Simulointi

Simulointi tai simulaatio on todellisuuden jäljittelyä. Todellisuus on ympäröivä maailma. Ihminen simuloi todellisuutta omassa mielikuvitusmaailmassaan. Merkittävä ja kasvava simuloinnin ala on tietokonesimulointi. Tietokonesimuloinnissa tietokoneen
sisään rakennetaan keinotekoinen todellisuus, joka yrittää jäljitellä oikeaa todellisuutta niin hyvin kuin mahdollista.
Simulointia todellisuuden jäljittelynä on muun muassa pelaaminen, mielikuvitus ja todellisuutta simuloivien fysikaalisten tai muiden mallien laskeminen (auringonpimennykset). Ihmisillä ja nisäkkäillä merkittävää todellisuuden jäljittelyä on leikki.
Simulointi on usein halvempaa kuin todellisuus (lentosimulaattorikoulutus), turvallisempaa kuin oikeat tilanteet (ydinvoimalasimulaattori, sotaleikki, sotapeli) ja usein ainoa keino saada tietoa (ilmakehäsimulaattori kasvihuoneilmiöön).
Ihmisen kyky simulointiin, siis tulevaisuuden ennakointiin (vrt. "isän ja äidin" tai metsästyksen leikkiminen), on ollut yksi hänen keinoistaan selvitä evoluutiossa eläimiä paremmin.
Simulointi tietokoneella.
Tietokoneella voidaan simuloida muun muassa säätä. Supertietokoneella pystytään ennustamaan säätä, mikäli siihen syötetään aiemmat säähavainnot ja matemaattiset yhtälöt, joilla kuvataan Maan ilmakehää. Tietokonesimuloinnin rajoituksena on yleensä simulaation tarkkuus, jos mallin syötetyt lähtötiedot ovat epätarkkoja. Toinen ongelma on, ettei lähtötilannetta ehkä tunneta tarkasti (esimerkiksi lähtösäätila täytyisi mitata hyvin monesta maantieteellisestä paikasta, jotta simulaatio olisi tarkka, esimerkiksi 1 km välein).
Simulointimallit jaetaan jatkuvatoimisiin (continuous-type) ja tapahtumapohjaisiin (discrete-event) malleihin. Jatkuvatoimisissa simulointimalleissa mallin tilassa tapahtuu jatkuvasti muutoksia ajan suhteen. Jatkuvatoimista mallia voidaan kuvata säiliön täyttymisellä, kun siihen valutetaan vettä venttiilin kautta (hanasta). Mallin tila muuttuu jatkuvasti veden virratessa säiliöön. Tilan muutoksen suuruus riippuu tilavuusvirrasta, toisin sanoen virtausventtiilin asennosta. Tapahtumapohjaisessa simuloinnissa sitä vastoin muutoksen mallin tilaan aiheuttaa tapahtuma (event). Tapahtumapohjaista simulointia kuvaa säiliön täyttäminen ämpärillä. Mallin tilassa tapahtuu muutos joka kerta, kun ämpäri tyhjennetään säiliöön. 
Simulointimallit voidaan erotella myös niiden antamien tulosten tarkkuuden mukaan joko tilastollisiin (stokastinen) tai määrättyihin (deterministinen). Tilastollisten mallien antamat tulokset poikkeavat toisistaan, kun verrataan samoilla lähtöarvoilla ajettuja eri simulointiajoja keskenään. Tapahtumapohjaiset mallit ovat useimmiten tilastollisia. Määrätyt mallit sitä vastoin antavat samat tulokset samoilla lähtöarvoilla toistettiinpa simulointiajoja kuinka monta kertaa tahansa. Jatkuvatoimiset mallit ovat deterministisiä. 
Jatkuvatoimisia ja tarkkoja simulointisovelluksia ovat muun muassa lentosimulaattorit, joita käytetään peleissä ja pilottien koulutuksessa. Tapahtumapohjaisia sovelluksia ovat esimerkiksi liikennevirran muutoksia ennustavat sovellukset. Teollisuus hyödyntää simulointisovelluksia muun muassa teollisuusrobottien ja työstökoneiden ohjelmoinnissa (jatkuvatoimiset) ja tuotannon tunnuslukujen muutosten ennustamisessa (tapahtumapohjaiset). Teollisuuden simulointisovellusten käyttö on laajentunut osaksi digitaalista valmistusta (Digital Manufacturing).
Simulointi oppimisessa ja opetuksessa.
Simulaatio on oppimisen näkökulmasta todellisuutta jäljittelevä oppimisympäristö, jossa simuloidut tapahtumat tapahtuvat ennalta määritellyllä tavalla. Simulaation avulla toteutetussa opiskelussa painottuvat konkreettiset tapahtumat; käsitteet ja teoria ovat toiminnan tukena. Toiminnan avulla opiskelija ymmärtää opiskeltavan aihepiirin. Simulaatio mahdollistaa havainnollisuuden ja luo kokemuksellisuutta. 
Simulaatiolla voidaan auttaa jäsentämään opiskeltavaa asiasisältöä, mutta jokaisen opiskelijan yksilölliset tavoitteet ohjaavat myös oppimistilannetta. Kun oppimistehtävä on määritelty opiskeltavasta aihepiiristä, voidaan rakentaa siihen sopiva simulaatio. Opiskelu simulaatiossa vaatii myös ohjaajan toiminnan, jotta työskentely on tehokasta ja päämääräsuuntautunutta. Ohjaajan roolina on antaa palautetta opiskelijan toiminnasta ja oppimisesta. 
Simulaation avulla mahdollistetaan erilaisia oppimistyylejä tukevia oppimisympäristöjä. Eri oppimistyylejä ovat mm. aktiivinen oppija, pohtiva oppija, looginen oppija ja käytännönläheinen oppija. Simuloitu tilanne voi sisältää kaikille tyyleille sopivia toimintamalleja, jolloin yhä useampi opiskelija saadaan aktivoitumaan, ja sitä kautta oppimistulokset paranevat. Simuloidun toiminnan avulla opiskelija huomaa myös tiedolliset rajoitteensa opiskeltavaan asiaan, mikä haastaa opiskelijan hankkimaan lisää teoreettista tietoa, jotta hän voi tehdä simulaatioharjoituksessa oikeita ratkaisuja ja johtopäätöksiä. Lisäksi simulaatio mahdollistaa erilaisten toimintamallien kokeilun ja auttaa oppijaa huomaamaan sellaisiakin asioita, joita ei välttämättä huomaa formaalissa opetuksessa.
Simulointi on tekemällä oppimista silloin, kun oppija itse käyttää simulaattoria tai muulla tavalla simuloi asiaa. Tällainen simulointi sopii erityisesti kinesteettisille oppijoille. Mikäli simulointia käytetään vain demonstrointiin, kyse on havainnollistamisesta. Tällöin se sopii parhaiten visuaalisille oppijoille. Simulaatio sopii myös etä- ja verkko-opetukseen silloin, kun simulaatio-ohjelma on käytettävissä Internetissä tai ohjelma voidaan jakaa verkon kautta vapaasti oppijoille rikkomatta tekijänoikeuksia.
Opiskelussa riittävän teoreettisen tiedon omaaminen ennen harjoittelua on tärkeää. Lisäksi ohjaamisella ja arvioinnilla on tärkeä rooli. Pelkkä simulaatio-ohjelman käyttö ei takaa hyvää oppimistulosta, vaan sovellus toimii koulutuksessa ennalta määritellyssä roolissa täydentäen koulutustapahtumaa sille ominaisella tavalla. Simulaatio voi toimia opetuksessa ja opiskelussa monissa eri vaiheissa. Vaiheina voivat olla mm. motivointi, harjoittelu, uuden oppiminen ja testaaminen. Hyvä opiskelutilanne hyödyntää monia eri tapoja aistia ja kokea uuden, opiskeltavan asian sisältöä. Pedagogisessa mielessä simulaation tulee mm.:
Simulaatio on tehokas opiskelussa tai osana opiskelutapahtumaa. Simulaatio ei sinänsä korvaa aitoa oikeata tilannetta, mutta se valmentaa toimimaan reaalimaailmassa suunnitelmallisesti, johdonmukaisesti ja järkevällä tavalla. Simulaatiota voidaan käyttää tilanteissa, joissa reaalimaailmassa toimiminen on kallista, hankalaa, turvatonta, vaikeasti muunneltavaa ja joissa havainnollistaminen on tärkeää. Onnettomuustilanteen harjoittelu simulaatiolla on turvallista ja mahdollistaa toistettavuuden, kun taas aidossa tilanteessa ei voi kokeilla eri vaihtoehtoja, vaan päätökset ja toimenpiteet on tehtävä nopeasti ja harkitusti.
Simulointi sopii erityisen hyvin vaarallisten, kalliiden tai hitaiden prosessien havainnollistamiseen ja työvaiheiden oppimiseen. Simulaatiolla ei voi täysin korvata oikean työvaiheen tekemisen oppimista, jos tavoitteena on oikeasti oppia tekemään. Simulaattorilla voidaan harjoitella ja demonstroida mm. virhetilanteita turvallisesti. Vaarana kuitenkin on, että oppijalle jää väärä mielikuva virhetilanteiden ”turvallisuudesta”.
Simulointi voidaan toteuttaa myös draaman keinoin. Tällöin tosielämän tilannetta ja vuorovaikutustilanteita simuloidaan näytellen. Esimerkiksi ensiapukoulutuksessa simuloidaan onnettomuustilannetta, jossa oppijat ovat yleensä auttajien asemassa. Simuloinnissa oppija pysyy yleensä samassa roolissa koko simulaation ajan. Toiminta tapahtuu siis ikään kuin kaikki olisi totta, vaikka jokainen tietää, ettei tilanne ole tosi. Tässä muodossa simulointi on lähellä sosiodraamaa tai tapausharjoittelua.
Simulaatio-opetusohjelmat kehittävät opiskelijan luovuutta, loogista ajattelua, itsenäistä päätöksentekokykyä ja ryhmätyötaitoja. Lisäksi opiskelijan on mahdollista saada välittömästi palautetta oppimastaan, jolloin opiskelijan oman oppimisen arviointi kehittyy. Ammatillisessa koulutuksessa on oppisisältöjen suunnittelussa mahdollista entistä paremmin ottaa huomioon työelämän tarpeet.