aalto1 untyped-item.component.html
Re-innovating engineering education: The role of Digital Twin and emerging technologies
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2026-01-09
Electronic archive copy is available via Aalto Thesis Database.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
98 + app. 62
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses, 14/2026
Abstract
While the technologies used in modern industry have rapidly advanced, engineering education has been much slower to change. Bridging that gap is no longer optional, it is essential. As technologies, such as artificial intelligence, robotics, and virtual reality, become more central to industrial processes, students need new ways to connect theoretical understanding with hands-on problemsolving. This dissertation examines the ways in which digital twins, emerging technologies, and immersive environments can help close that gap. Conventional teaching methods, especially lecture-based instruction, often struggle to prepare students for complex, dynamic systems. In contrast, tools, such as digital twins and VR simulations, offer a more exploratory and interactive way of learning. They allow students to test, visualize, and adapt in ways that mirror professional engineering practice. However, the successful use of such tools in education calls for more than just access to technology, it requires thoughtful integration into the curriculum and pedagogy.
This research is built around three case studies. The first looks at the application of digital twins in machine automation education to support deeper understanding and real-time system interaction. The second introduces a maturity assessment tool, OQEM, designed to help institutions and companies evaluate the readiness of emerging technologies to be effectively used. The third case focuses on a virtual reality platform called Holodeck. Results showed that it improved students’ motivation and spatial skills, especially among those who initially struggled with visualizing technical systems.
In this research, the TPIK model (Technological, Pedagogical and Industrial Knowledge) was developed and applied which combines technology, pedagogy, and work-life relevance as the starting point for the design and implementation of teaching. Unlike previous models, TPIK places the needs of industry at the heart of the curriculum and provides tools to meaningfully connect learning objectives as well as work-life expectations.
The findings suggest that students benefit most when advanced technologies are gradually introduced, in ways that complement rather than replace traditional methods. Blending interactive simulations, real-time data, and structured guidance proved particularly effective. To render this sustainable, institutions should invest in teacher-training, build an adaptable infrastructure, and closely work with industry. The key findings of this dissertation demonstrate that digital technologies can enhance engineering education when their adoption is pedagogically grounded and aligned with technological maturity. In the Digital Twin course (P1), pass rates exceeded 92% with students reporting increased motivation and deeper technical understanding (n=596). In the Digi-Flash project (P2), the OQEM method was applied in 25 experiments to assess the maturity of five emerging technologies across multiple industries. The Holodeck study (P3) showed improved learning outcomes in pneumatic component identification and increased student engagement in the VR group (n=96). These results highlight that the integration of technologies is most effective when these three approaches, interactive simulations, real-time data, and structured pedagogical guidance, are combined.
Teollisuudessa käytettävä teknologia on kehittynyt viime vuosina huomattavan nopeasti, kun taas insinöörikoulutuksen opetuskäytännöt ovat muuttuneet hitaammin. Näiden kahden välinen kuilu ei ole enää pelkästään huomionarvoinen, vaan sen kaventaminen on välttämätöntä. Tekoälyn, robotiikan ja virtuaalitodellisuuden kaltaisten teknologioiden tullessa osaksi teollisuuden arkea, opiskelijat tarvitsevat uudenlaisia tapoja yhdistää teoreettinen osaaminen käytännön ongelmanratkaisuun. Tämä väitöskirja tarkastelee, miten digitaaliset kaksoset, kehittyvät teknologiat ja immersiiviset oppimisympäristöt voivat tukea tätä muutosta. Perinteinen, erityisesti luentopainotteinen opetus ei usein riitä valmentamaan opiskelijoita monimutkaisten ja dynaamisten järjestelmien ymmärtämiseen. Sen sijaan esimerkiksi digitaaliset kaksoset ja VR-simulaatiot tarjoavat opiskelijoille mahdollisuuden kokeilla, havainnollistaa ja kehittää osaamistaan tavalla, joka muistuttaa nykyaikaista insinöörityötä. Teknologian tuominen opetukseen ei kuitenkaan yksin riitä – se vaatii pedagogisesti harkittua ja vaiheittaista käyttöönottoa.
Tutkimus perustuu kolmeen tapaustutkimukseen. Ensimmäisessä tarkastellaan digitaalisten kaksosten käyttöä koneautomaation opetuksessa ja niiden tarjoamia mahdollisuuksia syvemmän ymmärryksen ja reaaliaikaisen järjestelmävuorovaikutuksen tukemiseen. Toisessa esitellään OQEM-kypsyysanalyysimenetelmä, joka auttaa oppilaitoksia ja yrityksiä arvioimaan, missä vaiheessa kehittyvien teknologioiden käyttöönotto on tarkoituksenmukaista. Kolmas tapaus keskittyy Holodeck-virtuaalitodellisuusympäristöön, jonka havaittiin parantavan erityisesti opiskelijoiden motivaatiota ja avaruudellista hahmotuskykyä – etenkin niiden kohdalla, joille tekninen visualisointi on aluksi haastavaa.
Tässä tutkimuksessa kehitettiin ja sovellettiin TPIK-malli (Technological, Pedagogical and Industrial Knowledge), joka yhdistää teknologian, pedagogiikan ja työelämärelevanssin opetuksen suunnittelun ja toteutuksen lähtökohdaksi. Toisin kuin aiemmat mallit, TPIK asettaa teollisuuden tarpeet opetussuunnitelman keskiöön ja tarjoaa välineitä yhdistää oppimistavoitteet ja työelämäodotukset mielekkäällä tavalla.
Tulokset osoittavat, että opiskelijat hyötyvät eniten, kun kehittyneitä teknologioita otetaan käyttöön hallitusti ja niitä hyödynnetään täydentämään – ei korvaamaan – perinteisiä menetelmiä. Parhaat tulokset saavutettiin yhdistämällä vuorovaikutteiset simulaatiot, reaaliaikainen data ja ohjattu oppimisprosessi. Jotta muutos olisi pysyvää, tarvitaan opettajien jatkuvaa koulutusta, joustavaa infrastruktuuria ja tiivistä yhteistyötä työelämän kanssa. Tämän väitöskirjan keskeiset tulokset osoittavat, että digitaaliset teknologiat voivat parantaa insinöörikoulutusta silloin, kun niiden käyttöönotto perustuu pedagogiseen suunnitteluun ja teknologian kypsyystason arviointiin. Digital Twin -kurssilla (P1) läpäisyprosentti ylitti 92 %, ja opiskelijat raportoivat lisääntynyttä motivaatiota sekä syvempää teknistä ymmärrystä (n=596). Digi-Salama-hankkeessa (P2) OQEM-menetelmää sovellettiin 25 kokeilussa viiden nousevan teknologian kypsyystason arvioimiseksi eri toimialoilla. Holodeck-tutkimuksessa (P3) VR-ryhmän (n=96) oppimistulokset pneumaattisten komponenttien tunnistuksessa paranivat ja opiskelijoiden sitoutuminen kasvoi. Tulokset korostavat, että teknologian pedagogisesti vaikuttava käyttö edellyttää vuorovaikutteisia simulaatioita, reaaliaikaista dataa ja ohjattua oppimisprosessia.
Description
Supervising professor
Tammi, Kari, Prof., Aalto University, School of Engineering, FinlandThesis advisor
Kullaa, Jyrki, Principal Lecturer, Metropolia University of Applied Sciences, FinlandOther note
Parts
- [Publication 1]: Liljaniemi, A., & Paavilainen, H. (2020). Using digital twin technology in engineering education–course concept to explore benefits and barriers. Open Engineering, 10(1), 377-385.
DOI: 10.1515/eng-2020-0040 View at publisher
- [Publication 2]: Liljaniemi, A., Paavilainen, H., & Tuominen, T. (2023). Digi-flash pedagogy confronts new emerging technologies-Maturity level evaluation case study. Cogent Engineering, 10(1), 2186201.
DOI: 10.1080/23311916.2023.2186201 View at publisher
- [Publication 3]: Liljaniemi, A., & Paavilainen, H. (2025). Enhancing engineering education through immersive environments: A study of the Holodeck VR system in hydraulics and pneumatics. Cogent Education, 12(1), 2530900.
DOI: 10.1080/2331186X.2025.2530900 View at publisher