Simulations in electrical engineering education : simulator development

Abstract

In recent decades the exponential growth of computing power and computing technology in general has made simulations a widely used tool in engineering, and electrical engineering is no exception. While simulations are used in engineering education, they may still be underutilized, leaving many potential learning benefits on the table. This research seeks to find out how simulations are used in undergraduate electrical engineering courses at LUT university and to find out if introducing new simplified simulations in some of these courses could benefit students.

The current state of simulation use was determined by reviewing the syllabi of the undergraduate electrical engineering courses and by conducting a survey of the instructors of these courses. Two courses, Introduction to Electrical Power Systems and Introduction to Electrical Drives, were selected for simulation testing, in which simple simulations were created on a new platform and distributed to students for use during the course. For the simulations, a new simulation program, SFDEsim, was developed in Python using the PySide6 framework, with the intention of creating an extremely easy-to-use tool for simulating simple systems and cases. At the end of the courses, a student survey was conducted to measure the students' experience with the simulator and their views on simulations in education in general.

The study found that simulations had not reached their potential as a learning tool. Students reported perceived benefits from using the simulator as part of their courses and both groups, teachers and students, would increase the use of simulations in education. Time constraints were identified by both groups as a major barrier to implementing more simulations in courses and education overall. The SFDEsim works as a proof of concept and is released for free use, but needs further development to be used in a more general context.

Viimeisten vuosikymmenten aikana tietokoneiden laskentateho ja tietotekniikan käyttö yleensä on kasvanut eksponentiaalisesti tehden simulaatiosta yleisesti käytettyjä työkaluja sähkötekniikan insinöörityössä. Vaikka simulaatiot ovat käytössä insinööriopetuksessa, voi niiden käytössä olla parannettavaa, jättäen hyödyntämätöntä potentiaalia opetuksessa. Tämä tutkimus pyrkii löytämään, kuinka simulaatioita hyödynnetään LUT-yliopiston kanditason sähkötekniikan kursseilla, sekä tuomaan uusia yksinkertaisia simulaatioita käyttöön eräille näistä kursseista ja selvittämään tuovatko ne etuja opiskelijoille.

Tämänhetkistä simulaatioiden käyttöä tarkasteltiin kurssikuvausten datan ja näiden kurssien opettajille teetetyn kyselytutkimuksen avulla. Tutkimuksen seuraavaan vaiheeseen valittiin kaksi kurssia, Introduction to Electrical Drives (Sähkökäyttötekniikan perusteet) ja Introduction to Electrical Power Systems (Sähköverkkotekniikan peruskurssi). Näille kursseille kehitettiin yksinkertaisia simulaatioita uudella simulaatio-ohjelmalla. Uusi simulaatio ohjelma, SFDEsim, kehitettiin Python ohjelmointikielellä käyttäen PySide6 kehysympäristöä, tarkoituksena luoda mahdollisimman helppokäyttöinen simulaatioympäristö yksinkertaisten järjestelmien ja tapausten simulointiin. Valittujen kurssitoteutusten jälkeen teetettiin kyselytutkimus kurssien opiskelijoilla. Sen tarkoituksena oli arvioida opiskelijoiden kokemuksia simulaattorin kanssa kurssin aikana sekä heidän näkemyksiään simulaatioiden käytöstä opetuksessa yleensä.

Tutkimuksessa havaittiin, että simulaatioiden käyttöä opetusvälineenä voitaisiin lisätä. Opiskelijat raportoivat havainneensa oppimishyötyjä simulaatioiden käytössä, lisäksi havaittiin, että sekä opiskelija että opettajat, lisäisivät simulaatioiden käyttöä opetuksessa. Suurimpana esteenä tälle havaittiin simulaatioharjoitusten vaatima aika, joka on molemmille ryhmille rajallinen resurssi. SFDEsim toimii konseptina ja on julkaistu vapaaseen käyttöön, mutta vaatii kehitystyötä suuremman yleisön käyttöön tuomiseksi.