基于P-MASE的拔尖人才培养模式改革与实践_韩杰.pdf

基于 PMASE 的拔尖人才培养模式改革与实践*韩杰1张伟刚2(1.南开大学化学学院/化学国家级实验教学示范中心，天津300071;2.南开大学电子信息与光学工程学院，天津300071)摘要PMASE 是南开大学研究性教学团队于 2018 年提出的新型教学模式。该模型源于科研，以培养学生的探究和思维能力为核心，与研究性教学的内容和本质相一致。其包括 5 个相互关联的环节，即引入问题、寻找方法、科学分析、有效解决及效果评价。本文以化学与生物学专业伯苓试验班有机化学实验教学改革为例，介绍了基于 PMASE 的拔尖人才培养模式的相关研究。教学实践表明:PMASE 模型能够显著提高拔尖学生的学习主动性，有利于培养大学生的创新思维和科研能力。关键词PMASE;教学模式;拔尖学生;创新能力;有机化学实验中图分类号G647文献标识码Aeform and Practice of Teaching Mode Based on PMASE for Topnotch StudentsHAN Jie1，ZHANG Weigang2(1.College of Chemistry/National Demonstration Center for Experiment Chemistry Education，Nankai University，Tianjin，300071，China;2.College of Electronic Information and Optical Engineering，Nankai University，Tianjin，300071，China)Abstract:As a novel teaching mode，PMASE was first developed by the research teaching team of Nan-kai University in 2018.PMASE is originated from the philosophy of scientific research with training studentsinnovation as core purpose，which is consistent with the research teaching in nature.This new teaching mode isconsisted of five mutually associated links，namely，problem，method，analysis，solution and evaluation.Theteaching mode reform for topnotch students has been explored by taking the application of PMASE in organ-ic chemistry laboratory course for the Boling Class majored in chemistry and biology as examples in this pa-per.The teaching practice indicates that PMASE can significantly increase the topnotch students initiativein learning，and improve their innovative thinking and scientific research ability.Key words:PMASE;teaching mode;topnotch students;innovative ability;organic chemistry laboratorycourse36基于 PMASE 的拔尖人才培养模式改革与实践*收稿日期20220609资助项目中国高等教育学会理科教育专业委员会重点研究项目“高等理科拔尖人才培养模式改革研究:有机化学实验 N 对N 型教学模式探索”(项目编号:21ZSLKJYZD02);教育部产学合作协同育人项目(项目编号:202102094007);2022年基础学科拔尖学生培养计划 2.0 研究项目(项目编号:20221008).作者简介韩杰(1972)男，河南开封人，副教授，博士，主要从事有机光功能材料合成与性能研究及基础化学实验教学研究.一、前言2009 年，教育部联合中组部和财政部启动了“基础学科拔尖学生培养试验计划”，2020 年教育部进一步开启了“基础学科拔尖学生培养计划2.0”。该项连续计划的目标任务是“在高水平研究型大学和科研院所的优势基础学科建设一批国家青年英才培养基地，建立拔尖人才重点培养机制，吸引最优秀的学生投身基础科学研究，形成拔尖创新人才培养的良好氛围，努力使受计划支持的学生成长为相关基础学科领域的领军人才，并逐步跻身国际一流科学家队伍”1。建立拔尖人才的培养机制，探索培养模式是该计划的核心研究内容，也是近年来我国高等教育研究领域的热门课题28。南开大学是首批入选“基础学科拔尖学生培养试验计划”的试点高校，成立了专门负责拔尖人才培养的伯苓学院，专注于教学模式、培养机制、管理方式等方面的研究工作9。有机化学实验教学是培养学生动手能力、科研素养、创新和可持续发展能力的重要途径之一，在化学、生物学等相关基础学科拔尖人才培养中具有基础作用。有机化学实验教学模式是影响化学、生物学等专业拔尖人才培养质量的重要因素，也是 有 机 化 学 实 验 课 程 改 革 的 主 要 研 究 领域1013。有机化学实验长期采用传统模式，即“学生课前预习教师审阅实验预习报告教师课堂讲授学生进行实验教师检查实验数据学生提交实验报告教师批改实验报告”等环节14。近年来，一些新型教 学 模 式 如“设 计性”15“参与式”16“传统与半开放协同”17“四位一体”18“翻转课堂”19“混合式”2022“线上实验”2325 以及“思想实验”2627 相继在有机化学实验教学中进行尝试。我们也提出了“讲一练二考三”教学模式并在有机化学实验课上开展了教学实践2829。以上这些新型教学模式不同程度改进了我国有机化学实验教学的效果，提高了教学质量。国外高校化学专业实验教学模式更注重学生综合能力与思考能力的培养3031，主要采用 LBL(lecturebased learning)、PBL(problembased learning)、TBL(teambased learning)等教学模式。LBL、PBL 及 TBL 教学法也有不足，LBL教学法限制了学生的自主思维和主观能动性，PBL、TBL 教学法的系统性与条理性相对较差，学生讨论问题时容易偏离主题，且获取的信息量有限32。PMASE 模型是由南开大学研究性教学团队负责人张伟刚教授于 2018 年设计构建，2019 年开始应用于教学实践33。该模型源于科研规程，可有效应用于教研过程、课程建设、教材编写、项目申报、成果总结等多个领域。PMASE 模型运作包括 5 个环节:引入问题(problem)、寻找方法(method)、科学分析(analysis)、有效解决(solu-tion)及效果评价(evluation)。PMASE 模型可采取递进式和闭环式两种基本方式运行。如图 1 所示，递进式按照以上 5 个环节逐次开展内容，完成教学过程。而闭环式则以问题为基点、以方法为指导、以目标为牵引、以评价为动力，各环节相互关联，相互促进和提升。本文采用递进式模型，以有机化学实验亲核取代反应为例介绍 PMASE模型在南开大学 2021 级化学伯苓试验班及 2021级生物伯苓试验班有机化学实验教学中的应用。图 1PMASE 模型示意图二、PMASE 模型教学实施(一)引入问题(problem)亲核取代反应是有机化学的基本反应之一，其反应机理、立体化学及影响因素是有机化学理论课程的重点和难点。依据反应的动力学特点，该反应主要包括两种机理:单分子亲核取代机理(SN1)与双分子亲核取代机理(SN2)。影响反应机理的主要因素包括反应底物结构、亲核试剂的亲核性及碱性、反应溶剂以及反应温度等，这些因素相互影响，学生在学习时常常感到困惑。另一方面，亲核取代反应也是有机化学实验的重要内46HIGHE EDUCATION OF SCIENCES2023 年第 1 期(总第 167 期)容，在各类高校化学与相关专业本科生中广泛开展，主要原因在于该实验涉及加热回流、液体的分液洗涤与干燥、过滤、蒸馏等多种基本操作，对于培养学生的动手操作能力具有重要作用。在教学实践中，有机化学理论课和实验课教学通常各行其道，存在脱节现象，没有做到理论联系实际进而实现相互促进的效果。为此，我们在有机化学实验教学中，让学生依据有机化学理论课有关亲核取代反应的知识，查阅文献设计实验方案，比较影响亲核取代反应速率因素，重点比较卤离子的影响。该教学过程即为引入问题环节，可在开展实验前两周的课堂上提出，也可通过班级微信群或雨课堂等平台发布任务，要求每个同学在 1 周内提供设计方案。(二)寻找方法(method)引入问题并发布给同学之后，要求每个同学在 1 周内通过查阅文献或教材，设计出具体的实验方案，具体包括实验原理、检测方法、特点及参考文献等内容，此外要求所设计的实验方案考虑安全性、可行性、科学性和创新性。此教学过程为寻找方法环节，在课堂教学时间之外由学生独立完成。传统的有机实验教学模式通常是全班同学按照教材或讲义的实验方案完成实验过程，是一种被动学习方式。而 PMASE 模型中的寻找方法环节则充分体现了学生学习的主动性，有利于激发学习积极性，培养学生的思考能力、文献查阅与分析能力以及创新能力。(三)科学分析(analysis)开展教学实践的 2021 级化学伯苓班共 20 名同学，2021 级生物伯苓班共 30 名同学。所有同学均按时完成了设计方案。同化学伯苓班学生相比，生物伯苓班学生可能由于化学文献查阅或有机化学专业知识偏弱，整体看该班同学所设计的实验方案不够丰富，多数同学以教材为基础进行改进。而化学伯苓班同学的思维非常开阔，查阅文献资料范围广，设计方案丰富。我们以化学伯苓班为例，将同学们提交的 20 个设计方案依据实验原理进行整合分组，共 5 组。每组同学进行组内分析讨论，进一步完善实验内容，优化为一个方案，重点明确该方案的产物检测方法与特点。教师则对每个设计方案进行点评、归纳总结(表 1)，并将全部设计方案反馈给同学。同学们进行相互交流，加深对实验原理的理解。表 1亲核取代反应实验设计方案序号实验原理检测方法方案特点文献IX+NaII+NaX(X=Cl，Br)观察沉淀出现时间实验操作简单，定性比较烃基结构及离去基团(Cl，Br)对亲核取代反应速率的影响 34IIX+AgNO3ONO2+AgX(X=Cl，Br，I)观察沉淀出现时间实验操作简单，现象明显，定性比较烃基结构及离去基团(Cl，Br，I)对亲核取代反应速率的影响 35III2NaBH4+2Se+6H2ONa2Se2+2B(OH)3+7H2Na2Se2+XSeSe+2NaX(X=Br，I)观察反应液颜色变化时间反应产物SeSe 具有特征的黄色，在Se22的血红色褪去后可以被清晰地观察到，现象明显，定性比较烃基结构及离去基团(Br，I)对亲核取代反应速率的影响 36IVBnOTs+NaXBnX+TsONa(X=Cl，Br，I)TLC 监测反应进程TLC 检测反应，定性比较亲核试剂(Cl，Br，I)及离子液溶剂对反应速率的影响 37VnC4H9OH+NH4X+H2SO4nC4H9X+(NH4)2SO4+H2O(X=Cl，Br)气相色谱采用气相色谱定性定量分析反应产物，局限性涉及的亲核试剂类型少，结论不全面 3856基于 PMASE 的拔尖人才培养模式改革与实践从表 1 可知，实验方案 IIII 的产物检测方法均通过观察反应生成的沉淀或颜色变化等定性比较卤离子的亲核取代反应速率，