Suunnitteluharjoituksen toteutus digitaalisena oppimispelinä energiatekniikan yliopisto-opetuksessa

Kari Alanne, vanhempi yliopistonlehtori, Insinööritieteiden korkeakoulu, Aalto-yliopisto
kari.alanne@aalto.fi

Karoliina Pakkanen, asiantuntija, Insinööritieteiden korkeakoulu, Aalto-yliopisto
karoliina.pakkanen@aalto.fi

Tatu Heinämäki, projektityöntekijä, Insinööritieteiden korkeakoulu, Aalto-yliopisto
tatu.heinamaki@aalto.fi

Tässä artikkelissa kuvataan digitaalinen oppimispeli, joka kehitettiin Aalto-yliopistossa ja jota sovellettiin insinööritieteiden kandidaattivaiheen massakurssilla projektityönä toteutettavaan aurinkokylän suunnitteluharjoitukseen. Tavoitteena oli lisätä opiskelijoiden innostuneisuutta, vahvistaa vuorovaikutusta etäopetuksessa sekä keventää opettajan työkuormaa oppimisen arvioinnissa. Tavoitteiden toteutumista selvitettiin kyselytutkimuksen avulla. Tulokset osoittavat, että opiskelijat kokivat pelaamisen edistäneen sekä oppimista että vuorovaikutusta, mutta vaikutus opiskelumotivaatioon jäi vähäiseksi. Oppimispeli kevensi opettajan työkuormaa sekä opetuksen aikana että arviointivaiheessa. Toteutetun kokeilun tulokset kannustavat oppimispelin jatkokehitykseen sekä soveltamiseen muille suunnittelukursseille.

Oppimispelit energiatekniikan opetuksessa

Pelien oppimista edistävä vaikutus perustuu niiden kykyyn lisätä oppimisen tuottamaa mielihyvää, mikä vahvistaa oppijan motivaatiota vastaanottaa pelien kautta välitettäviä tietoja ja taitoja (Torres & Macedo, 2000).

Digitaalisesti avustettuja oppimispelejä on hyödynnetty energiatekniikan insinööritieteiden yliopisto-opetuksessa ainakin 2000-luvun ensimmäiseltä vuosikymmeneltä lähtien. Varano, Patel, Asnani, TsyKalyuk ja Idowu (2006) esittelevät kaksi television tietovisojen ohjelmaformaattia jäljittelevää oppimispeliä, joiden avulla sähkötekniikan kandidaattiopiskelijat tutustuvat energiatekniikan perusteisiin. Cetinin (2012) esittämässä oppimispelissä on tehtävänä suunnitella uusiutuvaan energiaan perustuva käyttövoimajärjestelmä huviveneeseen. Kestävän rakentamisen alalla pelipohjaista opetusta ovat hyödyntäneet Juan ja Chao (2015). Toba, Seck ja Ngatang (2018) esittelevät sähköverkkojärjestelmän toimintaa simulaatiopelin avulla. Suzukin, Shibuyan ja Kanagawan (2021) peli pyrkii yhdistämään energiajärjestelmien opetukseen poikkitieteellisen näkökulman.

Romanovin ja Hollerin (2021) oppimispelin aiheena on kaukolämpöjärjestelmien mallintaminen, joka sisältää tekniset, taloudelliset, ekologiset ja sosiopoliittiset näkökulmat sekä tuottajien, kuluttajien ja poliittisten toimijoiden väliset riippuvuussuhteet. Peliä ei ole suunnattu yliopisto-opiskelijoille, vaan sen kohderyhminä ovat yleisesti alan opiskelijat ja jo ammatissa toimivat. Pelaajat pystyvät asettumaan eri rooleihin, kuten energian tuottajiksi, kuluttajiksi ja poliittisiksi toimijoiksi. Näin Romanovin ja Hollerin (2021) työ tuo esille oppimispelien opetuksellisen vaikutuksen lisäksi niiden vaikutukset pelaajien asenteisiin.

Oppimispelejä on pidetty lupaavana opetusmuotona perinteisten menetelmien rinnalle tai jopa niiden korvaajiksi. Samalla on kuitenkin todettu pelillistämiseen liittyvät rajoitukset ja haasteet. Esimerkiksi Juan ja Chao (2015) toteavat pelien jatkuvan kehityksen tarpeen, jotta tasapaino pelin viihdyttävyyden ja opetuksellisuuden välillä saavutettaisiin. Haasteita ovat ohjeistus sekä pelin vuorovaikutusta edistävät elementit. Toisaalta mobiililaitteet koetaan mahdollisuudeksi oppimispelien kaupallistamisen kannalta. Eräänä tulevaisuuden visiona on ehdotettu talotekniikan oppimispelin laajentamista yhden kurssin tai osatehtävän sijasta koko opintopolkuun sekä tulosten kytkemistä tekniikan alalta valmistuvien suosituspalkkaan (Alanne, 2016).

Aurinkokylä-oppimispelin toteutus

Hankkeessa toteutettu digitaalinen oppimispeli liittyy Aalto-yliopiston Insinööritieteiden korkeakoulun kandidaattivaiheen pääaineen valinnaiseen ENE-C3001 Energiasysteemit -kurssiin, jolle osallistuu vuosittain noin 120 opiskelijaa. Kurssilla on sekä tiedollisia että taidollisia osaamistavoitteita. Yhtäältä tavoitteena on oppia mallintamaan kokonaisia energiajärjestelmiä termodynamiikan pääsääntöjen avulla sekä elinkaari- ja systeemiajattelua soveltaen tunnistamaan järjestelmien energiatehokkuutta parantavia ratkaisumalleja ja laskemaan niihin liittyviä säästöpotentiaaleja. Toisaalta tavoitteena on oppia toimimaan osana asiantuntijaryhmää ja reflektoimaan omaa toimintaa sekä yksilöinä että ryhmänä.

Perinteisesti opiskelijat on jaettu kurssin aluksi neljän hengen työryhmiin, joissa he suorittavat kolme laajahkoa oppimistehtävää ja palauttavat niistä työraportin opettajan arvosteltavaksi. Ensimmäinen tehtävistä käsittelee asuinkerrostalon energiansäästötoimenpiteiden vaikutuksia energiankulutukseen ja vuosikustannuksiin. Toisessa tehtävässä mallinnetaan sähköä ja lämpöä tuottavan voimalaitoksen toimintaa sekä ratkotaan esilämmityksen vaikutusta hyötysuhteeseen. Aurinkokylä-oppimispeli korvasi syksyn 2022 kokeilussa kurssin kolmannen ja viimeisen, energiaomavaraisen yhteisön suunnittelua käsittelevän oppimistehtävän. Lähtöaineistona jaettiin MyCourses -opetusalustalla kuvitteellinen, erilaisista rakennuksista koostuvan kompleksin tunneittainen sähkön- ja lämmönkulutusprofiili sekä säätiedosto Excel-dokumenttina. Kuvitteellinen ”ohjausryhmä” asetti tehtäväksi integroidun aurinkosähköpaneelin ja lämpökeräimen pinta-alan valitsemisen sekä tarvittavan akkukapasiteetin määrittelyn siten, että mahdollisimman suuri osa sähköntarpeesta pystyttäisiin tuottamaan itse.

Peli koostui kolmesta määrätyssä järjestyksessä suoritettavasta tasosta. Tason hyväksytty läpäiseminen mahdollisti siirtymisen seuraavalle tasolle. Ensimmäisellä tasolla (taso 1) pohdittiin omaa roolia suunnitteluryhmän jäsenenä. Tämä toteutettiin valintatehtävällä, joka havainnollistetaan kuvassa 1.

Kuva 1. Pelaajan identiteettiä kartoittavat valintatehtävät

Tason 1 suoritettuaan pelaajat ohjattiin tasolle 2, jossa tehtävänä oli muodostaa ryhmätyönä aurinkokylän matemaattinen energiatasemalli tunneittaisen datan sekä osin ryhmäkohtaisten, osin kaikille ryhmille yhteisten lähtöarvojen perusteella. Itse laskelma toteutettiin pelin ulkopuolella Excel-taulukkona, kun taas peliin syötettiin laskettuja, järjestelmän suorituskykyä kuvaavia muuttujia, kuten vuotuinen tuotettu sähkö- ja lämpöenergia sekä ostettavan verkkosähkön tarve. Pelaajat saattoivat edetä tasolle 3, kun kaikki vaaditut luvut olivat osuneet annettujen raja-arvojen sisään.

Kolmannella ja korkeimmalla tasolla pelaajat toimivat yksilöinä. Tehtävässä käytetään tasolla 2 kehitettyä laskelmaa. Tehtävänä oli laatia tarvittavan aurinkokeräinpaneelien pinta-alan ja akkukapasiteetin sisältävä ehdotus siten, että järjestelmästä tulisi mahdollisimman energiaomavarainen. Suoritusten tasoa arvioitiin useiden järjestelmän suorituskykyä kuvaavien muuttujien avulla. Loppupistemäärä eli ”kylän tehokkuus” ilmaistiin prosenttilukuna, eli ihannetilanteessa täysin omavarainen ja toteutuskelpoinen aurinkokylä saisi tehokkuudekseen sata prosenttia. Kuvan 2 ruutukaappauksessa näytetään esimerkkiehdotus aurinkokylän mitoitukseksi.

Kuva 2. Pelin lopputuloksen kuvaaminen taulukkona

Pelaajien suoritukset järjestettiin kurssin lopuksi tehokkuusprosenttien mukaiseen ”kunniataulukkoon” (leaderboard). Opiskelijat kilpailivat siis pelissä toisiaan vastaan, mutta myös ryhmän toiminta huomioitiin, sillä suunnittelutehtävän lopputulokseen vaikutti tasolla 2 kehitetyn laskelman laatu.

Kyselytutkimus

Tieto opiskelijoiden tietämyksen tasosta sekä heidän innostuksestaan opiskeluun ennen peliä ja sen jälkeen kerättiin kahden Webropol-kyselyn avulla. Ensimmäinen kysely toteutettiin ennen pelin pelaamista, ja se sisälsi yhteensä neljä kysymystä. Kolmessa kysymyksessä opiskelijaa pyydettiin arvioimaan oman kokemuksensa tasoa oppimispeleistä ja aurinkokylistä. Neljännellä kysymyksellä kartoitettiin opiskelijoiden innostuneisuutta opetettavaan aiheeseen.

Toinen kysely järjestettiin pelin jälkeen. Kaksi ensimmäistä kysymystä olivat samat kuin ensimmäisessä kyselyssä: tietämys aurinkokylistä ja innostuneisuus aihepiiriin. Seuraavissa kahdessa kysymyksessä pyydettiin opiskelijaa arvioimaan, edistikö peli oppimista ja paransiko se vuorovaikutusta muiden opiskelijoiden ja henkilökunnan kanssa. Kaikissa mainituissa kysymyksissä oli käytössä neliportainen asteikko: ei lainkaan, vähän, jonkin verran, paljon. Toisessa kyselyssä pyydettiin lisäksi antamaan avoin palaute, jossa tiedusteltiin pelin hyviä puolia sekä pyydettiin kehitysehdotuksia.

Aineisto käsiteltiin Aalto-yliopiston ohjeiden mukaisesti siten, että vastaukset annettiin nimettöminä ja ne käsiteltiin luottamuksellisesti. Molempien kyselyjen lopuksi pyydettiin myös lupa hyödyntää vastauksia Energiasysteemit-kurssin sekä muiden kurssien kehittämiseen.

Yhteenveto ja pohdinta

Ensimmäiseen kyselyyn vastasi yhteensä 59 ja toiseen kyselyyn 47 opiskelijaa. Selkeällä enemmistöllä ensimmäiseen kyselyyn vastanneista (75 %) oli vähän tai jonkin verran kokemusta oppimispeleistä. Lopuilla vastaajista (25 %) aikaisempaa kokemusta ei ollut lainkaan. Yhteenveto kyselyn tärkeimmistä tuloksista esitetään kuvassa 3.

Kuva 3. Yhteenveto kyselyn tuloksista

Kaavio ylhäällä vasemmalla havainnollistaa, että oppimispeli on pääsääntöisesti vahvistanut opiskelijoiden kokemusta omasta tietämyksestä. Huomionarvoista on, että jopa 20 prosenttia vastaajista koki pelin jälkeen tietävänsä aiheesta paljon. Tämä herättää kysymyksen, antaako menestys oppimispelissä joillekin vinoutuneen vahvan käsityksen omasta tietotaidosta.

Koettu innostuksen taso aurinkokylä-teeman opiskeluun ei näytä yleisellä tasolla muuttuneen merkittävästi, vaikkakin pieni siirtymä ”jonkin verran” innostuneista ”paljon” innostuneisiin on havaittavissa. Merkittävä osuus (81 %) vastanneista koki oppimispelin tukeneen oppimista joko vähän tai jonkin verran. Kysymyksenasettelu ei sisältänyt suoraa vertailua perinteiseen toteutustapaan, mutta vuoden 2022 kurssilla kaksi ensimmäistä oppimistehtävää oli toteutettu perinteisesti, joten oletettavasti opiskelijat ovat huomioineet myös vertailevan näkökulman vastatessaan kyselyyn.

Yli puolet (55 %) vastaajista koki oppimispelin parantaneen vuorovaikutusta muiden opiskelijoiden ja henkilökunnan kanssa, mikä oli myös hankkeen alkuperäisenä tavoitteena. Tulos viittaa siihen, että opiskelijat ovat toimineet pelin aikana interaktiivisesti. Vuorovaikutukseen liittyvää ohjeistusta ei työssä muutettu verrattuna perinteiseen toteutustapaan. Peliin sisältyi kuitenkin kehotus olla yhteydessä tekniseen tukeen matalalla kynnyksellä. Opiskelijat käyttivät tätä mahdollisuutta useimmiten saadakseen pelaamisen jälkeen vahvistuksen sille, että peli oli pelattu loppuun. Vastuuopettajan näkökulmasta opiskelijoiden kysymyksiä oli perinteiseen opetustapaan verrattuna vähän.

Avointen kysymysten vastauksista paljastui, että opiskelijat kokivat oppimispelin kannustavan tutkimaan. Pelin antama välitön palaute motivoi parantamaan omaa suoritusta ja peli myös herätti motivoivan ”Mitä seuraavaksi?”-kysymyksen. Myös intuitiivinen käyttöliittymä koettiin hyväksi.

Kehittämisehdotukset koskivat ohjeistusta ja palautetta, vaikkakin jäivät yleisluonteisiksi. Pelin haluttiin sisältävän enemmän ”älyä” eli ohjaavan enemmän tilanteissa, joissa opiskelija on jäänyt jumiin. Lisäksi kritiikkiä sai se, että aurinkokylän matemaattista mallinnusta ja mallin avulla tehtävää tutkimusta ei voinut suorittaa pelin sisällä, vaan se vaati taulukkolaskentaohjelman käyttöä. Jotkut opiskelijoista eivät pitäneet kehitettyä oppimispeliä pelinä lainkaan, vaan yleisemmin oppimisympäristönä. Odotukset eivät siis tältä osin täysin vastanneet todellisuutta.

Kaiken kaikkiaan tässä kehittämiskokeilussa tehdyt havainnot tukevat kirjallisuudessa esitettyjä väitteitä oppimispelien vaikutuksesta oppimisesta syntyvään mielihyvään (Torres & Macedo, 2000), mutta myös vahvistavat käsityksen esimerkiksi ohjeistukseen liittyvistä haasteista (Juan & Chao, 2015). Peliä onkin tarkoitus kehittää edelleen tässä artikkelissa kuvatun projektin kokemusten pohjalta, ja sen käyttöä pyritään laajentamaan myös muille Aalto-yliopiston insinööritieteiden kursseille.

Lähteet

Alanne, K. (2016). An overview of game-based learning in building services engineering education. European Journal of Engineering Education, 41(2), 204‒219.

Cetin, A. (2012). A 3D game based learning application in engineering education: Powering a recreational boat with renewable energy sources. 15th International Conference on Interactive Collaborative Learning (ICL), Villach, Austria, 2012 (s. 1‒4). https://doi.org/10.1109/ICL.2012.6402206

Juan, Y.-K. & Chao, T.-W. (2015). Game-based learning for green building education. Sustainability, 7(5), 5592‒5608.
https://doi.org/10.3390/su7055592

Romanov, D. & Holler, S. (2021). District heating systems modeling: A gamification approach. Energy Reports, 7(4), 491‒498.
https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.08.078

Suzuki, K., Shibuya, T. & Kanagawa, T. (2021). Effectiveness of a game‑based class for interdisciplinary energy systems education in engineering courses. Sustainability Science, 16(2), 523–539.
https://doi.org/10.1007/s11625-021-00912-3

Toba, A.-L., Seck, M. & Ngatang, I. (2018). Gaming and simulation for energy system infrastructure: A case of the power grid system. Teoksessa ANSS ’18: Proceedings of the Annual Simulation Symposium (s. 1‒12). San Diego: Society for Computer Simulation International.
https://dl.acm.org/doi/10.5555/3213032.3213039

Torres, M. & Macedo, J. (2000). Learning sustainable development with a new simulation game. Simulation Gaming, 31(1), 119–126.
https://doi.org/10.1177/104687810003100112

Varano, M., Patel, M., Asnani, D., TsyKalyuk, A. & Idowu, P. (2006). Basics of energy systems through games. 38th North American Power Symposium, 2006, 371‒374. https://doi.org/10.1109/NAPS.2006.359599