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Enseignement de la Chimie appliquée à l’étude de produits naturels par la réalisation de projets : présentation

d’une initiative nouvelle dans la formation des Ingénieurs Chimistes et des bio-industries.

Georges C.LOGNAY* et Michel MARLIER

Unité de Chimie Générale et Organique.

Faculté Universitaire des Sciences Agronomiques de Gembloux

(FUSAGx).

Passage des Déportés, 2, B-5030 Gembloux (Belgique)

e-mail : lognay.g@fsagx.ac.be

Résumé

Après avoir présenté sommairement le contexte des études d’ingénieur chimiste et des bioindustries à la FUSAGx, les

auteurs présentent la structure d’un cours de chimie organique appliquée à l’étude de molécules naturelles basé sur la

réalisation de projets (Problem Based Leraning, PBL) qu’ils ont développé ainsi que les diverses étapes qui conduisent

l’étudiant à élaborer son protocole expérimental sur base d’une analyse bibliographique performante utilisant les

moyens modernes de la recherche documentaire et sur l’interaction enseignant-enseigné. Les premières évaluations sont

également rapportées.

Introduction

Depuis 1995, un cours de chimie organique appliquée (COA) à l’étude de molécules naturelles basé sur la

réalisation de projets (PBL “ Problem-Based Learning ” ) a été mis en place au niveau du deuxième cycle des études

d’ingénieur chimiste et des bio-industries à la Faculté Universitaire des Sciences Agronomiques de Gembloux.

La méthode d’enseignement proposée ci-dessous a pour objectif principal d’approfondir les compétences en

analyse organique (isolement, purification et identification de molécules naturelles à partir de milieux très complexes)

et en chromatographie. Il vise aussi à la maîtrise raisonnée de techniques instrumentales (chromatographiques et

spectrométriques) de pointe. L’enseignement par projet contribue également à une formation à la recherche par la

préparation et la mise en œuvre d’un plan expérimental structuré ainsi qu’à l’analyse critique de données

bibliographiques issues de recherches documentaires ciblées. En outre : l’entretien de diverses compétences

transversales est privilégié : pratique de l’anglais scientifique, réalisation de synthèses écrites assorties d’index

bibliographiques correctement formulés, de présentations orales…

Chacune des quatre parties de la présentation méthodologique qui suit s’articule autour des points suivants : 1.

la description succincte d’une formation d’ingénieur en 5 ans 2. la subdivision d’un enseignement en 5 étapes 3. la

présentation d’une méthodologie à 5 composantes et 4. la définition d’une évaluation à 5 niveaux. Après une brève

description des deux premiers points permettant de situer le contexte, la structure de l’enseignement est décrite et fait

l’objet de commentaires spécifiques.

1. Une formation d’ingénieur chimiste en 5 ans

Après deux années de candidature (1er cycle universitaire commun avec les Ingénieurs Agronomes où les

matières de base et fondamentales sont appréhendées), la formation des ingénieurs chimistes (2ième cycle de 3 ans)

comprend essentiellement trois axes complémentaires : la CHIMIE au sens large du terme , la BIOLOGIE et les

BIOTECHNOLOGIES (biologie moléculaire, immunologie, ingénierie génétique, microbiologie fondamentale et

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industrielle...) et les SCIENCES de L’INGENIEUR qui regroupent notamment le génie chimique, la thermodynamique

appliqué, l’ingéniérie agro-alimentaire, l’hydraulique, la résistance des matériaux . A cette formation spécialisée

s’ajoutent des cours de gestion, d’informatique, de statistique, d’épuration des eaux etc...Ce type d’étude est sanctionné

par un diplôme universitaire d’Ingénieur Chimiste particulièrement orienté vers le monde du vivant et dont les

débouchés sont aussi nombreux que variés. Le cours PBL dont il est question intervient lors du 2ième semestre de la 4ième

année d’études (2ième année du 2ième cycle) et concerne 14 à 30 étudiants par année.

2. Un enseignement subdivisé en 5 étapes

Le cours a pour socle une connaissance approfondie en chimie organique, biologique et analytique ainsi qu’en

chimie physique, cours dans lequel une initiation aux méthodes spectrométriques ( Spectrométries de Masse, UV, IR et

RMN) est délivrée. Ces enseignements comprennent des exposés théoriques et laissent une large part aux travaux

pratiques (Travaux dirigés et Manipulations de laboratoire).

Le cours est subdivisé en 5 étapes dont les quatre premières sont à charge de l’enseignant :

a. Une définition précise et argumentée des objectifs

b. une présentation détaillée de la structure du cours

c. un enseignement théorique de chimie organique appliquée (COA -30h) assurant le support nécessaire aux travaux

pratiques (analyse chromatographique, couplages chroma-tographie-spectrométrie, méthodes d’échantillonnages...)

d. une formation à la Méthodologie Documentaire (Cours libre de 30h assorti de travaux dirigés) assurée par le

Directeur de la Bibliothèque Facultaire

e. le PBL proprement dit qui inclut les travaux et recherches préparatoires ainsi que la réalisation des

expérimentations au laboratoire (à charge exclusive de l’étudiant)

3. Le PBL : une méthodologie en 5 phases

Phase 1. – Définition des Projets.

La phase initiale comprend à la fois une définition explicite – par l’enseignant- de chaque projet y compris la

description du (des) but(s) à atteindre et des consignes strictes de travail. Pour une question de disponibilité du matériel

analytique, les étudiants travaillent par équipe de deux. Les divers thèmes proposés sont en relation avec les axes de

recherche du laboratoire (quelques exemples non exhaustifs sont repris au tableau 1).

Tableau 1. Exemples de thématiques PBL et définition des objectifs particuliers.

“ Etude des cires cuticulaires de feuilles d’épicea : Picea abies Karst. ”

¾ Isolement, purification et caractérisation spectrométrique de l’alcool secondaire

majoritaire retrouvé dans les extraits.

“ Les antioxydants naturels constitutifs d’une huile d’olive vierge de première pression ”

¾ Extraction, purification et analyse spectrométrique de l’hydroxytyrosol. Analyse

par chromatographie liquide à haute performance (HPLC).

“ Les Phéromones d’alarme chez les aphides ”

¾ Analyse SPME-GCMS et identification des substances volatiles émises par diverses espèces de pucerons.

Isolement et caractérisation du trans-(β)-Farnésène.

“ Caractérisation du platyphylloside, glycoside carbonylé spécifique de certains bouleaux ”

¾ Mise en évidence, extraction et fractionnement chromatographique de la molécule.

Développement d’une méthodologie analytique par HPLC

Au total 35 thèmes différents ont été proposés depuis la mise en route du projet PBL

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Phase 2. – La recherche Bibliographique.

Un dossier bibliographique succinct (2 à 3 articles en anglais) qui fournit les éléments de base à la

compréhension du problème posé est remis à chaque équipe. Les étudiants (préalablement formés à la recherche

documentaire) doivent ensuite compléter leur information par des recherches en bibliothèque ou à l’aide de supports

informatiques (internet, bases de données AGRIS, CAB,FSTA, périodiques en ligne ScienceDirect …) auxquels ils ont

accès sur le site de la bibliothèque facultaire (http://www.bib.fsagx.ac.be) à partir d’ordinateurs mis à leur disposition

par le SIG (Service d’Informatique Générale – FUSAGx). Un synoptique d’une page maximum reprenant une analyse

synthétique doit ensuite être rédigé et assortie d’un index bibliographique adéquat et transcrit dans un format imposé.

Phase 3. – Elaboration d’une stratégie expérimentale.

Sur base des données bibliographiques et compte tenu des informations disponibles, les étudiants élaborent de

manière autonome leur plan expérimental. A ce stade du PBL, la concertation étudiant- enseignant est favorisée par des

consultations qui ont lieu à la demande dans le but de fournir explications, conseils, commentaires sur les suggestions

formulées par les étudiants ainsi qu’une aide à la compréhension de l’anglais scientifique. En final, un protocole de

travail est rédigé et fait l’objet d’une présentation orale devant l’ensemble des étudiants de la promotion. Cette

présentation est sanctionnée par un jury composé de trois enseignants.

(Les phases 1 à 3 s’étalent sur une période de trois mois et demi)

Phase 4. – Réalisation pratique du PBL.

Avant d’entamer la réalisation des expérimentations inhérentes au PBL, un premier exercice de laboratoire

intitulé “ Séparation et identification des molécules organiques constitutives d’un mélange binaire ” est imposé en vue

de conduire les étudiants à compléter leur savoir-faire analytique. Une fois séparés, les deux constituants doivent être

identifiés sur base de tests chimiques, de paramètres physico-chimiques et de données spectrales qu’ils ont enregistrés.

Une fois cet exercice terminé, le PBL peut être entamé. Les conditions de travail et de réalisation des PBL sont

résumées au tableau 2.

La mise en oeuvre simultanée de plusieurs PBL (7 à 15 selon les promotions) n’est possible que si une

connaissance approfondie du sujet est acquise. Pour le responsable du cours, cela impose une importante charge de

travail tant au niveau de la préparation des thèmes et dossiers bibliographiques que la résolution pratique préalable de

manipulations délicates. Une recherche constante visant au renouvellement des thèmes proposés est aussi à envisager.

En effet, la littérature scientifique bien que très riche en articles de tous genres se trouve totalement démunie en matière

de PBL (Wenzel, 2001).

Phase 5. – Rédaction d’un rapport .

La rédaction d’un document synthétique est préconisée (max.12 pages + éventuelles annexes). Il s’agit en effet

“ d’aller à l’essentiel ” sans pour cela négliger la précision et la rigueur scientifique. Le rapport demandé, dans sa

structure, rappelle celle d’une publication scientifique : il doit contenir impérativement un plan de travail, la description

des matériels et méthodes, la présentation et l’interprétation des résultats ainsi qu’une discussion assortie de critiques et

perspectives.

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Tableau 2. Conditions de travail et de réalisation des PBL

a. Temps disponible : 45 h – Travail Libre au laboratoire entre 8h et 18h, sur base du

mode opératoire élaboré durant les phases préparatoires

b. Mise à disposition de toute l’infrastructure analytique de l’unité

(ceci impose la suspension momentanée des prestations liées aux contrats de recherche

pendant les journées consacrées aux PBL) :

- 2 Chromatographes en phase gazeuse couplés à la spectrométrie de masse (GC-

MS)

- une unité de prélèvement d’espace de tête dynamique (Purge and Trap – P&T)

- 4 Chromatographes en phase gazeuse

- 3 Chromatographes en phase liquide (HPLC) avec détection UV et possiblité de

détection par Fluorimétrie et par Diffusion de Lumière (ELSD)

- tous les modes d’échantillonnages disponibles (extracteurs de molécules volatiles,

pièges, SPME “ Solide Phase Micro-Extraction ”, SPE “ Solid Phase Extraction ”...

ainsi que le matériel de chromatographie préparative sur colonne et de chromatographie sur couche

mince...

c. “ Briefing ” journalier avec l’enseignant en vue d’assurer le suivi de la progression des

projets, de discuter de manière concertée les modalités analytiques et, le cas échéant de

palier les difficultés rencontrées

d. Une aide est assurée grâce à l’intervention du personnel technique ; les doctorants

disponibles qui en émettent le souhait participent à l’encadrement des étudiants .

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4. Evaluation des PBL

a. Evaluation des étudiants

L’évaluation des travaux est sommative et critérielle. Chaque partie du PBL fait l’objet d’une cotation dont

l’importance est montrée à la figure 1. Les critères suivants sont pris en considération :

Figure 1. Poids des diverses cotations dans le processus d’évaluation des PBL

• Contenu et présentation du synoptique bibliographique

Pertinence des informations

Qualité de la recherche Bibliographique (un certain nombre de références incontournables et récentes sont

connues de l’enseignant qui a réalisé lui même une investigation sur les thèmes proposés )

Respect des consignes de rédaction de l’index bibliographique

• Présentation orale

Préparation du protocole expérimental

Faisabilité – hiérarchisation des étapes

Pertinence des réponses aux questions

Clarté de l’exposé

Cours Théorique40%

Exercice imposé15%

Rapport33%

Synoptique écrit6%

Présentation Orale6%

127• Durant le travail de laboratoire

Degré de performance pratique

Autonomie - Structuration et partage du travail entre les “ équipiers ”

• Rapport

Résultats

Validité des interprétations et qualité des investigations

Discussion - Critique du travail et argumentation proposée par les étudiants

Logique des perspectives suggérées. Présentation générale.

b. Evaluation par les étudiants.

Des enquêtes anonymes réalisées auprès des étudiants à la fin du cours et dépouillées après les examens font

apparaître un degré de satisfaction élevé principalement motivé par l’autonomie totale et la gestion intégrale d’un projet

de travail ( sur 57 étudiants 51 se sont déclarés au moins satisfaits, jugeant comme efficace ce mode d’enseignement).

Par la manipulation effective d’appareillages de haute technicité, les PBL contribuent à développer un savoir-faire utile

en analyse organique et, du fait des diverses phases de préparation, l’implication de l’étudiant en tant “ qu’acteur ” de

son travail plutôt que comme “ exécutant ” de modes opératoires répétitifs se trouve renforcée.

5. Conclusion

Bien qu’encore essentiellement perfectible, nous pensons que le cours par projet (PBL) décrit ci-dessus

contribue significativement au développement de compétences analytiques et à une “ formation par la recherche ” qui

dépasse la seule acquisition de connaissances. Plusieurs étudiants ont d’ailleurs considéré cette “ étape ” comme un

tremplin pour la réalisation d’une thèse de fin d’études. Comme il a été montré ci-dessus, l’enseignement par projet

emprunte à un enseignement classique ses éléments de base, notamment les exposés théoriques...mais il possède ses

exigences propres qui ont été esquissées.

La conclusion de cette contribution sera empruntée à l’écrivain Milantia Errera-Bourla qui relate les conceptions

pédagogiques de son célèbre parent Léo Errera , Professeur de Botanique à l’Université Libre de Bruxelles : “ ... ses

conceptions pédagogiques révolutionnèrent à bien des égards les traditions universitaires. L’un de ses premiers articles

était consacré au rôle des laboratoires dans l’enseignement des sciences. A ses yeux, l’étudiant devait cesser d’être

passif et devenir acteur de sa formation... ”. C’était il y a plus d’un siècle !

6. Remerciements

Les auteurs remercient vivement Messieurs Danny Trisman et Jérôme Delcarte respectivement 1er Chef

Technicien et Doctorant à l’unité de chimie générale et Organique et leurs collègues pour les innombrables aides et

remarques constructives apportées durant le développement des PBL. Nos remerciements s’adressent également à Mr.

Vincent Minet, assistant, pour la relecture attentive du présent manuscrit.

7. références

Wenzel, T.J. (2001). Problem-Based Learning : in need of supporting materials. Analytical Chemistry, 9, 501A-502A.