基于開放實驗的建筑空間重構教學設計與實踐

楊榮彬，謝再新，段卓琦，鄭曉虹，胡永茂，李筱琪

（大理大學工程學院，云南大理 671003）

實驗教學是高校教學的重要組成部分，即學生在穩定的實驗環境中，在教師指導下通過自身努力完成教學目標的過程〔1〕。實驗教學培養學生實際動手能力，鍛煉學生自主學習、發現問題、分析問題和解決問題的綜合能力〔2〕。開放實驗教學是從目標、主題、方式、內容和資源都保持開放的一種教學模式，將實驗室有限的實驗資源、教學空間以及教學計劃有限的內容和時間進行拓展延伸。在開放實驗環境中，學生根據自己的能力、專業、興趣和學習風格等選擇實驗內容，激發學生的學習主動性和積極性〔3〕，培養學生的創新能力。開放實驗促進創新教育與實踐教育、科研與教學、跨學科知識交叉融合，促進人才培養質量整體提升〔4〕。關于開放實驗教學研究主要從教學模式改革、學生創新能力培養、教學方式拓展和教學資源開放等展開，并逐漸向不同學科實驗教學設計與實踐研究轉變〔5-7〕。

本研究以高校建筑學專業〔8〕學生創新能力培養為目的，以開放實驗教學為平臺，開展建筑空間重構開放實驗教學設計與實踐。建筑空間重構開放實驗包括手工模型與計算機模型兩個教學模塊，以學生的前期課程學習為基礎，針對不同年級階段的學生進行分組訓練。以學生主動報名參加實驗項目為前提，通過與科研項目相結合開展實驗。在整個實驗過程中以學生的興趣為出發點，充分發揮學生的自主性，通過對不同專題的訓練以提高學生的動手能力，拓展學生的知識面，培養學生的實際動手能力與創新能力。

1 教學模塊設計

空間認知〔9〕作為建筑學專業學習的重要內容，貫穿于整個設計能力的培養過程。開放實驗教學以學生具備一定的空間認知能力為基礎，結合不同年級學生進行相應的教學模塊設計，有針對性地培養學生的建筑空間重構能力。教學模塊設計分為手工模型教學模塊和計算機模型教學模塊，見圖1。

圖1 基于開放實驗的建筑空間重構教學模塊設計技術流程分析

1.1 手工模型教學模塊手工模型教學模塊主要針對建筑學專業大一年級學生開設，通過前期專業的平面構成、色彩構成和空間構成的學習，基本掌握構成要素，具備平面組合和色彩搭配能力。該模塊包括建筑空間原型、建筑空間重構和特色建筑空間創新性構成，重點加強學生手工模型制作能力和建筑空間重構創新性能力。見表1。

表1 手工模型教學模塊開放實驗教學設計

1.1.1 建筑空間原型 建筑空間原型訓練以建筑單體為主，包括房間的墻體、門、窗、梁、板、柱、樓梯等結構構件。通過搭建一個或多個房間模型，限定房間比例尺度、色彩、材質，使學生深入理解建筑空間原型中使用功能與結構要素，能夠熟練運用工具和材料制作模型。掌握各構件之間的連接關系、房間組合方式與建筑空間構成。該訓練既對前期基礎知識加強鞏固，也為下一階段建筑空間重構練習打下堅實的基礎。

1.1.2 建筑空間重構 建筑空間重構練習由學生結合自己的興趣選取一個或多個建筑空間，運用不同的材料根據需求確定使用功能、空間形式等重構建筑空間。訓練過程突出學生對建筑空間原型的理解，進一步完成多個建筑空間的組合重構。包括功能、材料、空間尺度與組合方式等多方面要素的掌握，作為承上啟下的實驗訓練階段，強調手工模型制作與建筑空間重構創新能力的培養。

1.1.3 特色建筑空間創新性構成 該練習結合實際科研項目，以真實的建筑空間為主。通過實地調研搜集基礎數據，包括建筑的占地面積、邊界、使用功能、建筑造型、空間組合等實際尺寸，在建筑空間重構的基礎之上按照需求對特色建筑空間展開創新性構成練習。該練習以培養學生的創新性能力為主，通過分組建模與自主性空間重構，旨在提高學生創新、合作、自主學習的綜合能力，有利于學生在下一階段的學習。

開放實驗教學中手工模型教學模塊的設計，以加強學生的動手能力為主，通過對建筑空間原型、重構和創新性構成的訓練，提高學生的自主學習、合作與創新性能力。作為整個教學模塊中的重要組成部分，手工模型教學模塊學習有助于學生的后續課程學習和計算機模型教學模塊學習。

1.2 計算機模型教學模塊計算機模型教學模塊主要針對建筑學專業大二、大三年級學生開設，要求學生已經掌握手工制作建筑空間模型，并具備運用計算機軟件構建建筑空間模型的能力。該模塊包括3 個訓練環節：計算機軟件建模、參數化模型構建、數字化場景模擬與動畫設計。通過計算機模型教學模塊學習，以提高學生計算機建模能力、虛擬空間創新性設計與表達能力。見表2。

表2 計算機模型教學模塊開放實驗教學設計

1.2.1 計算機軟件建模 計算機軟件建模以學生運用專業軟件構建建筑模型為主，讓學生進一步熟練運用建模軟件命令，掌握虛擬空間的尺度、材質、色彩等，并對建筑室內空間的結構構件和室外空間的環境建構有深入的認知。該階段要求學生能夠熟練掌握AutoCAD、天正建筑、3DS MAX、SketchUP〔10〕、Photoshop 等專業軟件，通過相關軟件操作的強化訓練，加強學生對空間設計表達的能力，拓展對建筑技術與室外環境的運用能力。

1.2.2 參數化模型構建 參數化模型構建訓練以實地調研搜集的建筑空間與場景數據為基礎，運用AutoCAD、天正建筑等專業軟件構建建筑空間模型，將實際數據與計算機軟件中的虛擬空間數據進行對比，并對不同建筑構件貼附不同材質；選取不同視點構建建筑空間場景，添加人、樹、道路、車等配景，營造不同建筑單體或建筑群組的參數化模型，為數字化場景模擬與動畫設計提供重要的空間場景素材。

1.2.3 數字化場景模擬與動畫設計 數字化場景模擬與動畫設計練習基于上述兩個訓練階段基礎之上，要求學生能夠綜合熟練地運用計算機軟件構建建筑室內外空間，將多場景以數字化的方式組合并制作成動畫，為人們提供在虛擬空間中游憩的體驗感受。這一階段要求學生具備扎實的專業能力，并能夠熟練運用計算機軟件創造出特色空間，是對學生綜合性創新能力培養的重要訓練環節。

通過對計算機模型教學模塊的學習，使學生在原有計算機軟件學習的基礎之上，進一步掌握專業軟件的運用。結合實例進行專業的建筑空間設計，構建不同主題的多場景數字化空間組合并進行動畫設計。培養學生熟練運用專業軟件建模的能力和綜合性創新能力。

2 基于教學模塊的實踐

基于上述兩個開放實驗教學模塊設計，以學生自主申報選題并結合具體建筑實例，利用學生課余時間分別開展了手工模型教學模塊與計算機模型教學模塊的實踐教學。

2.1 手工模型教學模塊實踐該模塊的教學實踐以“美麗鄉村建設下傳統白族民居空間形態生態可持續發展研究”為主題，從建筑單體空間→民居院落空間→傳統白族民居空間重構3 個環節貫穿整個開放實驗教學。總共13 位建筑學專業大一年級學生參加該模塊教學實踐，具備一定的手工模型搭建建筑空間基礎。教學過程以小組方式開展，分為3個小組，培養學生自主學習、相互合作與創新性的綜合能力。

2.1.1 建筑單體空間練習 選擇一個房間并限定尺寸，即開間4.2 m、進深6.6 m、層高3.0 m，墻厚0.24 m，按照1∶50 的比例制作空間模型；墻體設置入戶門一扇，寬1.2 m、高2.4 m；墻上開窗，窗臺高0.9 m，窗寬3.0 m、高1.8 m；房間四角設方柱，柱子尺寸為0.5 m×0.5 m；房間頂部為平屋面，板厚0.1 m，板下設梁。自行選擇材料與工具建模，可加入色彩、家具等體現房間功能的設施。

2.1.2 民居院落空間練習 學生自主選擇一棟民居建筑進行建模。首先查找民居建筑文獻資料和圖紙，按照平面圖、立面圖、剖面圖、詳圖尺寸，選擇材料和工具開始手工構建建筑模型；然后，將各個房間組合形成院落空間，熟悉民居建筑各房間的使用功能與內部聯系；最后形成民居院落空間，分析民居院落的構成要素與空間特點。

2.1.3 傳統白族民居空間重構練習 結合上述兩個訓練環節，學生結合自己的興趣選擇訓練主題，并自由組合成建模小組，分為3 個組：“三坊一照壁”院落組、“四合五天井”（居住）組、“四合五天井”（商業）組。“三坊一照壁”院落組在滿足傳統白族民居建筑的空間構成基礎之上，結合當代需求對建筑使用功能、照壁文化、建筑裝飾等重構；“四合五天井”（居住）組以滿足當地居民生活為主，延續傳統白族建筑空間文化并融入當代發展需求；“四合五天井”（商業）組向外來游客展示白族傳統文化，并設置商業空間。

建筑單體空間搭建使學生深入了解建筑空間構成要素，熟悉各構件之間的聯系；民居院落空間體現居住建筑特點及其空間組合形式；在完成前兩個空間練習的基礎之上，以傳統白族民居的“三坊一照壁”“四合五天井”空間院落為例，結合實際案例對傳統白族民居空間進行重構。

該模塊教學實踐以學生為主體，通過手工模型制作演示強化模型構建流程；學生選擇興趣專題自由組合小組，準備工具并購買材料開展各環節專題練習；運用不同材料制作建筑構件并進行建筑空間原型練習；運用廢舊紙箱按照比例搭建建筑空間進行建筑空間重構練習；結合收集數據制作傳統白族民居建筑模型，并結合美麗鄉村建設下的村民需求，嘗試改善建筑內部空間功能與室外環境。

2.2 計算機模型教學模塊實踐該模塊教學實踐以“鄉村振興中傳統村落空間形態參數化模型構建”為主題，從計算機軟件建模→地域建筑參數化模型構建→傳統村落數字化場景模擬與動畫設計3個練習開展教學。總共12 位建筑學專業大二、大三年級學生參加該模塊教學實踐，學生按照不同主題選擇分組，共3 個小組。學生已具備手工建模和建筑空間重構的能力，本模塊訓練提高學生虛擬空間建構能力和多場景動畫設計，培養學生數字化建模的創新性設計能力。

2.2.1 計算機軟件建模練習 教師提供一棟公共建筑或居住建筑供學生自主選擇，運用AutoCAD 或天正建筑軟件繪制建筑平面、立面、剖面圖等二維圖樣，以此為基礎運用3DMAX、SketchUP 等軟件構建三維建筑模型，包括建筑室內場景與室外環境，形成數字模型構建虛擬空間。該環節讓學生進一步熟悉建筑虛擬空間建構方法與步驟，對建筑尺度、造型、材料等深入細化，為實際建筑空間虛擬重構打下基礎。

2.2.2 參數化模型構建練習 結合實地調研收集數據，包括建筑類型、使用功能、面積、層數、建筑風格、材料、結構等，運用相關軟件按照一定比例進行計算機建模，形成實際建筑空間向參數化模型構建轉變。該環節需要學生掌握建筑虛擬空間的表達特點，并能完成多個建筑與場景的參數化模型構建。

2.2.3 數字化場景模擬與動畫設計練習 該環節提供深江村、周城村、雙陽村3 個傳統村落供學生選擇并形成小組，共同完成村落資料收集、模型制作、場景模擬和動畫設計。資料收集包括村落區位、村落形態、邊界、街巷、建筑等；模型制作為村落街巷、代表性建筑等；場景模擬以實景模擬與設計場景模擬為主，突出學生運用計算機軟件表達建筑空間重構的能力；進行動畫制作與設計以體現村落特點。

這一教學過程對學生專業基礎和綜合能力要求較高，小組成員相互協調與共同合作尤為重要。根據每位成員特點進行分工，分別完成各區塊建模并最終合力形成數字化場景模擬與動畫的設計。

3 教學效果分析

以開放實驗教學為平臺，通過教學模塊設計有針對性地培養學生對建筑空間重構的綜合能力。整個教學實驗過程以學生為主體、教師輔導為輔的形式開展實踐，教學過程呈現出以下特點：

3.1 學生自主性學習能力增強教學過程中學生自主選擇學習模塊，手工模型教學模塊實踐的13位學生均為大一年級，計算機模型教學模塊實踐的12 位學生，有10 位為大三年級、2 位為大二年級。每個小組4~5 人，每個教學模塊3 個小組，共計6個組。結合每個模塊開展不同主題訓練，小組成員利用課余時間開展實驗，通過查找資料、小組討論、圖紙繪制、制作模型等完成模塊學習。整個教學過程中學生從課堂上的被動式學習轉向主動性學習；在實驗過程中結合每一個專題積極思考，并提出相關的問題進行討論交流。如手工模型中構件節點連接方式、工具與不同材料運用等；計算機模型建構過程中對Rhino 等新軟件運用交流與主動學習等。訓練環節中學生能夠主動發現問題，并與老師和學生及時進行討論交流，嘗試尋找解決問題的具體方法，并在實驗報告中歸納總結。通過對主題模塊的探索性學習，學生的自主性學習能力明顯增強，學習效果明顯改善，見圖2~3。

圖2 手工模型教學模塊學生各實驗階段成績分析圖

圖3 計算機模型教學模塊學生各實驗階段成績分析圖

3.2 建筑空間重構創新能力提升手工模型教學模塊的練習，使學生更加熟練地運用工具和材料制作建筑模型，并將自己的設計理念運用于建筑空間模型重構中，深入掌握建筑空間比例尺度、材料等，建筑空間構成能力明顯提升；教學過程中學生對實體空間具體功能有進一步了解，對民居院落各功能空間按比例重構的方法深入掌握；將美麗鄉村建設中居民與外來者需求融入建筑空間重構中，創新性地構建建筑空間。在計算機模型教學模塊中學生對專業軟件的靈活運用能力增強，運用專業軟件與前期計算機建模基礎，通過收集資料按照比例建模，提高了個人對虛擬空間的理解與認知；在虛擬空間主題場景訓練中體現出學生對材料、色彩等綜合表現的能力；動畫設計過程中小組成員相互配合與對專業軟件的綜合運用能力明顯提升。以村落為主題的場景動畫設計令人在數字化模型中感受建筑室內外空間，為學生的建筑空間設計表現打下堅實的基礎。通過兩個教學模塊的實踐，學生的建筑空間重構創新能力明顯提升。

3.3 教學模塊得到改進與完善兩個教學模塊針對不同年級的學生，雖然以各自的興趣點切入，但是由于學生的學習基礎不同，包括手工模型制作技術、專業軟件熟練程度等，使學生在實驗訓練過程中出現進度和深入度不同的特點；同時實驗教學的開展以學生利用課余時間參加為主，學生對模型的完成進度也受到課程作業等因素的影響等。針對上述問題，結合每位學生的專業基礎特點，及時改進各個環節的訓練內容，有針對性地結合每位學生的特點以激發其優勢，引導學生完成每一個環節的練習；在小組合作環節充分發揮每位學生的特長，加強學生間的合作，根據學生課程作業情況及時調整實驗教學時間與進度。及時反饋學生在每個訓練環節出現的問題，查找原因并深入分析，與學生之間進行討論與交流，嘗試對教學模塊深入改進與完善，以期達到更好的實驗效果。