Apprendre dans la nature
Des étudiants de l'ETH étudient les eaux souterraines dans une forêt bernoise. Ils apprennent ainsi sur le terrain le métier des sciences et ingénierie de l'environnement.
L'appareil de mesure émet des bips assourdissants. Le son aigu est à peine supportable. L'enseignant Matthias Willmann retire la pile sans hésiter. Ses étudiants sourient et continuent à faire glisser le c?ble avec précaution dans le trou de forage pour effectuer des mesures dans la nappe phréatique.
Carole, Gianna, Raffaele et Robyn sont arrivés il y a quelques heures seulement ici, dans la forêt, au club de hornuss de Kappelen (Berne). Les étudiants de l'ETH suivent un module de trois jours du master sciences et ingénierie de l'environnement. Il est organisé par l'institut ETH du même nom. Matthias Willmann y participe depuis 15 ans. D'abord comme collaborateur de l'ETH, puis comme expert externe. La vingtaine d'étudiants s'occupe des eaux souterraines et du sol. Willmann vient d'expliquer au groupe de quatre personnes qu'il y a ici 16 puits de forage dans la forêt. Les tubes verticaux de plus de 10 mètres de long sont perméables à une certaine hauteur. C'est là que pénètrent les eaux souterraines, qui peuvent être analysées depuis le haut.
Dans une première expérience, le groupe doit mesurer le niveau de la nappe phréatique et le bord inférieur des trous de forage. Pour ce faire, Matthias Willmann a sorti deux fils à plomb de c?ble de la tente de matériel. Ils ressemblent à des enrouleurs de c?ble. Cependant, le c?ble est en même temps un ruban de mesure et à l'endroit de la fiche se trouve une tige métallique, la sonde de mesure. Les étudiants doivent la faire glisser avec précaution dans le trou de forage. Matthias Willmann explique : "Dès que la sonde entre en contact avec la nappe phréatique, un courant électrique est envoyé et la petite lampe s'allume". Et il existe des modèles qui émettent en plus un signal acoustique.
Sentiment pour la pratique
Les quatre étudiants de master ont vite compris. D'abord, ils s'entra?nent ensemble. Entre-temps, la batterie est à nouveau insérée. Raffaele fait glisser le c?ble avec précaution dans le tube, Carole l'aide à le faire. Dès que la lumière et le son s'allument, Robyn prend les mesures. Le niveau de la nappe phréatique au niveau du trou de forage 3.1 est de 3 mètres et 95 centimètres. Gianna note la valeur. Raffaele fait ensuite glisser le c?ble jusqu'à ce qu'il sente une légère résistance, ce qui lui permet de déterminer l'extrémité inférieure du trou de forage. "Il faut beaucoup de sensibilité", sait Matthias Willmann. Raffaele s'arrête et Robyn lit la valeur.
Plus tard, tous les quatre établiront une carte des puits de forage et dessineront à chaque fois la hauteur de la nappe phréatique. A partir de cette carte, il est possible de déterminer le sens d'écoulement de l'eau souterraine. "Les étudiants acquièrent ici un sens de la pratique et de la réalité", explique le responsable du cours. "Les expériences aha montrent que le travail sur le terrain est instructif et important", estime également Joaquín Jiménez-Martínez, qui dirige le cours avec Mattias Willmann.
Joaquín Jiménez-Martínez s'est penché sur l'enseignement sur le terrain en collaboration avec le département administratif Développement et technologies pédagogiques de l'ETH Zurich. "C'est une autre fa?on d'enseigner quand il y a un lien avec la nature", explique le scientifique, qui travaille à l'ETH Zurich et à l'Eawag en tant que chef de groupe. "Nous, les enseignants, nous donnons une petite introduction, puis nous prenons du recul et laissons les étudiants mesurer, essayer et apprendre". Il aimerait s'extasier plus longtemps sur les avantages de ce cours, mais son train à Lyss arrive. Il doit rentrer à Zurich.
Entre-temps, les étudiants mesurent la température et la conductivité de l'eau souterraine à l'aide d'une sonde. Comme on pouvait s'y attendre, la température de l'eau est de 11 degrés Celsius à une profondeur de 10 à 12 mètres. La répartition verticale de la conductivité de l'eau en dit long sur son brassage. Celle-ci est bonne ici à Kappelen. Mais sa valeur peut aussi indiquer la présence de polluants. Une nappe phréatique polluée est évidemment dévastatrice. En Suisse, par exemple, 80% de l'eau potable provient des eaux souterraines.
Tout plus grand
Le temps de la première expérience est déjà écoulé et les quatre étudiants poursuivent leur route vers Lucien Biolley, collaborateur à l'Institut des sciences et ingénierie de l'environnement. Avec Marius Floriancic, il maintient la technique de terrain en état tout au long de l'année et prépare le matériel pour le module - pas moins de deux camionnettes et deux remorques pleines à craquer sont acheminées chaque année du H?nggerberg à Kappelen. Lucien Biolley explique maintenant comment le niveau de la nappe phréatique peut être mesuré en continu à l'aide d'un capteur de pression. Les tuyaux bleus dans les couvercles des trous de forage abritent les c?bles qui conduisent les valeurs mesurées à la bo?te de données. Les données y sont collectées et peuvent même être consultées à Zurich. Plus tard, les étudiants recevront les données des cinq dernières années et les analyseront sur ordinateur. Mais pour l'instant, il faut d'abord se mettre au travail !
Carole, Gianna, Raffaele et Robyn doivent aller chercher un réservoir d'eau de 1000 litres avec une brouette. Heureusement, il est vide - pour l'instant. Car à peine l'ont-ils déchargé à proximité d'un puits de forage qu'ils y installent une pompe et commencent à remplir le réservoir avec de l'eau souterraine. Cette eau sera colorée le soir même et utilisée pour un test de marquage. "J'aime que tout soit si grand ici sur le terrain", dit Lucien Biolley. "On peut toucher les appareils. Cela aide à comprendre".
Les quatre étudiants sont également d'accord sur ce point. Robyn et Carole ont obtenu leur Bachelor en sciences naturelles de l'environnement et sont passées aux sciences et ingénierie de l'environnement pour le Master. "Je suis fascinée par les solutions techniques aux questions environnementales. J'aime l'approche pratique", dit Carole. Et Robyn ajoute : "Non seulement nous apprenons beaucoup de choses ici, mais ce module me donne aussi un aper?u important de ce que peut être le métier d'ingénieur en environnement".
Forêt ou prairie ?
Avant de commencer l'essai de marquage, les quatre rencontrent Marius Floriancic près de la maison du hornuss. Avec lui, il est question de l'humidité du sol. Pour mesurer la quantité d'eau qu'un sol peut absorber, il faut assembler des tensiomètres. Ce sont de petits tubes remplis d'eau avec une pièce en céramique à l'extrémité. Plus le sol est sec, plus l'eau passe facilement de la céramique à l'environnement. C'est pourquoi les étudiants enfoncent les tubes à différentes profondeurs dans le sol forestier et lisent la tension d'aspiration correspondante, une mesure de la capacité d'absorption d'eau du sol.
C'est alors que le deuxième instrument de mesure entre en jeu. Il s'agit d'une grande fourche qui mesure tout simplement l'humidité du sol. Marius Floriancic veut savoir où le sol est en principe plus humide : dans la forêt ou dans une ouverture d'esprit ? Les étudiants, l'auteur, le photographe, tous sont d'accord : "La forêt !" A la surprise de tous, les valeurs mesurées montrent le contraire. Ensemble, les étudiants et l'enseignant cherchent des raisons : En cas de pluie, la cime des arbres et la litière au sol de la forêt retiennent l'eau. Les arbres extraient plus d'eau du sol que l'herbe. Enfin, le sol forestier est plus perméable et l'eau s'infiltre davantage que dans le sol dense d'une prairie.
"Calculer et modéliser, les étudiants de l'ETH savent vraiment le faire. Mais le travail ici sur le terrain les aide à mettre en pratique leurs connaissances fondamentales", dit Marius Floriancic, qui ne peut s'empêcher de sourire. Puis il devient sérieux : "Ce module est cher, mais l'investissement en vaut la peine", et tous doivent repartir dans la forêt vers le réservoir d'eau où Lucien Biolley verse le produit de marquage coloré. Depuis le réservoir, l'eau colorée s'écoule par un gros tuyau dans l'un des trous de forage dans la nappe phréatique. A une trentaine de mètres de là, près d'un autre forage, l'eau souterraine est pompée vers le haut et passe à travers un détecteur de couleur. Il faudra encore du temps avant que l'eau colorée n'arrive.
Pour aujourd'hui, les étudiants ont suffisamment travaillé dans la pratique. Plus tard, ils analyseront les données sur ordinateur. C'est précisément ce qui pla?t à Raffaele : "Je trouve la combinaison du terrain et de l'ordinateur passionnante". Gianna aussi aime cette alternance. La boursière de l'Excellence Scholarship & Opportunity Programme de l'ETH le résume ainsi : "Le mélange de technique et de nature fait pour moi le charme des sciences et ingénierie de l'environnement".
Promouvoir un enseignement innovant
Depuis mai 2023, les cours du laboratoire de sciences et ingénierie de l'environnement sont Projet Innovedum encouragé. En collaboration avec le département Développement et technologies pédagogiques, l'évaluation des données sera simplifiée. Les étudiants disposent ainsi de plus de temps pour une interprétation plus poussée des données et un examen critique des résultats de mesure. Des méthodes d'évaluation innovantes, comme le peer grading, renforcent la réflexion.
"Globe" Ce qui relie le monde
Ce texte est paru dans le numéro 23/03 du magazine de l'ETH. Globe a été publié.