“整—分—整”集中式教學模式在消防工程綜合設計課程的應用

黃有波，董炳燕

[重慶科技學院安全工程學院(應急管理學院)，重慶，401331]

消防工程綜合設計作為消防工程專業本科生的專業必修課，主要包括制圖部分和專業設計部分。其中，制圖部分一般在專業設計之前進行講授，專業設計部分要求學生在一定繪圖基礎之上，將設計方案通過圖紙進行呈現。消防工程綜合設計課程包括消防給排水、防排煙和火災自動報警等系統的設計和相關模塊圖紙繪制的講授，主要以國家標準和行業標準為參考。消防工程綜合設計課程制圖部分以建筑基礎圖和消防專業圖為主。部分高校通常在大學一年級開設畫圖課程，以機械制圖和畫圖軟件教學為主。

一、消防工程綜合設計課程教學的現狀

(一)教學模式單一

當前，消防工程綜合設計課程的制圖教學是專業設計部分的基礎，主要依靠CAD(Computer Aided Design)和天正軟件進行教學。首先，教師講解建筑部分制圖基礎知識，如軟件制圖功能，并演示各功能模塊。[1]其次，教師組織學生模仿、繪制樣圖。最后，教師以學生上交的圖紙為課程考核的對象。這種傳統的制圖教學模式以教師講解軟件為主，在教學過程中，教師對具體的制圖原理、模塊作用及其在消防系統中的效果、制圖規范的講解往往不夠充分，這會導致消防工程專業學生對實際工程設計的理解不夠深入。學生雖然學會了繪圖，但是不知道為何要這樣畫圖，知其然而不知其所以然。這反映出，消防工程綜合設計課程的制圖部分的教學，教學模式較單一。[2]學生僅掌握制圖技術，卻沒有掌握設計原理。同時，學生對消防系統和功能組件的作用也沒有全面的認識。此外，各高校由于教學目標不同，課程教學內容也存在差異，全國無統一的標準。[3]因此，有必要探索更有效的教學模式與教學方法，將消防工程綜合設計課程的制圖部分與設計部分緊密地聯系起來。

(二)整體思維缺乏

消防工程綜合設計課程的專業設計部分以分系統設計分開教學為主。例如，將排水設計作為一個獨立單元教學、防排煙系統設計作為一個獨立單元教學，這兩個單元的教學通常分別排在不同學期，沒有針對建筑整套消防系統的綜合設計考量。這樣雖然能讓學生由淺入深地接受消防知識和消化課程內容，但是也存在一些問題。一方面，在進行設計課程時，學生已經修完了專業設計的相關理論課程，而綜合設計的目的就是幫助學生對理論知識進行融合與實踐，分散式教學不利于學生對消防系統整體的理解和掌握。另一方面，缺乏建筑整套消防系統的綜合設計，會導致學生缺乏對建筑消防系統的整體思維和全局意識。

(三)工程感知匱乏

消防工程綜合設計課程的專業設計部分以講解設計規范、學生自行設計為主，最后學生結合之前制圖部分的課程所學，以圖紙和設計說明的形式提交設計成果。由于課程教學過程缺乏讓學生對設計條文進行充分認識的途徑和方式，學生在接收專業設計部分的規范和設計條文時，往往缺乏實際工程感知，只知道對條文進行死記硬背和生搬硬套，卻不清楚如何在工程中靈活應用設計條文。此外，學生對消防設備工作原理也缺乏理解，對現場和實際設備的作用效果缺少認識，這也是由于教師在教學中很少采用有效手段對元器件及消防系統整體作用效果進行直觀展示與操作。

學生對消防設備的效果無直觀感受和認識，這不利于學生理解消防設備和系統，從而導致學生難以獨立分析滅火與防火效果，在實際消防工程設計工作中就較難提出真正合理和適用的設計方案。為提高消防工程本科專業的消防綜合設計課程教學效果，讓學生更容易掌握消防設計知識并理解消防系統作用，本研究提出將“整—分—整”集中式教學模式應用于消防工程綜合設計課程，并探索該教學模式的有效實現途徑。

二、“整—分—整”集中式教學模式在消防工程綜合設計課程中的應用簡述

當前，部分高校在消防工程綜合設計之前開設了單獨的制圖課，通常將制圖課安排在大學一年級。但是，剛進入大學的新生對建筑基礎知識和消防基礎知識的了解很少，他們在制圖過程中容易出現“照貓畫虎”的情況，即只是知道如何畫圖，卻不知道畫圖原理和畫圖原因。學生獨立繪圖存在一定的困難，且對一些制圖標準和消防設計標準并不了解，這不利于學生對消防制圖本質的理解和教學目標的達成。而對于消防工程綜合設計課程的安排，目前以各分專業設計分開排課、單獨考核為主。獨立進行各分項設計教學工作使學生對消防各系統缺乏綜合考慮和整體設計，不利于學生對消防系統的全面理解和掌握。因此，本研究針對制圖與設計部分存在的問題，提出“整—分—整”課程模式，以使學生能夠更全面、更深刻地理解與掌握消防工程綜合設計知識。

第一，前一個“整”指整體教學，即消防工程綜合設計課程的制圖部分，教師在進行制圖基礎功能教學的同時，講授與整套消防系統相關的識圖與制圖知識。課程開設可以不同于當前集中設置在某兩周獨立完成，而是將專業性較強的制圖課安排在基礎課之后，直接與消防工程綜合設計課程的制圖部分融為一體進行教學。這一調整需要增加消防綜合設計課程中制圖部分的課時，使其貫穿在本科某一學年課程中。這樣可以讓學生在學習完一個知識系統后，有足夠的時間練習和加強制圖技能。這個階段以繪制全套消防系統圖為考核要求。

第二，“分”指將消防工程綜合設計中的各分專業排在同一學期連續教學，在課程的初期教學階段進行各分系統設計的分開教學，以設計標準和注意事項為主要教學內容，結合案例講解消防設計實戰，使學生能夠分模塊掌握各消防分系統的設計知識與制圖技能。本階段以個體為基本單位進行各分項系統的設計制圖考核，每個學生單獨提交設計報告和圖紙作業。

第三，后一個“整”指的是在消防工程綜合設計各分項系統完成以后，教師要緊接著將各分系統設計課程進行整合與匯總，全面地講解各消防系統的關系和設計與施工過程中的注意事項，并進行消防綜合設計課程的大作業考核，即以小組為單位對某建筑進行全套消防系統設計，并出具設計報告和圖紙。這樣的教學模式，一方面能夠實現分段考核，檢測各階段的教學目標的達成情況[4]，從而幫助教師了解學生在各消防專業系統設計知識的掌握情況，另一方面能夠考核學生對消防整套系統的理解和綜合處理能力，同時提高學生的團隊協作能力，增強學生的團隊合作意識。

三、“整—分—整”集中式教學模式在消防工程綜合設計課程中應用的有效路徑

消防工程綜合設計課程的教學以傳統CAD和天正軟件系統為教學資源平臺，開展軟件的繪圖教學工作，但僅依靠這樣的教學資源平臺進行教學會導致學生缺乏對消防工程各專業系統具體元器件，如消防給排水系統的穩壓泵、防排煙系統的排煙防火閥的功能和工作流程的認識。同時，消防工程綜合設計課程呈現出分散教學的情況，學生學習過程中更難直觀地對整套消防系統進行理解和認識。而“整—分—整”消防工程綜合設計教學模式，不再拘泥于傳統的CAD和天正資源系統，其建立起一個能夠全面幫助學生理解的教學資源系統，以提高教學效果，提升學生對課程內容的認識。此外，將虛擬現實技術融入消防工程綜合設計課程，可以有效實現“整—分—整”集中式教學模式在消防工程綜合設計課程中的應用，進一步提升教學效果。

消防工程綜合設計課程綜合了理論與實踐，且與實際工程息息相關。該課程的教學需要在學生有一定建筑基礎知識與消防基礎理論的基礎之上展開，需要學生對消防工程各系統和各部件有基本的認識和理解。但是，消防專業本科生通常對建筑知識的認識較薄弱，很少有學生到過實際的工程現場，他們對消防工程各專業系統的了解就更少。而“整—分—整”的教學模式將消防系統各分專業部分和系統的畫圖部分融合在一起，更需要學生對工程和消防系統元器件的實物提前進行認識和理解。因此，在理論知識教學的基礎之上，教師需要進一步通過直觀的方式讓學生了解消防系統和消防元器件的工作原理及作用效果，以完成基于實際工作過程的理想學習過程。[5]

基于實際工作過程的“整—分—整”模式的消防工程綜合設計課程教學，在第一階段的“整”消防系統制圖階段，教師要帶領學生到實際現場進行參觀，使學生對建筑基礎知識和消防系統有直接的認識和理解，并通過講解消防系統畫圖，例如投影、平面圖和剖面圖等加深學生的認識與理解，提高學生對知識的掌握水平。在“分”階段的各消防系統分專業設計部分，現場以實際案例為基礎講解消防系統各分專業設計，主要有以下兩方面優點：一方面，能夠加深學生對消防標準規范的理解，幫助學生結合實際將規范條文與工程聯系在一起，這使學生擺脫了靠死記硬背規范條文的低效率學習模式；另一方面，能夠使學生結合實際，明白如何使用規范，如何結合標準規范設計出最合適的消防系統。在最后的“整”消防系統各分專業設計綜合階段，教師帶領學生到現場對整套消防系統再次進行查看，加強學生對現場的空間概念認知，充分理解各消防系統的空間布置及相互之間的協調。但是，這樣的教學也存在一些困難，包括學時不足、現場教學使用電腦不便、學生的安全問題。該教學方式雖然效果好，但是實際可操作性不強。基于此，本研究提出一種替代方法，能夠達到預期效果，并且實施便利，即將虛擬仿真技術用于消防工程綜合設計課程的“整—分—整”教學模式的實現過程。

為了讓學生在進行消防工程綜合設計過程中能夠比較直觀和系統地認識消防系統各模塊的功能及工作原理，“整—分—整”教學模式可與虛擬仿真系統進行結合，并應用于消防工程綜合設計課程教學，也可以融入CAD和天正繪制軟件，讓學生能夠直接查看該組件的工作原理和效果，以此解決現場察看實驗場地不足和時間有限的問題。為實現該教學效果，有效開發該項教學資源平臺，教師需要在上課之前做好準備。鑒于消防設計與制圖課程需要學生全員動手操作，教師需要提供詳細的參數，讓學生在教學演示和上機操作過程中均能夠即時查看虛擬仿真結果，以此進行效果展示和參數計算。因此，教師需要將提前準備的教學資源裝配到每一臺課程操作計算機系統上，并與原有的畫圖系統匹配。

消防工程綜合設計配套的消防組件及消防系統作用效果展示的課程資源主要涉及三個方面。一是與流體力學相關的配套課程資源，主要為消防給水系統和防排煙系統，涉及氣相流動與液相流動。因此，可采用計算流體力學軟件CFD (Computational Fluid Dynamics)進行虛擬仿真課程資源建設。二是與電氣相關的探測系統與報警系統及其消防聯動系統的功能和作用效果展示，可采用火災專用軟件FDS (Fire Dynamics Simulator) 進行消防系統效果計算與三維動態模擬展示。三是火災發生后，進行整體的消防系統動作仿真及作用效果展示，分析整套消防系統的反應與作用效果，以及對整個建筑的防火與滅火能力。火災專用仿真軟件FDS包含了整套消防系統，可用于仿真計算并能夠展示出三維效果。該系統在教學過程中得出的三維結果和數據曲線可用于該部分的配套講解，以此使學生更好地理解和認識消防系統，有利于消防設計的學習。此外，還可以借助BIM (Building Information Modeling)系統，展現消防系統裝配過程和實際空間效果。[6]

例如，在采用火災動態模擬軟件FDS展示消防系統作用效果時，將消防各系統相關的模塊參數輸入軟件，在建立消防聯動系統的邏輯關系后，便可以計算出消防系統的作用效果，之后通過視頻和圖片效果展示作用過程和后果場景，還可以直接輸出定量結果數據報告。教師要提前將相關系統拷貝在學生操作電腦上，當教學進行到對應部分或者學生操作進行到對應部分時，學生就可以直接查看相關系統或者組件的作用效果。在完成消防設計、設計好對應消防系統時，學生可以直接采用在虛擬仿真軟件系統中輸入參數，計算所設計方案的作用結果和效果，對設計方案的合理性進行分析。該模式不僅可以應用在消防工程本科生的教學過程中，還可以推廣至實際工程的消防設計中：對設計方案即時進行驗證和改進，有助于最優化設計方案的完成。

在消防畫圖過程中，學生不僅要知道消防圖怎么繪制，還應理解繪圖原因。這就需要學生明白消防系統的裝配過程和整套系統組成。同時，消防綜合設計還需要考慮各系統的組成和布置要點、各分系統之間的協調和聯動等問題。對此，學生需要對消防系統的裝備過程和裝配后的成品進行認識。這可在教學過程中借助BIM系統展開。第一，在教學前采用BIM系統建立與教學相關的建筑及消防系統三維模型，在教學過程中借助模型輔助教學，可以幫助學生理解制圖原理等教學內容，并加深對建筑制圖基礎知識和消防圖的印象。第二，在教學過程中借助BIM系統，一邊繪圖一邊建立三維模型，能夠直觀地讓學生看到圖紙的內容在實際工程中展示為三維后的效果，避免設計和制圖過程中的漏項。第三，學生完成消防設計后，可以通過BIM直接建立三維模型，直觀地檢查設計中存在的漏洞和三維空間上的缺陷，及時發現問題和解決問題。[7]

綜上所述，將虛擬仿真技術用于實現“整—分—整”集中式教學模式在消防工程綜合設計課程中的應用，有助于提升課程的教學效果。它擺脫了單調的畫圖教學過程，以流體力學虛擬仿真和三維模型結果為輔助，建立起消防設計課程系統。將虛擬仿真結果和三維模型融入教學過程，可以加深學生對理論知識的理解，同時提高設計內容和實際工程契合度，提升學生的設計能力，避免學生所學的知識與實際應用脫節。

四、“整—分—整”集中式教學模式在消防工程綜合設計課程應用的反思

利用以上虛擬仿真教學資源平臺實現“整—分—整”集中式教學模式在消防工程綜合設計課程的應用，不僅能夠使學生對實際的消防工程和消防系統的元器件產生直接理解，還可以提升學生的上課興趣。它擺脫了單調講授的教學模式，能夠更好地提升學生的學習效果和專業知識水平。但是，其課程的實施仍然存在一些問題。

第一，虛擬仿真結果與制圖系統結合存在技術上的銜接難題。如果不直接嵌入制圖系統，單獨設立仿真結果三維展示系統，就需要對各模塊進行編號排序，并存放在統一電腦程序中，便于學生快速、直接地查看。另外，消防系統設備中各組件和各功能系統設計內容較多，要做好全套的虛擬仿真課程資源存在一定的難度，工作量較大，也難免出現遺漏。因此，課程團隊教師需要根據課程授課內容，將相應部分的課程資源進行統計，分工協作制作配套的三維與仿真資源系統，并在開課之前準備好與課程配套的資源系統。當配套的資源內容完善好時，教師可以協調信息部門進行技術協助，幫助教師將其裝配到設計系統中。

第二，新課程模式將會對原來的課程時間安排進行調整，打亂原課程計劃和課程安排。因此，教師與高校需要對培養計劃和課時安排進行調整，這就需要高校各單位和多部門參與協調。此外，上課教師需要對課程內容和教學課時進行合理分配。同時，初始階段可能會存在教學效果不明顯的現象，課程評價也存在一定的難度。

第三，“整—分—整”集中式教學模式在消防工程綜合設計課程應用的實現涉及消防工程的多個分專業內容，其實現不能僅靠某個專業教師，而是需要教學團隊進行合作。將消防工程各分專業的教師整合組成教學團隊，不僅有利于實現該教學模式，還能促進各專業教師之間的交流和自身業務能力的提升。這對于課程的發展和教師專業的發展都具有積極的促進作用。

五、總結

消防工程綜合設計作為各高校消防工程專業本科課程中的專業必修課，其教學過程通常采用傳統講授與繪圖操作的方式進行，但傳統方式缺乏創新，存在較多可提升與改進之處。為更好地達到教學目標，提升教學效果，高校應對該課程進行教學改革。結合虛擬仿真結果和課程教學模式的改革與創新，是實現該設計類課程教學改革與教學質量提升的有效途徑。