[Weblettre N°3] Cursus Master en Ingénierie Microélectronique Nanotechnologie Télécoms (CMI MiNT) – UES2N (Sensibilisation Nanosciences-Nanoélectronique) Licence 3ème année

Olivier VANBESIEN
Professeur des Universités

Aurélie DUPRÉ
Ingénieur de Recherche
Chef de service – Centre d’Accompagnement des Pratiques Enseignantes (Cape)
Direction de l’Innovation pédagogique / Laboratoire CIREL-Theodile

CONTEXTE

C’est dans le cadre de l’innovation pédagogique souhaitée par le réseau FIGURE que nous présentons un projet pédagogique, testé une première fois sur l’année universitaire 2016-2017, adapté et modifié pour l’année universitaire en cours 2017-2018 suite aux retours des étudiants et qui devrait trouver son régime de croisière pour l’année universitaire prochaine. Ce projet s’adresse à des étudiants de troisième année de Licence EEEA (Electronique – Energie Electrique – Automatique) dans le parcours CMI MINT (Micro-électronique – Nanotechnologies – Télécoms) porté par la FST (Faculté de Sciences et Technologies) et illustre les démarches engagées sur un certain nombre d’unités d’enseignement de ces parcours.

L’objectif principal consiste à rendre l’étudiant acteur de sa formation et à accroitre son autonomie en combinant sur une année universitaire complète classe inversée et apprentissage en auto-formation tuteurée sur le premier semestre suivi de séquences d’apprentissage par problèmes au second semestre.
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L’UNITE D’ENSEIGNEMENT

L’Unité d’enseignement S2N (Sensibilisation Nanosciences-Nanoélectronique – 4 ECTS) fait partie du corpus additionnel spécifique au CMI MiNT. Cette U.E est déclinée en deux parties tout au long de l’année universitaire (2 fois 2 ECTS / S2N-1 et S2N-2)
Le public visé est celui de la troisième année de Licence, pour un effectif maximal d’une douzaine d’étudiants (elle a été testée en 2016-2017 et affinée en 2017-2018 sur des groupes de 5 étudiants CMI).

Méthode : Autoformation guidée débouchant sur un APP (Apprentissage Par Problème)
A noter que cette UE représente dans le parcours de l’étudiant qu’une UE parmi n… Le temps consacré doit donc être proportionnel au temps d’étude global – Estimation de 3 à 5 heures/semaine de présentiel et travail personnel.
Objectifs pédagogiques :
– Donner aux étudiants les premiers outils d’étude pour aborder le domaine de la nanoélectronique en introduisant pour eux de nouvelles notions, dépassant le cadre de la physique classique.
– Leur faire comprendre les spécificités propres à l’échelle nanométrique qui tournent autour de deux concepts fondamentaux : la quantification de l’énergie et l’effet tunnel. Ces thèmes sont abordés via l’exploitation des solutions de l’équation de propagation d’un électron (équation de Schrödinger) non vue par ailleurs dans le parcours de formation.
– Développer des aptitudes personnelles et professionnelles nécessaires au métier d’Ingénieur (notamment ici à travers un apprentissage du travail en équipe et du travail en autonomie)
Méthodologie :
L’idée est donc que les étudiants acquièrent ces connaissances au travers d’un problème « théorique » à résoudre (APP), une question à laquelle ils devront répondre après avoir suivi un cheminement qui leur aura été proposé avec quelques « livrables » à fournir tout au long de l’année (autoformation guidée).
Selon le nombre d’étudiants, ce sera le fruit du travail d’un ou plusieurs groupes (entre 3 et 5 étudiants maximum par groupe).
Moyens mis à disposition :
Un cours Moodle avec :

  • Un cours filmé (~8h – découpé en différents chapitres).
  • Un polycopié d’exercices de travail type sur les thématiques principales (corrections en partie dans le cours filmé).
  • Un logiciel de calcul (avec sorties graphiques associées) téléchargeable et implantable sur tout ordinateur.
  • Un tutoriel d’utilisation du logiciel (par l’exemple).
  • Des énoncés de « TP » pour aborder les différents thèmes du cours.

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SCENARIO

Les étudiants auront toute l’année de L3 pour atteindre l’objectif fixé : la réponse aux problèmes posés… Pour éviter une accumulation de travail en fin de période, différents jalons vont être définis avec des travaux intermédiaires à rendre à l’animateur de l’UE.

Séquencement :
L3 – SEMESTRE 1 :
SEANCE 1 (en présentiel – en début de S5) : Présentation de l’UE, du contexte scientifique. Présentation des outils mis à disposition et des méthodes de travail envisagées. Constitution du ou des groupes de travail avec attribution de rôles (coordinateur, planificateur, relais avec l’enseignant, ….).
« AUTOFORMATION GUIDEE »
Cette première partie s’appuie sur une approche de type pédagogie inversée, sur une période de 8 semaines (4 fois 2 semaines)
Travail en autonomie :
– Visualisation d’une partie du cours filmé
– Résolution d’un exercice lié à cette partie de cours x 4 fois
– Restitution en SEANCES 2, 3, 4 et 5 (30 minutes/séance ou plus si difficultés)

A DISPOSITION DANS MOODLE

Une version filmée du cours « Nanoélectronique » disponible sur Lille1.tv’pod.
CHAINE : S2N
Il s’agit de séquences vidéos de 10 à 45 mn. L’ordre est donné par les titres et est le suivant :

1 : Sensibilisation Nanosciences Nanotechnologies (Plan)
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Chapitre 1 / 1 / Contexte
Chapitre 1 / 2 / La dualité onde-corpuscule
Chapitre 1 / 2 (suite) / La dualité onde-corpuscule
Chapitre 1 / 3 / Une équation de propagation pour l’électron
Chapitre 1 / 3 (suite) / Une équation de propagation pour l’électron
Chapitre 1 / 4 / Les effets fondamentaux : localisation et effet tunnel
Chapitre 1 / 4 (suite) / Les effets fondamentaux : localisation et effet tunnel
Chapitre 1 / 5 / Calcul du courant
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Chapitre 2 / 1 / Principe des hétérostructures semiconductrices
Chapitre 2 / 1 (suite) / Principe des hétérostructures semiconductrices
Chapitre 2 / 1 (fin) / Principe des hétérostructures semiconductrices
Chapitre 2 / 2 / L’hétérostructure AlGaAs/GaAs
Chapitre 2 / 2 (suite) / L’hétérostructure AlGaAs/GaAs
Chapitre 2 / 3 / L’hétostructure simple barrière
Chapitre 2 / 3 (suite1) / L’hétostructure simple barrière
Chapitre 2 / 3 (suite2) / L’hétostructure simple barrière
Chapitre 2 / 3 (fin) / L’hétostructure simple barrière
Chapitre 2 / 4 / La diode à effet tunnel résonnant
Chapitre 2 / 4 (suite et fin) / La diode à effet tunnel résonnant

L’accès est actuellement réservé aux étudiants de l’Université de Lille

• Sur une période de 3 semaines
Travaux pratiques
SEANCES 6-7 de prise en main de l’outil numérique (autour d’un tutoriel – 2 fois 2h)
SEANCES 8-9 de TP (2 fois 2h) en semi-autonomie avec compte-rendu pour un premier approfondissement
• Evaluation : Dernière semaine : SEANCE 10
o Des connaissances : oral de 15 à 20 minutes
o Des compétences : autoévaluation en groupe par résolution collective d’un court exercice

L3 – SEMESTRE 2 :
« APPRENTISSAGE PAR PROBLEME »
Deux séquences de 3 semaines : Dans chacune de ces séquences, le(s) groupe(s) cherchera(ont) à solutionner un problème posé qu’ils auront à restituer sous la forme d’un EXPOSE en utilisant les moyens de leur choix (en utilisant par exemple le logiciel proposé au semestre précédent associé à tout autre moyen d’information et/ou de communication qu’ils trouveront pertinent.
Deux types de «problème » seront proposés, soit « théorique », soit « expérimental » pour mobiliser leurs connaissances et leurs compétences informationnelles afin de répondre aux problèmes posés.

PROBLEME « THEORIQUE » :
Sachant qu’une barrière de potentiel est, en physique classique, une région de l’espace interdite aux particules, comme l’électron, alors

  • Pourquoi un électron peut-il avoir une probabilité de 100 % de traverser une ou plusieurs barrières de potentiel ?
  • Pourquoi un électron peut éventuellement avoir une probabilité plus importante de traverser une barrière de potentiel épaisse qu’une barrière de potentiel fine ?

PROBLEME « EXPERIMENTAL » :
A partir d’un cahier des charges de réalisation d’une application d’électronique non-linaire, recherche et proposition d’un composant pertinent.

Evaluation (7ème semaine):
Chaque étudiant sera évalué autour de 3 critères :
– Qualité de l’exposé (note de groupe)
– Pertinence du raisonnement mené et des réponses aux problèmes apportées par le groupe (note de groupe)
– Qualité de la réponse aux questions (note individuelle – tous les étudiants du(des) groupe(s) devront être capables de répondre à toutes les questions de l’enseignant référent)

ANALYSE et SUIVI

Une étude a été menée par le Centre d’Accompagnement des Pratiques Enseignantes (Cape) de l’Université de Lille pour évaluer les effets de ces pratiques pédagogiques innovantes sur les comportements des étudiants et leurs stratégies d’apprentissage (learning analytics).
Ainsi, toutes les séances d’enseignement de cette UE ont été observées de façon non participative par un ingénieur du Cape également chercheur du laboratoire CIREL (laboratoire de recherche en Sciences de l’Education de l’Université de Lille).
Des entretiens individuels ont ensuite été réalisés avec les étudiants à la fin de l’enseignement. Le guide d’entretien employé interrogeait sept axes, déclinés de la façon suivante :

  1. Le travail « hors classe des étudiants » : Comment le cours a été travaillé à la maison (fiches, visionnage, …) ? Les vidéos proposées étaient-elles en adéquation avec les contenus des TD à préparer ? Avec le cours en amphi ? Les changements de noms des variables entre la vidéo et lese TD étaient-ils perturbants ? Les vidéos ont-elles été visionnées en une fois ou découpées ? Quelles difficultés ont été rencontrées dans la préparation des fiches de TD ?
  2. Le ressenti en séance de TD : Les étudiants étaient-ils plus à l’aise en TD ? Par rapport à d’autres cours ? A avant ? Nous avons observé que le prof n’a pas fait tous les calculs. Il a ajusté ses interventions en fonction des besoins du groupe. Le TD a été centré plus sur la démarche que les résultats ou les calculs. Est-ce que cela a gêné les étudiants ? Ou au contraire est-ce qu’ils ont eu l’impression que c’était plus efficace, que moins de temps était perdu ?
  3. Le ressenti sur le TD n°4 qui a semblé, d’après les observations, plus compliqué : Qu’en pensent les étudiants ? L’ont-ils préparé de la même manière que les autres ? Ont-ils vraiment eu plus de difficultés sur ce TD ?
  4. Le travail à l’issue du TD : A l’issue du TD certains calculs restaient parfois à formaliser, est-ce que cela a gêné les étudiants, est-ce qu’ils sont allés au bout des calculs par eux-mêmes ? Ont-ils parfois sollicité l’enseignant par mail par exemple entre les TD pour lui poser des questions, lui demander de vérifier des calculs ?
  5. Les séances de TP : Comment se sont passés les TP ? Les étudiants se sentaient-ils à l’aise ou pas ? Ont-ils eu l’impression de réinvestir facilement ce qui avait été vu en TD ? Ou pas ? Pourquoi ?
  6. Leur ressenti vis-à-vis de l’approche pédagogique mise en place dans cette UE : Comment les étudiants jugent-ils la charge de travail demandée par ce cours ? Etait-ce trop ? Auraient-ils autant travaillé ce cours dans une pédagogie plus traditionnelle ? Y a-t-il eu des changements par rapport à leurs méthodes de travail habituelles ? Leur façon de travailler ce cours a-t-elle évoluée au cours du semestre ? Estiment-ils qu’ils ont été suffisamment préparés et informés des méthodes pédagogiques qui allaient être utilisées dans ce cours ?
  7. L’évaluation des apprentissages : Comment ont-ils organisé vos révisions ? Ont-ils travaillé plus ? Est-ce qu’ils se sentaient plus prêts que d’habitude ? Ou pas ? Ou moins ? Une grande partie du travail tout au long du semestre a été réalisée en groupes (les TD, les TPS, le projet …). Or l’évaluation était en individuel. Est-ce que cela leur a posé problème ?

Cette étude, menée sur la première promotion, montre que les retours des étudiants sont très positifs. La plupart disent avoir apprécié cette approche pédagogique et l’un d’eux explique : « c’est une source de motivation, on a envie de s’impliquer et on se sent obligé de travailler plus et de s’impliquer à fond». Les résultats de la recherche mettent en avant la diversité des stratégies de travail mises en œuvre par les étudiants dans cette UE. Par exemple, pour s’approprier le cours vidéo lors de l’approche en « classe inversée » du premier semestre, il apparaît que certains étudiants regardent la vidéo en une fois et prennent des notes alors que d’autres retranscrivent intégralement le discours de la vidéo et ont sans cesse besoin de revenir en arrière. Quelques étudiants se retrouvent ainsi parfois en surcharge de travail. Ces résultats interrogent la pertinence des méthodes de travail employées par les étudiants. Sont-ils suffisamment préparés à ces nouvelles pratiques pédagogiques ? Nous pourrons envisager la mise en place, l’année prochaine, d’ateliers d’accompagnement méthodologiques à destination des étudiants afin de les aider à adapter leurs méthodes de travail à ces différentes approches pédagogiques.

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CONCLUSION

Par cette approche mixte, il est attendu de la part des étudiants une implication plus importante dans leur processus de formation en leur donnant toutes les clés leur permettant d’explorer un domaine nouveau certes dans leur discipline mais en marge des enseignements classiques suivis.

La démarche proposée intègre sur l’ensemble de l’année universitaire un certain nombre de techniques originales combinant : autoformation tuteurée, classe inversée, apprentissage par projet et apprentissage par problèmes.
Il en va de même pour l’évaluation qui allie évaluation normative (oral – exposé) et évaluation des compétences (bilan et échange en groupe) pour la validation ou non de l’unité d’enseignement.

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