摘要：专业教室空间对建筑学学生能力的提高具有重要影响。然而，目前的专业教室仅适用于传统教学模式，无法满足信息化、数字化和个性化等新的教学要求。本文以湖南大学建筑学专业教室为例，先对教室功能及学生行为进行梳理，并从室外环境、室内环境、师生交互、学生交流和个人成长5个维度对学生进行问卷调查，而后运用聚类分析的方法对学生需求进行聚类，并生成聚类空间，进而探究聚类空间的异质化组合模式和空间设计策略。
关键词：聚类分析；教室空间；空间设计；空间模式
在国际先进教育体系的影响下，我国建筑教育朝着开放式与交流互促的方向发展［1-2］。专业教室作为现代建筑教育的产物，其空间模式应随学生培养方式的变化而调整。那么，以满足学生需求和新教学方式的差异化学习空间必将成为未来专业教室的发展方向。目前，针对建筑教学与专业空间关联性的研究相对较少，有限的研究往往关注于传统教学模式的空间设计，而对信息化、数字化和个性化等新的教学要求探索较少。韩旭晶［3］以建筑学教学模式变化为切入点，从交往学习、阅读素质和动手能力培养等方面，提出建筑学专业教室需要有较强的适应性来满足教学的变化和发展；杨辉等［4］从建筑学教学体系出发，提出专业教室应具有教学指导、学习、绘图、交流、展示等核心功能，并总结出当前专业教室存在开放式、专用式、交流式3种类型。但现有研究缺少对专业教室设计方法和影响因素的深入考虑［5］，无法指导具体的空间设计或更新改造。为了探究基于学生需求的专业教室设计方法，本文以湖南大学建筑学专业教室为例，对室外环境、室内环境、师生交互、学生交流和个人成长这5类空间影响因素进行聚类分析，在聚类的基础上进行空间模式的研究。基于需求聚类的空间模式有助于解决当前专业教室空间过于简单化、模式化的问题，便于个性化空间设计与改造，同时也有利于教师因材施教，提供多元化教学方式。
1研究方法
聚类分析（ClusterAnalysis）是一种根据数据本身结构特征对数据进行分类的方法［6］。它可以把数据分成若干类别，使类别内部的差异小，而类别间的差异大，从而实现多个指标的分类探讨，直观表达样本的分类特征［7］。聚类分析又可分为层次聚类法、非层次聚类法和智能聚类法。其中智能聚类法的计算量较小，可自动判断最适宜的类别数，同时又能发掘类别之间的复杂联系，分析结果准确可靠。大部分聚类分析的应用都属于探测性研究，主要是对研究对象进行分类；少部分属于证实性研究，对其他方法确定的分类进行检验［8］。近年来聚类分析已广泛应用于各个领域，如社会学、经济学、工程学以及计算机科学等［9］。在建筑学领域，聚类分析多应用于建筑平面形态、能耗分析等方面［7，10］。本文以问卷调查的方式收集学生对专业教室空间的需求，再将数据输入SPSS中，将室外环境、室内环境、师生交互、学生交流和个人成长5个因子下的量表题得分相加，得到各因子的分数，再采用智能聚类法中的“两步聚类法”（TwoStepCluster）来分析，最终得出聚类类别。
2建筑专业教室空间分析
2.1国内外专业教室现状
国外建筑学专业教室空间较为丰富（表01），主要体现在：①固定工位，学生拥有属于自己的固定工作区及其围绕的储物空间；②开放空间较大，专业教室为学生提供充足的空间，便于制作模型、评图授课、展示作品等；③空间划分明确，空间通常按照不同功能划分为制图与模型制作、计算机应用、授课区等；④附属功能区较多，专业教室除学习空间外还提供聊天休息区、咖啡吧、藏书区等休闲空间。国内建筑学专业教室的环境也在日益改善，但与国外相比仍存在较大差距。通过调查发现，国内的专业教室通常为学生提供了独立工位，但空间较小，除了传统的授课和制图，新的教学方式和学生自主学习的活动很难开展。部分高校专业教室配备能够拆分的桌椅，一定程度上提高了空间的灵活性，但缺少相对个性化的附属空间。
2.2研究对象
湖南大学建筑学专业教室在国内具有较强的代表性，为了进一步调查学生的学习需求及其在时空上的分布特征，本文选取典型专业教室进行调研。通过对专业教室进行现场体验、实测以及对学生进行问卷调查等，得到专业教室空间信息、教学需求及学生行为偏好等数据。
2.3研究结果
2.3.1空间布局通过调研，发现建筑学专业教室存在两种空间布局方式，一种为基于大空间的灵活布置方式（图01），另一种则是呈水平线性排列的单元空间组合方式（图02）。同时发现，现有专业教室存在空间封闭、狭小、布局单调等问题（表02），大部分学生对专业教室的空间面积和配套设施都不太满意，其中对桌面尺寸过小和缺少储物空间的不满意度最高（图03）。2.3.2空间利用从行为活动来看，大部分学生在专业教室的主要行为有听课、模型制作、绘图、评图，以及与老师讨论方案等，而其他行为则发生的次数较少（图04）。从使用时间来看，大部分学生选择下午或晚上前往专业教室，除上课外，专业教室的使用频率较低且平均停留时间较短（图05）。2.3.3功能需求与尺度分析在功能上，专业教室除提供教师授课、学生听课、绘图练习、师生交流等功能外，还应满足更多专业活动，且不同的行为对尺度有不同的需求（表03），其主要需求有以下几点。①绘图与模型制作。绘图行为贯穿于整个设计过程，低年级学生多需手工绘图，而高年级学生则常需计算机辅助制图。同时，学生经常需要制作手工模型，而这项实践性较强的行为需要比一般学习活动更大的空间。②评图与展示。在设计教学的过程中，学生需要利用图纸、展板、模型、多媒体、虚拟现实等媒介和技术向老师及同学展示自己的设计成果，并进行有效讨论和评判。③交流。交流与沟通是建筑学专业学生获得设计灵感、解决设计问题、提升专业知识的重要途径。交流时常发生在学生与学生、学生与老师之间，并伴随答疑、汇报、讲解等多种行为。④储藏。学生需要储藏多种工具，如尺规、图板、纸笔、模型材料、制作工具等。⑤新需求。随着建筑教学信息化和数字化的发展，激光切割、3D打印等技术广泛应用于模型制作，参数化设计和VR技术也逐渐运用于设计，这些都需要与之相适应的新的空间。
3聚类分析
3.1数据来源及数据检验
本研究收集的数据是从学生的学习偏好出发，围绕室外环境、室内环境、师生交互、学生交流和个人成长5个因子展开，进而考察学生的学习心理与行为。其中，室外环境是教室空间周围各种自然因素的总和；室内环境指教室内部空间的几何与物理环境；师生交互与学生交流测量学生与老师以及同学之间的交流意愿；个人成长因子反映不受外界影响的学习行为取向。为了获得每位学生个性化需求，本文采用李克特量表测量法，共设计了包含5个因子的个性化需求评价指标，通过网络平台进行数据收集。研究以湖南大学建筑学专业学生为调研对象，共发放问卷130份，剔除包含异常值和缺失值的无效问卷，共回收有效样本106份。问卷的克朗巴哈（Cronbach'sAlpha）信度检验系数为0.793，表明结果具有较强的可信度。
3.2聚类特征分析
通过累计求和得到各因子分数。分数越高，表明学生对该项指标的需求越高，或该项指标的影响越大。由得分可知，聚类中各因子的重要程度明显不同（图06），室外环境因子是决定学习行为与偏好的首要因素，紧随其后的是室内环境和个人成长因子，师生交互和学生交流因子的重要性相对较弱（图07）。在标准化因子分数后，进行2步聚类分析，最终输出4种聚类，并得到每个因子对每类学生影响的均值，正负值分别代表积极和消极的影响（表04）。同一聚类中的不同学生具有相似的特征，而这一相似的特征反映在现实中即为相近的学习习惯与行为。聚类1共38人，此类学生个人学习能力较差，对室内外环境的要求也较低，社交能力较弱；聚类2共24人，此类学生自主学习能力强，对室外环境有较高要求，会积极主动地与老师交流，但与同学的交流很少；聚类3共19人，此类学生个人学习能力较强，会主动与老师交流，但与同学的交流较少，对环境要求低，尤其不愿接近室外自然环境；聚类4共25人，此类学生对专业学习关注度较低，不会主动与老师交流，但与同学的交流意愿很强，对室内环境要求很高。
4基于聚类分析的空间模式与设计策略
空间模式提取的思路是从影响学生学习行为和偏好的主客观因素出发，通过问卷调查和聚类分析，生成聚类类别，并在聚类特征的基础上确定空间尺寸和组合模式（图08）。具体的原则是在满足各聚类人群需求的基础上，使各聚类所属空间之间产生合理的关联性，进而优化整个聚类群的空间环境。4.1空间尺寸空间尺寸的确定主要依据各聚类学生数量及学生的空间需求。根据调研结果可设定人均基础面积为A（4.20m2≤A≤6.02m2）。由聚类分析可知，4种聚类对室内环境因子的要求均不同：聚类1对室内环境要求最低，则其聚类人均面积可设为A；聚类3、聚类2、聚类4对室内环境的要求逐渐提高，则令其聚类人均面积分别增加X、Y、Z（X＜Y＜Z）。令聚类空间的高为H（m），则4种聚类空间容积分别为：聚类1=38AH（m3）；聚类2=24（A＋Y）H（m3）；聚类3=19（A＋X）H（m3）；聚类4=25（A＋Z）H（m3）。4.2空间模式依据不同聚类的特征，本文提出以下空间组合策略。聚类1学生数量最多，他们对专业学习关注度较低，性格内向，建议营造放射型、分散型空间，以便加强他们与其他聚类学生的接触，帮助他们进入学习状态。聚类2学生喜好自然，建议将其空间布置在聚类群外围，使他们更接近室外环境。与聚类2相反，聚类3学生对室外环境要求低，其空间适宜布置于聚类群内部。聚类4学生对室内环境的舒适、安静和宽敞程度要求较高，且在个人成长、相互交流方面与聚类2学生形成互补，可将聚类4空间布置在聚类2附近。具体来说，主要有集中式、垂直线性、组团式和放射式4种空间模式（表05）。4.2.1集中式将集中授课、评图等功能区置于中心，其他聚类空间围绕这个中心组织。由室外环境因子可知，聚类2学生向往自然，而聚类3学生排斥自然，故将聚类2空间环绕于最外侧，聚类3空间紧邻中心。由个人成长因子及社交因子得出，聚类4学生不善于同老师交流却善于与同学交流，故将聚类4空间贴邻聚类3布置，利于各聚类学生间相互学习。聚类1学生的各因子得分均为负值，故将其环绕于空间次外圈，毗邻其余聚类，达到学习帮扶的作用。4.2.2线性垂直线性交通串联各聚类空间并终止于以集中授课为主要功能的空间。聚类2学生向往自然，将其置于空间底层便于与自然接触。聚类1学生各因子得分均偏低，故令其靠近授课中心，便于听课。聚类3学生的室外环境因子得分较低，其个人因子得分较高，因此聚类3拟布置于中部空间，便于上下联系，进而促进各聚类学生间的学习交流。聚类4学生偏好内部交流，则将其置于顶部空间。4.2.3组团式在室外环境方面，聚类1和3学生得分较低，故将其置于中心空间，而聚类2和4学生喜好自然，将其置于外部空间。同时，聚类2学生对室外环境要求高，故将其以C形布局放置于空间外侧，便于接触自然环境。在社交方面，聚类2和3学生善于与老师交流，则将其置于授课中心旁；聚类1和4学生偏向同学内部交流，故将这两类置于外部空间。在个人成长方面，聚类1学生得分最低，因此将其置于其他聚类三面围合之中，通过学生间的带动作用来提高他们对专业学习的兴趣。4.2.4放射式由室外环境因子得出，聚类3学生排斥自然，故将其置于中心，其他聚类以聚类3为中心，呈放射状分布。聚类2和4学生偏好接近自然环境，则将其布置在外侧。聚类1学生各因子得分均较低，故将聚类1布置在教学区附近，以便提高他们的专业兴趣。
5结语
针对现有建筑学专业学习空间封闭、狭小、无法满足学生个性化需求的问题，本研究通过室外环境、室内环境、师生交互、学生交流和个人成长5个维度来考查学生对专业教室的需求，利用聚类分析法将不同学习习惯和行为偏好的学生分为4种聚类，并根据聚类的特征提出集中式、线性、放射式和组团式4类空间模式，为建筑学专业教学空间的设计和改造提供理论参考和技术支持。基金项目：湖南省社会科学成果评审委员会课题（XSP19YBZ089）。
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作者：何成 李裕萱 李琦 单位：湖南大学建筑学院
