Sm4rtLab-laboratorio - Fotoniikan laboratoriotyöskentelyä virtuaalisesti tai paikan päällä (Itä-Suomen yliopisto)

Sm4rtLab – Fotoniikan laboratorio sijaitsee Itä-Suomen yliopiston Joensuun kampuksella. Fotoniikan laboratorio on etäohjattava tila ja tilasta on luotu myös fotorealistinen 3D -mallinnos eli digitaalinen kaksonen (engl. digital twin). Fyysistä laboratoriotilaa ja sen laitteistoa ohjataan digitaalisen kaksosen kautta joko selaimella tai laajennetun todellisuuden (AR) Microsoft Hololens -laseja käyttämällä. Virtuaalista laboratoriota voi käyttää myös pelkkänä simulaattorina, jolloin se ei ole yhteydessä fyysiseen kaksoseensa.

Laboratorio on tarkoitettu fotoniikan opintoihin kuuluvien laboratoriotöiden tekemiseen. Laitoksen opiskelijoiden ja henkilöstön lisäksi laboratoriota hyödyntävät myös kansainväliset yhteistyökorkeakoulut etäyhteyksien välityksellä. Tilassa on myös toteutettu koululaisvierailuja, joissa on erityisesti esitelty lisätyn todellisuuden tuomia mahdollisuuksia.

Spesifin käyttötarkoituksensa vuoksi tilan käyttöön vaaditaan käyttöoikeudet, eikä se ole varattavissa yliopiston yleisen tilavarauksen kautta.

Tilan tukemat pedagogiset toimintatavat

Sm4rtLabin avulla opiskelija pääsee harjoittelemaan fotoniikan ilmiöiden tutkimista sekä virtuaalisessa tilassa toimimista. Siinä missä tavalliseen laboratorioon voi mennä katselemaan ja suunnittelemaan laboratoriotöitä paikan päälle, virtuaalilaboratoriota käytettäessä on tiedettävä jo ennakkoon, miten ympäristöä tulee käyttää, kuinka siellä toimitaan ja miten siellä tehdään kokeita.

Virtuaalisen laboratorion (Sm4rtLab) käyttö edellyttääkin huolellista valmistautumista ja perehtymistä etukäteen sekä opiskelijoilta, että opettajilta. Käänteinen opetus (engl. Flipped classroom) soveltuu erittäin hyvin laboratorion toimintojen opettamiseen. Opettajalta tilan käyttö edellyttää selkeää pedagogista suunnitelmaa opetukselle sekä kaiken ohjemateriaalin ja ohjeistuksen valmistelua etukäteen. Opiskelijalle laboratorion etäohjattavuus tarjoaa tuen itsenäiselle ja omatoimiselle työskentelylle, koska opiskelija pystyy tekemään laboratoriokokeet ajasta ja paikasta riippumatta ja käyttäen omia laitteita.

Kun virtuaalilaboratorio on yhdistettynä fyysiseen laboratorioon, kaikki laboratorio- ja käyttötoiminnot eivät ole käytössä. Rajoituksilla pyritään estämään fyysisessä laboratoriossa syntyvät vahingot. Laboratoriota voi käyttää myös täysin virtuaalisena, jolloin se ei ole yhteydessä fyysiseen laboratorioon. Tällainen simulaatioympäristö mahdollistaa kokeilut ja asetelmat, joita ei aidossa fyysisessä tilassa olisi turvallista tai mahdollista toteuttaa.

Tilan käyttö vaatii myös aikataulusuunnittelua sekä käyttöoikeuksien hallintaa, koska turvallisuussyistä vain yhdellä käyttäjällä kerrallaan voi olla kontrollioikeus laboratorioon. Työskentelyä seuraamaan voi päästä kuitenkin useampia henkilöitä.

Digitaaliset ja tekniset ratkaisut, kuten toimiva kameratekniikka, ovat asettaneet reunaehtoja sekä fyysisen tilan rakentamiselle että ympäristön käyttämiselle. Tässä mielessä ne myös ovat jossain määrin ohjanneet pedagogisia ratkaisuja. Toisaalta toimintaympäristö on herättänyt pohtimaan, millaiset toimintamallit ja pedagogiikka tukisivat oppimista. Näin ollen Sm4rtLab on siis sekä oppimisen väline, että kohde.

Tilan kehitysprosessi ja metodit

Tiettyjen fysiikan ilmiöiden tutkiminen vaatii usein hyvin kalliita koejärjestelyjä sekä laboratoriolaitteita, joiden käyttöaste voi jäädä kuitenkin vähäiseksi. Lähtökohtana Sm4rtLab – virtuaalilaboratorion ja fyysisen laboratorion yhdistämiselle olikin laboratorion käyttöasteen lisääminen sekä kustannusten jakaminen usean eri tahon kesken.

Tilan suunnittelu käynnistyi vuoden 2016 alussa kun Suomen yliopistokiinteistöt (SYK) ja Itä-Suomen yliopisto alkoivat rahoittamaan etäohjattavan laboratorion kehittämistä ja etsittiin mahdollisuutta yhdistää fyysinen ja virtuaalinen laboratorio. Tilan toteuttajien valintaan vaikutti ennen kaikkea se, että kyse oli kokonaisen uuden konseptin rakentamisesta; ei ainoastaan tilan remontoinnista ja laitehankinnoista. Mallia ja parhaita käytäntöjä kartoitettaessa suunnittelun tueksi todettiin, että tällaista toteutusta ei ollut olemassa missään muualla. Malleja erilaisista virtuaalisen ja etäohjattavan laboratorion toteutuksista löydettiin, mutta tavoitteena olleesta virtuaalista ja fyysistä tilaa yhdistävästä laboratoriosta ei löydetty toteutusta.

Suunnittelun alkuvaiheessa rakennus, jossa fyysinen laboratoriotila sijaitsi, remontoitiin. Tehdyn remontin yhteydessä laboratoriotilan viereinen tila uudistettiin virtuaalilaboratorion ympäristöksi. Virtuaalilaboratorio edellyttää hyvin toimivia tietoliikenneyhteyksiä, kamerateknologiaa ja etäohjattavaa valaistusta ja nämä huomioitiin jo rakennusvaiheessa.

Fyysistä ympäristöä suunniteltiin yhteistyössä Fysiikan laitoksen laboratoriossa työskentelevän henkilöstön kanssa. Sm4rtLab -tilan kehittäminen toteutettiin Suomen yliopistokiinteistöjen (SYK) pilottina ja yhteistyössä SYKn kanssa toimivat yliopiston tilapalvelut ja tietotekniikkapalvelut. SYK hoiti tilan fyysisen ympäristön rakentamisen ja sen toteuttajat, ja Fysiikan ja matematiikan laitos vastasi fyysisistä laitteista. Tietotekniikkapalvelut vastasivat kamerateknologiasta, tietoliikenneyhteyksistä ja IoT-pilvestä.

Virtuaalisen todellisuuden ratkaisuista vastasi Process Genius, jonka toimialaan kuuluvat teollisuusautomaatiot ja teollisuuden virtuaalisen todellisuuden ympäristöjen toteutukset. Process Genius valittiin puolestaan virtuaaliympäristön toteuttajaksi, sillä heillä oli kyseiseen virtualisointiin tarvittava tietotaito. Virtuaalilaboratorion toimivuuden ja käytön suunnittelussa fysiikan ja matematiikan laitoksen henkilöstö toimi yhteistyössä Process Genius yrityksen työntekijöiden kanssa.

Kehittämisvaiheessa järjestettiin työpajoja, joissa pohdittiin ratkaisuvaihtoehtoja, toteutuksia ja mistä lähteä liikkeelle. Käyttäjävaatimusten kartoittaminen oli hankalaa, sillä tilan potentiaalisilla käyttäjillä ei ollut käsitystä ja kokemusta vastaavista tiloista ja ympäristöistä ja niissä toimimisesta, tai niiden asettamista tarpeista ja edellytyksistä. Ymmärrys erilaisten ratkaisujen toimivuudesta lisääntyi kuitenkin käytännön kokeilujen kautta prosessin edetessä.

Tilan ja ympäristön valmistuttua on erityisesti opiskelijoilta kerätty palautetta ja näkemyksiä tilan käyttämisestä ja sen toimivuudesta: mikä on hyvää, mihin tulisi kiinnittää vielä huomiota ja mikä vaatisi muutosta.

Tilan digitaaliset ja muut opetusta ja oppimista tukevat ratkaisut

Valmista pakettiratkaisua Sm4rtLabin kaltaiselle laboratoriokonseptille ei ollut, joten digitaaliset ja teknologiset ratkaisut oli räätälöitävä laite ja tarve kerrallaan. Laboratoriotilassa on mm. etäohjattavat kamerat ja valot, sekä automaattisia sensoreita. Suurien datamäärien liikkuminen sekä hyvä käytettävyys edellyttävät nopeita ja vahvoja tietoliikenneyhteyksiä. Kaikki laitteet on kytketty ohjaustietokoneeseen kontrollointia ja mittausta varten. Järjestelmäsidonnaisuutta on jonkin verran johtuen tieteenalalle tyypillisistä toimintatavoista ja työvälineistä.

Ohjaustietokoneen ja laitteiden välinen kommunikointi tapahtuu Labview:lla. Labview on eräänlainen standardisysteemi, joka mahdollistaa jopa tuhansien laitteiden ohjaamisen ja käyttämisen. Myös pilvipalvelut ovat oleellinen elementti laitteiden ohjaamisessa sekä tiedon tallentamisessa ja välittämisessä, ja tähän sopivimmiksi osoittautuivat IoT-pilvipalvelu ja Thingworks. IoT mahdollistaa esimerkiksi tutkimustulosten tallentamisen sekä analysoinnin myös myöhemmin.

Keskeisenä elementtinä Sm4rtLabissa on Process Geniuksen virtualisointi, joka on peliympäristöä muistuttava virtuaalimalli laboratoriosta. Fyysisestä laboratoriosta saadaan data virtuaalimalliin reaaliaikaisesti, jolloin virtuaaliympäristössä nähdään aitoja mittaustuloksia mahdollisine mittavirheineen.

Virtuaalisen ympäristön ja käyttöliittymän suunnittelun tavoitteena oli, että kamerat ja etäohjattavat laitteet ovat helposti käytettäviä ja ymmärrettäviä myös sellaiselle käyttäjälle, joka ei kyseisessä laboratoriossa ole ennen ollut. Myös ympäristössä toimiminen sekä säätöjen ja valikoiden käyttö haluttiin tehdä intuitiiviseksi ja helpoksi, jotta käyttäjä voi keskittyä itse asiaan eikä joudu pohtimaan ympäristön asetuksia tai säätämään niitä. Suunnittelussa on lisäksi huomioitu, että käyttäjä pääsee virtuaaliympäristöön myös omilla laitteillaan.

Virtualisointia voi ohjata ja tarkastella PC:llä ja tavallisella nettiselaimella tai mobiililaitteilla. Virtuaaliympäristöön pääsee myös Hololens AR-laseilla, joiden kautta käyttäjä näkee virtuaalisen laboratoriopöydän aidonkokoisena hologrammina edessään ja ohjaa sen toimintoja eleohjauksella. Käytettävyydeltään tietokone on kuitenkin osoittautunut käytännöllisimmäksi verrattuna pienikokoisiin mobiililaitteisiin tai lisättyyn todellisuuteen.