Digitalisoitunut todellisuus houkuttelee kehittämään uusia opetusmenetelmiä 

Kirjoittajat: Jonna Kalermo-Poranen ja Milla Hirvaskari

Digitalisaation mahdollisuudet on tunnistettu eri koulutusaloilla. Kaivosalan koulutus ammattikorkeakouluissa on toistaiseksi ollut perinteisempää opetusmenetelmien näkökulmasta, mutta nyt tähänkin on tulossa muutos. Kajaanin ammattikorkeakoulu ja Lapin ammattikorkeakoulu kehittävät yhteistyössä virtuaalista oppimisympäristöä kaivosalan koulutukseen tavoitteenaan tuoda uusia opetusmenetelmiä myös kaivosalan opetukseen.

Virtuaalitodellisuus (virtual reality), lisätty todellisuus (augmented reality) ja sekoitettu todellisuus (mixed reality) avaavat ovia uusien opetusmenetelmien kehittämiseen. Näiden ”uusien todellisuuksien” avulla käyttäjä pääsee interaktiiviseen kokemukseen, mikä mahdollistaa tekemällä oppimisen. Tässä artikkelissa keskitytään virtuaalitodellisuuteen liittyvän kehitystyön esittelyyn.

Kaivosteollisuus turvallisuusnäkökulmasta

Työskentelyolosuhteet kaivoksilla, erityisesti maanalaisissa kaivoksissa, ovat vaativat ja usein vaaralliset. Kaivosalaa pidetään yleisesti ottaen turvallisuusriskialttiina toimialana, mutta myös toimialana, jossa turvallisuuteen kiinnitetään aina erityistä huomiota. Kaivosten turvallisuusriskien aiheuttajia ovat esimerkiksi maansortumat, tulvat, kaasuräjähdykset, kemikaalivuodot, sähköiskut, tulipalot ja raskaat kuormat. Myös inhimillinen tekijä voidaan nähdä turvallisuusriskinä, sillä ihmisen tekemä virhearviointi voi aiheuttaa vaaratilanteen, vaikka turvallisuusolosuhteet olisi kaivoksella hyvin järjestetty.

Kaivosten turvallisuuteen voidaan vaikuttaa monilla tekijöillä. Kaivossuunnittelu, louhintasuunnitelmat, asianmukaiset varusteet, riskien hallinta ja johtaminen ovat muutamia esimerkkejä kaivosturvallisuuteen vaikuttavista tekijöistä. Myös koulutuksella on tärkeä merkitys. Vaikka työnantajan vastuulla on tarjota turvallinen työpaikka, on myös koulutusorganisaatioilla tärkeä merkitys työturvallisuuden parantamisessa.

Kaivosalan virtuaalinen oppimisympäristö -kehityshanke

Suomessa kaivosalan koulutuksessa ei ole juuri hyödynnetty virtuaalitodellisuutta. Erilaisia työkonesimulaattoreita kaivostyökoneiden käyttämisen koulutukseen on hankittu erityisesti toisen asteen oppilaitoksiin, mutta esimerkiksi kaivosturvallisuuden kouluttamisessa ei toistaiseksi ole hyödynnetty peli- ja simulaatioteknologiaa.

Pretorian yliopisto Etelä-Afrikassa ja University of New South Wales Australiassa ovat suunnannäyttäjiä virtuaalitodellisuuden hyödyntämisessä kaivosalan koulutuksessa (ks. esim. Mallet ja Unger, 2007; Wyk ja Villiers, 2009). 360 asteen näyttö tarjoaa immersiivisen oppimisympäristön erilaisten kaivostyössä tarvittavien taitojen harjoitteluun. Nyt virtuaalitodellisuutta ollaan tuomassa myös suomalaiseen kaivosalan koulutukseen ammattikorkeakoulujen yhteisen virtuaalisen kaivosalan oppimisympäristön myötä.

Kaivosalan virtuaalinen oppimisympäristö -hankkeella (KaiVi) jatketaan Lapin ja Kajaanin jo vuosien ajan tehtyä yhteistyötä kaivosalan koulutuksen kehittämiseksi. Hankkeen avulla kehitetään kaivosalan koulutusta enemmän teknologisia innovaatioympäristöjä hyödyntäväksi.

Virtuaalisessa ympäristössä opiskelijat pystyvät harjoittamaan kaivostoimintaa ja suunnittelemaan kaivoksessa tapahtuvia toimenpiteitä. Opiskelijat voivat harjoitella päätöksentekoa eri roolien avulla, ja nähdä miten heidän tekemänsä päätökset ja suunnitelmat vaikuttavat kaivoksen toimintaan. Tämä antaa opiskelijoille mahdollisuuden todellisiin harjoittelutilanteisiin, turvallisessa ympäristössä, ajasta ja paikasta riippumatta.

Virtuaaliseen oppimisympäristöön kehitettävät sisällöt, harjoitukset ja oppimistehtävät määritellään yhteistyössä alan opettajien, asiantuntijoiden ja kaivosalan elinkeinoedustajien kanssa yhteistyössä, jotta ne vastaavat todellisia tilanteita ja sisältöjä. Tällä voidaan parantaa kaivosalalle valmistuvien opiskelijoiden työelämävalmiuksia ja kaivosten työturvallisuutta.

Esittelyssä Kajaanin tiimin sukellus virtuaalitodellisuuteen

Kajaanin ammattikorkeakoulussa kehitetään KaiVi VR-ohjelmaa, jonka avulla opiskelija pääsee virtuaalilasien avulla sukeltamaan virtuaaliseen kaivokseen. Virtuaalitodellisuuden avulla opiskelijat voivat tutustua kaivosympäristöihin nopeasti ja edullisesti heti opintojen alussa. Todellisiin kaivosympäristöihin pohjautuvat harjoitukset mahdollistavat erilaisten taitojen harjoittelun, esimerkiksi turvallisuusriskien ja -puutteiden havainnointia kaivoksilla toimivien ammattilaisten perspektiivistä.

Kehitystyöhön osallistuu pelialan osaajia, graafikoita ja ohjelmoijia, jotka vastaavat ohjelman teknisestä ja visuaalisesta toteutuksesta (kuva 1). Skenaarioiden sisällön suunnittelussa tärkeässä roolissa ovat myös opettajat, joiden kontribuutio on tärkeä tarkoituksenmukaisen sisällön tuottamisen näkökulmasta.  Pääasiallinen kehitystyö Kajaanissa valmistuu vuoden 2017 aikana. Kehitystyön tuloksia ja vaikuttavuutta tullaan tarkastelemaan opetustoimintaan integroidun virtuaalisen oppimisympäristön kautta sekä Kajaanin että Lapin ammattikorkeakouluissa.

Kuva 1. Graafiset suunnittelijat luovat virtuaaliseen oppimisympäristöön autenttisen kaivosympäristön näköä.

Virtuaalisen kaivoksen kehitystyön pohjana käytetään Maanmittauslaitoksen avoimen datan korkeusmallia ja ilmakuvaa, tai vaihtoehtoisesti kaivossuunnitteluohjelmistoilla tuotettuja 3D-malleja. Satunnaisen kaivostunneliverkoston voi myös luoda nopeasti ohjelmoijan kehittämän ”kaivostunneligeneraattorin” avulla. Kun virtuaalimallin karkea versio on valmis, graafikot lisäävät siihen tarvittavia yksityiskohtia (kuva 2). Koulutusskenaarioista laaditaan käsikirjoitukset ja tiimi kehittää skenaarion.

Kuva 2. Graafikot lisäävät nopeasti generoituihin kaivostunneleihin yksityiskohtia – oven takana opiskelijaa odottaa pelastautumisreitti ulos palavasta tunnelista.

Kehitetyssä oppimisympäristössä voi tällä hetkellä suorittaa vapaata ajoharjoittelua kaivosalueella erilaisilla ajoneuvoilla (kuva 3), harjoitella työturvallisuuspuutteiden havainnointia sekä tarkastella kaivossuunnittelijan laatimia louhintasuunnitelmia realistisilta näyttävien 3D-ympäristöjen avulla. Usein kaivossuunnittelijoiden laatimat mallinnukset vaativat tulkitsijaltaan rautaista ammattitaitoa, mutta KaiVi VR -ohjelma mahdollistaa suunnitelmien helpomman tarkastelun.  Esimerkiksi kaivoksen louhintasuunnitelman lopputuloksen pääsee ohjelman avulla näkemään konkreettisesti ja kokemaan vaikkapa ajamalla suunnitellun louhoksen pohjalle kiviautolla – toki vain virtuaalitodellisuudessa.

Kuva 3. Näkymä eri ajoneuvojen perspektiivistä (vasemmalla lava-auto, keskellä niveldumpperi ja oikealla kiviauto).

Vuoden 2016 lopulla 22 Kaivos- ja louhintatekniikat -kurssin opiskelijaa testasi KaiVi VR -ohjelmaa ja antoi palautetta virtuaalitodellisuuden hyödyntämiseen opetusmenetelmänä. Opiskelijat testasivat työturvallisuuspuutteiden ja -riskien havainnointiin kehitettyä skenaariota, joka sijoittuu virtuaaliseen Siilinjärven avolouhokseen. Opiskelijan tehtävänä oli ajaa pelimäisen ohjelman opastama reitti ja havainnoida ympäristöä turvallisuusriskien ja -puutteiden näkökulmasta. Tehtävänä oli merkitä ne kohteet, jotka opiskelijan mielestä ovat kaivosturvallisuuden kannalta kyseenalaisia. Harjoituksen lopussa ohjelma antoi palautetta – mitkä turvallisuusriskit löydettiin oikein, mitkä jäivät huomaamatta, mitkä kohteet käyttäjä merkitsi väärin. Toisessa vaiheessa opiskelijoille esiteltiin demonstraatio kaivossuunnitteluohjelmalla toteutetun louhintasuunnitelman pelillisestä visualisoinnista.

Yhdeksän kymmenestä opiskelijasta arvioi virtuaalitodellisuuden hyödyntämisen opetusmenetelmänä tehostavan asian oppimista hieman tai merkittävästi.

Palautekyselyn vastaajista (N=22) 86 % ilmoitti pitävänsä virtuaalitodellisuussovelluksia yleisesti ottaen kiinnostavana tai erittäin kiinnostavana ja loputkin 14 % ilmoitti pitävänsä VR-sovelluksia jokseenkin kiinnostavana. Myös virtuaalitodellisuuden hyödyntämistä opetusmenetelmänä pidettiin lupaavana – 91% vastaajista arvioi virtuaalitodellisuuden hyödyntämisen opetusmenetelmänä tehostavan asian oppimista hieman tai merkittävästi. Samoin 91 % vastaajista arvioi kaivoksen virtuaalimallin hyödylliseksi tai erittäin hyödylliseksi työntekijöiden perehdytyksen ja turvallisuuskoulutuksen näkökulmasta.

Opiskelijoiden antama palaute oli pääsääntöisesti positiivista ja vastaajilla näytti olevan vahva usko virtuaalitodellisuuden mahdollisuuksiin oppimismenetelmänä. Kääntöpuolena virtuaalitodellisuussovelluksissa on kuitenkin edelleen valitettavan usein simulaatiopahoinvointi (ks. aiheesta esim. Stanney & Kennedy 2010), mikä tässäkin testauksessa havaittiin. Teknologian kehittyessä virtuaalilasien resoluutiot paranevat ja lasit kevenevät, mikä osaltaan tulee varmasti vähentämään simulaattoripahoinvoinnin oireita. Vuodelta 2017 voidaan odottaa myös lisätyn todellisuuden teknologioiden mahdollisuuksien kasvamista ja uusia innovaatioita.

Jonna Kalermo-Poranen toimii KaiVi-hankkeen projektipäällikkönä Kajaanin ammattikorkeakoulussa ja Milla Hirvaskari hankkeen projektipäällikkönä Lapin ammattikorkeakoulussa. Videoita kehitystyön tuloksista löytyy KaiVi-hankkeen YouTube-kanavalta: https://www.youtube.com/channel/UCqksDF323lm6fZDssakc2lA

Kirjoittajat

Jonna Kalermo-Poranen, KTM, projektipäällikkö, Kajaanin Ammattikorkeakoulu, jonna.kalermo-poranen(at)kamk.fi
Milla Hirvaskari, Restonomi (YAMK), projektipäällikkö, Lapin Ammattikorkeakoulu, milla.hirvaskari(at)lapinamk.fi

Mallett, L., & Unger, R. 2007. Virtual reality in mine training. Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, Inc, 2, 1-4.

Stanney, K. M. & Kennedy, R. S. 2010. ”Simulation Sickness,” teoksessa Hancock, P. A. & Vincenzi, D. A. & Wise, J. A. & Mouloua, M. (Eds.). 2010. Human factors in simulation and training. Florida: CRC Press. 117-124.

Wyk, E. & Villiers, R. 2009. Virtual Reality Training Applications for the Mining Industry. N.Y.: ACM. 53-63.

Luukkonen pääkuva

Kokeilut osana kokeellista tutkimusta Kajaanin ammattikorkeakoulussa

Kokeellisuus on keskeinen osa soveltavaa tutkimusta, jota ammattikorkeakouluilla tehdään. Miten kokeileminen soveltuu tutkimukseen ja mitä sillä oikeastaan tarkoitetaan? Kokeilukulttuuri on yksi hallitusohjelman kärkihankkeista: siinä pyritään madaltamaan kynnystä ja lisäämään kokeiluja muun muassa valtion, kuntien, maakuntien ja kansalaisten tasolla. Tavoitteena on parantaa palveluja, lisätä omatoimisuutta ja edistää yrittäjyyttä.  Esimerkki valtion tason strategisista kokeiluista on perustulokokeilu.

Kokeilukulttuuria geopolymeerien parissa

Kokeilukulttuuria edustaa Kajaanin ammattikorkeakoulussa jo useita vuosia jatkunut geopolymeeriteknologian tutkimus. Geopolymeerit ovat monipuolisia materiaaleja, joita voidaan valmistaa useista teollisista sivutuotteista yksinkertaisia valmistustekniikoita hyödyntäen. Tutkimus on monialaista ja se yhdistää muun muassa kemian, materiaali-, rakennus- ja ympäristötekniikan osaamista. Geopolymeereistä on kaavailtu esimerkiksi matalan hiilijalanjäljen vaihtoehtoa perinteiselle portlandsementille, joka valmistetaan kalkkikivestä korkeassa lämpötilassa. Kajaanin ammattikorkeakoulussa on kehitetty toimivia geopolymeereihin perustuvia ratkaisuja vedenkäsittelyyn, rakennustuotteisiin ja tienrakennukseen liittyen.

Kokeilukulttuuri toteutuu tässä työssä varsin nopeana tutkimuskysymyksien viemisenä kokeellisiksi: esitestejä tehdään runsaasti. Alan kirjallisuudesta etsitään keskeiset tiedot, joiden pohjalta voidaan esitestien avulla iteroida kohti onnistunutta ratkaisua. Tällöin tutkimuskysymysten ja hypoteesien täytyy olla selkeitä. On hyvä pitää mielessä, että lähestymistapaan liittyy kuitenkin riski: esitestit eivät välttämättä johda haluttuun lopputulokseen ja koemäärä kasvaa. Tehdään paljon kokeita, mutta ne saattavat johtaa negatiivisiin tuloksiin.

Lähes päinvastainen tapa on soveltaa tilastollista koesuunnittelua, jossa minimimäärällä kokeita saadaan selville erilaisten muuttujien tasot optimituloksen saavuttamiseksi. Tilastollista koesuunnittelua varten vaaditaan kuitenkin perusymmärrys systeemissä vaikuttavista muuttujista – eli kokeiluja. Kajaanin ammattikorkeakoulussa on toimittu juuri näin: kokeilujen avulla on haettu esimerkiksi geopolymeerien rakenteeseen vaikuttavien muuttujien järkeviä lukuarvoja, joita on sitten optimoitu tilastollisten menetelmien kautta.

Opiskelijat ovat olleet geopolymeeritutkimuksessa mukana erilaisten projekti- ja opinnäytetöiden kautta. Esimerkkejä toteutetuista projekteista ovat rakennustekniikan insinöörityöt. Näistä muiden muassa yksi työ liittyi geopolymeeribetonin soveltamiseen perinteisen betonin korvaajana (sementtivapaa betoni) sekä toinen, jossa selvitettiin portlandsementin osittaista korvaamista ruiskubetonimassassa. Lisäksi on tehty vielä kokeilevampia opiskelijatöitä geopolymeerimassan käyttämisestä alumiinivalumuotin materiaalina ja yksi teollisuusrobotti on saanut jalustan geopolymeeribetonista. Geopolymeerejä on tarkasteltu myös kaupallistamisnäkökulmasta. Opiskelijavoimin on kehitetty geopolymeereihin liittyviä liiketoimintamalleja, tutkittu rahoitusmahdollisuuksia sekä toimitusketjun hallintaan liittyviä asioita.

Jätevedenpuhdistamo
Kuva 1. Geopolymeerisuodattimien kokeilua Kajaanissa sijaitsevalla Peuraniemen jätevedenpuhdistamolla.

Ammattikorkeakoulujen ja yliopistojen erot kokeilukulttuurissa?

Onko ammattikorkeakoulujen ja yliopistojen välillä selkeitä eroja kokeilukulttuurin näkökulmasta? Yliopistojen tutkimus, vaikka onkin menossa jatkuvasti soveltavampaan suuntaan, on perustutkimusluonteisempaa. Reaktiot ja materiaalit pyritään ymmärtämään syvemmin. Ammattikorkeakoulujen tutkimus on käytännöllisempää. Yksi keskeinen ero tutkimuksen tekemisessä on julkaiseminen: yliopistot tähtäävät tiedejulkaisuihin, mitä vaatimusta ei ammattikorkeakouluilla ole. Ammattikorkeakoulujen yksi tulosindikaattori ovat myös syntyvät julkaisut, mutta niitä ei ole rajattu pelkästään vertaisarvioituihin sarjajulkaisuihin. Tämä vapauttaa tutkimukselta resursseja viedä tutkimusta nopeammalla aikataululla eteenpäin, mutta poistaa erään tieteelliseen metodiin liittyvän laadunvarmistuksen. Ei tiedejulkaiseminen kuitenkaan poissuljettua ole ammattikorkeakouluissakaan ja esimerkiksi Kajaanin ammattikorkeakoulun geopolymeeritutkimuksia (yhteistyössä esimerkiksi Oulun yliopiston kanssa) on julkaistu useissa tiedelehdissä. Yritysten ja varsinkin pk-sektorin tutkimus on vielä pidemmälle vietyä ”olennaiseen” keskittymistä rajallisista resursseista ja tulostavoitteista johtuen.

Toimintamalli ammattikorkeakoulujen, yliopistojen ja yritysten keskiössä

Kajaanin ammattikorkeakoulussa on havaittu, että esimerkiksi geopolymeeritutkimus on parhaimmillaan juuri yhteistyössä yliopistojen ja yritysten kanssa. Eräs esimerkki on typenpoistoon kehitetty adsorbenttimateriaali. Kehitystyö alkoi vuonna 2013 EAKR-rahoitteisessa GeoMaterials-hankkeessa, jossa materiaalin valmistusta, ominaisuuksia ja käytettävyyttä tutkittiin laboratorio- ja kenttäkokeiden avulla. Yritykset tarjosivat hankkeessa raaka-aineita ja testiympäristöjä, yliopisto erityisesti analytiikan osaamista ja Kajaanin ammattikorkeakoulun rooli oli kehittää valmistustekniikkaa. Lupaavien tulosten pohjalta laadittiin uusi Tekes-rahoitteinen tutkimushanke GeoSorbents. Tässä vuoden 2016 loppuun jatkuvassa hankkeessa materiaalin kaupallistamista on vetänyt Aquaminerals Finland Oy. Sen yhtenä tärkeänä havaintona voidaan pitää sitä, että projektitutkijoiden työajan tilanteenmukainen ja joustava jakautuminen yrityksen, ammattikorkeakoulun ja/tai yliopiston välille on tehokas toimintatapa. Tällöin tutkimustulokset tulevat aidosti hyödynnettyä.

Kirjoittajat

Tero Luukkonen, FT, projektitutkija, Kajaanin Ammattikorkeakoulu Oy, tero.luukkonen(at)kamk.fi
Kimmo Kemppainen, Ins. (AMK,yl), projektipäällikkö, Kajaanin Ammattikorkeakoulu Oy, kimmo.kemppainen(at)kamk.fi
Antti Rimpiläinen, FM, projektityöntekijä, Kajaanin Ammattikorkeakoulu Oy, antti.rimpiläinen(at)kamk.fi