Magic Cube: donner vie à l'ingénierie électrique

«Avant d'utiliser le Magic Cube, rien ne nous venait vraiment à l'esprit lorsque nous entendions parler d'électrotechnique, même si celle-ci fait en fait partie intégrante de notre vie quotidienne.» Ce témoignage est celui d'une étudiante de la MNG Rämibühl, un lycée de mathématiques et de sciences où le Magic Cube a été testé pour la première fois en classe à la mi-octobre de cette année. Ce nouvel outil d'enseignement a été développé par l'ETH Zurich, le géant technologique ABB et le projet de sensibilisation des jeunes mint & pepper (une initiative de Wyss Zurich, qui est gérée conjointement par l'ETH Zurich et l'Université de Zurich).

L'immobilisation

Tout commence par un orage : la foudre frappe à l'intérieur de la mystérieuse entité géométrique connue sous le nom de Magic Cube, provoquant une panne de courant dans un monde fictif appelé Elektron. C'est un black-out total, tout s'arrête, des usines aux véhicules solaires, en passant par les microscopes et les lampadaires.

Après avoir été initié·es à ce scénario dans un court métrage, les élèves font des exercices pratiques spécifiques en classe afin d'aider les citoyen·nes d'Elektron. Ils et elles doivent ainsi répondre à des questions fondamentales : Qu'est-ce qu'un circuit électronique ? Comment l'énergie est-elle convertie, distribuée et stockée ? À quoi servent les capteurs ? Une fois qu'une équipe a terminé un module avec succès, les panneaux individuels du Magic Cube s'allument - un signe visible de leur progression dans le jeu. Et une fois que toutes les équipes ont trouvé les bonnes réponses, le cube entier s'illumine et s'ouvre : Elektron a été secourue, et une surprise attend tous les participant·es.

Une approche différente de l'apprentissage

Beaucoup de choses doivent se passer avant que le Magic Cube ne se remette à fonctionner. Les élèves participent à des discussions, bricolent des solutions, élaborent des principes fondamentaux, réalisent des tests, écrivent des programmes pour des processus - et partagent quelques rires en cours de route. Pour se frayer un chemin à travers les modules du Magic Cube, les élèves doivent connecter des consommatrices et consommateurs à l'alimentation électrique dans un réseau intelligent, programmer un processus de tri pour une usine, construire un réseau ferroviaire et un système de régulation de la vitesse des trains, contrôler une voiture via une interface cerveau-ordinateur et construire un pont à l'aide d'un robot.

Dans le module sur les véhicules électriques, les élèves aident une voiture à suivre un itinéraire prédéfini en utilisant l'énergie solaire. Pour ce faire, ils et elles doivent non seulement calculer les besoins en énergie, mais aussi déterminer le temps de conduite : pour ce faire, il faut tenir compte de la conception du circuit de la cellule solaire ainsi que de l'engin dans lequel ils et elles roulent.

Dans un autre module amusant, les élèves construisent leur propre microscope afin d'identifier des échantillons, en ajustant les lentilles, en réglant l'éclairage et en le connectant à une puce de caméra.

Développer l'intérêt des jeunes pour l'ingénierie électrique

Une idée claire a inspiré le développement du Magic Cube : l'objectif est d'aider les jeunes à prendre confiance en leurs compétences techniques, éveillant ainsi leur enthousiasme pour le bricolage technique et la résolution de problèmes. Les jeunes femmes, en particulier, sous-estiment leurs compétences en mathématiques et dans les matières techniques, ce qui fait que, par la suite, elles sont moins nombreuses que leurs homologues masculins à envisager de s'orienter vers les domaines des STEM. «C'est formidable de voir à quel point les élèves sont enthousiastes pour les cours et désireuses et désireux de s'attaquer aux tâches ensemble», déclare Axelle Krayenbühl-Tapponnier, enseignante au MNG Rämibühl. «Ils et elles apprennent les bases essentielles de l'ingénierie électrique et de la physique, mais ils et elles s'amusent tellement que c'est presque en second plan. C'est vraiment un excellent moyen d'enrichir nos leçons».

Un nouvel outil pédagogique

Le Magic Cube est une nouvelle ressource pédagogique destinée aux enseignant·es de sciences naturelles et de matières techniques. Ses méthodes et son approche didactique sont adaptées aux exigences du Lehrplan 21, un projet d'harmonisation des programmes d'études pour la Suisse alémanique. Les premières idées de ce cube captivant ont été développées conjointement par le département de technologie de l'information et d'électrotechnique (D-ITET) et des stagiaires de l'ABB. L'ABB et l'ETH Zurich ont toutes deux intérêt à ce que des étudiant·es talentueuses et talentueux puissent se développer. «Comme la Suisse héberge de nombreuses entreprises et institutions de haute technologie, elle doit disposer d'un vivier de spécialistes bien formé·es, surtout si l'on considère les grands défis de notre époque comme le changement climatique et la numérisation», explique Nicole Kamm, responsable des ressources humaines chez ABB Suisse. «C'est pourquoi nous devons clairement montrer les multiples facettes du monde de l'ingénierie électrique et son utilité pour la société", ajoute Christian Franck, professeur d'ingénierie haute tension au D-ITET. «En utilisant le Magic Cube en classe, nous nous rapprocherons un peu plus de cet objectif».

La prochaine génération de talents

Mint & pepper, le projet de sensibilisation des jeunes de Wyss Zurich (un centre commun de l'ETH Zurich et de l'Université de Zurich), était le partenaire idéal pour compléter l'expertise de D-ITET en matière de recherche et l'expertise pratique d'ABB en matière de mobilité, d'infrastructure et de technologie industrielle. L'équipe de mint & pepper sait comment créer du matériel pour l'apprentissage expérimental et est également chargée de mettre le Magic Cube entre les mains des éducatrices et éducateurs. Mint & pepper a également supervisé le développement technique et didactique du projet, donnant au Magic Cube à la fois son nom et ses propriétés magiques. Les étudiant·es de l'ETH Zurich et les expert·es pédagogiques ont travaillé ensemble pour créer un contenu technique et scientifique complexe pour les modules, en veillant à ce que les leçons soient adaptées à l'âge des élèves, attrayantes et solides - et puissent être mises en œuvre à faible coût.

Disponible à partir de février 2021

Composé de 12 modules d'électrotechnique différents, le Magic Cube pourra être utilisé dans les écoles et les activités extrascolaires à partir de février 2021. Les éducatrices et éducateurs peuvent déjà faire des réservations pour le prochain semestre. Le Magic Cube convient aux jeunes de 12 à 15 ans et peut être utilisé dans des classes ou des groupes de 24 élèves maximum. Les étudiant·es de l'ETH et les stagiaires de l'ABB bénéficient d'un encadrement de la part de mint & pepper, puis dispensent les leçons sur place, en enseignant le contexte technique et en aidant les élèves à trouver les bonnes réponses. Ils et elles partagent également leur enthousiasme pour leur domaine et peuvent donner aux jeunes élèves des conseils pratiques et des aperçus sur les carrières qu'ils et elles ont choisies. De cette manière, ils et elles peuvent peut-être inspirer la prochaine génération à suivre leurs traces.