智慧城市循環產業創意教學研究

張樂敏 張若曦

摘要：重視循環經濟的發展是目前加速實現碳中和目標的切入點之一，而培育智慧循環的城市創新產業是建構低碳型社會的重要舉措。面對當前的現實需求，高校也需要在教學創新上進行回應。以高校智慧城市循環設計創意工作坊的教學組織為出發，通過有效地將產、學、研融合形成有機創新體，達到培養學生、研發循環產業新技術及促進城市循環產業發展的目的。以社區共享農場設計創意工坊的教學活動為例，分析了創新課程中對智慧城市建成環境和城市給養的融合研究，研發出“智慧社區共享菜園”系統，并對本期創意工坊的研究成果和經驗進行總結，力求對推動未來低碳循環社會的建構和發展提供參考。

關鍵詞：智慧城市;智慧社區;低碳城市;共享菜園;智慧種植

中圖分類號：F293 文獻標識碼：A

文章編號：1001-9138-（2021）06-0070-76 收稿日期：2021-05-25

1 引言

經歷40余年的經濟快速發展，我國成為了全球最大的產品制造國和出口國，也成為了全球最活躍的數字智慧經濟體之一。然而，高速發展也使我國的資源、環境和社會等壓力與日俱增，特別在經濟發達的城市地區，所面臨的問題尤為嚴峻。2017年國家發改委發布了“循環發展引領行動”，以產品的再設計和循環共享理念為核心，提出構建、完善和強化循環型產業發展體系的重要舉措。研究表明，我國早在15年前就已成為推行循環經濟的領跑者，在推動資源提效、污染治理和工業生態建設等方面取得了積極的進展。因此，我國城市也被認為是在全球研究如何協調經濟發展和人居環境提升的最重要的舞臺之一。

本研究以高校循環設計創意工作坊的教學組織為出發，融合產、學、研形成有機創新體，目的是培養學生更好地認識智慧循環城市，探索實現未來綠色可持續發展的重要途徑。本文重點以低碳社區共享農場設計教學為例，培養學生理解未來智慧循環城市中社區居民的發展需求，認識到將循環經濟設計融入社區生活，可以促進實現更加清潔、健康和生態的高品質城市環境。

2 智慧循環城市研究的內涵和熱點

循環經濟（Circular Economy）的思想本質源于生態經濟，它要求運用生態學規律而不是機械論規律來指導人類社會的經濟活動。循環經濟是一種具有再生性和修復性的生態經濟模式（高曉明、許欣悅等，2019），認為環境中沒有廢物而只有被錯置的資源，因此，該模式為源源不斷地創造經濟價值提供了新的機遇。1966年美國經濟學家肯尼思·鮑爾丁發表了《一門科學——生態經濟學》，為循環經濟的產生和發展奠定了理論基礎（李宇、董鎖成等，2012）。20世紀70年代人們為了減少廢棄物的產生，開始關注廢棄物產生后的治理，該處理方式被稱為末端治理模式（包英姿，2004）;80年代后，人們逐漸認識到廢棄物其實具有資源化屬性，于是普遍開始關注利用全過程的控制模式來減少廢棄物的產生（陸學、陳興鵬，2014）。隨著可持續發展理念興起，我國、德國、日本和美國為代表的發達國家開始把建立循環產業體系作為實現社會可持續發展目標的重要實現途徑（薛冰、陳興鵬等，2011）。

90年代后，循環經濟的概念被引入國內，經歷了近30年的實踐和理論發展，取得了令人矚目的成績。從近15年的研究文獻數量來看：循環經濟的研究大部分在生產領域，多聚焦于工業，集中于對產業生態循環工業園區的探討，其次是農業，再次是服務業，對于消費領域的研究較少。而針對于消費載體研究主要集中于旅游業，對于綠色循環消費的探討還較少。近5年來，關于垃圾分類回收利用的研究也逐步興起，受到了政府決策層和學術界的高度關注，可以說是當前循環經濟研究的熱點領域之一（鄒細霞、陳海旭，2015）。在建設智慧城市的進程中，數字信息技術的運用在降低環境污染、減少能耗、實現產業循環和資源共享利用等方面產生了重要的影響（張樂敏、張若曦，2020）。對資源進行更為合理的調配，可作為可持續社會實現節約循環建設的重要途徑和實踐（張若曦、蘇騰，2018）。

研究發現，目前關于智慧循環城市的理論模型研究多以3R原則為核心理念，即減少原料（Reduce）、重新利用（Reuse）和物品回收（Recycle）（韓寶平、孫曉菲，2003）。而文獻研究熱點主要集中于四個領域，分別是智慧建成環境、智慧移動交通、智慧城市給養和智慧回收工業產品（見表1），也較常出現四個領域的交叉研究趨勢，在未來循環城市體系建設中具有巨大的潛能。對于高校教學而言，有必要通過產學研一體化的合作研究模式，通過不斷舉辦創意教學工作坊的方式深入進行研究、學習、探討和實踐。

3 智慧城市循環設計創意教學工坊的建構

智慧城市循環設計創意工坊，是廈門大學建筑與城市規劃學科“未來城市”系列課程體系中產學研相結合的重要的創新互動教學平臺。該課程旨在聚焦智慧循環城市體系中的熱點問題，選擇主題、嘗試通過設計研發對循環城市中復合問題進行解決，重點以智慧建成環境為中心，從智慧移動交通、智慧城市給養和智慧回收產品三個交叉角度進行創意拓展及融合設計（見圖1）。往期的主題選擇包括：在智慧建成環境與城市給養的交叉視角下，確定社區共享農場的設計主題;又如在智慧建成環境與移動交通的交叉視角下，確定了智慧長照3.0——銀發社區互動碰碰車系統的設計構思等。

在確定創意工坊的主題后，課程有計劃地向在校學生社群、教師、行業專家和創新企業進行參與者招募，課程活動為期6周（每周1天），常利用第三學期或者周末時間進行互動探討。過程中，首先通過循環理念、現場參觀和案例探討的方式進行課程熱身;隨后，通過桌游的形式讓參與者在輕松的氛圍下，從不同維度對主題內容進行挖掘和發表意見，積極尋找循環的創新解決方案;最后，以實作的形式進行多方協作，將創意設計轉換為具體的產品或系統的解決方案。課程之后，通過參與全國智慧城市創意設計競賽，積極與企業合作將創意成果推向市場，探索產學研的融合實現，推動智慧城市循環產業的教育創新。

4 以社區共享農場設計為例

4.1 教學目的

本文選取在智慧建成環境與城市給養的交叉視角下，針對低碳社區共享農場設計主題的教學進展及成果進行研討分析。該主題的選取是基于城市生態給養的視角，思考如何在城市有限的建成環境中擴大綠化面積，改善人居環境的同時自給清潔健康的農產品，降低對外界的供給依賴。與此同時，主題也關注于現在城市社區鄰里間人際關系淡漠的問題，社會分工的細化及網絡平臺的飛速發展均增加了人們的遠距離交往，如何才能增進交往、重拾社區活力也是值得關注的重要議題（張若曦、喻蘇婕，2020）。

本創意工坊的課程設計基于循環經濟的創意再設計理念，通過信息技術構建都市智慧循環農業系統，在智慧建成環境和城市給養的視角下，結合共享經濟與智慧城市的建設經驗，讓參與者通過不斷的討論，將互聯網技術與農業種植技術相結合，逐步提出建設智慧社區中共享菜園系統的思路與解決方案，以營造一個綠色健康、富足便捷、生態和諧的城市社區環境為目標。

4.2 研究框架

創意工坊通過組織參與者進行現場參觀、講課和討論，以及對社區居民的問卷調研和訪談，逐漸探索出適合當前城市居民生活需要的智慧化改造的應用專案，基于類似案例對項目進行系統梳理和論證，提出具有可行性的初步概念方案，再利用城市生態學、建筑學、植物學、工業設計及軟件工程等多學科技術體系為支撐，對項目進行深入的產品設計、技術設計、運營測試和評估（見圖2）。

4.3 案例討論和調研

4.3.1 案例討論

案例討論可以幫助參與者拓展思維，獲得創意靈感。創意工坊首先組織專家學者對碳中和、共享經濟和共享農場等相關主題案例進行研討，參與者及時對感興趣的問題深入地互動交流，從多個維度討論并嘗試分析問題和解決問題。其主要內容有：共享經濟概念的發展、Uber的盈利模式、Airbnb的成功之處、各類型共享農場的成功經驗和做法等（見表2）。最后，創意工坊還組織參與者對社區共享農場所可能采取的工作模式進行探討，包括從農場到用戶（F2C）的直采模式、共享按需農業模式和垂直農場模式等。

4.3.2 居民訪談與問卷調研

工作坊為了更好地了解廈門當地居民對于社區共享農場（菜園）的需求，進行了現場訪談和問卷調研。發放問卷共260份，其中有效問卷243份，無效問卷17份。通過調查數據分析（見表3），工作坊初步了解了社區居民的基本情況與對共享農場的需求。

4.4 創意成果介紹

在經過了學習討論環節后，創意工坊的參與者基本掌握了當前廈門城市建成環境的特點和城市給養建設中的難點。隨后，創意工坊開始進入創意設計階段，經過第三周8輪持續激烈的探討，大家認為最好的解決辦法是設計一套“智慧社區共享菜園”系統，利用城市的閑置建成空間來解決城市給養問題。在隨后的3周內，參與者們充分發揮多專業融合協作的優勢，對“智慧社區共享菜園”系統進行了全面的產品設計實作、Arduino多傳感器編程調試和數據平臺搭建，重點解決產品的系統構成、智慧種植模塊和面向用戶的定制化設計等難點。

4.4.1 產品系統構成

該系統由線下和線上兩部分組成，線上部分由“智慧菜園”手機APP，智慧種植指導和城市蔬菜共享平臺三個模塊構成，線下部分由菜園建造、蔬菜培育、收獲共享、智能檢測與物流倉儲五個模塊組成。

在初步完成的系統上，用戶可通過APP線上申請菜園，寄送種植裝置自行安裝，也可線上預約技術人員上門指導。裝置內置智慧監測晶片和WIFI，監測植物生長指標并關聯線上帳號實施跟蹤。在種植過程中，用戶可隨種、隨采、隨吃，也可在線上學習種植教程，分享種植拍照，如果蔬菜吃不完，可線上發布分享資訊，鄰里用戶可在線預約上門取菜，促進線下的社區活動，亦可選擇城市配送，將蔬菜歸到城市集中蔬果倉儲中心，預約配送到社群用戶（見圖3）。

4.4.2 智慧種植模塊

本創意設計的重點是智慧種植模塊與城市社區建成環境的融合。工作坊從城市中最常見的住宅樓屋頂空間入手，將果蔬生產和居家生活功能進行深度的融合設計。屋頂果蔬生產部分由無土栽培的種植盒、可靈活組裝的架空物架、景觀水池、太陽能板等模構成;屋頂居家生活部分則由泡茶休閑、兒童游樂、衣物晾曬等模構成（見圖4）。其中架空的無土種植盒和植物蔓藤可為生活休閑功能提供遮陽避雨的空間，而部分生活有機垃圾可以循環處理為植物生長的養料，使生活和種植兩者相互補充。

4.4.3 面向用戶的定制化設計

在工作坊的進一步研發探討中，建筑學、城市規劃和房地產開發方向的參與者普遍認為，住宅面積占城市建成空間的60%以上，城市陽臺是城市最普遍的住宅建成空間形態之一，是城市社區中最適合用于利用發展智慧共享種植產業的空間，系統需要在屋頂露臺種植模塊的創意基礎上，需要面向用戶對陽臺空間進行定制化的設計。于是，工作坊及時組織人員進行技術攻關，根據調研時獲取的不同年齡段的用戶需求分析，最終設計出兒童導向型、中青年導向型和老人導向型的智慧種植陽臺設計，使得智慧社區共享菜園系統能盡可能滿足多元的城市住宅空間的共享種植需求（見圖5）。

4.5 應用前景探討

創意工坊最后一周，邀請感興趣的社群居民參與“智慧社區共享菜園”系統的體驗，再針對產品應用前景和進一步研發進行深入探討，得出了如下結論：

（1）屋頂綠化與陽臺綠化將成為一個新的城市增長點，該創意產品的市場發展前景廣闊，未來的農業生產模式有望不再受限于農村或城郊大規模的片區種植模式，城市中分散點狀種植模式將為未來蔬菜供應提供有力的補充。以廈門市為例，目前城市建成的陽露臺面積約50平方公里，如按照調研數據有50%的居民愿意參與“智慧社區共享菜園”系統，將為廈門市創造近25平方公里規模（即25000公頃）的城市果蔬種植。當這些用戶將種植的蔬菜通過“智慧菜園”線上共享平臺流入市場之后，廈門有相當一部分的城市蔬菜給養可就近解決，在社會生態、經濟減碳的效益上均十分明顯。

（2）智慧社區共享菜園可發展為一種負碳排放技術，減少運輸和儲存中的碳消耗，與此同時，種植植物將大氣中的碳固定在生物和土壤中，可進一步加工為儲碳材料。

（3）智慧模成本高，需要控制產品成本。該系統能有效解決城市中許多問題，然而與許多智慧城市建設專案相似，由于智慧模塊的插入，可能會造成系統成本提高，這或許會導致部分居民購買意愿降低，如果能很好地控制成本，將有助于產品的推廣。

（4）系統界面設計需要簡潔、易操作，以適應不同人群的需求。在系統正式開發與建設時，應注重成本控制與系統對不同年齡層級人群的友好度，需要同時考慮對不熟悉手機操作的老年人和小孩參與便利性。

（5）要考慮項目的美觀性，以適合不同城市風貌類型。陽臺與屋頂的花園建設受有關部門對城市風貌的管控，在進行建設時，如果能與不同城市風貌類型相協調，或能起到美化城市立面的效果，項目會更容易獲得政府和居民的支持。

（6）要保證項目的安全性。產品在戶外安裝時，要特別注意安裝的便利性和安全性，需要考慮多種安全固定方案。產品結構需經過嚴格的力學計算，要能應對各種極端氣候條件下產品的穩定性，保證人身安全。

5 總結

基于智慧城市循環產業的創意工坊教學研究，在未來城市的循環產業的再設計和技術創新中具有重要作用，是一種對產學研結合的新模式探索。課題組通過定期舉辦智慧循環城市設計創意工作坊，已培育學員近百人，產生創新課題和項目近20項，申請智慧城市相關國家發明專利近10項，其中有兩項在中國研究生智慧城市技術與創意設計大賽中分獲一等獎和三等獎，對于推動我國未來城市、智慧循環城市和低碳城市等方面研究有一定探索價值。雖然本研究才剛起步，所積累的應對城市問題的創意案例仍較有限，但課程從解決城市實際問題出發，產出創新研究成果，為高校傳統教學模式的創新探索提供了新的思路。

參考文獻：

1.韓寶平 孫曉菲 白向玉 魏穎.循環經濟理論的國內外實踐.中國礦業大學學報（社會科學版）.

2003.01

2.李宇 董鎖成 王菲 王喆 張麗君.基于循環經濟理念的生態城市發展研究.城市發展研究.2012.11

3.申勇.基于循環經濟的生態社區構建——以深圳為例.環境保護.2008.10

4.薛冰 陳興鵬 張偉偉 耿涌.關于社區循環經濟發展的理論探討.華東經濟管理.2011.02

5.張若曦 蘇騰 黃夢然. 國外生態城市近十年研究回顧——基于Citespace 軟件的可視化分析.動感：生態城市與綠色建筑.2018.01

6.張若曦 喻蘇婕.高校介入下的社區更新與實踐——廈門大學社區規劃課程探索.中國房地產.2020.12

7.張樂敏 張若曦 殷彪.BIM在建筑全生命周期中的仿真模擬應用與趨勢.城市建筑.2020.357

8.鄒細霞 陳海旭 樊云龍. 國內循環經濟載體研究綜述.再生資源與循環經濟.2015.08

作者簡介：張樂敏，廈門大學建筑與土木工程學院，助理教授，博士。

張若曦，通訊作者，廈門大學建筑與土木工程學院，副教授，博士。

基金項目：國家自然科學基金，No.51808472;教育部協同育人項目，No.202002111075，No.202002193014，No.202002193001。