黃有波，董炳燕

[重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院(應(yīng)急管理學(xué)院)，重慶，401331]

消防工程綜合設(shè)計作為消防工程專業(yè)本科生的專業(yè)必修課，主要包括制圖部分和專業(yè)設(shè)計部分。其中，制圖部分一般在專業(yè)設(shè)計之前進(jìn)行講授，專業(yè)設(shè)計部分要求學(xué)生在一定繪圖基礎(chǔ)之上，將設(shè)計方案通過圖紙進(jìn)行呈現(xiàn)。消防工程綜合設(shè)計課程包括消防給排水、防排煙和火災(zāi)自動報警等系統(tǒng)的設(shè)計和相關(guān)模塊圖紙繪制的講授，主要以國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為參考。消防工程綜合設(shè)計課程制圖部分以建筑基礎(chǔ)圖和消防專業(yè)圖為主。部分高校通常在大學(xué)一年級開設(shè)畫圖課程，以機(jī)械制圖和畫圖軟件教學(xué)為主。

一、消防工程綜合設(shè)計課程教學(xué)的現(xiàn)狀

(一)教學(xué)模式單一

當(dāng)前，消防工程綜合設(shè)計課程的制圖教學(xué)是專業(yè)設(shè)計部分的基礎(chǔ)，主要依靠CAD(Computer Aided Design)和天正軟件進(jìn)行教學(xué)。首先，教師講解建筑部分制圖基礎(chǔ)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(xué)生模仿、繪制樣圖。最后，教師以學(xué)生上交的圖紙為課程考核的對象。這種傳統(tǒng)的制圖教學(xué)模式以教師講解軟件為主，在教學(xué)過程中，教師對具體的制圖原理、模塊作用及其在消防系統(tǒng)中的效果、制圖規(guī)范的講解往往不夠充分，這會導(dǎo)致消防工程專業(yè)學(xué)生對實際工程設(shè)計的理解不夠深入。學(xué)生雖然學(xué)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(shè)計課程的制圖部分的教學(xué)，教學(xué)模式較單一。[2]學(xué)生僅掌握制圖技術(shù)，卻沒有掌握設(shè)計原理。同時，學(xué)生對消防系統(tǒng)和功能組件的作用也沒有全面的認(rèn)識。此外，各高校由于教學(xué)目標(biāo)不同，課程教學(xué)內(nèi)容也存在差異，全國無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。[3]因此，有必要探索更有效的教學(xué)模式與教學(xué)方法，將消防工程綜合設(shè)計課程的制圖部分與設(shè)計部分緊密地聯(lián)系起來。

(二)整體思維缺乏

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

(三)工程感知匱乏

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

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

二、“整—分—整”集中式教學(xué)模式在消防工程綜合設(shè)計課程中的應(yīng)用簡述

當(dāng)前，部分高校在消防工程綜合設(shè)計之前開設(shè)了單獨的制圖課，通常將制圖課安排在大學(xué)一年級。但是，剛進(jìn)入大學(xué)的新生對建筑基礎(chǔ)知識和消防基礎(chǔ)知識的了解很少，他們在制圖過程中容易出現(xiàn)“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(xué)生獨立繪圖存在一定的困難，且對一些制圖標(biāo)準(zhǔn)和消防設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)并不了解，這不利于學(xué)生對消防制圖本質(zhì)的理解和教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。而對于消防工程綜合設(shè)計課程的安排，目前以各分專業(yè)設(shè)計分開排課、單獨考核為主。獨立進(jìn)行各分項設(shè)計教學(xué)工作使學(xué)生對消防各系統(tǒng)缺乏綜合考慮和整體設(shè)計，不利于學(xué)生對消防系統(tǒng)的全面理解和掌握。因此，本研究針對制圖與設(shè)計部分存在的問題，提出“整—分—整”課程模式，以使學(xué)生能夠更全面、更深刻地理解與掌握消防工程綜合設(shè)計知識。

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

第二，“分”指將消防工程綜合設(shè)計中的各分專業(yè)排在同一學(xué)期連續(xù)教學(xué)，在課程的初期教學(xué)階段進(jìn)行各分系統(tǒng)設(shè)計的分開教學(xué)，以設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和注意事項為主要教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合案例講解消防設(shè)計實戰(zhàn)，使學(xué)生能夠分模塊掌握各消防分系統(tǒng)的設(shè)計知識與制圖技能。本階段以個體為基本單位進(jìn)行各分項系統(tǒng)的設(shè)計制圖考核，每個學(xué)生單獨提交設(shè)計報告和圖紙作業(yè)。

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

三、“整—分—整”集中式教學(xué)模式在消防工程綜合設(shè)計課程中應(yīng)用的有效路徑

消防工程綜合設(shè)計課程的教學(xué)以傳統(tǒng)CAD和天正軟件系統(tǒng)為教學(xué)資源平臺，開展軟件的繪圖教學(xué)工作，但僅依靠這樣的教學(xué)資源平臺進(jìn)行教學(xué)會導(dǎo)致學(xué)生缺乏對消防工程各專業(yè)系統(tǒng)具體元器件，如消防給排水系統(tǒng)的穩(wěn)壓泵、防排煙系統(tǒng)的排煙防火閥的功能和工作流程的認(rèn)識。同時，消防工程綜合設(shè)計課程呈現(xiàn)出分散教學(xué)的情況，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中更難直觀地對整套消防系統(tǒng)進(jìn)行理解和認(rèn)識。而“整—分—整”消防工程綜合設(shè)計教學(xué)模式，不再拘泥于傳統(tǒng)的CAD和天正資源系統(tǒng)，其建立起一個能夠全面幫助學(xué)生理解的教學(xué)資源系統(tǒng)，以提高教學(xué)效果，提升學(xué)生對課程內(nèi)容的認(rèn)識。此外，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入消防工程綜合設(shè)計課程，可以有效實現(xiàn)“整—分—整”集中式教學(xué)模式在消防工程綜合設(shè)計課程中的應(yīng)用，進(jìn)一步提升教學(xué)效果。

消防工程綜合設(shè)計課程綜合了理論與實踐，且與實際工程息息相關(guān)。該課程的教學(xué)需要在學(xué)生有一定建筑基礎(chǔ)知識與消防基礎(chǔ)理論的基礎(chǔ)之上展開，需要學(xué)生對消防工程各系統(tǒng)和各部件有基本的認(rèn)識和理解。但是，消防專業(yè)本科生通常對建筑知識的認(rèn)識較薄弱，很少有學(xué)生到過實際的工程現(xiàn)場，他們對消防工程各專業(yè)系統(tǒng)的了解就更少。而“整—分—整”的教學(xué)模式將消防系統(tǒng)各分專業(yè)部分和系統(tǒng)的畫圖部分融合在一起，更需要學(xué)生對工程和消防系統(tǒng)元器件的實物提前進(jìn)行認(rèn)識和理解。因此，在理論知識教學(xué)的基礎(chǔ)之上，教師需要進(jìn)一步通過直觀的方式讓學(xué)生了解消防系統(tǒng)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(xué)習(xí)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(shè)計課程教學(xué)，在第一階段的“整”消防系統(tǒng)制圖階段，教師要帶領(lǐng)學(xué)生到實際現(xiàn)場進(jìn)行參觀，使學(xué)生對建筑基礎(chǔ)知識和消防系統(tǒng)有直接的認(rèn)識和理解，并通過講解消防系統(tǒng)畫圖，例如投影、平面圖和剖面圖等加深學(xué)生的認(rèn)識與理解，提高學(xué)生對知識的掌握水平。在“分”階段的各消防系統(tǒng)分專業(yè)設(shè)計部分，現(xiàn)場以實際案例為基礎(chǔ)講解消防系統(tǒng)各分專業(yè)設(shè)計，主要有以下兩方面優(yōu)點：一方面，能夠加深學(xué)生對消防標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的理解，幫助學(xué)生結(jié)合實際將規(guī)范條文與工程聯(lián)系在一起，這使學(xué)生擺脫了靠死記硬背規(guī)范條文的低效率學(xué)習(xí)模式；另一方面，能夠使學(xué)生結(jié)合實際，明白如何使用規(guī)范，如何結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計出最合適的消防系統(tǒng)。在最后的“整”消防系統(tǒng)各分專業(yè)設(shè)計綜合階段，教師帶領(lǐng)學(xué)生到現(xiàn)場對整套消防系統(tǒng)再次進(jìn)行查看，加強(qiáng)學(xué)生對現(xiàn)場的空間概念認(rèn)知，充分理解各消防系統(tǒng)的空間布置及相互之間的協(xié)調(diào)。但是，這樣的教學(xué)也存在一些困難，包括學(xué)時不足、現(xiàn)場教學(xué)使用電腦不便、學(xué)生的安全問題。該教學(xué)方式雖然效果好，但是實際可操作性不強(qiáng)?；诖耍狙芯刻岢鲆环N替代方法，能夠達(dá)到預(yù)期效果，并且實施便利，即將虛擬仿真技術(shù)用于消防工程綜合設(shè)計課程的“整—分—整”教學(xué)模式的實現(xiàn)過程。

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

消防工程綜合設(shè)計配套的消防組件及消防系統(tǒng)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(xué)相關(guān)的配套課程資源，主要為消防給水系統(tǒng)和防排煙系統(tǒng)，涉及氣相流動與液相流動。因此，可采用計算流體力學(xué)軟件CFD (Computational Fluid Dynamics)進(jìn)行虛擬仿真課程資源建設(shè)。二是與電氣相關(guān)的探測系統(tǒng)與報警系統(tǒng)及其消防聯(lián)動系統(tǒng)的功能和作用效果展示，可采用火災(zāi)專用軟件FDS (Fire Dynamics Simulator) 進(jìn)行消防系統(tǒng)效果計算與三維動態(tài)模擬展示。三是火災(zāi)發(fā)生后，進(jìn)行整體的消防系統(tǒng)動作仿真及作用效果展示，分析整套消防系統(tǒng)的反應(yīng)與作用效果，以及對整個建筑的防火與滅火能力?；馂?zāi)專用仿真軟件FDS包含了整套消防系統(tǒng)，可用于仿真計算并能夠展示出三維效果。該系統(tǒng)在教學(xué)過程中得出的三維結(jié)果和數(shù)據(jù)曲線可用于該部分的配套講解，以此使學(xué)生更好地理解和認(rèn)識消防系統(tǒng)，有利于消防設(shè)計的學(xué)習(xí)。此外，還可以借助BIM (Building Information Modeling)系統(tǒng)，展現(xiàn)消防系統(tǒng)裝配過程和實際空間效果。[6]

例如，在采用火災(zāi)動態(tài)模擬軟件FDS展示消防系統(tǒng)作用效果時，將消防各系統(tǒng)相關(guān)的模塊參數(shù)輸入軟件，在建立消防聯(lián)動系統(tǒng)的邏輯關(guān)系后，便可以計算出消防系統(tǒng)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(jié)果數(shù)據(jù)報告。教師要提前將相關(guān)系統(tǒng)拷貝在學(xué)生操作電腦上，當(dāng)教學(xué)進(jìn)行到對應(yīng)部分或者學(xué)生操作進(jìn)行到對應(yīng)部分時，學(xué)生就可以直接查看相關(guān)系統(tǒng)或者組件的作用效果。在完成消防設(shè)計、設(shè)計好對應(yīng)消防系統(tǒng)時，學(xué)生可以直接采用在虛擬仿真軟件系統(tǒng)中輸入?yún)?shù)，計算所設(shè)計方案的作用結(jié)果和效果，對設(shè)計方案的合理性進(jìn)行分析。該模式不僅可以應(yīng)用在消防工程本科生的教學(xué)過程中，還可以推廣至實際工程的消防設(shè)計中：對設(shè)計方案即時進(jìn)行驗證和改進(jìn)，有助于最優(yōu)化設(shè)計方案的完成。

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

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

四、“整—分—整”集中式教學(xué)模式在消防工程綜合設(shè)計課程應(yīng)用的反思

利用以上虛擬仿真教學(xué)資源平臺實現(xiàn)“整—分—整”集中式教學(xué)模式在消防工程綜合設(shè)計課程的應(yīng)用，不僅能夠使學(xué)生對實際的消防工程和消防系統(tǒng)的元器件產(chǎn)生直接理解，還可以提升學(xué)生的上課興趣。它擺脫了單調(diào)講授的教學(xué)模式，能夠更好地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和專業(yè)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(jié)果與制圖系統(tǒng)結(jié)合存在技術(shù)上的銜接難題。如果不直接嵌入制圖系統(tǒng)，單獨設(shè)立仿真結(jié)果三維展示系統(tǒng)，就需要對各模塊進(jìn)行編號排序，并存放在統(tǒng)一電腦程序中，便于學(xué)生快速、直接地查看。另外，消防系統(tǒng)設(shè)備中各組件和各功能系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)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(xiàn)遺漏。因此，課程團(tuán)隊教師需要根據(jù)課程授課內(nèi)容，將相應(yīng)部分的課程資源進(jìn)行統(tǒng)計，分工協(xié)作制作配套的三維與仿真資源系統(tǒng)，并在開課之前準(zhǔn)備好與課程配套的資源系統(tǒng)。當(dāng)配套的資源內(nèi)容完善好時，教師可以協(xié)調(diào)信息部門進(jìn)行技術(shù)協(xié)助，幫助教師將其裝配到設(shè)計系統(tǒng)中。

第二，新課程模式將會對原來的課程時間安排進(jìn)行調(diào)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(yǎng)計劃和課時安排進(jìn)行調(diào)整，這就需要高校各單位和多部門參與協(xié)調(diào)。此外，上課教師需要對課程內(nèi)容和教學(xué)課時進(jìn)行合理分配。同時，初始階段可能會存在教學(xué)效果不明顯的現(xiàn)象，課程評價也存在一定的難度。

第三，“整—分—整”集中式教學(xué)模式在消防工程綜合設(shè)計課程應(yīng)用的實現(xiàn)涉及消防工程的多個分專業(yè)內(nèi)容，其實現(xiàn)不能僅靠某個專業(yè)教師，而是需要教學(xué)團(tuán)隊進(jìn)行合作。將消防工程各分專業(yè)的教師整合組成教學(xué)團(tuán)隊，不僅有利于實現(xiàn)該教學(xué)模式，還能促進(jìn)各專業(yè)教師之間的交流和自身業(yè)務(wù)能力的提升。這對于課程的發(fā)展和教師專業(yè)的發(fā)展都具有積極的促進(jìn)作用。

五、總結(jié)

消防工程綜合設(shè)計作為各高校消防工程專業(yè)本科課程中的專業(yè)必修課，其教學(xué)過程通常采用傳統(tǒng)講授與繪圖操作的方式進(jìn)行，但傳統(tǒng)方式缺乏創(chuàng)新，存在較多可提升與改進(jìn)之處。為更好地達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，提升教學(xué)效果，高校應(yīng)對該課程進(jìn)行教學(xué)改革。結(jié)合虛擬仿真結(jié)果和課程教學(xué)模式的改革與創(chuàng)新，是實現(xiàn)該設(shè)計類課程教學(xué)改革與教學(xué)質(zhì)量提升的有效途徑。