环境设计数字化设计教学体系探究

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摘要：探索建立环境设计专业数字化设计教学体系。在对国内环境设计专业数字化设计教学的现状进行调查的基础上，总结了在教学环节中的不足，探讨了环境设计专业未来的发展方向，提出了环境设计专业数字化设计教学体系的构建方法。建立环境设计专业数字化设计教学体系的框架。该方法可以为国内环境设计专业数字化转型提供参考。

关键词：环境设计专业数字化设计参数化设计设计方法教学方法

引言

随着信息时代的到来，各种数字化技术由于其自由、高效、精确等优点被广泛地应用于设计行业中。由此，设计专业也迎来了一场空前的技术革命。但由于国内环境设计教育大多借鉴“布扎”和包豪斯教育体系，并不完全“包容”以数字技术作为设计工具和教学载体的数字化设计教学。加之很多高校对数字技术的理解存在误区，导致目前国内环境设计专业数字化设计教学体系相对单一化且缺乏系统性。在这样的背景下，探讨环境设计专业数字化设计教学体系便具有了现实意义。

一、国内环境设计专业数字化设计教学的现状

环境设计是一门新兴的学科专业，经过近70年的发展，已经成为涵括建筑设计、景观设计、室内设计等许多方面；设计对象涉及自然生态环境与人文社会环境各个领域的综合学科。但其教学体系大多依托于建筑学基础而展开，同时将艺术学、风景园林学等学科理论“拿来主义”式的应用，一直没有形成系统的专业教学理论。面对当前新的数字化浪潮，环境设计学科的发展面临前所未有的机遇与挑战，国内设计院校纷纷行动起来，相继开展了数字化设计教学的实践。如：清华大学美术学院是国内最早开展数字化设计教学的高校。2006年左右由徐卫国教授开始尝试在建筑学专业开设参数化非线性建筑设计课程，随后环境设计专业也开设了数字设计思维等课程，经过多年的教学实践，已经取得了丰硕的理论和教学成果。于此同时，同济大学在数字设计和建造方面开始了教学尝试，开设有开源硬件与编程、数字化环境等课程，并且每年举办一届DigitalFUTURES工作营，十分注重与国际专业前沿的交流；南京艺术学院开展数字化设计教学始于2010年，采用中荷联合教学的方式开设了实验性设计、毕业设计——参数化设计，注重从设计到建造的全过程教学，在国内外各类设计竞赛中成果斐然；江南大学将算机辅助设计作为专业选修课，并设有虚拟现实实验室、交互设计实验室、先进制造实验室等数字实验平台，把虚拟现实技术与设计教学进行了深度融合。这些院校的共同特点是在数字化设计教学活动中都以参数化建模、生成设计、算法、数控建造、虚拟现实等“数据编译”内容为教学核心。还有一部分如：苏州大学、浙江大学、湖南大学、北京服装学院等代表了国内绝大部分环境设计专业的数字化设计教学内容，即以常规的CAD、Sketchup、photoshop等“图形表达”内容为教学核心。最后还有个别院校如中国美术学院等，在本科教学期间不开设数字化设计的课程，相关的知识主要靠学生在课下自行学习。

二、存在的不足

（一）数字化设计教学方式单一化

从以上国内环境设计专业数字化设计教学的内容可以看出，在数字技术的使用上有单一化的现象。例如，清华大学、同济大学等以参数化建模、算法设计等数字技术为核心的设计教学过程中，几乎都排除了对常规计算机辅助绘图软件的教学。而国内大多数院校的数字化设计教学还是围绕对CAD、Sketchup等软件的操作方法的讨论，甚少将“算法设计”类技术作为设计手段。这使得与参数化设计等数字技术有关的教学具有明显的精英化教育的倾向。虽然某一时期内，参数化建模、算法、数控建造等数字技术不是多数高校环境设计专业学生必须掌握的基本技能，但是长远来看，缺失以上几个部分的数字化设计教学，将使得数字技术之于环境设计教学的作用容易停留在表达层面，不仅无法让数字技术在设计教学中真正发挥出自身的潜力，也无法拓展本专业在教学内容方面的深度。

（二）对数字技术的理解存在误区

从上世纪80年代开始，计算机辅助设计技术（CAAD）开始广泛地应用于国内的设计行业和高校的教学之中。现今，对CAD、sketchup等软件的使用和掌握已经成为环境设计专业学生的必备技能。这也导致绝大多数院校的师生对数字化设计的认识也停留在采用各种图形技术，以传统的平、立、剖面图或效果图来表达设计造型的阶段。但随着人工智能、大数据等新技术的蓬勃发展，以及数字化设计的理论体系的逐渐成熟，其智能化、高精度、自组织、以及设计过程与生产过程相关联等特性，使数字技术开始在各个设计领域中崭露头角。在这种情况下，如果仍将数字技术单纯地视为是辅助绘图的工具，那么这样的认识不仅不能使数字技术真正融入以建造为目的的环境设计核心，也难以发挥数字技术作为设计工具和思维方式的强大作用。

（三）缺少与学科内部及外部的联系

数字化设计课程的教学不能完全脱离环境设计专业其他课程而独立纯在，且与相关学科有着密不可分的联系。国内大多数院校都会在大二至大三学年开设独立的计算机辅助设计类课程，固然有助于推动高校数字化设计教学的开展。但在课程性质上，大多属于设计基础课类中的专业选修课，内容上与其他主干设计课程也缺少教学内容上的连贯性。尤其是部分院校禁止或者不提倡学生在学习设计之初便接触电脑，担心学生因为电脑绘图的便捷而忽略手工制图的表达，这无疑会对数字技术在学科内的推广和应用造成了较大阻力。此外，当代数字化设计是一种自下而上式的思维模式，强调设计结果与环境变量之间的响应与互动，其设计过程往往涉及到数学算法和计算机编程语言的相关知识。这对于当前的环境设计教学体系无疑提出了很大的挑战，一方面优秀的数字化设计教学师资紧缺，无法对以上课程提供有针对性的前导教学；另一方面，环境艺术专业的学生长期受到艺术、哲学、历史等人文学科的熏陶，对于这类偏理工思维的跨学科知识往往抱有敬而远之的态度。以上种种无疑增加了学生掌握数字化设计方法的难度。

三、环境设计专业数字化设计的发展方向

虽然在国内环境设计专业的数字化设计教学推进中遇到了各样的阻力，但在“实践先行、理论跟上”的学科指导思想下，近年来，数字化建筑设计教学已经呈现出了多种层面的教学转向。

（一）从表达工具到设计方法

目前，国内大多数环境设计专业的数字化设计教学是讲授CAD、Sketchup、photoshop等软件知识为主，其优点是：简单易学、绘图效率较高、有助于学生完成各种课程设计的表达，且其在环境设计专业的课程体系中相对独立，便于灵活的采用选修课或自学的形式完成知识的积累，堪称普及程度最高的数字化设计表达“工具”。而与之相对应的，国内如清华大学、同济大学、南京艺术学院等学校开设了以运用算法生成、结构找形、数控建造等数字技术为主的数字化设计教学。这种伴随着计算机技术发展而来的新设计方法，诞生于上世纪90年代哥伦比亚大学的“无纸化”教学中，其设计理论受到了法国后现代哲学家吉尔．德勒兹提出的“游牧政治学”、“茎块”理论、“生成”理论等概念的影响。在工作中设计师借助Grasshopper、processing等编程工具，制定算法和生成逻辑，通过对功能、环境影响、经济制约等客观因素的分析，可以量化事物之间的设计逻辑，通过参数的改变来控制设计形态的产生、发展、变化、修改，从而获得自由、动态、复杂、多解的形态，为设计者提供解决问题的新方法。其不同于传统基于欧几里得几何空间的空间思维方式和非线性的思考方式，使得数字技术不再作为单纯的设计图像表达工具，而是可以作为一种设计方法被越来越多的设计师所认识。

（二）从自上而下到生成设计思维

设计者对于设计的理解及其思维意识对设计成果有决定性的作用，因此在设计教学中培养学生的设计思维至关重要。目前的环境设计教学体系长久以来受到“布扎”体系的影响，形成了一套以设计者为主体，基于设计者主观判断定制设计决策的设计思维培养方式。随着时代的发展，设计者所要处理的设计信息愈加的复杂化和多元化，这种“自上而下”的设计思维的局限性也逐渐显露出来：设计过程在大脑这个“黑箱”中的推导过程具有强烈的个性特征，对于设计上的交流有一定的障碍；基于个人经验判断的设计过程在设计精度上也存在局限；最终设计方案的修改和存储也繁琐且耗时。因此，随着数字技术的发展，国内外很多高校开始尝试由建筑形态基层构成要素出发，基于建筑性能变化规律，以自组织方式自下而上地生成设计结果的研究。比如哈尔滨工业大学与Hperbody研究组合作开展了基于风环境模拟数据的非标准建筑形态生成设计探索就充分发挥了数字技术的复杂数据计算优势。生成设计思维引领了设计领域的新趋向，其具有的逻辑性、创造性、开放性、动态性、交互性等特点，为环境设计课程体系中的设计思维教学提供了新的思路。

（三）从数字化表达到数字化建构

环境设计专业的培养体系强调学生的动手能力和社会实践能力，把工艺技术放到与视觉艺术平等的位置。因此，环境设计专业的高年级教学中常常会引入结构、材料、构造等与建造相关的工程知识。它要求学生抛开形体、空间的外部形式，转而去思考形体、空间的内部所应具备的结构逻辑、构造逻辑和材料逻辑。其中所蕴含的设计理性既是建筑得以物质化呈现的关键，又是建筑得以抵抗图像化的一种方法。但在实际的教学中，以表现建筑形式、空间为主要功能的数字技术的广泛使用一定程度上削弱了学生对建造知识的关注。普遍开展的模型制作教学虽然能够让学生通过实体模型完善形体推敲、空间组织、空间造型、结构体系甚至材质肌理的训练，但由于材料和加工方式的限制，往往建筑模型无法模拟实际建造中可能出现的施工及建造难题，建造知识的学习面临与实际操作脱节的困境。基于参数化设计的数字技术很好地弥补了设计与实际建造之间的缝隙。借助Rhino、Grasshopper等参数化设计工具，复杂建筑形式及其节点都可以借助计算机的算法转化为“数据链”，并由激光雕刻机、数控机床、三维打印等设备输出精确的“随机构件”，并可以让学生亲手搭建起来，如图1。这样由学生掌控设计、加工、建造全过程的“建构训练”，更有机会加深对他们材料性能、建造技艺、材料工艺、建筑生产模式的理解。

四、环境设计专业数字化设计教学体系构建

（一）渐进式的教学体系

在数字化建筑设计教学中，从表达层面到建构层面，其知识点的难度总体上呈现递进关系，因此可以按照渐进式的方式在本科二年级到四年级分别镶入数字化设计的教学内容，如图2。在本科二年级，学生需要掌握表达层面的技法，软件知识和数学、编程、数字化设计理论构成了数字化设计教学的基础。其中的软件知识主要是指CAD、sketchup、photoshop等以数字技术在电脑中生成设计形体，让学生获得最基本的数字化绘图能力。同时，可以将数学、编程和数字化设计理论知识合并成一门“数字化设计概论”课程作为学科基础课。设置这门课程的目的在于让学生了解算法、数据分析、生成设计、参数化设计、机器人建造等方面的基本数理知识使学生对于数字化设计的发展过程、涉及的数字技术及其应用情况、相关理论与哲学思想均有一定了解，明确数字化设计与传统设计在方法和思维上的差异和联系，为后续数字化课程的学习做好前导知识的积累。环境设计专业在三年级的教学内容通常包括功能与空间的组合、建筑设计方法、室内设计、景观设计、材料与技术的选择运用等。教学目标通常强调环境、文化等与设计的联系，注重学生思维能力的训练、训练学生解决设计问题的能力。在这个阶段，数字化设计教学主要培养学生运用参数化设计工具解决造型与结构方面的实际问题的能力，使学生掌握一种非线性的设计思路。同时，由于本次设计的目的是以实施为前提的，所以在设计之初就要求学生将其他课程中所学习的结构、构造等知识融入到方案设计之中，因此，通过这个阶段的训练，能够训练学生多角度的方案构思能力、基于物质基础的结构设计能力和复杂造型的表达能力。在课程的设置方面，以上内容中的软件知识可以在独立的“计算机辅助设计”课程中讲授，而有关数字化设计与实施方面的教学内容可以根据各院校情况穿插在“家具设计”或“建筑设计”等设计主干课程之中。在本科四年级，在这个阶段学生已经完成了支撑环境设计的关键能力训练和理论储备，解决设计问题的专业能力以及拓展设计的创新能力开始成为教学的重点。在这个阶段的数字化设计课程也开始关注设计的深度问题，期望通过完整的“数据链”，完成从算法找形，数控加工到实体建造的过程，最终的设计作品会以实体模型或等比例构筑物的方式呈现。在这个过程中，除了材料的加工与连接方式，学生还需要深入到对于构造法则的了解，以便让材料通过合理的组织、有序的加工、连接，来完成各个细部的组成并保证其所应有的功能性，如此能够让学生有机会从虚拟的设计“图纸”到真实的实体建造的转向，从而得到实体建造层面体验，思考、检验和反思自己的设计的机会。以上教学内容可以用“数字建造”专题课程或结合毕业设计来开展。总体来说，上述以时间维度划分的教学节点与数字化设计教学内容和学习难度存在着一定的渐进关系，即关注软件操作学习的课程对应于设计表达层面，关注形态和结构问题的课程对应于实施层面，关注实体建造问题的课程对应于建构层面。

（二）多样化的教学方式

对应以上三个时间维度的教学内容各有不同，采用的教学方式也可以结合各个学校的教学资源进行相应的调整。在低年级的软件的学习上，知识点相对分散、网络学习资源丰富、学习难度较低，教师可以采用课堂讲授加学生自学的方式，结合网络教学资源的学习，可以让学生掌握基本的数字化图形表现技法的前提下，个性化地学习其他相关的软件知识，拓展数字化表达的多样性。在三年级的数字化设计课程学习中，可以将虚拟现实技术和课堂教学联系起来，充分发挥体验式学习的优点，让学生在虚拟现实空间中体验空间与人的关系、参数与形态的互动、激发学生学习兴趣。同时，在这个阶段的软件知识的学习上，会出现一个明显的爬坡期，与数学、编程相关的知识点显著增加。因此，在教学方法上更要发挥网络教学与课堂教学相结合的授课模式，充分调动学生的课外时间，使数字化设计工具的运用和设计思维同步起来。在高年级的课程教学中，着重实施和建造层面的教学实践，所有的教学环节都穿插在学生亲自建构作品的过程中。在这种实践性的要求下，相关设计教学可以采用产学合作的方式开展。通过这样的方式，高校的教学资源能够与行业的设计资源形成互动，从而让学生能够在学习中了解企业与市场的需求，熟悉设计行业的产业上下游关系，节省高校在培养环境设计专业数字化设计人才方面的开支。

（三）数字化设计教学知识点与现有设计课程的融合

数字化设计教学的教学体系必须与现有的主流环境设计教学体系相互融合，其在设计方法、思维、手法的上的差异并不是对原有教学体系的颠覆，而是形成互为参照、互为补充的关系。环境设计专业在低年级大多会开设“工程制图”、“环境设计初步”、“优秀设计作品鉴赏”等专业基础课程。在授课内容上，会要求学生学习基本的工程作图方法、空间组织的基本原理以及对经典的设计作品解读和抄绘。在这些教学环节，可以将“软件学习”与这些课程结合起来，在完成尺规作图的之后，进一步采用设计软件的数字建模能力可以让学生更加直观地体会二维到三维的“空间训练”，强化学生对于环境空间的理解，同时也能够促进他们应用数字技术的熟练程度。由于数字技术在设计领域的应用的深度和广度逐年增加，所以在高年级的课程中，数字化设计教学与其他设计课程都有很好的契合度，比如家具设计、陈设设计、展示设计、建筑设计、景观设计、城市设计、数据可视化设计等都能够找到非常成功的教学案例，如图3。同时，由于数字技术在设计思路、设计深度、可建造性等方面与传统设计课程的明显差异性，可以让学生在亲身参与的建构过程中接触到课本中较少提及的“工序”与“合作”的概念，这可以为现有的环境设计教学体系提供教学内容方面的补充。

（四）优秀师资的培养

当下开展数字化设计课程教学的主要难点是数字化设计教学相关师资的缺乏。虽然国内开设数字化设计课程的时间较早，但由于数字化设计课程体系不够健全，相关教材建设不够完善，配套金费投入和实验设施还有待加强，导致目前国内多数高校难以集中师资开展数字化的相关教学。很多院校想到了借助与国外前沿的设计院校联合办学的方式。比如、同济大学与美国南加州大学（USC）合作，后来发展成为DigitalFuture工作营；南京艺术学院与荷兰代尔夫特理工大学建筑学院采取联合教学的方式完成实验教学；其后如华南理工、华中科技大学、湖南大学、香港大学等也参与到这一行列中来。数字化设计工作营有效地促进了最新的设计思想及技术方法的交流，起到了数字设计启蒙的作用。但要真正解决数字化设计教学所需的师资问题，不是靠某一种数字技术、某种数字化设计方法或某一门课程，而是需要一个能够持续性地培养数字化设人才的教学体系。因此，在环境设计专业现有的培养体系内融入数字化设计相关教学内容，给学生建立清晰的数字化设计知识体系，建立完善的培养机制才是解决数字化设计教学落地的关键。

五、总结

数字技术的发展与应用不仅从根本上改变了当前设计的方式和手段，更是改变了设计的理念，设计过程不再是割裂的阶段，而是在由“数据链”串联起来的完整过程。但环境设计教学体系中，数字技术的应用任然停留在图形表达层面，从设计工具到设计思维的滞后严重阻碍了环境设计专业的发展。论文研究国内环境设计专业数字化设计教学的现状的基础上，分析了数字化设计教学存在的问题，结合行业发展的趋势，探讨了数字化设计教学的发展方向，进而以建立环境设计专业数字化设计教学体系为导向，从教学内容的推进、教学方式的多样化和学科内部和外部的融合三个层面分析了建立数字化设计教学体系的框架。其意义既可以指向未来的环境设计教育的需求，还在于拓展和丰富了环境设计专业的知识疆域和教学边界。

作者:罗斌 单位:武汉科技大学艺术与设计学院