Enseignement de l'ingénierie réformé

Après la chute du mur de Berlin, marquant la fin de la guerre froide, Earl Murman, alors chef du département d'aéronautique et d'astronautique du MIT, savait que l'avenir de l'aéronautique allait être très différent de son passé. La guerre froide avait alimenté une période de 50 ans de développement intense d'avions, de missiles, de satellites et d'engins spatiaux aux États-Unis visant à garder un œil sur les États communistes. Avec la chute du communisme en Europe de l'Est et en Union soviétique, Murman s'est demandé si le besoin d'ingénieurs aérospatiaux aux États-Unis diminuerait ? Comment le ministère devrait-il s'adapter pour être viable dans l'ère de l'après-guerre froide ? Je savais que quelque chose devait changer, mais je ne savais pas ce que c'était, se souvient-il maintenant. Cette question a engagé le corps professoral dans un voyage de 12 ans qui a transformé la façon dont l'aéronautique est enseignée au MIT et dans d'autres universités ici et à l'étranger.

Le résultat de ce voyage est un nouveau cadre conceptuel pour l'éducation avec quatre directives : concevoir, concevoir, mettre en œuvre, exploiter. Son objectif est d'enseigner aux élèves-ingénieurs non seulement les fondamentaux techniques de leurs disciplines, mais aussi des compétences non techniques, telles que le travail en équipe, la communication par le biais d'exposés écrits ou oraux, et l'examen de leur travail dans le contexte de la société et de l'éthique professionnelle. Au lieu de mettre l'accent sur l'analyse et la résolution de problèmes dans un domaine théorique, les cours mettent désormais l'accent sur les projets en équipe dans lesquels les étudiants passent par le cycle complet de conception, de conception, de construction et d'exploitation. La réforme de l'enseignement de l'ingénierie se déroule au coup par coup dans tout le pays, mais selon le directeur du projet Ed Crawley '76, SM '78, ScD '81, aero/astro est le seul département à modifier l'ensemble de son programme d'études et à faire le design-and-build cycle omniprésent.

Le CDIO, comme on appelle le cadre, est le résultat de nombreuses enquêtes menées par le département dans les années 1990 auprès de dirigeants de l'industrie et du gouvernement, d'anciens élèves et d'éducateurs. Les enquêtes ont montré que la réussite de projets aéronautiques complexes dépend autant de l'esprit critique et de la modélisation que de la compréhension de la thermodynamique. En 2000, le CDIO est devenu une collaboration internationale : trois universités suédoises se sont jointes à l'Institut pour aider à développer le programme, qui a été mis en œuvre à l'automne 2003 dans les quatre établissements. Les collaborateurs entretiennent un dialogue sur ce qui fonctionne et ce qui ne fonctionne pas et continuent d'affiner le projet. La détermination des membres supplémentaires de la collaboration est un processus sélectif géré par les quatre institutions fondatrices. Aujourd'hui, avec cinq nouveaux membres et de nombreuses autres écoles en attente d'adhésion, CDIO est sur le point de se répandre dans le monde entier.

Le cœur du problème

Dans le nouvel espace projet attenant à la bibliothèque, les étudiants sont regroupés autour d'une dizaine de tables recouvertes de papiers et de maquettes. Le bruit ressemble plus à celui d'une confab dans le centre étudiant qu'à celui d'un département universitaire. C'est la fin du semestre d'automne, et les équipes se précipitent pour terminer leurs projets. Les étudiants rencontrent leur premier grand projet d'équipe au printemps de leur deuxième année : ils utilisent tout le semestre pour concevoir, concevoir et construire des avions télécommandés. Ensuite, les équipes organisent un concours pour tester leur capacité à piloter les avions qu'elles ont construits. Peter Young '67, qui a travaillé sur des projets spatiaux dans l'armée de l'air pendant 29 ans, gère les projets étudiants. Les étudiants comprennent généralement les concepts dans les cours, dit-il, mais les appliquer dans quelque chose qu'ils construisent réellement est une expérience révélatrice. Et c'est le cœur de CDIO. Les projets créent le contexte pour l'enseignement de toutes ces autres compétences, mais fournissent également un renforcement et une motivation pour l'apprentissage des compétences disciplinaires, explique Crawley.

Au fur et à mesure que les élèves progressent dans le programme, les projets deviennent plus complexes. Au cours de leurs trois derniers semestres, les étudiants peuvent choisir de suivre un cours de conception de synthèse qui les oblige à intégrer et à appliquer leurs connaissances complètes de l'aéronautique dans un projet. Le premier projet de ce type a été affiné grâce à un projet de deuxième cycle qui sera testé sur la Station spatiale internationale dans un avenir proche. Les étudiants du Capstone ont conçu, conçu et construit ce qu'ils ont appelé des sphères intelligentes. Les sphères sont trois microsatellites de la taille d'un ballon de football qui se déplacent sur commande et peuvent être programmés pour fonctionner ensemble ou seuls. La dernière tâche des étudiants était de tester les sphères sur l'avion KC-135 de la NASA, qui atteint les conditions d'apesanteur proches du vol spatial en exécutant des arcs paraboliques. Les étudiants devaient établir que les sphères fonctionnaient, puis effectuer des expériences limitées avec elles. À l'intérieur de la station spatiale se trouve un laboratoire pour tester les algorithmes d'amarrage des satellites et la construction de grands télescopes dans l'espace.

Young travaille également avec des étudiants qui, dans le cadre d'une activité parascolaire, souhaitent construire et piloter des expériences sur le KC-135. Cet été, une équipe de quatre étudiants testera un prototype de remplacement des instruments de cockpit qui aidera les pilotes à se remettre de vrilles ou de décrochages ou à voler par mauvais temps en réagissant aux vibrations dans leurs sièges. Dans un autre projet, une équipe d'étudiants du MIT travaille avec des groupes de l'Université de Washington et de l'Université du Queensland en Australie pour faire voler des souris en orbite terrestre basse pendant trois mois dans un véhicule rotatif qui simule la gravité sur Mars. Le projet, qui devrait voler en 2006, aidera à déterminer si les humains peuvent voyager vers Mars.

Apprentissage actif

En plus des projets, les professeurs du MIT ont introduit de nouvelles méthodes d'enseignement en classe qui aideront à garantir que les étudiants comprennent vraiment le contenu de leurs cours. Ces méthodes d'apprentissage dites actives font des étudiants des participants à leur propre éducation au lieu des preneurs de notes passifs de la classe magistrale traditionnelle. Nous ne pensons plus à une classe comme un lieu où vous communiquez des informations aux étudiants et ils les assimilent, explique Steven Hall '80, SM '82, ScD '85. Une conférence de 50 minutes est un lieu où les professeurs et les étudiants collaborent pour aider les étudiants à apprendre.

Hall a commencé à expérimenter des techniques d'apprentissage actif en 1999. La technique la plus réussie a été les tests de concept. Une ou deux fois au cours d'un cours, Hall posera aux étudiants une question à choix multiples qui lui permettra de savoir s'ils comprennent la matière. Les élèves utilisent des blocs de réponse infrarouges pour enregistrer leurs réponses, qui entrent dans l'ordinateur de Hall. Presque instantanément, il peut dire si la classe a des problèmes avec un concept. La première fois que j'ai posé une question, j'ai pensé que les élèves avaient compris, mais j'ai découvert que personne dans la classe ne savait de quoi je parlais, dit-il. Hall répond de plusieurs manières, selon le pourcentage de la classe qui a des problèmes. Parfois, il demande aux élèves de se parler pour voir s'ils peuvent le comprendre. À d'autres moments, il ajoute autant qu'une conférence complète de matériel supplémentaire pour aider les étudiants à comprendre.

Les cartes boueuses sont une autre méthode d'apprentissage actif efficace que Hall utilise. À la fin de chaque cours, il demande aux étudiants de réfléchir à ce qu'ils ont couvert ce jour-là et de décrire sur des fiches la matière qu'ils ont le moins comprise. Avoir les cartes pose un autre dilemme pour un professeur. Allez-vous de l'avant, donnez-vous plus de conférences, fournissez-vous un autre ensemble de matériel, rangez-le et faites-vous mieux l'année prochaine ? La solution de Hall consiste à répondre à toutes les questions et à les publier sur le site Web de la classe, ce qui permet aux étudiants intéressés de parcourir les réponses sans surcharger les autres étudiants de la classe. Les cartes ont également un véritable objectif pour Hall : elles l'aident à façonner ses futures conférences.

Bien que la transition des cours magistraux traditionnels aux méthodes d'apprentissage actif puisse être difficile pour les professeurs, Hall dit que ceux qui ont utilisé les techniques avec succès disent qu'ils n'enseigneront plus jamais à l'ancienne. C'est tellement nettement supérieur, à la fois en termes de réaction des étudiants et d'expérience du corps professoral, dit-il. Cela n'a tout simplement pas de sens de revenir en arrière.

Faire passer le mot

En 2000, le MIT avait besoin d'une subvention importante pour mettre en œuvre son expérience de réforme de l'éducation. La Fondation Knut et Alice Wallenberg, une organisation suédoise spécialisée dans le financement d'importantes recherches scientifiques et pédagogiques, a fourni les fonds en stipulant que le MIT travaille avec trois universités suédoises ( voir Collaborateurs CDIO, barre latérale ) pour affiner et mettre en œuvre le projet. Cette collaboration a fait progresser et enrichi le projet rapidement et a vérifié que CDIO peut être appliqué à n'importe quelle discipline d'ingénierie dans le monde.

Désormais, les représentants des écoles se réunissent trois fois par an et partagent leurs expériences d'intégration des compétences CDIO dans leurs cours. Les étudiants assistent aux réunions pour fournir des commentaires aux professeurs et au personnel et pour se réunir dans leur propre groupe. Ils mènent également des projets de recherche en collaboration sur certains aspects du CDIO.

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