Algoritmisen suunnittelun opetuksen kehittäminen

Abstract

Yksi vaikuttavimmista tavoista parantaa rakennusalan tehokkuutta on ollut tietokoneitten ja digitaalisuuden tuominen työympäristöön. Rakennusalan suunnittelutyössä tietojenkäsittelytaitojen merkitys on kasvanut ja tulee tulevaisuudessa kasvamaan entisestään. Tämä on pakottanut alan yrityksiä painoittamaan koulutusta ja henkilöstön ammattitaitoa tietojenkäsittelyn ja ohjelmien oppimiseen. Rakennusalalla onkin viimeisen vuosikymmenen aikana käynnistetty yrityksien ja koulujen tahdosta algoritmisen suunnittelun soveltamishankkeita. Algoritmiavusteisella suunnittelulla tarkoitetaan menetelmää, jossa suunnittelija soveltaa ohjelmointia, minkä algoritmien tarkoituksena on tuottaa itse suunnitelma. Algoritmisten menetelmien hyväksikäyttöä rakennusalan julkaisuissa ja tutkimuksessa on ruvettu opetuskäsitteenä kuvaamaan algoritmiseksi suunnitteluksi. Myös Tampereen yliopiston rakennustekniikan yksikkö on lähtenyt kehittämään algoritmisten menetelmien integroimista alan oppiaineisiin. Tällä pyritään lisäämään oppilaitten tietämystä algoritmisen suunnittelun teoriasta sekä algoritmisen suunnittelun käytännön soveltamista opinnoissa sekä työelämässä. Tämän työn tavoitteena oli selvittää mitä algoritmiavusteinen suunnittelu voisi olla oppimisympäristössä eli miten sitä voitaisiin opettaa ja integroida rakennustekniikan perinteisiin oppiaineisiin. Lisäksi arvioitiin mitä hyötyä on algoritmisten menetelmien soveltamisesta opetuksessa sekä miten jatkossa opetusta tulisi kehittää. Kehityshanketta ja sen tavoitteita lähdettiin laatimaan työharjoituksien ideoinnin pohjalta. Tavoitteena oli myös lisätä opiskelijoiden kiinnostusta algoritmiseen suunnitteluun ja digitaalisten työkalujen käyttöön yleisemminkin. Tässä opinnäytetyössä käydään aluksi läpi algoritmiavusteisen suunnittelun sekä parametrisen suunnittelun käsitteitä yleisellä tasolla. Lisäksi käsitellään tarkemmin myös mahdollisia ohjelmia, menetelmiä ja työkaluja, mitä harjoitustyöt vaativat toteutuakseen. Työssä ehdotetaan ja ideoidaan mahdollisia tulevia opetusmenetelmiä, harjoitustöitä ja oppimiskokonaisuuksia siten, että ne parantaisivat algoritmisen suunnittelun opetusta jatkossa. Työn konkreettisena kehitysaskeleena oli algoritmiavusteisen mallintamisen osuuden lisääminen syksyn 2019 ja kevään 2020 rakenteiden mallintamisen kurssille. Toteutuksissa lähdettiin selvittämään, miten algoritmiavusteinen mallintaminen sopisi kurssiin kahdenkolmen opintopisteen lisäyksenä sekä mitä tuloksia se tuottaisi opetuksessa. Työssä myös suoritettiin oppilaskyselyt, missä pyrittiin selvittämään, mikä oli oppilaitten mielenkiinto ohjelmointiin ja algoritmiseen suunnitteluun. Työn lopputulos käynnisti määritteitä, miten algoritmiavusteista suunnittelumenetelmiä voitaisiin opettaa jatkossa opetusympäristössä. Yksi tapa parantaa algoritmisen suunnittelun ymmärrystä olisi opiskella ohjelmointia, tietorakenteita ja tyypillisiä algoritmeja. Algoritminen suunnittelu puhtaasti pelkkänä oppiaineena painottaa tietojenkäsittelyä sekä ohjelmointia, joita opetetaan jo yliopistossa tietotekniikan alalla. Tässä työssä esitetyllä ohjelmoidulla harjoitustyörakenteella pyrittiin parantamaan oppilaitten algoritmista ajattelua käytännöllisillä mitoitusharjoitustöillä, joissa hyödynnettiin ohjelmointia mallintamiseen. Oppilaskyselyitten perusteella ohjelmoitujen harjoitustöitten toteuttaminen tulevaisuudessa nähtiin pääsääntöisesti myönteisenä. Opetuksessa huomattiin myös, että oppilaat pystyivät oppimaan ja suoriutumaan aiheessa paremmin mitä aluksi luultiin. Paikan päällä sekä etänä järjestetty opetus nähtiin onnistuvan hyvin. Oppilaat pystyivät oppimaan sekä soveltamaan käsitteitä ja suoriutumaan harjoitustöistä lähes itsenäisesti myös ilman ohjaajan konkreettista läsnäoloa. Kun arvioinnin lähtökohtana toimi oppilaitten tekemät harjoitustyöt ja tuntityöskentely, rakenteiden mallintaminen -kurssille algoritmiavusteisen mallintamisen osuuden lisääminen nähtiin onnistuneena lisäyksenä.

One of the most efficiency ways to improve efficiency in the construction industry has been to bringing computers and digitization techniques to the work environment. The importance of computer skills in design work in the construction industry has grown and will continue to grow in the future. This has forced companies in the industry to emphasize training and staff professionalism to learn computing programs and data handling. Therefore, in the construction industry there have been algorithmic design projects launched over the past decade at the will of companies and schools which emphasize these skills. Algorithm-assisted design refers to a method in which a designer applies programming, which purpose is to produce the design itself with algorithms. The use of algorithmic methods in construction publications and research has been described as an educational concept as algorithmic design which The Department of Civil Engineering at the University of Tampere has also started to integration into the subjects of the field. The aim is to increase students' knowledge of the theory of algorithmic design and the practical application of algorithmic methods in studies and working life. The aim of this thesis was to find out what algorithmic assisted design could be in a learning environment, ie how it could be taught and integrated into traditional subjects of construction technology. In addition, how the benefits of applying algorithmic methods in teaching should be developed in the future were also estimated. The development project and its goals were started on idea of the how exercises should be applied in studies. The aim of this thesis was also to increase students' interest in algorithmic design and the use of digital tools more generally. In this thesis, the concepts of algorithm-assisted design and parametric design are reviewed at a general level. In addition, the possible programs, methods and tools required for the exercises to be carried out are discussed in more detail. The thesis proposes possible future teaching methods, exercises and learning entities so that they would improve the teaching of algorithmic design in the future. The concrete development step of the thesis was to add the substance part of algorithm-assisted modeling in the autumn 2019 and spring 2020 structure modeling course. In these implementations, point was to find out how algorithm-assisted modeling would fit into the course as an addition of two to three credits and what results it would produce in the course. The thesis also included student surveys, which purpose to find out if students were interested in programming and algorithmic design. The result of this thesis defined how algorithm-assisted design methods could be taught in the learning environment in the future. One way to improve the understanding of algorithmic design would be to study programming, data structures, and typical algorithms. Algorithmic design subject emphasizes computer science as well as programming, which are already taught at the university in the field of computer science. The programmed exercise structure presented in this thesis aimed to improve students ’algorithmic thinking with practical dimensioning exercises that utilized programming for modeling. Based on student surveys, the implementation of the programmed exercises in the future was generally seen as positive. Also, students were able to learn and perform better on the subject than initially thought in the education. Contact learning and distance learning were seen successful in course. Students were able to learn and apply concepts and complete assignments almost independently, even without the concrete presence of an instructor. Algorithm-assisted modeling for Structure Modeling course was seen a successful addition when the assessment was based on the exercises done by the students.