产学研导向下风热环境仿真模拟技术在空间设计教学中的应用

［摘 要］文章探究了风热环境仿真模拟技术在空间设计教学中应用的现实意义、评价方法。空间设计教学应结合数字孪生新技术设计层层递进的教学模块，营造“以学生为中心”的探索性教学氛围，同时运用多元主体共同评价方法，从实践和科研能力培养两方面综合评价教学成果，建立多因子、多层级的协同评价体系，最终达成理论知识、实践能力、研究思维相互促进的产学研联动效果。

［关键词］风热环境仿真模拟技术；空间设计教学；运用与评价

［中图分类号］G642.421

［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）17-0068-04

传统的空间设计教学多是在专业教师的指导下，学生通过特定空间类型的设计训练掌握实操技能，类似于在设计单位开展产业实践。随着科学技术的进步和空间设计实践的转型，空间设计教学也开始关注“设计实践”与“空间研究”相结合的发展路径[1]。特别是在研究型大学的建设过程中，如何平衡研究导向型的教师评价体系与空间教学、设计实践之间的关系，如何使产学研更好地融合，成为当下空间设计教学亟须探讨的问题[2-3]。

空间设计的主要议题就是处理空间环境与人体需求之间的关系。设计人员对于这种关系的判断具有较强的主观性，同时相应设计知识的传播也具有默会性特征，使教育工作者认为空间设计技能“只可意会不可言传”，因此，空间设计教学体系也需要系统、客观、科学的梳理、认识和研究[4]。目前，部分高校已经进行了将科学研究融入空间设计教学的探索，并在教学方法方面取得了一定成果[5-6]。风热环境是空间环境的重要组成部分，是评价空间质量的关键要素，舒适的风热环境对于空间使用者的身心健康具有积极的促进作用。传统的仪器观测只能获取已建成空间内某一点位的风热环境数据，而风热环境仿真模拟技术则能够得到整个设计空间内的风热环境状态[7]，因此新技术的应用可以定量评价设计方案的优劣，增强评价标准的客观性和明确性，也有利于增强学生学习空间设计专业知识的热情和信心。

一、风热环境仿真模拟技术引入空间设计教学的现实意义

（一）有助于推动国家“双碳”目标的实现

为应对全球气候变化，我国在联合国大会上提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的目标（简称“双碳”目标）[8]。建筑物能耗是全社会能源消耗的主要组成部分，是碳排放的重要来源，将气候适应性设计理念引入城市、建筑、景观空间设计中，可以最小的成本使空间形态、材料选择、植物配置等多个维度要素协同配合，正向发挥多维度叠加效应，创造出风热环境最为宜人的空间，从而推动建筑物的节能减排。尊重、顺应地域环境气候特征是城市、建筑、景观等空间设计从业人员必须遵守的基本理念，应当从与气候环境相适应的角度出发开展空间设计，在满足人民群众对舒适健康环境需求的同时最大限度地节约资源。因此，在空间设计教学中引入风热环境仿真模拟技术，可使城乡规划、建筑设计、风景园林等空间设计专业学生增强气候适应性意识，提升气候适应性设计能力，最终推动“双碳”目标实现。

（二）有助于增强学生的气候适应性设计能力

在空间设计教学过程中，建筑热工学、景观生态学等课程是相关设计专业的专业基础课，其中涉及空间风热环境营造的核心内容就是分析尺寸形态、界面材料、植物配置等要素对于空间风热环境的影响机制，属于基础理论知识讲授环节。城乡规划设计、建筑设计、风景园林规划设计等空间设计课程是相关专业的主干课程，教会学生如何运用气候适应性理念创造出风热环境舒适的空间，将热工学相关基础理论知识综合运用到实践中是此类课程重要的教学目标。然而，建成空间的类型多样，规模大小不一，季节间气候差异较大，且建设过程不可逆，传统的教学对此只局限于定性地讲解不同空间形态所营造的风热环境，或是罗列不同建筑材料、植物种类的相关风热系数，存在无法全方位呈现空间风热环境、缺乏实际数据对比等问题；而运用结合数字孪生技术的风热环境仿真模拟技术进行教学，可以真实呈现学生设计方案的空间效果，并通过不同气象参数设定生成大量、客观的风热环境数据，帮助学生进行设计方案优化调整，从而增强气候适应性设计能力。

（三）有助于强化学生对设计过程的可控性和可感知性

对于城市规划设计、建筑设计、风景园林规划设计等空间设计课程，传统的教学是通过图纸、模型等设计成果进行交流，难以引导学生对空间风热环境进行准确考量，只能通过基础理论知识进行定性的判断，方法较为单一，可感知性较差，学生无法理性判断设计方案的优劣，这样会削弱学生学习空间设计的主动性和积极性。而在教学过程中引入风热环境仿真模拟技术，可以弥补传统空间设计教学中风热环境可视性、可控性、交互性不足的缺点，针对不同设计方案生成全方位、三维空间的风热环境数据，助力学生根据方案中的风热环境不利点进行设计调整，强化学生对整个设计过程的可控性和可感知性。通过不断完善、对比设计方案，学生能够从建筑、植物等空间要素布局的全过程体验和理解气候适应性设计，掌握相应的设计要点、流程和方法。同时，设计方案的不断调整还能激发学生的思辨意识，提升学生的科研思维和设计逻辑，使设计教学兼具科学研究的特点，从而有效拓展建筑热工学、景观生态学等基础理论知识在设计实践课程中的应用，提高课程的广度、深度和连接性，提升实验教学的质量。

（四）有助于提升学生的创新意识、创新思维和创新能力

传统的空间设计课程教学以“设计师个人经验传授”为主，以“实践技能训练”为目标，缺乏研究性教学内容、科学探索式教学方法。在我国城镇化速度放缓、科技创新驱动社会发展等一系列背景下，传统的空间设计教学目标和方法已经不能满足“双一流”高校建设与“新工科”创新人才培养的需求。在空间设计教学中融入研究型教学理念，引入新兴的风热环境仿真模拟技术，有利于链接建筑热工学、景观生态学等理论知识教学与空间设计实践教学，有利于优化专业课程教学体系，形成良性互动、循环反馈的教学模块；同时采用“翻转课堂”“体验式学习循环”等以学生为主导的教学方法，构建“过程+结果”“理论+实践”并重的综合性教学评价体系，有利于完善研究型教学导向下的空间设计类课程体系，有利于驱动学生自主探索学习，提升学生的创新意识、创新思维和创新能力，从而培养符合时代发展需求的复合型创新人才。

二、风热环境仿真模拟技术在空间设计教学中的运用

（一）结合数字孪生技术，建设虚拟仿真实验教学平台

空间设计教学需要从空间尺度、交通流线、景观环境等多方面推进，综合性较强，风热环境评价只是辅助方案决策的一方面。在开展空间设计教学的过程中，可以结合数字孪生技术与风热环境仿真模拟技术打造虚拟仿真实验教学平台，真实呈现不同建筑、材料、植物等要素组合下的设计空间场景，并模拟其中的风热环境，使学生能够从空间体验和风热环境评价两方面认知设计方案。通过数字孪生、风热环境仿真模拟技术与教学内容的深度融合，促进空间科研技术与传统理论知识的结合，改变传统课堂中关于风热环境的定性理论讲解和枯燥烦琐的公式推算，实现科研反哺教学。通过虚拟仿真实验教学平台的建设，实现理论与实践有机融合，达到理论知识可操作化、设计成果可视化、成果评价科学化的目的，以此激发学生学习兴趣，有效提升学生对空间风热环境的感知能力及气候适应性设计能力。同时，学生也可以通过多次推敲、反复尝试，积极探究空间要素对于风热环境的影响，探明其内在联系，提升科研探索能力。

（二）结合理论和实践教学，形成层层递进的相关教学模块

可结合基础理论认知和风热环境仿真模拟技术，根据“体验式学习”循环教学的操作流程，形成环环相扣、层层递进的3个教学模块：基础理论构建、综合设计与分析、方案优化与判定。通过基础理论构建模块，帮助学生回顾关于建筑、材料、植物等要素营造风热环境的基础理论知识。通过综合设计与分析模块，帮助学生构思出由不同建筑、材料、植物等要素构成的空间设计方案，并依据基础理论知识对方案的风热环境进行初步分析和判断，提升学生的综合设计与分析能力。通过方案优化与判定模块，对设计方案进行风热环境数字仿真模拟，生成直观的空间风热环境数据，从而对各设计方案进行评估和优化，并分析建筑、材料、植物等要素对空间风热环境的影响机制，训练学生综合运用理论知识的分析能力，帮助学生建立严谨缜密的逻辑思维。学生通过自主学习、自主实践和自主分析判定的方式完成空间设计任务，循序渐进地认知空间风热环境的影响因素，掌握气候适应性设计思路和分析方法，有效巩固了学生对理论知识的掌握，提升了学生的综合设计实践能力。

（三）结合先进教育理念，营造以学生为主的探索性教学氛围

传统的建筑热工学、植物群落微气候教学活动主要是由教师讲述相应的理论知识，学习内容较为抽象，学生不易理解，更无法将所学到的理论知识运用到设计课程中，导致学生学习积极性不高、课堂教学效果不佳。在空间设计课程教学中运用风热环境仿真模拟技术，需要坚持“以学生为中心”的教学理念，采用“体验式学习”循环教学模式，为学生创造沉浸式体验学习场景，增加学生的学习体验感，引导学生主动思考、自主探索、深入学习，激发学生学习的主动性和积极性。虚拟仿真实验教学平台还能够突破传统教学过程中时间和地点的局限性，增强学生预习、学习、复习相关教学内容的机动性，提升学生的自主学习能力及学习效率。

三、风热环境仿真模拟技术在空间设计教学中应用的评价

（一）实现设计实践能力和科学研究能力的双评价

综合性的空间设计教学训练内容较多，所涉及的理论知识面广而浅，针对某一领域专业知识的研究性学习较少。在国家建筑、城市规划等空间设计行业转型发展的过程中，工程实践占主导地位的行业状态也在发生变化，未来的空间设计教育将会逐渐重视与科学研究的联系，培养学生的科研意识、思维和能力，形成“设计即研究”“研究促进设计”的双向循环互动模式。在空间设计教学中引入风热环境仿真模拟技术，有利于学生探索性理解相关基础理论知识，提升气候适应性设计能力，形成思辨能力，提高科研素养。在评价学生的空间设计成果时，一方面要客观、理性地衡量风热环境设计方案的优劣，以评价学生的气候适应性设计能力；另一方面要从建筑、材料、植物等要素对风热环境的影响机制角度，评价学生在科研探索方面的能力，真正实现对设计实践能力和科学研究能力的双评价。

（二）采取分阶段的多元主体共同评价方式

根据不同阶段的教学重点，逐步构建分阶段的多元主体共同评价体系。在教学初始阶段，任课教师通过课堂测验、提问等方式评价学生对于建筑热工学、景观生态学等相关理论知识的掌握情况，据此调整后续设计阶段任务的进度。在设计开展阶段，小组和个人运用相关理论知识与风热环境仿真模拟软件辅助对设计方案进行互评，提出方案改进建议，增加学生之间的交流，增强学生对于风热环境理论知识的运用能力。在设计终期阶段，教师根据学生提供的设计方案风热环境仿真模拟数据，将风热环境优劣作为评判考量要素，综合评判设计成果。在课程结束后，学生从基础理论巩固、设计方法训练、科研素养培养、学习动力增强等方面对风热环境仿真模拟技术介入空间设计课程教学的效果进行评价，实现教学效果信息的及时反馈。

（三）建立多因子、多层级的协同评价体系

学生的空间设计成果评价涉及功能使用、交通流线、视觉效果等多个方面，而风热环境只是其中一个因素，只从单一因素对设计成果进行评价显得比较片面。因此，需要根据所对应的设计课程教学目标，建立相应的多因子、多层级协同评价体系。应当综合功能使用、交通流线、生态环境、空间感受、视觉造型等方面形成一级评价因子，根据具体教学内容在一级评价因子下设立多个次级评价因子，使设计成果评价更加综合、全面。同时，还需要根据不同评价因子的重要性和优先性，将其设置到相应层级，并赋予一定的权重，作为计算设计成果综合评价成绩的基础。课程组最终根据综合评价成绩对学生设计成果进行最后评判。这样的多因子、多层级协同评价体系，能够将教学成果以系统化的形式进行展现，并体现学生在各环节中的表现，可以更好地反映出教学过程中的薄弱环节。

四、结语

在空间设计教学环节中引入风热环境仿真模拟技术，有利于达成理论知识、设计实践、研究思维相互促进的产学研联动效果，有利于增强学生的气候适应性设计能力，有利于强化设计过程的可控性和可感知性，有利于提升学生的创新意识、创新思维和创新能力，从而促进学生成长为符合国家和行业需求的复合型创新人才。在风热环境仿真模拟技术引入空间设计教学的过程中，应当结合数字孪生技术建设虚拟仿真实验教学平台，结合理论和实践教学构建层层递进的相关教学模块，结合先进教育理念营造以学生为主的探索性教学氛围。同时，还需要实现对实践能力和科研能力的双评价，采取分阶段的多元主体共同评价方式，建立多因子、多层级的协同评价体系，不断完善课程教学评价方式，全面、综合、客观地评价教学效果，推动风热环境仿真模拟技术与空间设计教学更好地融合。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 顾大庆.关注当今建筑学科设计师资建设的困境与出路[J].建筑学报，2021（4）：1.

[2] 顾大庆.一石二鸟：“教学即研究”及当今研究型大学中设计教师的角色转变[J].建筑学报，2021（4）：2-6.

[3] 顾大庆.从寄生到共生：建构一种建筑学与研究型大学新型关系的理论叙述[J].建筑学报，2022（7）：1-11.

[4] 顾大庆.当设计教学成为一门学问：赫伯特·克莱默的建筑教育遗产及对当代中国建筑教育的影响[J].建筑学报，2023（3）：7-17.

[5] 闵嘉剑，于博柔，张昕.生成式人工智能时代的设计教学探索：以清华大学“AI生成式影像”课程为例[J].建筑学报，2023（10）：42-49.

[6] 林广思.风景园林设计研究教学模式：以华南理工大学为例[J].装饰，2021（3）：76-79.

[7] 李俊梅，孙育英，乔雅心.建筑环境与能源应用工程专业虚拟仿真实验教学的实践探索[J].高等建筑教育，2021，30（3）：165-170.

[8] 中国青年报.两个目标彰显低碳转型决心，中国驶入减碳快车道[EB/OL].（2020-10-01）[2024-03-22].https：//s.cyol.com/articles/2020-10/01/content_DlKbegtL.html.

［责任编辑：钟 岚］