參數化設計教學中的項目式學習應用研究

摘要：現代設計教育核心素養與項目式學習的核心理念有共通點，參數化設計課程可以通過以構建核心素養為導向的項目式學習展開，而工作坊教學模式是項目式學習的實施方式之一。文章以無障礙設計工作坊為例，旨在探討項目式學習在參數化設計教學中的應用，以及為參數化設計教學中的項目式學習提供實際應用的案例。同時，在對教學實踐和學生學習成果進行評估和分析的基礎上，為教育者和設計師提供有益的啟示和指導。在以“參數化—無障礙設計”為主題的項目式學習工作坊中，按照項目介紹與衍生主題、軟件技能和工具學習等教學模塊，重點培養學生創新思維、技術能力等方面的素養，取得了階段性的教學成效，展示了豐富的教學成果，促進了學生核心素養的提升。

關鍵詞：核心素養構建 項目式學習 參數化設計 工作坊教學

一、在項目式學習中構建核心素養

現代設計教育的核心素養包括創新思維、跨學科思維、可持續發展意識和團隊合作能力等。只有構建起核心素養，學生才能具備解決復雜設計問題的能力，從容面對復雜的設計挑戰，成為全面發展的設計專業人才。傳統的分科學習不利于學生構建核心素養。這是因為這種學習方式雖然能讓學習者在短時間內認識事物的本質、抓住要點，但是不利于學習者全面地了解知識在生活中投射的原型，不具備發現問題、解決問題的能力，容易造成知識體系的割裂。[1] 如此，當學生面對復雜的問題時會顯得無所適從，無法學以致用。

構建核心素養，需要在項目式學習中展開。項目式學習（Project Based Learning，簡稱“PBL”）是一種教與學相結合的學習方式，它能夠引導學生在一段時間內對真實的、復雜的問題進行探究，以及在對項目的設計、執行和反思中習得核心知識與技能。項目式學習以學生為中心，以學科核心概念為基礎，學生通過收集信息、調研、合作、討論、分析的探究學習過程，最終形成作品產出或解決方案，從而完成知識建構與技能培養，并遷移至現實生活的情境中去。[2]20 世紀末，專注于項目式學習研究的美國巴克教育研究所（Buck Institute forEducation，簡稱“BIE”）將其定義為一種系統性的教學方法，其中包括對復雜、真實問題的主動探究，也包括對項目作品的設計以及對整個項目的計劃與實施，學生通過這些實踐來掌握必備的知識和技能。[3] 可見，項目式學習在一些實操性較強的職業教育領域中有著廣泛的應用。大量實踐證明，它是構建學生核心素養的有效途徑之一。

項目式學習的核心理念是創造性地解決復雜的真實問題，核心要素由核心知識理解與成功培育、驅動問題、持續探究、真實情境、自主權利、自我反思、評價修改、公眾展示八個方面組成，[4] 具備從多方面推動人的全面發展的能力。項目式學習和設計教育核心素養的基本內涵存在多方面的共通點，這些共通點既是對學生創意實踐能力培養的作用點，又是學生創意實踐能力的生長點。我們可以清楚地看到，項目式學習是在用中學、做中學、創中學，與設計教育核心素養之間有深度關聯。正如陶行知先生所言：“手和腦一塊兒干，是創造教育的開始；手腦雙全，是創造教育的目的。”

二、參數化設計教學模式的特點及問題

參數化設計（Parametric Design）作為一種以計算機技術為依托，通過尋找與設計問題相適應的“算法邏輯”，建立起從設計條件到設計結果之間的聯系，并動態地生成結果的數字設計新方法，具有強烈的學科和技術交叉屬性，有利于研究者建立起“設計”與“研究”的聯系，發揮研究在設計中的作用，進而走向“研究型設計”。[5] 設計工具和方法的特性使參數化設計課程呈現出一些有別于傳統設計課程的特殊之處。其一，參數化設計課程中常常涉及數學算法、結構力學、虛擬仿真、材料分析、機器學習等跨學科知識的交叉應用，在一個設計任務中有可能涉及多個學科知識的交叉。隨著研究的深入，該課程所需的跨學科知識會逐漸顯現出來，甚至在某些情況下呈現出一定的不可預測性。其二，參數化設計課程能與眾多可以實現數字量化的研究相結合，如集群智能、遺傳算法、物理交互等，體現出聚焦非線性科學、強調跨學科融合、引入前沿技術的特色。其三，設計平臺的開放性和數字化使參數化設計課程體現出注重實踐、項目導向、多樣化和靈活性的結構特征。其四，參數化設計課程強調設計的邏輯性，而邏輯性的表達則需要通過可視化編程來實現。

在這種情況下，傳統的課堂教學模式就難以滿足參數化設計教學的需求。因為在有限的課堂教學時間內，教師不可能對所有知識點一一講授。相較于其他藝術類課程，參數化設計課程更偏向技術性研究，教學過程相對枯燥，導致很多學生的學習積極性不高。由此決定了參數化設計課程亟待向以構建核心素養為導向的項目式學習模式轉變。

三、參數化設計工作坊教學實踐

工作坊（workshop）教學模式是一種通過實踐和互動來傳授知識和技能的教學模式，學生可以在一個主題下進行實操性的學習和探索，鍛煉剖析和解決復雜問題的能力。工作坊在教學場景中的實踐源自包豪斯學院的“作坊訓練”。這種小班化的教學組織形式在思維發展、實操鍛煉和師生互動等方面效果顯著，后來慢慢演化為工作坊教學模式。[6] 工作坊教學模式注重實踐和互動，著重解決學生的實際問題，培養學生的自主學習能力，是一種非常實用和有效的教學模式，具有實踐性強、強調互動、著重于解決問題、基于場景、倡導自主學習的特點，與以構建核心素養為導向的項目式學習的教學目標有深度關聯。工作坊教學模式可以作為項目式學習的實施方式之一，用于組織和引導學生在項目中的實踐學習。同時，這種以實踐為主的教學模式也有利于將參數化設計教學中多門類、跨學科的因素進行整合，有助于加強學生對參數化設計原則和技術的理解，并促進知識的應用與遷移。

帶著對實驗性、交叉性、鏈接性的深層追問，南京藝術學院設計學院參數化設計教學始終走在探索的道路上。學院組織的以“參數化—無障礙設計”為主題的項目式學習工作坊教學活動，圍繞培養學生七個核心素養展開：第一，創新思維。鼓勵學生創新設計方案，培養他們在設計過程中獨立思考、提出新穎觀點和創造性解決問題的能力。第二，技術能力。學生將學習使用參數化設計軟件和編程工具，掌握參數化設計的技術和工具，使設計手段更加靈活，調節和修改過程更加快捷。第三，跨學科思維。參數化設計涉及多個交叉學科，如結構設計、計算機科學、材料學、數學等。通過教學培養學生的跨學科思維能力，綜合運用不同領域的知識和技能解決復雜的設計問題。第四，問題解決能力。參數化設計課程培養學生的問題解決能力，學生將學習如何通過迭代、優化和調整參數來改進設計，并從失敗中總結原因。第五，團隊合作與溝通能力。通過課程教學，學生將學習如何有效地交流想法、接受反饋并進行合作。第六，批判性思維。學生將學習對設計進行批判性分析和評估，考慮不同參數設置的優劣，并評估設計方案的可行性和預期效果。第七，自主學習能力。課程將培養學生自主學習的能力，鼓勵他們積極主動地探索和學習新的參數化設計技術和工具，并不斷拓展自己的知識和技能。

項目式學習的實踐通常分為項目啟動、框架建構、項目執行和成果展示四個基本步驟。[7]為了激發學生的積極性，在啟動教學活動之前，教師充分考慮學生的發言權和選擇權，選擇有意義的大項目框架。其中，子項目選擇的自主權屬于學生，教師在此過程中只扮演指導者的角色。這也就是說，教師不宜把既定的項目強加給學生，而是要基于對學生的意愿進行評價的基礎上，引導學生進行項目選擇。在這一過程中，教師應該對項目的可行性與研究價值進行評估，如果有必要可對學生選擇的項目進行適當的調整，或建議學生重新選擇項目。同時，教師也應該注意在項目選擇上遵循生活化、開放性和適度性的原則。[8] 學院本次的工作坊教學活動主要細分為以下六個模塊：

第一，項目介紹與選題規劃。在工作坊啟動之初，系統會向學生介紹參數化設計的概念和應用領域，解釋無障礙設計工作坊的目標和預期學習成果，并且為學生提供空間尺度、社交尺度和微尺度三個選題框架。

第二，軟件技能學習。學生通過培訓課程學習創建參數化模型，掌握操作和轉換數據的技巧，了解Grasshopper 的腳本編程功能。比如，使用C# 或Python 編寫自定義腳本，以及探索與其他插件的集成擴展，對設計方案進行優化，并分析其性能，最終能夠應用軟件進行參數化設計和創造性建模。

第三，實地調研與問題分析。工作坊開展此次教學活動前期，設計小組與中國3D 打印博物館、上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院臨床研究中心、光韻達數字醫療中心等相關機構和專家進行了一系列專業交流活動。通過實地調研，深入了解了3D 打印與無障礙設計的現狀和發展方向，以及參數化設計和3D 打印的技術特征，從而獲得了一定的感性認識和技術基礎。在此基礎之上，設計小組將采用態勢（SWOT）分析法對市面常規無障礙輔具的功能、造型、結構、材質等方面進行分析研究。

第四，項目規劃和概念設計。學生團隊綜合前期調研所獲得的項目認知和技術學習，主動選擇或由教師分配項目，之后制訂詳細規劃，開始概念設計，包括草圖、初步模型和初始參數定義。在此階段中，教師引導學生運用多種思維工具，如“和田十二法”“頭腦風暴法”等，激發學生的創造性設想，從而初步獲得創造性思路，最終形成空間尺度、社交尺度和微尺度三個選題框架下的一系列小選題，如兒童助聽器設計、義肢設計、家具設計、女性助聽器設計、腰托設計等。

第五，參數化建模與迭代優化。使用參數化設計手段和編程工具創建參數化模型時，通過調整參數和變量以實現設計目標，同時將設計邏輯進行數字化轉譯并融入設計過程中。設計過程中教師與學生互動，指導學生運用算法和參數優化技術對生成的模型進行改進和迭代優化，使產品更具科學性、增益性。如此，在操作實踐中就能夠加深學生對本質問題的領悟，引導學生及時發現設計的不足，鍛煉其處理復雜問題的能力。產品的每一次迭代都嵌入了項目組成員的集體反思和評價，最終找到解決復雜問題的理想方案。

第六，生產制造與成果展示。學生團隊輸出最終模型，結合制造工藝和技術生成可實施的制造方案并制造產品，再通過舉辦展覽的方式展示最終實物成果。

經過本次12 周的項目式學習工作坊教學，南京藝術學院設計學院的20 位研究生在6 位教師的指導下完成了如可調式定制化腰椎固定支具、仿生超輕頭盔、仿生輪椅、模塊化義肢、AR（Augmented Reality，增強現實）助聽器、兒童助聽器、智能折疊導盲杖等30 件作品的設計，并舉辦了教學成果展覽。

四、教學成效與思考

從教學實踐成果來看，本次工作坊教學取得了階段性的成效，教學成果獲得了第六屆全國大學生藝術展演工作坊一等獎、江蘇省大學生藝術展演特等獎等榮譽。從成效來看，將項目式學習工作坊教學模式應用在參數化設計教學中，對學生學習積極性的調動、跨學科研究能力的提升、綜合實踐應用技能的掌握、批判性思維與自主學習能力的培養、團隊合作與溝通能力的提升等方面都起到了明顯的推動作用。從教學組織方式來看，由于項目式學習工作坊教學模式與傳統教學模式在教學形式、組織結構、學習重點等方面有所區別，因此難以在目前的教學組織架構中全面開展。

對于參數化設計教學來說，有必要建立一種常態化的“雙軌制”教學模式，即“基礎課程”與“工作坊教學”相結合的模式。“基礎課程”為學習者提供參數化設計的理論基礎和基本概念，學生可以通過這些基礎知識了解參數化設計的原則、技術和應用領域，這為他們進一步參與工作坊提供了必要的基礎。“工作坊教學”注重實踐和實際應用，通過實際項目和案例來教授參數化設計技能。學生可以在實際的設計環境中應用他們在基礎課程中學到的知識，將理論應用到實踐中去。這種實際操作可以加深學生對參數化設計概念的理解，提高其技能水平。通過“雙軌制”的教學模式，為學習者提供基礎性學習和項目式實踐經驗，培養他們的技能、創造力和問題解決能力。這種綜合的學習模式有助于學生全面發展，并為他們在參數化設計領域取得成功奠定堅實的基礎。

五、結語

隨著人工智能和機器學習技術的不斷發展，以及可持續發展意識的不斷增強，參數化設計將與其他學科領域更加深入地融合，更加注重可視化和交互性。未來的參數化設計將朝著智能化、可持續性、多學科融合、可視化交互和開放共享的方向發展，這將帶來更高效、創新和可持續的設計解決方案，推動設計領域的進步和發展。為了適應未來的參數化設計發展趨勢，參數化設計教育應該注重項目式學習教學模式的應用，及時更新教學內容和方法，將培養學生綜合應用能力、解決實際問題的能力、可持續設計的思維方式、參數化模型的交互建構能力等核心素養作為重心，鼓勵學生參與開源項目和合作設計。同時，也要關注以構建核心素養為導向的設計教學的方法和策略，促進學生核心素養的真正提升。

本文為2022 年度高校哲學社會科學研究一般項目（項目編號：2022SJYB0422）的階段性成果。

注釋：

[1] 許華紅. 淺議基于項目的學習的益處[J]. 科技視界，2014（13）：174+232.

[2] 吳晗清， 穆銘. 科學領域核心素養達成的利劍： 融合理化生的項目式學習[J].教育科學研究，2019（1）：50-54+60.

[3] 李曉飛， 鄭琪. 我國項目教學研究熱點與趨勢的可視化分析[J]. 電子技術，2018，47（12）：26-29.

[4] 劉陽丹. 基于項目式學習課程開發的生物學教師工作坊建設[D]. 華東師范大學，2020：12-13.

[5] 詹和平， 徐炯. 從三次中外參數化設計工作坊聯合教學看設計與研究的結合[J]. 創意與設計，2017，（5）：56-63.

[6] 王燕， 吳利平. 工作坊在護理教育中的應用現狀[J].中華護理教育，2018，15（1）：70-73.

[7] 同[4]。

[8] 王艷輝. 基于多元智能理論的大學物理實驗項目學習研究[D]. 湖南大學，2008.