Le Super tp 1 synthèse des informations contenues dans le fascicule remis aux élèves





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date de publication28.11.2019
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typeThèse

Université Lumière Lyon II - Master Didactique et Interactions – Module Didactique professionnelle – L. Veillard

Introduction



Etude menée dans une formation d'ingénieurs qui seront en charge d'un atelier de production chimique. Etude d'un TP qui a été créé, selon ses concepteurs, pour placer les élèves-ingénieurs dans une situation très similaire à la résolution d'un vrai problème se déroulant dans une entreprise. Selon les formateurs :

- le problème est posé comme dans le milieu industriel

- les équipements sont proches de ceux utilisés par les industriels

- le problème nécessite de prendre en compte tout à la fois les aspects scientifiques, techniques, économiques, qualité, sécurité, environnement et donc de réinvestir des enseignements différents.

- les élèves doivent prendre en charge en totalité le problème posé.

Objectif de la recherche : les élèves sont-ils vraiment proche d'une situation de résolution de problème, telle qu'elle est vécue dans une entreprise ?

Moyen : comparaison de la résolution de ce TP par les élèves et la résolution d'un problème similaire par des professionnels dans une entreprise.

Le Super TP




1) synthèse des informations contenues dans le fascicule remis aux élèves

Introduction



Le travail demandé au cours du super TP est de prendre en charge un atelier de fabrication où est effectuée la purification d'un solvant de réaction. Pour mener à bien les opérations demandées, il faut prendre en compte les aspects scientifiques, techniques et technologiques, mais aussi les aspects économiques, de qualité, de sécurité et d'environnement.
Un dossier de synthèse du travail effectué est demandé aux élèves. Il comprend :

- un rapport sur les travaux demandés

- des commentaires sur les résultats

- des conclusions et des propositions (améliorations éventuelles, etc.)

Position du problème :



Une réaction met en œuvre un solvant (n-butanol) qui, en fin d'opération, se trouve pollué et ne peut être recyclé en l'état vers le réacteur. Le solvant pollué était jusqu'à présent revendu comme combustible pour un four de cimenterie. Etant donné l'évolution du marché, ce type de valorisation ne semble pas pouvoir se poursuivre longtemps. Une étude sur le recyclage du solvant est demandée.

Composition du solvant à traiter : butanol + eau (environ 5%) + huile (environ 5%)
On demande, dans cette étude, d'étudier la faisabilité ou non faisabilité d'un recyclage par rectification.


  • Dans l'hypothèse de faisabilité, on réalisera le dimensionnement de l'installation et le schéma TI simplifié (les informations sur le dimensionnement sont donnés en annexe). Le coût de recyclage du solvant réactionnel sera calculé, hors amortissement de l'installation. On intégrera dans ce coût les charges fixes et les charges proportionnelles (énergie, transport et destruction des résidus, complément en solvant neuf). Le coût calculé sera comparé au coût de la filière suivante : transport et destruction du solvant pollué + achat du solvant propre




  • Une étude succincte d'autres modes de purification sera également réalisée.



Organisation générale du TP



La semaine de travaux pratiques à l'Institut de formation est précédée d'une phase de préparation et de réflexion. L'encadrement de ce TP est assuré par les enseignants de l'Institut de formation. Le planning retenu et les différentes phases de ce super TP sont reportés ci-dessous :

Réunion du 27 mai 1994


Objet : présentation générale du super TP et du travail préliminaire demandé aux élèves-ingénieurs par les responsables des TP.

Buts :

- définir une répartition et organisation du travail en vue de la semaine de TP

- proposer un schéma de distillation pour la purification du solvant de réaction et un mode opératoire

Réunion septembre 1994


Objet : présentation par les élèves-ingénieurs du bilan de leur travail préparatoire. Discussion et réorientation du travail par les responsables de l'Institut de formation. Préparation et organisation de la semaine de TP.
Semaine du super TP (14-18 novembre 1994)

Le planning prévu est le suivant :

- 1er jour : accueil des élèves  briefing sécurité  Visite guidée du hall de génie chimique sur les aspects sécurité  temps réservé à la compréhension des installations industrielles

- 2ème jour : 1er essai à blanc  Prise en main des installations

- 3ème et 4ème jours : suite des essais  nettoyage des installations  rédaction du rapport

- 5ème jour : remise du rapport  bilan sur le travail effectué

Un technicien est présent à temps complet pendant cette semaine. Il est responsable du hall de génie chimique sur le plan technique et sur le plan sécurité.
Réunion bilan (semaine suivante)

Bilan général sur la semaine de TP

Commentaires et discussion sur les résultats obtenus

Description du matériel à disposition pendant la semaine de TP



- Matériel :

- matériel de laboratoire

- colonne pilote équipée dont les caractéristiques sont jointes en annexe
- Utilités :

- vapeur Pmax = 9bar

- pompe à vide = 50 torr

- eau

- air comprimé
- Analyse

- refractométrie

- CPG : catharomètre (isotherme) et appareil avec détecteur à ionisation de flamme (programmation de T°)
Les fiches de données sécurité des produits mis en œuvre sont fournies.


2) Informations issues des observations réalisées par le chercheur




Réunion de mai : présentation du super TP (lieu : salle de cours, avec un tableau)



Le formateur, également concepteur du super TP, présente le TP dans le détail à l'aide du fascicule. Il donne quelques indices pour la résolution du problème :

- Une voie scientifique de résolution du problème consisterait à utiliser des logiciels de dimensionnement de colonne à l'aide des courbes d'équilibre liquide-vapeur du mélange de départ. Mais ces courbes n'existent pas, il faudrait les réaliser, ce qui représente beaucoup de temps et d'argent. Il serait beaucoup plus pertinent de faire un test sur une colonne pilote, qui permettrait d'avoir les informations suffisantes pour l'étude de la faisabilité

- Il y a différentes méthodes pour faire traiter le solvant :

- un traitement continu 24h/24h

- un traitement sur 2 ou 3 jours par semaine,

- un traitement sur 1 journée

- un traitement en 2X8

Le formateur conseille de bien considérer les informations fournies sur les caractéristiques de la substance de départ pour faire un choix entre ces différents méthodes.

- les abaques peuvent servir pour faire un premier test, qui donnera l'occasion de prendre en main la colonne, et fournira des informations plus précises pour le dimensionnement de la colonne.

Réunion de septembre : synthèse (lieu : salle de cours avec un tableau)



Les élèves commencent par questionner le formateur sur les propriétés de la substance de départ. Le formateur répond à ces questions. Puis il oriente peu à peu la discussion vers un point crucial en demandant aux élèves de situer le gradient de température tout au long de la colonne. Les élèves-ingénieurs prennent conscience alors rapidement qu'il y a une zone où la température est de 117°C (température d'ébullition du butanol pur), ce qui indique que le butanol est presque pur à cet endroit de la colonne. L'idée d'un soutirage intermédiaire vient alors naturellement à l'esprit des élèves.

Le formateur va procéder ainsi sur plusieurs points de la résolution du problème, guidant progressivement les élèves vers les bonnes solutions. Les élèves jouent le jeu, en posant de nombreuses questions au formateur.

Le problème en entreprise



L
Clients externes
e problème s'est posé sur un des sites de production d'une grande entreprise de production chimique. Schématiquement, l'organisation de ce site était la suivante


Clients externes




Atelier 1

Atelier 2
Atelier 3

D


ligne production 2.1

B


Produit A

E

Ligne 1.1





C

ligne production 2.2



Figure 1 (Ajouter aussi 1 organigramme simplifié et 1 schéma positionnant le 3 sites).


Description de la résolution du problème

Acteurs

Lieu de l'action

Ressources matérielles et symboliques
Temps

Problème initiale : la demande commerciale en produit B diminue fortement. Plusieurs solutions sont étudiés par les responsables techniques et commerciaux de l'entreprise

Solution 1  incinération de B : trop cher. Solution abandonnée

Solution 2  utilisation d'un catalyseur (Cs) pour diminuer le ratio B/C : cette solution est retenue
L'étude est confiée à deux ingénieurs (ingénieur du service procédé du site de production et ingénieur recherche du site de recherche) qui sont nommés responsables du projet
Une étude technique est menée par le centre de recherche = étude de la cinétique + modélisation mathématique de la réaction + essais sur pilote. Les résultats montrent qu'un sous produits (SP1) est généré lors de la réaction :



C'est un problème car l'atelier 2 ne tolère pas la présence de SP1
Pour résoudre ce problème, plusieurs solutions sont envisagées successivement par les responsables du projet :

Solution 1  hydrolyse de SP1 : trop difficile techniquement. Solution abandonnée

Solution 2  distillation de B pour extraction de SP1 : techniquement faisable mais cher. Solution abandonnée

Solution 3  déplacer le problème dans l'atelier 2 au niveau d'une distillation finale : possible car les clients externes n'ont pas d'exigences en ce qui concerne la présence de SP1 dans le produit B. Le problème devient l'extraction de SP2 du produit D par distillation. Cette solution est retenue.
Une étude technique est réalisée au centre de recherche : modélisation de la distillation + essais sur la colonne à distiller de l'atelier 2. Les résultats montrent la faisabilité de l'opération, mais aussi qu'un autre sous-produit (SP3), non prévu par l'étude du centre de recherche, est généré par la réaction.



- Responsables techniques et commerciaux
- Responsables techniques

- Ingénieur procédés

- Ingénieur recherche
- Responsable atelier 1

- Ingénieur procédés

- Techniciens et ingénieurs recherche
- Ingénieur procédés

- Ingénieur recherche

- Ingénieurs et techniciens recherche

- Ingénieur procédés

- Ingénieur recherche

- Responsable fab. A2

- Agent de maîtrise

- Opérateurs

Siège central :

- bureaux
Siège central :

- salle de réunion

Site recherche :

- hall génie chimique

- laboratoire d'analyse

- bureaux
Site production :
- bureaux

Site recherche :

- bureaux


Site production :

- Atelier 2

Site recherche :

- hall génie chimique

- bureaux


- Données techniques atelier 1

- installations pilote

- logiciel informatique

- bases de données

- documentation scientifique et technique

- Documentation scientifique et technique

- Données techniques atelier 2

- Logiciel informatique

- installations industrielles atelier 2

Début 1992

Mars 93

Description de la résolution du problème

Acteurs

Lieu de l'action

Ressources matérielles et symboliques




Les 2 ingénieurs jugent que cet événement nouveau ne change rien au positionnement du problème au niveau de la distillation de l'atelier 2, car le produit SP3 est plus volatile que le produit SP2.
Les 2 ingénieurs réunissent plusieurs acteurs pour étudier la possibilité de modifier la distillation de l'atelier 2 afin d'extraire les sous-produits dans des conditions techniques satisfaisantes et pour un coût raisonnable. Les ingénieurs présentent le problème aux acteurs présents. Une discussion s'en suit pour rechercher des solutions au problème posé. La décision est prise de demander une modélisation informatique de la distillation (beaucoup de sous-produits) au centre de recherche
Les 2 ingénieurs organisent une réunion pour préparer la modélisation : il s'agit de réunir les informations nécessaires pour que cette modélisation puisse être réalisée. La réunion se déroule en 3 temps :

- explication du problèmes aux acteurs présents

- examen des différentes contraintes techniques et économiques pesant sur l'atelier 2 (ex : évolution de la demande des clients dans les mois à venir, temps nécessaire à la modélisation informatique et à la réalisation d'essais réels)

- examen du protocole de définition actuel de la colonne et critiques des dysfonctionnements.

Les participants à la réunion se quittent en prévoyant de se revoir une fois la modélisation réalisée.
L'équipe distillation du centre de recherche réalise la modélisation à l'aide d'un logiciel informatique, des paramètres fournis par les responsables de l'atelier 2 et des informations détenues dans la base de données du centre de recherche. Le principal résultat obtenu est la diminution du temps nécessaire pour stabiliser la colonne (passage de 20h à 8h).
Une nouvelle réunion est organisée par les 2 responsables du projet pour examiner collectivement les résultats de la modélisation et envisager la suite du projet. L'ingénieur de l'équipe de recherche distillation explique les résultats obtenus. L'agent de maîtrise fait remarquer que le temps annoncé ne prend pas en compte des temps morts (chargement et épuisement de la colonne), ainsi que quelques autres caractéristiques pratiques de l'atelier. Les participants décident de faire un essai sur la colonne réelle. Ils examinent les périodes possibles et les grandes lignes d'un protocole pour faire un tel essai. L'ingénieur chimie et procédés se charge de commander du SP2 par le biais de quelqu'un qu'il connaît dans une autre usine. Le technicien procédés est chargé de conduire cet essai. Pour finir, les participants à la réunion étudient les répercussions possibles des changements envisages sur la colonne du point de vue économique.
Le technicien procédé définit un mode opératoire précis pour réaliser l'essai sur la colonne à distiller. Il définit également les règles de sécurité à respecter et la liste des mesures à effectuer pendant l'essai. Pour tout cela, il consulte l'agent de maîtrise de l'atelier 2, avec qui il négocie aussi le détachement d'une partie du personnel ouvrier pendant la période de l'essai.

Hormis quelques petits problèmes, l'essai se déroule globalement bien.

Le technicien analyse les mesures effectuées. Les résultats sont probants : l'extraction des sous-produits est possible dans de bonnes conditions.

Le technicien rédige une note de synthèse de l'essai, qu'il donne à l'ingénieur procédés, au responsable et à l'agent de maîtrise de l'atelier 2.
Après avoir lu cette note, l'ingénieur procédés organise une réunion pour envisager la suite à donner au projet. Les participants à cette réunion tombent d'accord pour réaliser des essais supplémentaires afin d'optimiser le procédé. Le technicien procédé est chargé de mener ce travail d'optimisation.
Le technicien prépare et supervise une trentaine d'essais successifs sur la colonne, pendant une période assez longue. Au cours de cette période, des imprévus surgissent, qui expliquent le nombre important d'essais réalisés :

- le temps de cycle doit être revu à la baisse car le responsable de fabrication doit répondre à une demande beaucoup plus forte que prévue en produit D

- les taux de sous-produit SP1 et SP3 dans le produit B issu de l'atelier 1 sont plus forts que prévus.

Le technicien et l'ingénieur procédés négocient au cours d'une réunion avec le responsable de fabrication une solution, qui n'est pas très satisfaisante d'un point de vue technique (2 modes opératoires utilisés selon la qualité du produit final exigé par les clients), mais permet une plus forte rentabilité économique.
Le technicien procédé rédige les modes opératoires précis du nouveau procédé de distillation. Pour cela, il sollicite les personnels de production (exemple : localisation d'une cuve, état de fonctionnement d'une vanne, etc.).

Un dernier essai est réalisé pour vérifier la validité des modes opératoires. Quelques modifications sont apportées, puis ces modes opératoires sont mis en œuvre officiellement.



- Ingénieur procédés

- Ingénieur recherche

- Responsable fab. A2

- 2 ou 3 autres ingénieurs du centre de recherche


- Ingénieur procédés

- Ingénieur recherche

- Responsable fab. A2

- Technicien procédés

- Ingénieur recherche, responsable de l'équipe distillation
- Equipe distillation (ingénieurs et techniciens)

- Ingénieur procédés

- Ingénieur recherche

- Technicien procédés

- Ingénieur chimie et procédés

- Agent de maîtrise A2

- Ingénieur recherche, responsable de l'équipe distillation
- Technicien procédés

- Agent de maîtrise A2


- Technicien procédés

- Agent de maîtrise A2

- opérateurs

- Technicien procédés

- Ingénieur procédés


- Technicien procédés

- Ingénieur procédés

- Responsable fab. A2

- Agent de maîtrise A2
- Technicien procédés

- Agent de maîtrise A2

- opérateurs

- Technicien procédés

- Ingénieur procédés

- Responsable fab. A2

- Technicien procédés

- Opérateurs

- Agent de maîtrise

- Technicien procédés

- Agent de maîtrise

- Opérateurs

Site production :

- salle de réunion

Site production : - salle de réunion

Site recherche :

- bureau distillation

Site production :

- salle de réunion

Site production :

- Bureau procédés, - Bureau maîtrise,

- Atelier
Site production :

- Atelier

- Bureau procédé

Site production :

- Bureau procédé

Site production :

- salle de réunion


Site production :

- bureau procédés

- atelier

Site production :

- Salle de réunion


Site production :

- Atelier

- Bureaux atelier 2

Site production :

- Atelier



- Dossier technique du projet

- données techniques de l'atelier 2 sur la colonne à distiller.

- notes issues de recherches passées

- planning prévisionnel de production


- Note sur les résultats de la modélisation

- planning prévisionnel d fabrication

- Note sur les résultats de la modélisation

- Protocole définit au cours de la réunion

- données techniques de sur la colonne à distiller

- Installations de production
- Mode opératoire

- Règles de sécurité

- liste des mesures à effectuer

- Installations de production
- Mesures réalisées et notes prises pendant l'essai

- Note de synthèse des résultats de l'essai réalisé

- Mode opératoire

- Règles de sécurité

- liste des mesures à effectuer

- Installations de production
- résultats des essais

- planning prévisionnel de fabrication

- Résultats des essais

- Données techniques atelier 2

- Modes opératoires

- règles de sécurité

- Liste des mesures à effectuer

- installations de production

Avril 93


Fin Octobre

93

Nombre 93

Fin novembre 93


Décembre 93



Différences entres les résolutions



Résolution en entreprise

Résolution à l'école

- Nombreux acteurs, dont les rôles et l'importance dans le projet sont très variés.
- Des lieux variés : salle de réunion, atelier (salle de pilotage + installations), bureaux des acteurs, hall de génie chimique
- Des ressources variées et non définies à priori : utilisation d'anciens documents produits au cours de l'histoire de l'entreprise
- Résolution relativement longue et dont la durée exacte n'était pas connue a priori

- 3 types d'acteurs : élèves, enseignant, technicien du hall de génie chimique
- 2 lieux : salle de cours, hall de génie chimique


- Des ressources limitées et définies a priori par la feuille de TP et par l'enseignant


- Temps de résolution imposé et court. Les élèves doivent rendre quelque chose dans les délais même s'ils ne sont pas satisfaits du résultat.





L’analyse met en évidence 2 milieux de résolution très différents, en raison des contraintes spécifiques qui pèsent sur chacun d'eux.

- Conséquence : des savoirs différents et surtout, dans l'entreprise, la nécessité de combiner différents types de savoirs, ce qui est beaucoup moins vrai dans le cas de l'école, où la résolution est principalement technique. Exemple : prendre en compte la demande des clients tout en assumant les contraintes techniques : compromis = nouveau savoir.
L’analyse de la conception du super TP met en évidence des contraintes qu'il a fallu prendre en compte pour transposer un problème réel en problème à poser aux élèves.
Un problème et les savoirs permettant de le traiter sont toujours situés et vivent dans un milieu spécifique :
"Ce qui est caractéristique des savoirs, notamment, c'est leur « multilocalisation ». Un savoir donné S peut se retrouver en divers types d'institutions, qui sont pour lui, en termes d'écologie des savoirs, autant d'habitats." (Chevallard 1991)
Vouloir transposer un problème réel à l’école ne le laisse pas intact : les finalités et les contraintes propres à cette institution vont obliger à un processus de transposition didactique (terme introduit par Verret, sociologue et repris par Chevallard, didacticien des mathématiques). La transposition didactique est un certain type de rapport au savoir. Chevallard en liste 4 :

  • production

  • utilisation

  • Transmission

  • Transposition

Les institutions vont se définir selon lui par un type de rapport dominant au savoir : lieu de travail = utilisation / école = transmission ; sphère de recherche = production. Le passage d’une institution à une autre se fait selon un processus de transposition qui se fait sous plusieurs contraintes :

  • contrainte de légitimitisation  cela renvoie au choix d’un problème le plus représentatif possible de ce qui se fait dans l’industrie ; Cette opération conduit souvent à discuter, négocier entre formateurs voire avec des professionnels ; en général, le problème et son mode de résolution n’en ressort pas indemne : il subit des inflexions, des modifications pour le constituer en ce que Martinand appelle : « une pratique sociale de référence »

  • contrainte de séquentialisation  ici il s’agit d’inscrire le problème dans le temps de l’institution scolaire. Cela conduit à la décomposition de sa résolution en différents temps imposés. Derrière cette contrainte, il y a aussi la nécessité de découper le problème pour en faire une activité pédagogiquement tenable du point de vue de la succession des connaissances qui sont à mobiliser

  • contrainte de sécurisation  laisser agir des gens qui ne possèdent pas les compétences leur permettant d’agir en connaissance de cause et de conséquences n’est possible dans une institution éducative que si les réactions du milieu à l’action sont sans danger et sans dégradation du matériel. Cela oblige à utiliser un matériel spécifique, et à intercaler des interventions d’enseignant pour vérifier avant de passer à l’étape suivante.

  • Contrainte d’organisation  il est impossible de reproduire l’organisation complexe d’une entreprise et la diversité des acteurs qui interviennent. Malgré tout, ils auraient pu créer une situation où les élèves aient des rôles plus différenciés mais se pose alors le problème de ce qui est appris par chacun d’eux : si ils tiennent des rôles différents et font des choses différents, ils n’apprendront la même chose.


Généralisation à un métier (Darré)  montrer le rôle des référentiels dans l'articulation monde professionnel / école. Est devenu nécessaire car constitution d'institutions de formations professionnelles en rupture avec le monde du travail. Et plus généralement en raison de l'institutionnalisation des domaines.





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