人工智能賦能城鄉規劃專業本科設計教學探討

摘 要：科技進步促進城市發展轉型，加之當前人工智能蓬勃發展，為城鄉規劃學科教學發展與人才培養帶來較大的沖擊，尤其是新工科視域下培養既懂規劃又會技術的復合型人才成為當前教育教學的重點。基于此，結合城鄉規劃學科背景與特色，本文提出智慧教育融于OBE理念的教學新體系、智慧設計賦能競賽的產學研一體化教學新模式。本文以“城市設計”課程為例，針對教學現狀的技術滯后、學科交叉融合度不足與前沿性不足等問題提出相應融入人工智能的教學方法，以期提升“現狀分析—理念融入—方案設計”全過程教學質量，為第四次科技革命中城市規劃學科提升與改革提供一個可借鑒的高校教學模式。

關鍵詞：城鄉規劃；人工智能；交叉融合；“城市設計”課程

人工智能（AI）賦能城鄉規劃領域已經有近20年的歷史。近年來，吳志強等將數字生命概念引入城市當中，與物質生命、社會生命共同構成城市生命。^［1］各類數字生命形式在詮釋物質生命、社會生命的同時，與“時間”概念相結合，共同構成“跨代孿生”，為探究城市未來發展賦予理論基礎及新的動力源泉。與此同時，國家就推進現代信息技術與教育教學深度融合方面，相繼出臺了多項政策，以期形成互聯網與高等教育融合的新形態。

城鄉規劃專業本科的關注點是使學生具有工、理、文、林、管理等多學科交叉融合的知識背景，具備扎實的城鄉發展與規劃理論知識和城鄉規劃的專業技能。將人工智能與城鄉學科精神協同，是一個復雜的場域。新工科背景下，人工智能賦能城鄉規劃可作為重要策略嵌入本科教學體系當中。將新概念和新理念融合、將城鄉專業與信息學科交叉，以優化城鄉規劃在理論學習、數據分析、規劃設計等諸多方面的教學路徑，探索出一條以推動創新與產業發展為導向的工程教育新模式，從而激發學生的學習興趣與潛能，讓學生忙起來、讓教學活起來、讓管理嚴起來，全面振興本科教育，提高人才培養質量。^［2］

一、人工智能背景下城鄉規劃專業設計類課程體系改革的必要性

（一）科技革命促進城市發展轉型

18世紀中葉以來，世界已經歷了三次技術革命。新技術引發了生產和生活方式的變革，對社會經濟產生了重大影響，也正在極大地影響著城市的塑造過程。^［3］第一次技術革命使得人口向城市集中；第二次技術革命促進城市功能分區的劃分，城市范圍開始向周邊地區蔓延；第三次技術革命帶來了居民生活水平的提升，促進了工業用地向城郊轉移，城市內部用地混合。歷次技術革命均由顛覆性技術引發了生產和生活方式的變革，在宏觀層面上優化了城鎮發展格局，在中觀層面上促進了城市空間結構重組，在微觀層面上對用地組織形態產生了重大影響。^［4］21世紀以來，隨著數據收集與計算能力的穩步提升，以人工智能和大數據為核心的第四次技術革命已然到來，在計算機視覺、智能決策、自然語言處理等領域取得重大的研究突破。應對城鄉規劃領域復雜決策系統性能的提升，有望為城鄉空間規劃的數字化與智能化提供堅實的技術支撐，自然語言理解技術的長足進步能有效促進人機交互系統的應用落地，設計“人—機共融”的城鄉規劃與設計數字系統，以人機協同工作的方式，綜合發揮人定性規劃設計能力強與機器大尺度定量計算能力強的優勢，尤其是在城市設計領域具有廣泛的應用前景。^［5］

在當前的研究中，有不少學者已經對于人工智能在城市設計領域的應用做出突破性嘗試與實踐，在以城市居住區為主的功能單一街區中實行的生成式設計，宋靖華等依托居住區設計中體系化的參數生成強排方案^［6］；針對歷史文化街區的更新，唐芃等根據傳統建筑聚落與街巷肌理的特色模數，運用機器學習技術構建數字化生成工具，從而生成歷史文化街區形態肌理^［7］；孫澄宇等構建建筑群落案例庫，通過強化深度學習的方式找到可適當變形的案例模型，自動生成符合各項專業要求的方案^［8］。與此同時，以ChatGPT為首的新一代人工智能工具對用戶需求的理解有了較大的提升，在城市景觀模擬、規劃可視化、規劃場景生成與設計方案對比等方面的應用都有了創新性的進步。^［9］，就當前發展的趨勢，結合高校城鄉規劃學科的培養要求，將人工智能融入設計類課程是可以預期的。

（二）人工智能促進城鄉規劃教學改革

在當前第四次科技革命席卷全球的態勢下，人工智能技術發展迅猛，因此，社會企業對于會技術又懂規劃的復合型人才需求越發強烈。早在2017年，國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》提出了以人工智能推進城市規劃、建設、管理、運營全生命周期智能化的要求。《自然資源部部署開展試點 探索國土空間治理數字化轉型》中提出要以建設服務數字生態文明的數字生態基礎設施為使命，以生成式人工智能等先進技術在國土空間規劃領域的應用研發為突破口，推進相關算法重構、模型重構、標準重構和感知系統重構，著力提升國土空間規劃實施監測網絡“智慧”能力。《全國國土空間規劃實施監測網絡建設工作方案（2023—2027年）》以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，深入貫徹黨的二十大精神，積極落實數字中國戰略，順應新技術革命趨勢，以業務需求為牽引，以智能工具和算法模型為支撐，注重頂層設計和基層探索有機結合，技術創新和制度創新雙輪驅動，加強系統互聯和數據治理，加大資源整合力度，加快建設“可感知、能學習、善治理、自適應”的智慧規劃，提升國土空間治理現代化水平。與此同時，新工科建設目標任務的適時提出，為城鄉規劃專業未來培養什么樣的人才、怎么培養人才等核心問題提供了思路，明確了方向。

其中，《2023智能教育發展藍皮書》指出人工智能賦能教育已成為必然趨勢。書中具體闡述了人工智能教育關鍵技術框架，概括了從數據到應用的整個過程。書中強調了智能技術在教育資源優化和共享方面的作用，對于城鄉規劃專業設計類課程而言，這意味著可以通過智能技術整合和優化現有的設計案例、規劃數據等教學資源，形成標準化的、可共享的資源庫。智能教育的發展還促進了不同學科之間的融合。城鄉規劃專業設計類課程可以借鑒計算機科學、環境科學、社會學等學科的研究成果和方法，通過跨學科合作提升教學質量和創新能力。該書的推出為城鄉規劃專業設計類課程的改革提供了重要的參考與指導。

二、城鄉規劃專業設計類課程體系教學現狀與挑戰

在城鄉規劃學科體系中，設計課程占據著不可替代的核心地位，它們是理論與實踐相融合的橋梁，是培養學生創新思維與工程實踐能力的重要環節。在城鄉規劃專業全階段學科培養過程中，設計類課程從低年級的“建筑設計”過渡到中年級的“場地設計”，“修建性詳細規劃”進階到高年級的“城市設計”課程。在整個專業學習過程中，設計類課程一直以來都是對學生將理論知識融入設計實踐的能力最重要的檢驗方式。

當前，“城市設計”課程作為城鄉規劃學科高年級階段的核心設計類課程，不僅承載著學生專業能力綜合展示的重任，更是連接理論與實踐、過去與未來的橋梁。在科技日新月異、社會需求不斷演變的今天，企業對于能夠靈活運用新技術、具備高度創新能力和跨學科解決問題能力的人才的需求愈發迫切。這促使教育領域必須重新審視并優化其教學內容與方式，以培養出適應未來社會發展的綜合型人才。然而，當前傳統的“城市設計”課程體系面臨多重挑戰。首先，課程成果往往局限于三維形態效果圖和終極藍圖等靜態展示，這種單一的表現形式難以全面反映學生設計思維的廣度與深度，更無法有效激發學生的創新思維和解決實際問題的能力。其次，教學過程中過度依賴固定的教學模式和方法，缺乏靈活性和個性化，難以滿足不同學生的學習需求，進而抑制了學生在設計過程中的創造性發揮。再次，隨著城市設計領域新理論、新技術和新方法的不斷涌現，課程內容的更新速度遠遠滯后于行業發展的步伐。許多課程依然沿用舊有的知識體系，未能及時融入最新的學術研究成果和行業實踐經驗，這不僅限制了學生知識結構的更新，也影響了他們未來在職場中的競爭力。

三、人工智能賦能城鄉規劃專業本科設計課程教學思路與實踐

結合城鄉規劃專業設計課程的特點與面臨的挑戰，在未來“城市設計”課程的教學中，應當實現三大目標，其一是教師要在教學過程中開發與拓展學生的創新思維；其二是教師在教學方法上應根據學生的個體差異進行個性化調整，以滿足不同學生的學習需求；其三是教師為了學生能更好地適應社會大環境，應積極整合人工智能技術，以優化學生的學習體驗。

在實施這些目標的過程中，人工智能技術的參與可視為一種突破傳統教學局限的手段，它有助于優化教育資源配置并推動教學方法的創新。同時，以結果為基礎的教育（OBE理念）在城鄉規劃理論課程中的應用，能較好地提升課程成果創新性及增強課程內容的實踐。^［10］該理念提供了一套明確的操作方法，確保在人工智能技術支持下，教學效果達到最優處理。此外，競賽導向的教學模式也被作為一種補充策略，以激發學生的學習動力和創新精神。

本文將人工智能技術方法融入教育與設計中形成智慧教育、智慧設計兩種新型教學形式，進而提出智慧教育融于OBE理念的教學新體系、智慧設計賦能競賽的產學研一體化教學新模式，總體框架如圖1所示。基于這一教學思路，本文以“城市設計”課程為例，引入5E教學方法，以期構建智慧教學環境，引導學生以解決實際問題為導向，自主運用前沿理論和技術進行創新設計，增強學生城市設計思維和綜合能力，使規劃更合理、科學，實現以賽促創、以創促學的目標。

（一）人工智能賦能城鄉規劃專業本科設計課程教學思路

1. 智慧教育融于OBE理念的教學新體系

智慧教育為時代衍生詞，是指在數字化時代以OBE教學理念為指導的教育領域與現代信息技術科學相結合的全過程。^［11］OBE是一種以學生學習成果為核心的教育模式，這種模式的教學過程的設計和實施緊密圍繞實現預定的學習成果展開。基于OBE理念，教師應明確學生的學習產出，從城鄉規劃本科教育教學培養體系來說，城鄉規劃專業設計課程致力于激發學生的創新思維與自主學習能力，進而引導學生獨立完成設計。以“城市設計”課程為例，將OBE理念培養體系賦能智慧模式，可全方位地培養學生的城市設計思維、城市設計能力以及設計表現能力。一方面，人工智能賦能城鄉規劃為本科教學帶來時間與空間上的便捷，使教師與學生個體能在智慧教學平臺，如“微課”“慕課”“網絡云空間”等打破教學空間的局限性。例如，遠程教學彌補傳統教學時間短、深度淺的弊端，教師可圍繞學生的學習現狀，及時發現學生在城市設計中的難點與盲點，并通過智慧教學環境構建多元化教學方式以推動學生個性化設計，而學生可依據個人興趣通過網絡平臺進行課下自主研討，加深對城市設計的理解，進而達到學習時間尺度上的補充。另一方面，智慧教學技術，如基于CFD軟件的環境分析、基于ArcGIS的城市規劃數據分析，與實時更新的新理念，諸如智慧城市、AI城市等貫穿“城市設計”課程教學全過程，使智慧教學平臺、智慧教學技術、智慧新理念共同構成智慧教學環境，培育學生城市設計思維的同時，也增強了學生的設計及表現能力。智慧教育融于OBE理念，優化了城鄉規劃本科教學環境的同時，使傳統的OBE教學模式由“教學成果—教學大綱—教師—學生—評價改進”的循環激勵模式轉變為“預教學—教學成果—教學大綱—師生多元溝通—課下教學延伸”的以學生興趣為中心的自主式教學新模式。^［12］

2. 智慧設計賦能競賽的產學研一體化教學新模式

傳統的城鄉規劃設計類課程教學往往是以描述性規劃為主，即在教師發布課程任務之后，學生就教師講授的理論知識、實際調研的現狀問題展開課程設計，其前期的調研分析部分往往缺少數據支撐。智慧型設計是將現代信息技術科學融入課程設計全過程，在方案設計之前，借助大數據信息平臺、地理信息系統（Geographic Information System，縮寫為GIS）和建筑信息模型（Build Information Modeling，縮寫為BIM）等一系列的量化分析軟件進行規劃設計，從而增加規劃的合理性與科學性，在方案設計時，基于深度學習技術識別城市形態、生成城市網絡肌理建模以輔助城市方案設計。

“城市設計”課程以小組教學為組織模式，設計的題目以城鄉規劃專業指導委員會每年公布的城市設計學科競賽題目為依據，將創新教育深度融入教學模式之中，探索數據技術在感知與塑造未來城市生活空間方面的應用，從而實現以競賽激發創新、以創新促進學習的目的。教師在課程中將“參與、探究、解釋、遷移、評價”的５Ｅ教學方法引入課堂^［13］，鼓勵學生以問題為導向展開“城市設計”課程的學習，啟發學生進行創新性的概念構思，引導他們借助前沿理論以及技術分析方法進行創造性和實驗性的方案設計。

（二）人工智能賦能“城市設計”課程教學實踐

1. 人工智能賦能“城市設計”課程要求

將人工智能技術融入“城市設計”課程教學不僅是對傳統教學模式的革新，更是對學生綜合能力培養與課程時效性提升的雙重推動。在上述智慧教育新體系與智慧設計新模式的整體框架下，對于將人工智能融入“城市設計”課程的教學實踐有以下三個方面的要求。

一是從知識傳授與技術應用的層面。引入人工智能技術為課程教學注入了前沿的技術元素。學生通過系統學習人工智能在城市設計中的應用實踐，進一步提升對技術工具的理解與掌握，激發他們對新技術探索的興趣與熱情，為未來的專業發展奠定堅實的技術基礎。

二是從跨學科知識整合與綜合能力培養的視角。引入人工智能技術以促進“城市設計”課程與其他學科領域的深度融合。學生利用人工智能工具進行設計實踐的過程中，接觸計算機科學、數據分析、環境科學等多個學科的知識。跨學科的學習經歷，有助于學生構建更加全面、系統的知識體系，并提升他們運用多學科知識解決實際問題的能力，從而逐步成長為具備綜合能力的城市規劃人才。

三是從課程內容的時效性與前沿性保障方面。前瞻性人工智能技術助力“城市設計”課程內容的及時更新與優化。隨著人工智能技術的不斷發展和城市設計領域的持續變革，課程內容緊跟時代步伐，反映最新研究成果與行業動態，使學生的所學始終與行業發展保持同步，為他們未來的職業發展奠定堅實的基礎。

2. 人工智能賦能“城市設計”課程具體技術方法

針對上述教學過程中的三方面要求，結合當下人工智能蓬勃發展的現狀，高校可以重點針對這三方面引入前沿技術對學生進行專業指導。

一是引入智能輔助設計，將人工智能技術直接應用于學生的設計實踐中。教師指導學生通過引入智能設計軟件、算法和優化工具，自動化解決部分煩瑣的設計任務，如數據分析、初步方案設計等。教師可利用大數據分析技術，對海量的城市規劃數據進行挖掘和分析，包括人口結構、經濟狀況、交通流量、環境質量等數據，進而發現城市發展的規律和趨勢，同時，基于歷史數據和當前趨勢，構建預測模型，對城市規劃的未來情況進行模擬和預測。教師還可以學習優化算法與工具并將其用于優化空間布局、交通流線等設計要素，通過模擬生物進化過程，自動搜索最優設計方案。教師要進一步探索機器學習與深度學習，利用機器學習算法對城市設計案例進行學習和分析，提取設計規律和特征；通過深度學習技術，可以自動分析城市景觀圖片、建筑模型等數據，提取優秀設計元素和風格，為學生提供多種設計方案的模擬與評估，幫助他們快速迭代和優化設計方案。在學習人工智能參與城市設計過程中，學生不僅可以掌握人工智能工具的使用技能，還學會了如何將技術應用于解決實際問題，培養了技術應用能力與創新思維。

二是構建多學科交流平臺，引導學生跨學科交流。鑒于人工智能技術本身涉及計算機科學、數學、數據分析等多個學科領域，“城市設計”課程在教學過程中采用跨學科知識融合的教學法。教師引導學生探索人工智能技術背后的原理、算法及其在城市設計中的應用案例，同時鼓勵學生跨學科學習，將環境科學、社會學、經濟學等相關領域的知識融入設計思考中。通過跨學科研討會、項目合作等方式，學生能夠在實踐中體驗知識融合的樂趣與挑戰，逐步構建起全面、系統的知識體系，并提升綜合運用多學科知識解決復雜問題的能力。

三是構建基于人工智能輔助的城市形態設計框架。在學習過程中教師要引導學生利用人工智能輔助加速現有設計知識積累、設計方案生成和方案仿真模擬過程，使學生可以在新一代人工智能的協助與啟發下快速便捷地嘗試不同原創設計思路，時刻保持思維活躍度與知識前沿性。

四、結語

城鄉規劃教育的深化是驅動城市規劃現代化轉型與可持續發展的關鍵基石。在當前時代背景下，大數據、人工智能等前沿科技在城鄉規劃領域的深度運用，促使城鄉規劃領域教育體系邁向革新之路。本研究以智慧教育更新傳統OBE理念，探索出一條智慧化“城市設計”課程教學體系；以智慧設計賦能競賽，為城鄉規劃學科的學生提供新的探索式學習路徑。人工智能技術融入設計類課程教學實踐，有效解決城鄉規劃專業本科學生各設計階段所遇到的問題。人工智能賦能城鄉規劃專業設計類課程，有利于培養學生成為兼具扎實專業技能與創新精神的新工科復合型應用人才。

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*基金項目：江蘇省首批產教融合型一流課程“城市設計”，江蘇省一流本科社會實踐課程“城市設計”，南京林業大學2023年度高等教育研究課題“基于大數據技術的城鄉規劃本科數字化設計能力培養探索”。