“新工科”教改背景下数字参数化环境设计教学应用研究

陈阵 张涛 苏乐 邢龙

摘要：环境设计中的数字参数化设计已经成为前沿设计方法的重要组成部分，并对专业发展研究产生了深远影响。这主要是由于行业发展的需求推动了专业发展的方向，并对专业教育的改革方向产生了影响。在"新工科"教学改革的背景下，以设计成果和专业教学效果为导向，提出以环境设计专业为基础的数字参数化发展初步设想。这个设想以专业发展的"三元论"为核心，通过推演和梳理，得到了将传统环境设计专业与数字化、参数化和智能化设计相结合的专业升级方法模型和初步思路。将这个方法模型和思路应用于实际的环境设计专业中的理论课程和实训教学中。然后，根据教学周期的成果对这个教学理论模型进行总结和反思，从而优化专业发展成果和建立相关理论模型。

关键词：非线性设计；智能化；关联性；参数化

“四新学科”是指新工科、新医科、新农科和新文科，是对新时代高等教育学科分类中的四个新兴学科的统称。这一概念最早在2017年初复旦大学召开的“高等工程教育发展战略研讨会”中被提出，并在2018年教育部印发的《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》中得到正式确认。至此，各个高校纷纷展开“四新”学科的建设。其中，新工科专业主要面向新兴产业，是传统工科专业的升级版本，涵盖智能制造、云计算、人工智能、机器人等领域。相较于传统工科人才，未来新兴产业和新经济形势对于高素质复合型新工科人才提出了更高的要求，他们需要拥有强大的实践能力、创新能力以及国际竞争力。在这个背景下，以新工科为引领的学科改革对于环境设计等传统土建类专业产生了广泛而深远的影响。传统建造类工程项目的专业升级是这种影响的最直接体现之一。在专业升级的过程中，智能建造和数字媒体艺术与环境设计专业之间的紧密关联尤为突出。由于环境设计专业属于土建类专业的范畴，其成果需要基于实体建筑物来展现，同时，数字媒体艺术的运用则可以帮助设计师表达设计概念和意图。因此，从环境设计专业的角度看，数字化和参数化成为未来智能建造和数字媒体艺术的重要发展方向。

一、环境设计专业数字参数化教学模型构建

（一）环境设计数字参数化应用优势

在环境设计专业中，数字参数化的运用已经成为一种趋势。特别是在异形建筑空间形态设计方面，传统设计工具和技术往往无法满足复杂形态的构造需求，无法达到自由灵动的设计效果。这个问题逐渐扩展到环境设计专业的室内设计和景观设计方向，对于异质性空间体验的需求也越来越显著。例如，国家游泳中心水立方的建筑表皮造型设计就可以通过参数化进行模拟。设计师可以在限定的表皮范围内调整计算机智能设计参数，从而得到多种表皮构造模式。这种设计方法是通过计算机在范围内进行随机布点并嵌入多边形集合，然后通过参数控制每块嵌板的凸起高度，并且这种高度可以智能地进行随机设计和控制。相比之下，传统的建筑设计方法需要进行大量的碰撞计算，才能获得适宜的建筑表皮。而且传统方法获得的模型耗时长且修改困难，一旦某个元素发生变化，整个表皮就会出现大量无法缝合的错误。而数字参数化和智能化设计则通过构建模块进行多次重复的计算，并且给出符合要求的最终效果。从这个例子可以推论出，数字参数化设计在建筑的内外空间造型方面都具有广泛的应用潜力。数字参数化已经深入智能建筑、数字媒体技术等许多"新工科"专业中，它的发展不仅是一时的优势，更是一种必然的发展方向。因此，在环境设计专业中，数字参数化设计的探索和应用将会持续推动专业的发展和创新。

（二）传统环境设计数字参数化嵌入模型构建

笔者认为，在当前环境设计专业的发展中，可以选择两种不同的发展模式。第一种模式是基于传统设计专业的数字化、参数化改进模式，通过对教育教学和工作流程的改进来提升传统环境设计的水平。这种模式是根据已有的行业体系和市场需求来进行改革，通过平衡行业发展和专业技术革新的关系来实现稳定的发展。在这种改进模式中，环境设计专业作为出发点，重点关注行业需求和工程项目中的设计环节。

第二种模式是完全基于信息化、参数化、数字化模型来重塑设计的底层逻辑。这种改革对于已经成熟的设计体系来说是具有颠覆性的。它需要重新建立一套完整的基于计算机语言和设计方法相结合的信息化、参数化、数字化设计模型。从环境设计专业的角度来看，这意味着将传统的设计语言和设计意图转化为计算机语言，利用虚拟平台来实现对设计需求的转译和模拟。在规定的设计范围内，通过计算机模拟产生多种可行的设计方案。设计师的角色主要是将自己的设计意图和限制条件传达给计算机，并与委托方一起选择最优的设计方案。

结合以上两种改革思路，笔者提出了傳统环境设计数字参数化嵌入理论模型的概念。核心思想是将新一代工科中与环境设计专业相对应的三种设计方法（非线性设计、参数化设计、BIM建筑信息模型设计）应用于具体的数字化设计平台，并结合传统环境设计中的文化艺术、行业规范、设计程序等内容，通过实践教学的方式来推动环境设计专业的发展。同时，通过对成果进行参数化设计逻辑与传统设计方法的辩证思考，反向促进基础参数化设计方法的改进与发展。

（三）强化以“三元论”为核心的教学思想

“三元论”教学思想代表着数字化设计逻辑的培养和参数化设计手段应用的重要内容，它是环境设计专业可持续发展的理论框架。它的核心思想是将"新工科"教育改革框架与数字化参数设计和环境设计专业教学相结合，开展理论研究和应用研究，指导教学实践，更好地满足新时代环境设计专业人才的培养需求。整个过程需要培养学生在低年级本科基础课程中掌握数字化设计的相关基本概念，在中年级专业课程或设计工作坊中鼓励学生运用参数化、智能化和非线性的设计方法考虑设计方案，并在高年级的综合设计和毕业设计环节应用参数化设计的内容，全程把握参数化设计在教学过程中的作用，提高教学效果。

从专业发展途径的角度看，需要根据环境设计的特点对专业方向进行划分，进行有针对性的研究。例如，环境艺术设计可以分为室内空间设计和室外景观设计两个方向。甚至一些学校将建筑设计也纳入其中。对于室内空间设计，数字参数化教学改革主要集中在建筑工程信息化和空间设计参数化方向的重点研究，也可以将参数化应用于室内空间装饰等艺术性设计的局部内容。对于景观设计，需要关注景观尺度与参数化自然模拟设计及参数化有机仿生设计的研究，将国内外领先的景观规划与设计理论融入参数化设计中，并在教学过程中丰富其发展和应用空间。

二、数字参数化教学难点与策略问题初探

环境设计专业正受益于社会需求的发展，并且专业范围不断扩大。尤其是近年来，许多新兴技术的涌现在众多学科中引起了广泛的关注。在环境设计这样一个广泛领域内，与建筑学、景观学、城乡规划学、美学、生态学、植物学、材料学、环境学等诸多学科的交叉，新技术以各种形式与环境设计相互联系和补充，为传统环境设计带来了更多发展的可能性。

但是教师也必须认识到，这些交叉学科及其带来的技术革新对环境设计的实用性和有效性需要进行评估，需要选择和适应，还有如何成功整合到专业体系框架中，并最终产生积极的结果，这些都是目前各个高校和整个专业领域密切关注的问题。

对于这些改革难点，可以先从课程基础框架出发，根据社会需求对环境设计的两个主要方向进行详细的调研和分析。通过从行业发展和应用需求的角度出发，找到教学改革的支撑点，将传统型教学转变为应用型教学。在这个阶段，教师的主要任务是在传统教学领域中展示数字参数化设计的成果。例如，在环境设计相关的学科竞赛、毕业设计等具体教学项目中，可以直接应用数字参数化设计方法对传统设计结果进行改良和优化，以呈现更好的设计效果。通过这样的方式，可以提升数字参数化教学在社会中的认知度，鼓励更多的学生参与数字参数化设计，激发对数字化设计底层逻辑学习的兴趣，同时鼓励他们不断探索和加深学习。

其次，在解决数字化参数设计与课程体系的融入和衔接后，教师还需要深入思考数字化设计参数化的"第一性"问题。也就是如何将参数化设计的基本原理与设计逻辑思维从根本上融入传统环境设计专业的教育框架和知识体系中。这需要学习数字化专业理论原理，并将其纳入到基础教学中。参数化设计和数字化模型的建立需要相应的数理结构知识、编程知识、逻辑学知识等。需要从抽象的空间数字概念出发，选择人脑与电脑构建空间的交点，并将人的设计构思以适当的计算机算法或语言对计算机进行控制，以数字控制性空间生成设计结果，以数控量化的方式达到或接近人脑感性形象的具体化表达。这些都需要一定的学习积累，才能理解和内化数字化设计逻辑的深度突破。

三、数字参数化嵌入环境设计教学应用举例

在过去的一年中，笔者将数字参数化设计融入了室内设计、景观设计和建筑概念设计三个专业方向的教学过程中。通过以设计成果为导向，在课程设计和毕业设计指导两个层面上嵌入了参数化设计方法和技术，基于先前阐述的环境设计参数化嵌入理论模型。例如，在景观设计的毕业项目指导过程中，针对山谷地形的高程点进行了参数化分析，计算了山体空间地表径流和山谷空间建筑占地面积的比值。通过使用参数化和智能化方法进行计算机模拟，进行了多种场地应用方式的推演，并最终确立了场地设计的雏形，并推动了后续设计的进行。在该项目中，参数化设计的嵌入同样适用于建筑设计，以毕业设计为例，使用基于传统 SketchUp 建模软件平台的参数化插件和基于Rhino参数化构建的 Grasshopper，分别应用于第四代建筑造型建模和异形景观建筑设计中。利用参数化设计技术的特点，有针对性地应用于同一设计场地中的具体节点设计。目前，教学成果已初步显现，将参数化设计嵌入传统环境设计中的学生在毕业设计和各类设计竞赛中都取得了良好的表现。例如，在全国NCDA未来设计师大赛、安徽省环境设计大赛、BIM设计大赛、全国大学生3D设计大赛、学院杯环境设计大赛等比赛中，共获得了十余个各类奖项，这些奖项都是通过本次教学改革中所进行的课程和毕业设计成果参赛并获得的。

四、结束语

环境设计专业朝着参数化的发展趋势是一个必然的趋势，但它并不是最终的发展形态。参数化设计实际上是智能化设计的前期发展形势和铺垫。技术的不断进步为环境设计专业提供了更广阔的发展空间。还需要将先进的设计方法与教育理念结合起来，集中解决当前环境设计专业面临的发展瓶颈。更重要的是需相关教育工作者用更长远的视野来研究和探讨参数化、数字化设计和智能化技术的应用问题，以促进环境设计教育体系探索出一条面向应用的发展路径。

作者单位：陈阵 张涛 苏乐 邢龙 安徽信息工程学院

参  考  文  献

[1]孙奥，汤常鸣，王玮. BIM技术融入高校环境设计专业本科教学的研究[J].设计，2020，33（11）：130-132.

[2]池志炜，谌洁，张德顺.参数化设计的应用进展及其对景观设计的启示[J].中国园林，2012，28（10）：130-132..

[3]姚翔翔.参数化设计在环境艺术设计专业实践教学中的应用[M].南京艺术学院学报，2016.

基金项目：1.2022年度安徽信息工程学院青年科研基金項目：环境设计的数字信息参数化技术应用研究（22QNJJSK007）；2.安徽省质量工程教学研究项目（2019jyxm0893）。

陈阵（1988-），汉族，硕士，讲师，安徽信息工程学院，研究方向：景观建筑设计、环境设计。

张涛（1990-），汉族，硕士，工程师，安徽信息工程学院，研究方向：景观规划设计。

苏乐（1988-），汉族，硕士，安徽信息工程学院，副教授，研究方向：环境设计。

邢龙（1992-），汉族，硕士，讲师，安徽信息工程学院，研究方向：建筑设计。