Youssef Marzouk, professeur d’aéronautique et d’astronautique et co-instructeur du cours 16.0002/18.0002 ce trimestre. Crédit : Gretchen Ertl
Un nouveau cours enseigne aux étudiants comment utiliser des techniques de calcul pour résoudre des problèmes du monde réel, de l’atterrissage d’un vaisseau spatial à l’installation de tours de téléphonie cellulaire.
Alors qu’un atterrisseur martien descend vers la surface de la planète rouge, quand son parachute peut-il être déployé en toute sécurité ? S’il est ouvert trop tôt, alors que l’atterrisseur traverse l’atmosphère, il risque de se déchirer. S’il est ouvert trop tard, l’atterrisseur risque de ne pas ralentir suffisamment pour éviter un atterrissage en catastrophe.
Il y a apparemment des possibilités infinies dans cette énigme complexe.
L’une des façons de résoudre cette énigme est d’utiliser un ordinateur pour simuler le processus d’atterrissage. Mars C’est exactement la façon dont les étudiants du cours 16.0002/18.0002 (Introduction à la science et à l’ingénierie computationnelles) ont répondu à cette question, qui faisait partie de leur tout premier ensemble de problèmes.
L’étudiant de première année Andres Arroyo (à droite) a pensé que la modélisation d’une mission d’atterrissage sur Mars était l’un des problèmes du monde réel les plus intéressants du cours. Crédit : Gretchen Ertl
“C’était intéressant parce qu’il y a plusieurs façons de modéliser le problème”, explique Andres Arroyo, un étudiant de première année qui a suivi le cours pendant le trimestre d’automne. “Vous pouvez le modéliser en fonction de l’évolution de la vitesse de l’atterrisseur dans le temps ou de l’évolution de sa vitesse lorsqu’il change de position. En fonction de l’objectif que vous poursuivez avec la simulation, vous pouvez essayer différentes approches. Je pense que c’est l’une des choses les plus intéressantes que nous ayons faites.”
Le cours, lancé l’automne dernier, est conçu pour enseigner aux étudiants comment le calcul entre en collision avec le monde physique. Il a été développé dans le cadre du programme MIT Schwarzman College for Computing du MIT Terrain d’entente pour l’enseignement de l’informatiqueune initiative multi-départementale qui vise à mélanger l’enseignement de l’informatique et d’autres disciplines.
Le cours d’un demi-semestre place la programmation dans le contexte de la science et de l’ingénierie informatique, un domaine qui se concentre sur les applications innovantes de l’informatique.
Les étudiants apprennent à utiliser des programmes informatiques pour la simulation, l’optimisation et la quantification des incertitudes. Ces principes fondamentaux sont encadrés par des exemples concrets conçus pour être accessibles à des étudiants qui ne sont pas nécessairement diplômés en informatique. La plupart des étudiants qui ont suivi le cours cet automne étudiaient l’aéronautique et l’astronautique ou les mathématiques.
Le co-instructeur Laurent Demanet, professeur de mathématiques appliquées. Crédit : Gretchen Ertl
Modélisation de problèmes de la vie réelle
“Les simulations comme notre simulation de l’atterrisseur martien sont ce pour quoi les gens utilisent réellement les ordinateurs. Est-ce que NASA a résolu notre petite équation différentielle ? Non, je suis sûr qu’ils ont beaucoup plus de cloches et de sifflets dans leur modèle. Mais d’un point de vue conceptuel, c’est ce que les gens font réellement”, explique Youssef Marzouk, professeur d’aéronautique et d’astronautique et co-instructeur du cours ce trimestre. “C’est ainsi que je travaille, même dans mes propres recherches. Il y a la modélisation, il y a le code, il y a les sorties du code, et vous itérez entre ces choses.”
Construire le cours autour de tels exemples concrets donne aux étudiants une idée de la façon dont de nombreux problèmes peuvent être abordés à l’aide de modèles informatiques. La plupart des étudiants suivent le cours en première ou deuxième année, et beaucoup d’entre eux n’ont pas encore choisi de spécialisation. Il est donc particulièrement utile de leur donner un aperçu de la façon dont le calcul est appliqué dans de nombreux domaines, dit-il.
En fin de compte, les compétences acquises par les étudiants dans ce cours les aideront à résoudre les problèmes de prédiction scientifique, quelle que soit la discipline qu’ils choisissent, affirme M. Demanet. Crédit : Gretchen Ertl
En développant ce cours, la faculté a voulu couvrir les aspects fondamentaux de la science et de l’ingénierie computationnelles d’une manière qui rendrait les concepts vivants pour les étudiants, dit le co-instructeur Laurent Demanet, professeur de mathématiques appliquées, qui a conçu le cours avec David Darmofal, professeur d’aéronautique et d’astronautique Jerome C. Hunsaker.
Les cours couvrent les équations fondamentales en jeu dans un certain problème, comme la loi du mouvement de Newton pour l’exemple de l’atterrisseur martien, puis les étudiants apprennent à exprimer ces équations de base dans un algorithme.
“C’est la combinaison des mathématiques avec les sciences et l’informatique. Ça chante quand on met tout ça ensemble”, dit M. Demanet. “Pour les étudiants, il s’agit vraiment d’une classe basée sur les compétences. Nous voulons fournir aux étudiants des compétencesqui peuvent être utilisés presque partout dans leurs études ultérieures, et ensuite dans tant d’autres domaines également.”
Des équations aux simulations
Lors d’un cours, Demanet a décrit la loi du refroidissement de Newton (la vitesse à laquelle un objet se refroidit est proportionnelle à la différence de température entre l’objet et son environnement). Il a ensuite effectué une simulation à l’aide d’un code Python qui montrait combien de temps il fallait à une tasse de café pour refroidir de 85 à 50 degrés.
L’un des plus grands défis du développement du cours a été d’introduire ces concepts mathématiques tout en donnant aux étudiants suffisamment de contexte pour qu’ils aient un sens pour certaines applications contemporaines – mais sans les submerger avec trop de détails, dit-il.
Au-delà de la transmission de compétences concrètes, les exemples sont également conçus pour inspirer les étudiants. Par exemple, un cours axé sur la science du climat a utilisé des équations mathématiques pour le transfert de chaleur afin de démentir une fausse affirmation selon laquelle la vapeur d’eau est un gaz à effet de serre plus puissant que le dioxyde de carbone
Mais Demanet a dit aux étudiants de ne pas le croire sur parole – il a fait la démonstration d’une simulation informatique montrant comment les gaz à effet de serre ont affecté l’augmentation globale de la température mondiale sur plusieurs décennies.
En dehors de la salle de classe, les étudiants ont appliqué leurs compétences informatiques à un large éventail de problèmes du monde réel, allant de l’optimisation de l’emplacement des tours de téléphonie cellulaire autour du MIT à l’évaluation de l’efficacité du vaccin Covid-19, en passant par l’évaluation de l’impact d’un système de chauffage géothermique sur la température intérieure d’une maison.
Pour Penelope Herrero-Marques, l’exemple de la géothermie a suscité l’intérêt car elle aimerait un jour installer un système chez elle pour réduire son empreinte carbone. Mme Herrero-Marques, étudiante en deuxième année de génie mécanique, a suivi le cours au printemps dernier. Elle a été attirée par les ensembles de problèmes pertinents, même si elle n’avait pas beaucoup d’expérience dans l’utilisation d’approches informatiques.
“Certains des problèmes étaient un peu effrayants au début, simplement parce qu’ils étaient si grands. Pour notre premier problème de la classe, nous sommes censés modéliser l’atterrissage sur Mars. Mais les professeurs ont fait un bon travail en le décomposant en petits problèmes. Ne vous laissez pas submerger. Chaque gros problème peut être décomposé en problèmes plus petits que vous êtes en mesure de résoudre”, dit-elle.
Elle partage maintenant cette sagesse en tant qu’assistante d’enseignement pour le cours.
Un autre assistant d’enseignement, Mark Chiriac, en deuxième année, a suivi le cours lors de sa première itération. Cet étudiant en mathématiques voulait en apprendre davantage sur les algorithmes, mais aussi se concentrer sur des applications qu’il trouvait intéressantes, comme le mouvement planétaire.
Bien que l’un des problèmes les plus délicats consistait à localiser les antennes de téléphonie cellulaire autour du MIT, il figurait également parmi les préférés de Chiriac en raison du réalisme de l’exemple. La résolution de ce problème d’optimisation lui a donné la confiance nécessaire pour appliquer ces compétences dans d’autres cours, dit-il.
“Ce cours réunit des parties du codage, des mathématiques et de la physique dans ce magnifique mélange pour donner à chacun les outils nécessaires pour s’attaquer à des problèmes très pertinents qui sont nécessaires dans notre monde actuel. Il m’a montré comment ces différents domaines scientifiques sont liés entre eux d’une manière dont je connaissais l’existence, mais que je n’avais pas encore expérimentée par moi-même”, dit-il.
En fin de compte, les compétences acquises par les étudiants dans ce cours les aideront à s’attaquer aux problèmes de prédiction scientifique, quelle que soit la discipline qu’ils choisissent, affirme M. Demanet.
“J’espère que les étudiants apprécieront la façon dont le calcul peut être utilisé pour simuler des choses compliquées dans le monde qui les entoure”, ajoute Mme Marzouk. “J’espère qu’ils verront la puissance de l’informatique et qu’ils comprendront qu’il ne s’agit pas seulement d’une boîte noire. Il y a des idées et des algorithmes vraiment intéressants qui entrent en jeu dans la façon dont cela se passe. Qu’ils passent le reste de leur carrière à apprendre ces idées et ces algorithmes ou qu’ils s’arrêtent ici, je pense que c’est une expérience précieuse.”
