réserve parfois bien des surprises, et suffit bien à démontrer que « faire n’est pas dire » …
Pour les enseignants, réactivité et disponibilité sont de mise plus que de coutume, à la fois pour la préparation des cours, qui donnent lieu à de fréquentes réunions de concertation de l’équipe, et aussi pour l’évaluation qui représente une tâche importante et un outil fondamental dans ce module. S’agissant d’un cours à forte connotation technique, l’encadrement des étudiants est particulier et laisse la part belle aux imprévus de tous genres. Classiquement, la gestion des innombrables problèmes matériels peut consommer beaucoup de temps. Plus subtilement, il est parfois difficile d’accepter de laisser s’exprimer les étudiants – par exemple s’ils doivent imaginer un protocole d’expérience : l’enseignant n’entend pas toujours les solutions qu’il attendait, et peut se trouver contraint de modifier son programme, de répondre à des attentes théoriques imprévues ou même voir se développer des initiatives ne répondant pas aux objectifs sous-jacents du cours. Cette situation inconfortable, que l’on rencontre également en classe primaire lorsque les enfants imaginent de toutes autres réponses que ce que l’on avait prévu – ils ont beaucoup d’imagination ! -, peut conduire certains enseignants à renoncer à cette étape d’apprentissage capitale que constitue l’immersion libre dans une situation. La tentation est grande de reprendre le cours de manière plus directive et d’imposer son propre point de vue, étouffant une fois de plus l’expression des ressentis d’étudiants.

Pour pouvoir tenir le cap, l’enseignant a donc besoin d’assurance et de temps. La première s’acquiert avec l’expérience, le second manque cruellement, surtout si l’on doit respecter les programmes ! La correction des cahiers demande également beaucoup de temps à l’enseignant.

Pour l’Ecole, l’investissement initial de 850 F par mallette résulte d’un choix lourd. Le matériel consommable, à renouveler chaque année, se chiffre à 350 F par élève. Dans le contexte de l’Ecole des Mines, il était intéressant d’expérimenter une formule techniquement sophistiquée, qui permet d’étudier en grandeur nature de nombreuses questions. A ce titre, on peut dire que l’Ecole joue son rôle de laboratoire d’évaluation des méthodes Apa. Il va de soi que l’objectif de ces recherches est bel et bien de trouver comment appliquer ces méthodes dans des contexte moins favorables en terme de taux d’encadrement ou de moyens.

La charge d’enseignement du module est le double de la charge nécessaire pour dispenser de manière traditionnelle le même volume d’enseignement au même nombre d’étudiants. On n’y apprend cependant pas la même chose. La question se posera à l’avenir, en d’autres institutions de formation, de prélever sur les moyens disponibles le minimum nécessaire à l’introduction d’une dose de méthodes actives : ce qu’on aura ainsi prélevé d’un côté sera, à n’en pas douter, compensé par un changement général de comportement des étudiants dans leur apprentissage (toutes matières confondues) qui leur conférera une efficacité accrue, et donc élèvera le rendement des enseignements traditionnels. Néanmoins, des recherches doivent être menées pour optimiser l’intervention des enseignants et mieux définir leur rôle. C’est un des buts des méthodes d’évaluation actuellement mises en place. On peut espérer diminuer sensiblement, à terme, la charge d’enseignement, et toute initiative luttant contre la dilution des tâches de l’enseignant doit être encouragée (séminaires ou périodes de concertation bloquées, organisation du cursus, …).