Applications of virtual laboratories in chemical engineering education

Abstract

This doctoral thesis explores the use of virtual laboratories in chemical engineering education through various study setups including linearly and nonlinearly progressing virtual laboratories, expert interviews, and virtual laboratory experiences consumed through a VR headset. Results indicate that these virtual environments can enhance immersion and student motivation, yet do not necessarily lead to improved learning outcomes. In addition, students appear to have a faster boredom response towards virtual laboratory experiences when compared to traditional laboratory training.

The findings reveal that virtual laboratories are not highly effective in replacing real-life laboratory education or in saving teaching resources but should be viewed as having potential for enhancing and enriching existing teaching practices. Virtual laboratories increase engagement, although the increase of immersion level might serve as a distraction rather than enhance learning outcomes.

Furthermore, due to the cross-discipline requirements, financial commitments and sophisticated technical skills required for creating virtual laboratories, major resource challenges exist. The lack of established platforms and technological standards raises the threshold for developing and implementing these virtual labs on a wide scale.

Additionally, the thesis identified a disagreement between some experts' views regarding the advantages of saving teaching resources against frequently quoted literature. Experts proposed diverse applications for virtual laboratories, from enhancing existing real-life laboratories to creating novel, otherwise impossible learning experiences. Therefore, it may be concluded that virtual laboratories should be considered not as a substitute, but as a complementary tool to traditional laboratory training.

In the longer-term perspective, with rapid technological advancements and further research, virtual laboratories could offer more holistic and immersive virtual experiences, which might significantly contribute to the field of chemical engineering education.

Tämä väitöskirja tutkii virtuaalilaboratorioiden hyödyntämistä kemiantekniikan opetuksessa. Aihetta tutkitaan erilaisten tutkimusasetelmien avulla mukaan lukien, lineaarisesti ja epälineaarisesti etenevien virtuaalilaboratorioiden, asiantuntijahaastattelujen ja VR-lasien kautta koetuilla virtuaalilaboratorioilla. Tulokset osoittavat, että tällaiset virtuaaliympäristöt parantavat immersiota ja opiskelijoiden motivaatiota, mutta ne eivät silti välttämättä johda parempiin oppimistuloksiin. Lisäksi opiskelijat vaikuttavat kyllästyvän nopeammin virtuaalilaboratorio-kokemuksiin verrattuna perinteisiin laboratoriokoulutuksiin.

Löydökset paljastavat myös, että virtuaalilaboratoriot eivät ole kovinkaan tehokkaita korvaamaan laboratoriossa tapahtuvaa koulutusta tai säästämään opetukseen liittyviä resursseja. Virtuaalilaboratoriot tulisi nähdä enemmänkin potentiaalisena keinona parantaa ja rikastuttaa jo olemassa olevia opetusmenetelmiä. Virtuaalilaboratoriot vaikuttavat lisäävän opiskelijoiden sitoutumista oppimiseen. Syvempi immersio saattaa kuitenkin toimia myös häiriötekijänä oppimiselle, sen sijaan että se suoraan parantaisi oppimistuloksia.

Virtuaalilaboratorioiden luomiseen liittyy myös huomattavia resurssihaasteita, koska ne vaativat usein laajaa poikkitieteellistä osaamista, merkittävää rahallista tukea, sekä monipuolisia teknisiä taitoja. Lisäksi yleisesti käytettyjen kehitysalustojen ja teknologioiden puuttuminen nostaa kynnystä virtuaalilaboratorioiden kehittämiselle ja toteuttamiselle laajemmassa mittakaavassa.

Tutkimuksessa tunnistetiin myös merkittäviä eroja asiantuntijoiden näkemysten ja kirjallisuuden välillä siitä, että onko virtuaalilaboratorioiden tarkoitus tehostaa opetusresurssien käyttöä. Haastatellut asiantuntijat esittivät virtuaalilaboratorioille hyvin monimuotoisia sovelluskohteita, fyysisten laboratoriokoulutuksien tukemisesta, sellaisiin koulutuksiin, joita olisi mahdoton toistaa tai kokea muuten kuin digitaalisissa ympäristöissä. Tutkimuksen perusteella voidaan päätellä, että virtuaalilaboratorioita ei tulisi pitää fyysisen laboratoriokoulutuksen korvaajana, vaan enemmänkin koulutusta täydentävänä työkaluna.

Pidemmällä aikavälillä, nopeasti kehittyvän teknologian ja jatkotutkimusten siivittävänä, virtuaalilaboratoriot voivat tarjota kokonaisvaltaisempia ja entistä immersiivisempiä virtuaalisia kokemuksia, joilla saattaa olla merkittävä vaikutus kemiantekniikan koulutuksen tulevaisuuteen.