蔡建國 王景全 劉鵬

摘要：隨著高等學(xué)校國際合作交流機(jī)會的增多，工作坊作為一種新的教學(xué)模式，其應(yīng)用越來越廣泛。以丹麥皇家藝術(shù)學(xué)院舉辦的“可展折紙結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用”國際工作坊為例，對工作坊的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的介紹，包含前期計劃、學(xué)術(shù)匯報、指導(dǎo)教師演示、學(xué)生確定研究主題、模型制作及各組的成果答辯等。此外，分析了聯(lián)合工作坊在促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科思維的碰撞與交流，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊精神和溝通能力，促進(jìn)教學(xué)與實踐相互統(tǒng)一等方面的意義，并對工作坊在土木工程學(xué)科的適用性進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞：工作坊;實踐教學(xué);可展折紙結(jié)構(gòu);思維碰撞

中圖分類號：G6420;TU 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2909（2019）01-0110-09

工作坊（workshop）最初的含義是一種專題式的研究學(xué)習(xí)方式，至今已演變成一種新的實踐教學(xué)模式。 工作坊最早源于歐洲的包豪斯學(xué)院（Staatliche Bauhaus， 1919-1937），其理念是“技術(shù)與藝術(shù)并重”，其中“技術(shù)”指的是理論課程;“藝術(shù)”指的是技術(shù)和手工藝實踐。在實踐環(huán)節(jié)中，學(xué)生的實踐場所——工作坊成為實踐環(huán)節(jié)的核心，因此形成的實踐模式被稱為“工作坊教學(xué)”[1]。

工作坊的實質(zhì)是在有效的指導(dǎo)下集體完成一些復(fù)雜的工作。它能夠有效地調(diào)動各個成員的積極性， 可以在短時間內(nèi)按照流程完成各項工作。比較常見的工作方式是小團(tuán)隊工作 （Team work）方式。在小團(tuán)隊工作中，大家可以比較順暢的交流和溝通[2]。

與傳統(tǒng)理論知識的傳授相比，工作坊有其不同的原則。一是在workshop開始前，指導(dǎo)教師會按照預(yù)期的培養(yǎng)目標(biāo)制定周密的計劃和具體的實施細(xì)則，控制整個workshop的推行進(jìn)度，并且指導(dǎo)學(xué)生切實執(zhí)行整個計劃。二是評判標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生改變，從傳統(tǒng)的理論考試考核轉(zhuǎn)變?yōu)槔碚摵蛯嵺`綜合考核。三是學(xué)習(xí)方式也發(fā)生改變，從傳統(tǒng)的單一學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N學(xué)習(xí)方式并存。通過自學(xué)、與同學(xué)相互學(xué)習(xí)、向老師學(xué)習(xí)，可以更加快速高效地學(xué)習(xí)相關(guān)知識與技能。四是workshop往往是多層次的，各種專業(yè)的學(xué)生都可以發(fā)揮自己本專業(yè)的特長，從而在workshop中找到自己的定位。

對于土木工程這一傳統(tǒng)學(xué)科來說，傳統(tǒng)的理論教學(xué)、試驗教學(xué)、認(rèn)識實習(xí)相結(jié)合的教學(xué)模式已經(jīng)不能滿足社會對人才培養(yǎng)的需求。在當(dāng)今社會飛速發(fā)展和學(xué)科改革不斷推進(jìn)的形勢下，亟需探索土木工程學(xué)科新的教學(xué)方式。本文結(jié)合東南大學(xué)近年來對多國跨學(xué)科領(lǐng)域工作坊教學(xué)模式的探索，思考工作坊模式在土木工程學(xué)科的應(yīng)用前景。

一、 可展折紙結(jié)構(gòu)國際學(xué)生工作坊實例

2017年10月15日至29日，可展折紙結(jié)構(gòu)國際學(xué)生工作坊項目在哥本哈根丹麥皇家建筑藝術(shù)學(xué)院舉辦。來自東南大學(xué)土木工程學(xué)院、丹麥皇家建筑藝術(shù)學(xué)院的教師和學(xué)生共同參與了此次國際學(xué)生工作坊?；顒拥闹饕獌?nèi)容包括前期計劃、學(xué)術(shù)匯報、指導(dǎo)教師演示、學(xué)生確定研究主題、圖1 可展折紙結(jié)構(gòu)應(yīng)用模型制作及各組的成果答辯等。有東南大學(xué)土木工程學(xué)院的6名學(xué)生、丹麥皇家建筑藝術(shù)學(xué)院的4名學(xué)生共10名學(xué)生組成3個組，每組3～4人，均包含來自不同教育背景的學(xué)生，以期優(yōu)勢互補(bǔ)，互相交流和學(xué)習(xí)。

（一）活動主題

工作坊活動主題為“Engineering Tectonics in Kinetic Origami Structures”，即可展折紙中的工程構(gòu)造。主要目的是研究可展折紙結(jié)構(gòu)特性及其應(yīng)用。實踐工作主要分為理論研究和模型制作。

折紙藝術(shù)起源于中國，在唐代時，開始流傳至日本。當(dāng)時日本人把這一種新藝術(shù)稱為“折紙”，即“origami”。日本人非常重視這種藝術(shù)，視為他們的國粹之一并加以發(fā)揚。而折紙也逐漸傳至西班牙，而后流傳至歐美各國[3]，并得到廣泛的發(fā)展。目前為止，可展折紙結(jié)構(gòu)在建筑和航空領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，如圖1所示。

（二）學(xué)術(shù)匯報

在工作坊的開幕儀式上，東南大學(xué)、丹麥皇家藝術(shù)學(xué)院的教授分別對可展折紙結(jié)構(gòu)的最新研究成果作了學(xué)術(shù)報告（圖2）。各位學(xué)者的精彩匯報加深了學(xué)生對可展折紙結(jié)構(gòu)的了解，也為學(xué)生后續(xù)確定研究方向提供了廣闊的研究思路。

（三）指導(dǎo)教師演示

由來自丹麥皇家藝術(shù)學(xué)院的Martin向大家展示了使用Rhinoceros軟件中的Grasshopper插件建立折紙模型的方法（圖3）。國內(nèi)建立與折紙結(jié)構(gòu)相關(guān)的模型，一般采用Creo軟件。Grasshopper是一款在Rhino環(huán)境下運行的采用程序算法生成模型的插件，不需要太多程序語言的知識，就可以通過一些簡單的流程方法達(dá)到設(shè)計師所想要的模型。與Creo相比，Grasshopper使用更加方便，并且功能更加強(qiáng)大。

（四）成果展示

兩周的理論研究、模型制作、點評和改進(jìn)使三組學(xué)生受益匪淺，各組的模型也十分有創(chuàng)意，以下分別介紹三組學(xué)生的設(shè)計制作思考過程。

1.研究思路

該組學(xué)生剛開始的選題是用于建筑抗風(fēng)的折紙型幕墻，但是作為一年級本科生的丹麥學(xué)生并沒有太多的折紙基礎(chǔ)，而中國學(xué)生對折紙有一定的了解。在中方學(xué)生的引領(lǐng)下，雙方共同進(jìn)行了折紙模型的手工制作，并探討了如何通過調(diào)整數(shù)學(xué)公式中的幾何參數(shù)，使得做成的結(jié)構(gòu)能滿足特定要求。經(jīng)過一番討論，雙方?jīng)Q定將思路轉(zhuǎn)向偏感性而不是太多的工程學(xué)知識的選題：用折紙構(gòu)型來做建筑幕墻，利用隨風(fēng)荷載作用改變室內(nèi)光照（圖4）。大多數(shù)藝術(shù)專業(yè)和設(shè)計專業(yè)學(xué)生傾向于此類選題。

2.研究過程

經(jīng)過之前對利用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行幾何參數(shù)模型，以使做成的結(jié)構(gòu)能滿足特定要求的設(shè)計流程進(jìn)行討論之后，學(xué)生對折紙模型制作都有了一定的了解。接下來，便開始了模型制作。先是制作了幾個Miura Origami 模型并將其組裝，然后通過廣泛的搜集資料，尋找到相關(guān)的圖片和視頻。結(jié)合模型、圖片和視頻，最后進(jìn)行成果展示（圖5）。學(xué)生對該選題產(chǎn)生很大的興趣，教師們一致認(rèn)為有必要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

作品二

1.設(shè)計理念

該組學(xué)生經(jīng)過討論，確定選題為基于Miura構(gòu)型的便攜折紙隔墻（Portable Miura-Ori Room Divider）。研究基本思路是先對Miura-Origami進(jìn)行參數(shù)化研究，然后進(jìn)行物理模型制作。

2.設(shè)計過程

通過討論發(fā)現(xiàn)，峰線與谷線之間的夾角（圖 6中的α）對折紙構(gòu)型的性質(zhì)有很大的影響，故決定通過改變夾角（α），來研究不同夾角（α）下折紙構(gòu)型的性質(zhì)?？紤]到現(xiàn)有的材料和工具，決定采取手工制作折紙模型的方式。首先將不同折疊角度（峰線與谷線之間的夾角）的折痕繪制在具有一定初始剛度的厚紙上，然后按照圖示的峰線、谷線進(jìn)行折疊。

如圖7所示，共制作了5組模型，每組模型的夾角α分別為15°、30°、45°、60°、75°。

1.設(shè)計理念

該組學(xué)生研究的基本思路是將折紙結(jié)構(gòu)應(yīng)用到太陽能電池板、太陽帆、太空望遠(yuǎn)鏡等一些厚度不可以忽略的結(jié)構(gòu)中。對于此類需要在太空中發(fā)揮作用的結(jié)構(gòu)來說，可展性與便攜性是其必不可少的性能。因此，小組成員決定基于Miura Origami，設(shè)計一種可展開折疊結(jié)構(gòu)，將其應(yīng)用到航空航天領(lǐng)域的太陽能電池板中。

2.設(shè)計過程

小組成員首先對厚板折疊進(jìn)行了廣泛調(diào)研。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，厚板折疊樣式有很多，大部分零厚度板折疊樣式都可以設(shè)計為厚板折疊。厚板折疊的關(guān)鍵在于：一是該種折疊樣式作為零厚度板折疊能否進(jìn)行;二是折痕處銷軸的安裝位置;三是板件折疊后是否可以形成足夠的內(nèi)部空間容納其余板件。這就要求板件之間的厚度、銷軸安裝的位置要滿足一定的數(shù)值關(guān)系。

經(jīng)過小組成員相互討論，決定可展開結(jié)構(gòu)的設(shè)計采用二級可展開折疊結(jié)構(gòu)。初步方案是通過兩次不同的展開機(jī)制，把空間折疊結(jié)構(gòu)展開成平面。二級可展開折疊結(jié)構(gòu)，將由完全相同的基本展開體相互連接而成，每一個基本展開體由一個中心單元和六個邊單元連接而成，每一個中心單元和邊單元都是最小折疊單元。

最小折疊單元的設(shè)計采用Miura-Origami。每一個最小折疊單元為一塊由六個正三角形組成的正六邊形，整個折疊結(jié)構(gòu)由這些正六邊形組成。采用Miura-Origami和正六邊形單元可以使所用最小零件的種類最少（最小零件都是相同的正三角形板件），方便制作加工與安裝，同時可以使規(guī)模生產(chǎn)后的成本較少。但是設(shè)計的構(gòu)型本身依然具有采用非正六邊形單元的折疊能力，留有足夠的改裝空間。

采用Proe三維設(shè)計軟件，小組成員提出了第一種基本展開體的二級展開方式。具體為：

中心單元展開方式：Miura-Origami

邊單元展開方式：Miura-Origami

展開順序（圖14）：中心單元按照Miura-Origami的方式展開成平面，隨后六根滑桿把六個邊單元推出。待滑動結(jié)束后，六個邊單元按照Miura-Origami的方式展開成平面，形成空間平面網(wǎng)架。最后中心單元和所有邊單元把自身攜帶的正三角形板件以簡單翻折的方式全部打開，展開過程結(jié)束。

完成厚板折疊構(gòu)型一之后，小組成員又對邊單元展開方式進(jìn)行了進(jìn)一步討論，考慮是否可以采用其他的邊單元展開方式。通過與指導(dǎo)教師溝通，最終提出了第二種基本展開體的二級展開方式。具體為：

中心單元展開方式：Miura-Origami

邊單元展開方式：簡單翻折

展開順序（圖 15）：中心單元按照Miura-Origami的方式展開成平面，隨后六根滑桿把六個邊單元推出。待滑動結(jié)束后，形成空間平面網(wǎng)架，六個邊單元按照簡單翻折的方式展開成平面，同時中心單元把自身攜帶的正三角形板件以簡單翻折的方式全部打開，展開過程結(jié)束。

最后進(jìn)行成果總結(jié)匯報。兩種二級展開方式均實現(xiàn)了模型的二級展開與折疊，達(dá)到了較好的效果。

（五）思考與建議

經(jīng)過兩校師生的共同努力，為期半個月的可展折紙結(jié)構(gòu)國際學(xué)生工作坊項目順利完成。各個小組成員互相交流學(xué)習(xí)，感到收獲很多。在設(shè)計—實踐—點評—修正—再設(shè)計的研習(xí)過程中，學(xué)生對可展折紙結(jié)構(gòu)有更加透徹的認(rèn)識，也提升了實踐能力和團(tuán)隊協(xié)作能力。

基于此次國際學(xué)生工作坊的運作過程，可提出一些建議為之后的交流活動作為借鑒和參考。首先，對傳統(tǒng)技術(shù)最新進(jìn)展的介紹十分有必要。通過介紹，可以讓學(xué)生對這項技術(shù)有一個宏觀的概念，給學(xué)生提供廣闊的思路和無限的視野;否則學(xué)生的思維很容易被限制在傳統(tǒng)的領(lǐng)域，無法向外擴(kuò)展。其次，集中向?qū)W生講授相關(guān)基礎(chǔ)知識、演示基本技能是十分必要的，基礎(chǔ)知識、基本技能是后續(xù)思維擴(kuò)展的基礎(chǔ)和前提。缺少這些，思維創(chuàng)新也無從談起。最后，由簡到繁的研習(xí)流程也是十分必要的。此次工作坊學(xué)生從前期的研究方向確定到后期的模型制作、方案修改，實質(zhì)是一個不斷完善的循序漸進(jìn)的過程，這個循序漸進(jìn)的過程保證了整個工作坊的順利進(jìn)行。

二、 對工作坊教學(xué)模式的思考

從可展折紙結(jié)構(gòu)國際學(xué)生工作坊的全過程中可以看出，工作坊不僅為學(xué)生獲得基本理論知識提供了實踐平臺，真正實現(xiàn)了學(xué)以致用，還促進(jìn)了跨學(xué)科的思維碰撞交流，拓展了學(xué)生的視野，增強(qiáng)了學(xué)生的溝通能力和團(tuán)隊精神。對土木工程學(xué)科工作坊教學(xué)模式有以下幾點思考。

（一）跨學(xué)科的思維碰撞交流

參與此次工作坊的丹麥皇家藝術(shù)學(xué)院的學(xué)生均來自建筑設(shè)計專業(yè)。由于專業(yè)需要，他們更加著眼于建筑的外觀及其功能性，并且主要是從概念去思考問題，對達(dá)到目的的具體做法并不關(guān)注，這也是建筑設(shè)計專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)計劃未涉及過多工程學(xué)專業(yè)課的結(jié)果;而對于土木工程學(xué)科的學(xué)生而言，思考的重點則是解決問題的具體細(xì)節(jié)，在概念判斷上并沒有給予足夠的重視。實際上，在進(jìn)行科學(xué)研究時，遇到的很多問題都沒有既定的解決辦法，于是概念上的判斷就成了把握問題關(guān)鍵、尋找解決方案的第一步，也是更深入研究問題的基礎(chǔ)。但一味強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié)，往往容易深陷其中而不能從宏觀上把握問題。

由于建筑設(shè)計專業(yè)、土木工程專業(yè)具有兩種不同側(cè)重的思維方式，因此兩者的交流會帶來思維層面的碰撞[4]，甚至迸發(fā)思維的火花。與傳統(tǒng)的相同專業(yè)學(xué)生相互學(xué)習(xí)交流相比，這樣可以產(chǎn)生更好的學(xué)習(xí)效果，學(xué)生可以在思維碰撞中相互學(xué)習(xí)、共同進(jìn)步。

（二）教學(xué)與實踐的相互統(tǒng)一

在工作坊運行過程中，指導(dǎo)教師通過學(xué)術(shù)匯報和現(xiàn)場演示的方式進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生通過實踐對已學(xué)的理論知識進(jìn)行理解，并通過自主學(xué)習(xí)、相互學(xué)習(xí)的方式來提高認(rèn)識。指導(dǎo)教師的點評和學(xué)生的不斷實踐都體現(xiàn)了教學(xué)與實踐的連續(xù)統(tǒng)一，使知識的獲取過程成為一個飽滿的連續(xù)體系[5]。

（三）溝通能力和團(tuán)隊精神的培養(yǎng)

工作坊是一個基于項目的教學(xué)培養(yǎng)模式。在工作坊的運行過程中，學(xué)生需要組成團(tuán)隊進(jìn)行方案設(shè)計、模型制作，并且根據(jù)各個成員的特長進(jìn)行任務(wù)分派。在以上過程中，良好的溝通能力是必不可少的。只有具有良好的溝通能力，才能合理完成任務(wù)，避免不必要的時間浪費，提高工作效率。對于常規(guī)的學(xué)生工作坊，參與項目的學(xué)生具有類似的教育經(jīng)歷和文化背景，成員之間幾乎不存在溝通障礙。但對于國際工作坊，參與項目的學(xué)生有著不同的教育背景和文化背景。在項目進(jìn)行過程中，小組成員需要克服語言障礙和文化壁壘，進(jìn)行跨學(xué)科、跨國籍的溝通和交流，對各個成員溝通能力提出了更高的要求。學(xué)生需要從常規(guī)的溝通方式轉(zhuǎn)變到另外一種自己不熟悉的方式，并慢慢適應(yīng)這種方式。這種轉(zhuǎn)變是對學(xué)生溝通能力的一次很好的鍛煉。此外，由于是分組完成自定的研究課題，小組成員在完成任務(wù)的過程中相互交流與學(xué)習(xí)，團(tuán)隊意識與責(zé)任意識得到強(qiáng)化，有利于團(tuán)隊精神的培養(yǎng)。

三、 結(jié)語

此次工作坊實踐，包括前期計劃、學(xué)術(shù)匯報和演示，以及學(xué)生反復(fù)實踐與接受考核直至作品完成，本文對工作坊這種教學(xué)模式在土木工程學(xué)科的適用性做了較為深入的研究。研究發(fā)現(xiàn)，工作坊教學(xué)模式能夠達(dá)到教學(xué)與實踐的相互統(tǒng)一，能夠引起跨學(xué)科思維的碰撞交流，并且能夠較好地培養(yǎng)學(xué)生的溝通能力和團(tuán)隊精神。因此，對土木工程學(xué)科來講，工作坊作為一種教學(xué)模式具有較好的適用性，值得進(jìn)一步推廣。

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