可展折紙結(jié)構(gòu)國(guó)際工作坊的實(shí)踐與思考

蔡建國(guó) 王景全 劉鵬

摘要：隨著高等學(xué)校國(guó)際合作交流機(jī)會(huì)的增多，工作坊作為一種新的教學(xué)模式，其應(yīng)用越來(lái)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(guó)際工作坊為例，對(duì)工作坊的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的介紹，包含前期計(jì)劃、學(xué)術(shù)匯報(bào)、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(duì)精神和溝通能力，促進(jìn)教學(xué)與實(shí)踐相互統(tǒng)一等方面的意義，并對(duì)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(shí)踐教學(xué);可展折紙結(jié)構(gòu);思維碰撞

中圖分類號(hào)：G6420;TU 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(shí)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(shí)踐。在實(shí)踐環(huán)節(jié)中，學(xué)生的實(shí)踐場(chǎng)所——工作坊成為實(shí)踐環(huán)節(jié)的核心，因此形成的實(shí)踐模式被稱為“工作坊教學(xué)”[1]。

工作坊的實(shí)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(dòng)各個(gè)成員的積極性， 可以在短時(shí)間內(nèi)按照流程完成各項(xiàng)工作。比較常見(jiàn)的工作方式是小團(tuán)隊(duì)工作 （Team work）方式。在小團(tuán)隊(duì)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(shí)的傳授相比，工作坊有其不同的原則。一是在workshop開(kāi)始前，指導(dǎo)教師會(huì)按照預(yù)期的培養(yǎng)目標(biāo)制定周密的計(jì)劃和具體的實(shí)施細(xì)則，控制整個(gè)workshop的推行進(jìn)度，并且指導(dǎo)學(xué)生切實(shí)執(zhí)行整個(gè)計(jì)劃。二是評(píng)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?shí)踐綜合考核。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(guò)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(shí)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(zhǎng)，從而在workshop中找到自己的定位。

對(duì)于土木工程這一傳統(tǒng)學(xué)科來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的理論教學(xué)、試驗(yàn)教學(xué)、認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)相結(jié)合的教學(xué)模式已經(jīng)不能滿足社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)的需求。在當(dāng)今社會(huì)飛速發(fā)展和學(xué)科改革不斷推進(jìn)的形勢(shì)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(lái)對(duì)多國(guó)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(guó)際學(xué)生工作坊實(shí)例

2017年10月15日至29日，可展折紙結(jié)構(gòu)國(guó)際學(xué)生工作坊項(xiàng)目在哥本哈根丹麥皇家建筑藝術(shù)學(xué)院舉辦。來(lái)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(guó)際學(xué)生工作坊。活動(dòng)的主要內(nèi)容包括前期計(jì)劃、學(xué)術(shù)匯報(bào)、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(gè)組，每組3～4人，均包含來(lái)自不同教育背景的學(xué)生，以期優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，互相交流和學(xué)習(xí)。

（一）活動(dòng)主題

工作坊活動(dòng)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(shí)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(guó)，在唐代時(shí)，開(kāi)始流傳至日本。當(dāng)時(shí)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(guó)粹之一并加以發(fā)揚(yáng)。而折紙也逐漸傳至西班牙，而后流傳至歐美各國(guó)[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(bào)

在工作坊的開(kāi)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(duì)可展折紙結(jié)構(gòu)的最新研究成果作了學(xué)術(shù)報(bào)告（圖2）。各位學(xué)者的精彩匯報(bào)加深了學(xué)生對(duì)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(lái)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(guó)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(yùn)行的采用程序算法生成模型的插件，不需要太多程序語(yǔ)言的知識(shí)，就可以通過(guò)一些簡(jiǎn)單的流程方法達(dá)到設(shè)計(jì)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(diǎn)評(píng)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(jì)制作思考過(guò)程。

1.研究思路

該組學(xué)生剛開(kāi)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(jí)本科生的丹麥學(xué)生并沒(méi)有太多的折紙基礎(chǔ)，而中國(guó)學(xué)生對(duì)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(guò)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(guò)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(shí)的選題：用折紙構(gòu)型來(lái)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(jì)專業(yè)學(xué)生傾向于此類選題。

2.研究過(guò)程

經(jīng)過(guò)之前對(duì)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(jì)流程進(jìn)行討論之后，學(xué)生對(duì)折紙模型制作都有了一定的了解。接下來(lái)，便開(kāi)始了模型制作。先是制作了幾個(gè)Miura Origami 模型并將其組裝，然后通過(guò)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(duì)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(jì)理念

該組學(xué)生經(jīng)過(guò)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(duì)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(jì)過(guò)程

通過(guò)討論發(fā)現(xiàn)，峰線與谷線之間的夾角（圖 6中的α）對(duì)折紙構(gòu)型的性質(zhì)有很大的影響，故決定通過(guò)改變夾角（α），來(lái)研究不同夾角（α）下折紙構(gòu)型的性質(zhì)。考慮到現(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?qǐng)D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(jì)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(yáng)能電池板、太陽(yáng)帆、太空望遠(yuǎn)鏡等一些厚度不可以忽略的結(jié)構(gòu)中。對(duì)于此類需要在太空中發(fā)揮作用的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，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(jì)一種可展開(kāi)折疊結(jié)構(gòu)，將其應(yīng)用到航空航天領(lǐng)域的太陽(yáng)能電池板中。

2.設(shè)計(jì)過(guò)程

小組成員首先對(duì)厚板折疊進(jìn)行了廣泛調(diào)研。經(jīng)過(guò)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(jì)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(guò)小組成員相互討論，決定可展開(kāi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用二級(jí)可展開(kāi)折疊結(jié)構(gòu)。初步方案是通過(guò)兩次不同的展開(kāi)機(jī)制，把空間折疊結(jié)構(gòu)展開(kāi)成平面。二級(jí)可展開(kāi)折疊結(jié)構(gòu)，將由完全相同的基本展開(kāi)體相互連接而成，每一個(gè)基本展開(kāi)體由一個(gè)中心單元和六個(gè)邊單元連接而成，每一個(gè)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(jì)采用Miura-Origami。每一個(gè)最小折疊單元為一塊由六個(gè)正三角形組成的正六邊形，整個(gè)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(shí)可以使規(guī)模生產(chǎn)后的成本較少。但是設(shè)計(jì)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(jì)軟件，小組成員提出了第一種基本展開(kāi)體的二級(jí)展開(kāi)方式。具體為：

中心單元展開(kāi)方式：Miura-Origami

邊單元展開(kāi)方式：Miura-Origami

展開(kāi)順序（圖14）：中心單元按照Miura-Origami的方式展開(kāi)成平面，隨后六根滑桿把六個(gè)邊單元推出。待滑動(dòng)結(jié)束后，六個(gè)邊單元按照Miura-Origami的方式展開(kāi)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(jiǎn)單翻折的方式全部打開(kāi)，展開(kāi)過(guò)程結(jié)束。

完成厚板折疊構(gòu)型一之后，小組成員又對(duì)邊單元展開(kāi)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(kāi)方式。通過(guò)與指導(dǎo)教師溝通，最終提出了第二種基本展開(kāi)體的二級(jí)展開(kāi)方式。具體為：

中心單元展開(kāi)方式：Miura-Origami

邊單元展開(kāi)方式：簡(jiǎn)單翻折

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

最后進(jìn)行成果總結(jié)匯報(bào)。兩種二級(jí)展開(kāi)方式均實(shí)現(xiàn)了模型的二級(jí)展開(kāi)與折疊，達(dá)到了較好的效果。

（五）思考與建議

經(jīng)過(guò)兩校師生的共同努力，為期半個(gè)月的可展折紙結(jié)構(gòu)國(guó)際學(xué)生工作坊項(xiàng)目順利完成。各個(gè)小組成員互相交流學(xué)習(xí)，感到收獲很多。在設(shè)計(jì)—實(shí)踐—點(diǎn)評(píng)—修正—再設(shè)計(jì)的研習(xí)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)可展折紙結(jié)構(gòu)有更加透徹的認(rèn)識(shí)，也提升了實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

基于此次國(guó)際學(xué)生工作坊的運(yùn)作過(guò)程，可提出一些建議為之后的交流活動(dòng)作為借鑒和參考。首先，對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)最新進(jìn)展的介紹十分有必要。通過(guò)介紹，可以讓學(xué)生對(duì)這項(xiàng)技術(shù)有一個(gè)宏觀的概念，給學(xué)生提供廣闊的思路和無(wú)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(wú)法向外擴(kuò)展。其次，集中向?qū)W生講授相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)、演示基本技能是十分必要的，基礎(chǔ)知識(shí)、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(wú)從談起。最后，由簡(jiǎn)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(shí)質(zhì)是一個(gè)不斷完善的循序漸進(jìn)的過(guò)程，這個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程保證了整個(gè)工作坊的順利進(jìn)行。

二、 對(duì)工作坊教學(xué)模式的思考

從可展折紙結(jié)構(gòu)國(guó)際學(xué)生工作坊的全過(guò)程中可以看出，工作坊不僅為學(xué)生獲得基本理論知識(shí)提供了實(shí)踐平臺(tái)，真正實(shí)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(duì)精神。對(duì)土木工程學(xué)科工作坊教學(xué)模式有以下幾點(diǎn)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(lái)自建筑設(shè)計(jì)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(wèn)題，對(duì)達(dá)到目的的具體做法并不關(guān)注，這也是建筑設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)計(jì)劃未涉及過(guò)多工程學(xué)專業(yè)課的結(jié)果;而對(duì)于土木工程學(xué)科的學(xué)生而言，思考的重點(diǎn)則是解決問(wèn)題的具體細(xì)節(jié)，在概念判斷上并沒(méi)有給予足夠的重視。實(shí)際上，在進(jìn)行科學(xué)研究時(shí)，遇到的很多問(wèn)題都沒(méi)有既定的解決辦法，于是概念上的判斷就成了把握問(wèn)題關(guān)鍵、尋找解決方案的第一步，也是更深入研究問(wèn)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(wèn)題。

由于建筑設(shè)計(jì)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(huì)帶來(lái)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(shí)踐的相互統(tǒng)一

在工作坊運(yùn)行過(guò)程中，指導(dǎo)教師通過(guò)學(xué)術(shù)匯報(bào)和現(xiàn)場(chǎng)演示的方式進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生通過(guò)實(shí)踐對(duì)已學(xué)的理論知識(shí)進(jìn)行理解，并通過(guò)自主學(xué)習(xí)、相互學(xué)習(xí)的方式來(lái)提高認(rèn)識(shí)。指導(dǎo)教師的點(diǎn)評(píng)和學(xué)生的不斷實(shí)踐都體現(xiàn)了教學(xué)與實(shí)踐的連續(xù)統(tǒng)一，使知識(shí)的獲取過(guò)程成為一個(gè)飽滿的連續(xù)體系[5]。

（三）溝通能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)

工作坊是一個(gè)基于項(xiàng)目的教學(xué)培養(yǎng)模式。在工作坊的運(yùn)行過(guò)程中，學(xué)生需要組成團(tuán)隊(duì)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、模型制作，并且根據(jù)各個(gè)成員的特長(zhǎng)進(jìn)行任務(wù)分派。在以上過(guò)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(shí)間浪費(fèi)，提高工作效率。對(duì)于常規(guī)的學(xué)生工作坊，參與項(xiàng)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(duì)于國(guó)際工作坊，參與項(xiàng)目的學(xué)生有著不同的教育背景和文化背景。在項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)程中，小組成員需要克服語(yǔ)言障礙和文化壁壘，進(jìn)行跨學(xué)科、跨國(guó)籍的溝通和交流，對(duì)各個(gè)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(duì)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(guò)程中相互交流與學(xué)習(xí)，團(tuán)隊(duì)意識(shí)與責(zé)任意識(shí)得到強(qiáng)化，有利于團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)。

三、 結(jié)語(yǔ)

此次工作坊實(shí)踐，包括前期計(jì)劃、學(xué)術(shù)匯報(bào)和演示，以及學(xué)生反復(fù)實(shí)踐與接受考核直至作品完成，本文對(duì)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(shí)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(duì)精神。因此，對(duì)土木工程學(xué)科來(lái)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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