环境设计实验教学课程改革实践

摘要：在全国高校一流本科专业建设的大背景下，分属“虚拟仿真实验课程”体系的环境设计专业实验课程改革实践已投入蓬勃建设。文章从环境设计专业实验课程改革的要点、过程与评价体系出发，基于布鲁姆认知目标金字塔，以“场地设计分析”课程为例，介绍颠覆传统设计课程的多元一体教学改革模式。改革后的实验课程以学生为本，强化理论与实践、虚拟与现实的有机结合，立足真实场地信息，重视实验模拟环节。通过综合交叉评价机制，形成系统化、模块化教学体系，提升教学效果，达到培养专业认知、提升学习技能、升华美学情感的教育目标。

关键词：实验课程；教学改革；环境设计；布鲁姆认知目标

引言

2019年4月，教育部启动一流本科专业建设“双万计划”的通知，在全国范围内号召打造“金课”，消灭“水课”[1]。教育部高等教育司吴岩司长在介绍“金课”时曾提出：一流虚拟仿真实验课程建设以其“智能+教育”的特色，深度融合信息技术、智能技术与实验教学，有潜力成为新的教育生产力，开启教育的未来[2]。环境设计专业作为前沿学科专业，在全国本科教育改革的浪潮下，更需立足自身特色，发挥科技前沿特色和设计美学优势，打造一流课程。虚拟仿真实验课程改革作为环境设计课程改革的重点方向之一，正成为其培养学生动手能力和创新能力的新型手段。“场地设计分析”课程原有教学模式侧重理论讲授和虚拟项目的设计练习，注重主观审美而忽略科技审美，课程改革试图改变传统教学的不足，通过前沿科技，大力推进课程实验模式，在实验过程中引导学生完成户外空间设计。

1改革目标与意义

改革后的教学以学生为主体，运用布鲁姆认知目标金字塔为评价标准，通过对知识和技能的回顾与重述、描述与分类、解决与实施、比较与质疑、辩论与批判、创造与发明，引导学生递进式地完成记忆、理解、应用、分析、评价、创造的认知阶梯[3]。布鲁姆认知目标分为初级和高级认知层面。在改革应用中体现为：课程前期以初级认知层面的目标为基石，学生处在不断地向外提问与向内提问中，通过团队讨论、线上线下搜寻答案、自我解答、老师解答等多种途径，反复验证，自主确定个性化学习目标；课程后期以高级认知层面的目标做引导，激励学生发现学习乐趣，鼓励学生积极探究深层次、高水平的知识结构，帮助学生获得学习产生的获得感、幸福感，提升学习效率和学习质量，并将之进一步转化为学习动力，完成自我价值的实现。改革后的实测和模拟实验可有效帮助学生巩固课堂理论知识，大幅提高发现问题、分析问题、解决问题的能力，培养创新能力和创新意识，并养成科学求真的严谨作风和协作共赢的团队精神[4]。

2实验教学改革要点

教学理念是课程改革的核心，贯穿教学的整个过程。一流课程改革理念应体现“以学生发展为中心”的宗旨，教学理念改革会引发教学模式的转化、教学特色的体现、教学内容的组织、教学方法的改变和教学管理的提升，形成教与学的良性循环。

2.1教学特色体现

实验教学特色符合学生的学习规律，依据学科前沿动态与社会发展需求，体现课程的思想性、科学性和前沿性，在教与学的过程中注重对学生知识、能力、素质的全面培养。思想性体现为全面引入课程思政，激发学生的思考辩证能力。运用设计学的形象感与生动性，承载意识形态内核。在教授专业知识理念的同时，传授真善美的价值思索与判断能力，提升学生的文化自信与政治自信。科学性体现为将学术研究的态度和方法引入课堂。结合虚拟仿真实验载体，设计综合性、创新性和研究型的实验内容。课程内容与实验实践紧密结合，使学生能直接将课程所得运用到设计中，并通过模拟实验结果，提前预知设计场地人群的使用反馈。通过实验操作，帮助学生形成“资料搜索-文献阅读-现场调查-使用访谈-科学论证-初步设计-模拟使用-再设计”的整体设计思维观，培养学生完成可推敲、可验证的设计。前沿性体现为在课程中引入最新的科学技术前沿成果。指导学生使用新型户外物理环境测试仪器，如便携式气象站、标高仪、测距仪、高精度监控器等，学会通过实验掌握场地物理环境要素、空间使用特征。同时教授学生使用OpenCV人脸识别系统、Envi-met，Ecotect等环境模拟软件，推敲设计方案，预评人群对设计空间的实际使用效果。

2.2教学模式转化

课程改革重点在于更新教学模式，从侧重教师授课的组织模式全面转化为以学生为中心、多元混合互动的“教+学”模式。改革后的课程为学生科学增负，将学生从知识的被动接收者转变为主动探索者，使教学从传统的课堂师生问答互动转化为“线上+线下”“课上+课下”“老师-学生”“学生-学生”的多类模式。课程教学以学生学习产出为导向，用学生的学习产出驱动实验课程的资料搜索、场地考察、案例学习、团队讨论、师生问答、自我验证等各类教学活动。

2.3教学内容组织

教学内容是教学过程得以推进的基础。本课程改革的关键内容是微小空间气候环境的现场实测实验与虚拟仿真实验。改革重组了教学内容，以层层叠加递进的方式推动教学过程，并持续动态更新知识内容，以契合教学目标。“场地设计分析”课程共分理论与实验操作讲解、现场测试实验、软件模拟实验、实验结果分析、场地环境设计5个内容模块（图1）。除模块一的知识讲授外，每个模块分别对应一份成绩，形成阶段式考核评价制度。模块内容围绕场地环境要素和景观要素展开，通过实测实验获取真实数据，讨论分析各要素间的关系，并使用多种软件完成场地环境模拟，科学辩证地完成课程设计任务。

2.4教学方法改变

教学方法转变为多元互动的实验教学，以师生互动、生生互动的多向交流，营造良好的教学氛围，打造奋进的教学环境。改革后的教学方法注重启发式、项目式、讨论式、开放式和分层次教学法的使用。启发式方法传授的是学习能力，引导学生主动积极地观察、思考、分析。项目式方法以竞赛项目为载体，鼓励学生运用研究、探索的方法参与项目过程。讨论式方法促使师生共同合作，带着问题学，在头脑风暴中擦出思想火花。开放式方法坚定学生的学习主体地位，鼓励学生使用不同方法拓展实验，培养独立创新的精神[5]。分层次方法是实现个性化教学的核心：可鼓励基础好、能力强的学生进行创新实验，参与科研竞赛项目；对于基础较弱、能力不足的学生，可引导其反复实验，加强技能。

2.5教学管理提升

提升课程管理质量，加强实验的规范性，构建政策平台，建立系统的教学档案。教学管理建立在各级组织共同构架的政策平台上。为保障和促进实验教学改革的深入开展，课程建立院-系-实验中心三位一体的管理体系。学院根据教务处制定的基本管理政策，确立教学程序、教学目标，明确教师教学工作、认定学生实验成果[3]；系部负责组建教学团队、制定教学计划与教学大纲、执行课程教学、整理教学数据、指导竞赛项目；实验中心保存、管理、协调实验软硬件设备，保障实验教学有序进行。课程教学档案包括教学计划、教学大纲、授课计划、实验教案、课程作业（包括实验计划、实验结果、数据分析、实验报告、设计成果）等资料。将各部分资料的电子档案和文本档案分类归档，按学年排序，保证教学过程材料完整，过程可回溯、可借鉴、可监督。确保有效的组织、考核、评价、激励及课程建设过程监控，保障教改稳步推进。

3实验教学过程

实验教学过程的建立对应教学内容组织，根据布鲁姆认知目标金字塔，呼应教学模块内容，全程通过团队协作形式完成。实验教学不仅强调实验报告的撰写与设计结果的得出，细节操作也是实验过程的要点。在教学过程中，教师与学生积极互动、共同研究、教学相长。下文从课程教学各大模块分别阐释实验教学模块的推进过程。

3.1理论与操作讲授

理论讲授和操作指导模块旨在为学生的课程图2　学生在场地进行实测实验（图片来源：作者拍摄）图1　“场地设计分析”课程模块内容（图片来源：作者自绘）学习打下理论基础、搭建课程框架，帮助学生建立对课程内容的初步认知。首先，课程教学开展初期，在教学内容中导入场地设计基础知识及相应设计规范；其次，说明课程教学的主要目的，考核要求、形式与内容，推广文本式、报告式、讨论式、问答式等教学方式，激活课程气氛；再次，提供重点参考文献列表，督促学生提高资料文献搜索阅读量，加强阅读整理与评判能力；最后，为学生展示实验仪器的操作方法与步骤，讲解模拟软件的使用，讨论数据分析的重难点，强调科学实验结果与结论的信效度。

3.2现场测试实验

现场测试实验的目的在于获取实验基础数据，锻炼学生的实际操作能力和解决突发问题的应变能力。学生通过前期的理论学习和预实验演练，能基本了解实验难点，掌握实验流程，明晰实验重点。正式实验共分三部分，学生通过团队分工，相互配合完成。（1）使用红外线测距仪在既定实验基地测绘场地空间尺度，所得数据用于绘制实验场地的平面图和立面图。（2）确定场地图纸后，各团队分别使用便携式气象仪，统计场地内包括光照强度、气温、风速、风向、相对湿度等各类环境要素，完成数据的实时监测记录（图2）。（3）在场地人流节点处设置摄像设备，拍摄记录活动人群轨迹，保存人脸记录文件。实验共进行3天，期间可能会出现短时降水天气、场地被征用、仪器故障等各类突发状况，学生需积极主动应对解决，确保数据记录的完整性与连续性。

3.3软件模拟实验

软件模拟实验在本课程中主要指针对人脸识别的OpenCV软件分析统计实验和针对气候环境的ENVI-met，Ecotect软件模拟实验。学生在模拟实验中，采用基于BSD许可发行的跨平台计算机视觉库OpenCV软件[6]，从现场实验采集的信息中，自动识别样本图像的面部信息，获取并统计空间使用人次、性别、所处位置、驻留时长等数据，如图3所示。Envi-met，Ecotect软件可模拟通过现场测试实验采集物理环境，如温度、风速、太阳辐射等，自动计算环境状况，模拟场地整体气候条件，并通过可视化结果直观展现（图4）。通过该软件的使用，学生可更直接清晰地了解场地热能的时空变化规律，获得实验结果的定性认知。

3.4实验结果分析

实验结果分析模块培养学生的科学理性思维和分析判断能力。该模块建立在前3个教学模块的基础上，测试和模拟实验模块结束后，学生运用Excel、SPSS等软件对现场实测的气象数据进行相关性分析，探讨不同测点中气候要素间的关联度（表1），找寻影响环境变化的主要变量。而后，结合景观元素与气候要素，分析空间设计重点，为后期课程模块学习做铺垫。3.5场地环境设计场地环境设计模块是课程的成果考核模块，要求方案满足制图规范，遵从实验数据，具备设计美感。为增加考核的多元性、趣味性、研究性、创新性、综合性，设计教学模块时引入讨论式教学法（图5）。通过论坛式的教学模式，推动实验结果和设计方案的有机结合。课堂间师生、生生激烈互动，大幅激发了学生自我学习、相互探讨、相互督促的学习热情。课后注重增加学生的自主学习任务，促使学生投入大量学习精力与时间，在高频讨论中完成头脑风暴，理性与感性并重地设计场地方案。

4教学评价体系

综合评价体系主要体现为，在课程中期与后期实现教学成果的多方位、多角度评价。课程中期，基于各模块教学成果，打造阶段式、连续性、共建共享的线上成果展示平台。平台可推动课程平行班级相互学习，共促共进、交流沟通，也为今后教学提供可参考、可借鉴的经验和可警示、规避的教训。课程后期，使用课程网络教学平台和教学楼展示大厅，布置线上+线下成果展示，为课程建设提供专业内外的互通渠道。教学团队不定时抽查教学任务的执行情况和执行结果，总结经验教训，以便后续教学良性推进。综合教学评价体系包含教师评价、专家评价、学生自评与互评、专业竞赛评价4类评价方式，各评价方式综合交叉，相互弥补。

4.1教师评价

教师是实验课程的掌舵者和首席评价官。课程内容组织借助实验任务导向，帮助教师实现评价结果系统化。实验模块阶段，教师通过实验任务完成情况评价学生专业知识结构与能力结构的建立；设计模块阶段，教师在互动式教学过程中评价学生的口头表达能力和手头表达成果，考核理论、设计与实践能力。

4.2专家评价

在实验进展和设计成果展评过程中，聘请设计师与工程专家配合授课教师，参与课程重难点指导，评价学生实验结果和设计成果（图6）。专家评价可多方位、多角度地激发学生学习和设计思维。学生在互动式教学中，通过学习不同专家的思考角度与表达方式，完成思维碰撞、头脑风暴，达到综合锻炼、实验实践和设计表达能力的提高。4.3学生自评与互评学生评价模式主要分为以下步骤：第一，组员分工合作，跨学科、跨领域发挥各自特长，合作完成最终的设计成品，并同步在线上与线下进行公开展示。第二，汇报演示，交流成果，在设计成果展示环节，进行较大范围的交流展示。第三，结合学生自评+学生互评的评价模式，通过评价环节总结反思，促进学生间相互学习，形成良好共赢的教学氛围。督促每个学生在项目中发挥作用，根据组内匿名互评和自评，每个学生的最终成绩在小组得分基础上乘以个人系数。组内互评不仅可使学生相互督促，同时也可培养学生客观评价他人工作的意识和能力。

4.4专业竞赛评价

改革强调实践性，为此，特引入第三方评价，即将课程成果“推出去”参加全国性专业竞赛项目。借用外部专家的评价，验证课堂改革效果。本课程2019—2020学年的部分学生成果参与了浙江省环境生态科技创新大赛“科技理念作品组”竞赛，经过研究综述、竞赛设计作品、论文（设计）完成过程及记录、论文（设计）报告层层筛选，获得二等奖（图7）[7]，体现了课堂改革的成效。结语本次改革从教学模式调整入手,转变传统线下教学的主要模式，调整教学结构，引入专业竞赛评价方法,突出实验教学模块，构建符合素质教育和人才发展的虚拟仿真实验教学新模式。课程教学经过先期改革和实践，已取得初步成效。改革后的课程设置更科学化、高阶化，启发学生从原有的被动接受理论知识，逐渐向自主、自发建立设计过程中的逻辑推导、锻炼设计理性思维的方向转变。课程内容模块化重组后，强化了教学目标，明确了学生各阶段的学习任务，使课程评价更全面客观。学生对课程改革效果普遍满意，并表示引入环境实验的课程教学与传统模式的教学相比具有更有趣、更吸引人、更能学习到实用性专业知识的特色。课程将进一步完善改革机制，提升改革效果，实现一流“金课”建设。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.教育部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[EB/OL].(2020-06-18)[2021-02-20].

[2]吴岩.建设中国“金课”[J].中国大学教学,2018(12):4-9.

[3]张浩,吴秀娟,王静.深度学习的目标与评价体系构建[J].中国电化教育,2014(07):51-55.

[4]厉旭云,梅汝焕,叶治国,等.高校实验教学研究的发展及趋势[J].实验室研究与探索,2014,033(003):131-135,197.

[5]孙聪,郭春雨,冯峰.船舶与海洋工程部级实验教学示范中心实验教学方法的改革与创新[J].实验室研究与探索,2018,37,266(04):164-167.

[6]郑远攀,李广阳,李晔.深度学习在图像识别中的应用研究综述[J].计算机工程与应用,2019,55(12):20-36.

[7]梅欹,李天劼,金冰欣.杭州户外空间小气候环境改造策略与模拟研究[J].建筑与文化,2020(05):55-56.

作者：梅欹 陈炜 单位：浙江工业大学