高校工程類科研項目促進本科教學的應用研究

［摘 要］ 以“超快速PCR儀器”項目開發為例，研究了高校工程類科研項目在本科教學中的促進作用。通過團隊合作和實踐操作，學生參與了超快速PCR儀器的設計和研發工作，鍛煉了工程創新思維和實踐能力。研究發現，通過該項目的實施，學生對學科知識的學習和應用能力得到提升，同時激發了創新意識，培養了學生分析和解決問題的能力。此外，項目的開展也提升了教師的教學能力。對于高校本科教學中工程創新思維的應用提供了借鑒，可為提高教學質量和培養學生的創新能力提供一定指導。

［關鍵詞］ 科研項目；本科教學；工程創新思維；學科知識；PCR儀器

［基金項目］ 2023年度上海健康醫學院師資人才百人庫項目（A1-2601-23-311007-16）

［作者簡介］ 曾 媛（1982—），女，江西吉安人，碩士，上海健康醫學院醫學影像學院工程師，主要從事光學儀器研究；王明軒（2001—），男，山東淄博人，上海健康醫學院醫學影像學院2023級醫學影像技術專業（專升本）本科生，研究方向為醫學影像技術。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2025）10-0055-04 ［收稿日期］ 2023-09-21

高素質技術技能人才的培養是實現大學教育高質量發展的必然要求［1］。近年來，國家出臺的相關文件將培養具有熟練操作能力、創新思維和良好綜合素質的應用型人才提升到了國家戰略的重要位置［2-3］。因此，大學教育需要在人才培養模式等多方面深入推進改革［4］。為提升學生綜合素質，高校在本科生培養方面積極探索多維度育人模式，尤其是重視培養學生理論與實踐相結合的能力，使得學生能夠在學科專業領域中更好地理解和應用工程技術，進而提升本科生的綜合素質，推動創新［5］。

一、工程類科研項目助力本科創新人才

本科生參與教師科研項目是促進學科專業知識學習的一個系統方法［6］。科研將理論知識與實際問題相結合，通過運用已掌握的知識解決新的未知問題，是一個創新的過程。通過參與科研項目，本科生可以深入了解學科領域的前沿知識和發展動態，提升對學科知識的理解和掌握能力。同時，科研為學生提供了鍛煉自主思考、獨立解決問題的機會，培養學生的工程創新意識和解決實際問題的能力。近幾年，部分高校開展了類似的課程改革，例如咸陽職業技術學院組織學生研究探討數字減影血管造影裝置，以提高學生的學習積極性［7］；張掖醫學高等專科學校通過“簡易半導體收音機的制作”項目，貫徹落實集“教、學、做”于一體的理念［8］；南京中醫藥大學中醫學院運用項目式教學，推進“灌輸式”課堂向“研討式”課堂轉變［9］；成都醫學院應用壓力式傳感器項目促進教師與學生雙向交流［10］，這些方法為上海健康醫學院培養學生養成工程創新思維提供了重要的借鑒。

（一）“超快速PCR儀器工程研發”項目融入本科人才培養

“超快速PCR儀器工程研發”項目融入本科生培養，是上海健康醫學院應用型高校專業的一個非常成功的案例。通過參與這個科研項目，本科生有機會親身參與應用型高校領域的工程研發工作，結合理論知識與實踐技能，運用所學知識解決實際問題。

在項目開始前，學生經過深入學習相關理論知識，理解其內涵和外延，掌握基本概念和基本原理。在實際操作中，學生運用理論知識進行實驗分析，嘗試用理論模型解釋實驗結果，或提出理論方法來預測實際問題的解決方案。在實驗過程中，不斷驗證和修正理論知識，檢查理論模型的正確性和適用性，同時發現理論方法的局限性和不足之處。項目完成后，對理論知識進行總結和提煉，歸納實驗結果，總結經驗教訓，并提出新的理論觀點或方法。

這種將理論知識與實際問題相結合的方式，使得學生能夠全面提高項目的科學性和實用性。同時，參與科研項目也培養了學生的科研能力、創新意識和團隊合作精神，為他們今后從事與生物醫學工程等相關專業工作打下了堅實的基礎。這個成功案例值得其他應用型院校借鑒，以提升本科生的專業素養和創新能力。

（二）“超快速PCR儀器工程研發”項目蘊含多維度、跨學科的理論知識點

工科創新思維強調解決問題的能力、跨學科思考的能力以及對實際應用的思考。而新型PCR儀器的研發涉及多個專業領域的知識，包括生物學、化學、物理學、電子工程等，這些學科的知識與生物醫學工程、光學工程等專業的特點緊密相連，因此，相關專業的本科生在參與PCR儀器研發項目時具備優勢。

1.生物學知識對于理解PCR技術及其原理至關重要。以我們開發的超快速PCR儀為例，學生需要熟悉并運用PCR反應的擴增過程——變性、退火和延伸，參與研制的本科生在該階段能將生物學中的DNA擴增具體運用到實踐或實物開發中，運用所學的生物學知識解決實際問題。學生的生化基礎較好，有嚴謹的邏輯思維和自信果敢的學習習慣，他們能夠深入理解PCR技術的原理和應用，并將其轉化為實踐技能，為超快速PCR儀器的研發和應用做出貢獻。

2.化學知識在PCR儀器研發中有著重要作用。在我們開發的超快速PCR儀器中，以牙周病原菌為主要研究對象，進行牙周病原菌引物序列及PCR反應液構成。我們從牙齦炎患者中提取病原菌，P.g、T.d以及T.f被認為是與牙周病相關的三種主要病原體。因此，針對這三種牙周病原菌設計了面向16SrDNA保守區的3種PCR引物，并配制PCR反應液。結合開發過程配置牙周病原菌的引物和反應液可以實際指導學生將在書本上學到的理論化學知識應用到實際的儀器開發過程中。

3.物理學知識對于理解PCR儀器的工作原理和設計至關重要。超快速PCR儀的核心部件是連續微流控芯片，芯片內的通道設計是一個關鍵步驟。在設計過程中，導師帶領團隊進行了多種形狀的嘗試和試驗，在試驗過程中會運用到大學物理中雷諾系數和湍流等重要知識點，微流控芯片結構參考如圖1所示［11］。因此，微通道截面形狀的選取是微流控芯片的關鍵，可見，在超快速PCR儀器開發的微流控芯片內部微通道的設計上，物理學知識發揮了重要的作用。

除了以上幾個專業領域的知識外，學生還需要學習一些相關的實驗技能、查閱資料或文獻、具備團隊合作能力等，這種以實踐促進思考，用剛學的理論知識應用實際問題的獲得感是學生參與新型儀器開發的關鍵。

二、“超快速PCR儀器工程研發”項目實施情況及成果

課程組在2022—2023學年期間，將“超快速PCR儀器工程研發”項目融入本科培養，通過組建團隊、制定目標、分工合作等方式實施。團隊由3名校內教師和1名兄弟院校教師組成，背景為醫學影像技術、光學工程和生物醫學工程專業。通過筆試和面試，納入了5名應用型高校專業的本科生，構成了科研團隊。在項目建設期間，團隊進行了大量的技術研究和實驗驗證，在上海市“科技創新行動計劃”生物醫藥領域科技支撐項目、上海健康醫學院超快速PCR儀器的研制校級產學研項目的支持下，團隊開展了快速PCR儀器開發的研究，研究了流體在微通道內的溫度場與速度場分布，并采用聚碳酸酯開發了集PCR與電泳于一體的可持式微流控芯片，解決了實驗室常用的PDMS微流控芯片攜帶性差的問題。針對CF-PCR芯片一次只能擴增一種目標基因的問題，研究了芯片內多重PCR技術及開發了陣列式CF-PCR芯片，實現了多個牙周病原菌在芯片內的一次性擴增完成。以上研究成果對基于CF-PCR微流控芯片的快速核酸擴增系統的開發具有重要的技術指導意義。

本科生通過參與超快速PCR儀器開發項目，參與發表學術論文3篇，申請發明專利2項。5名本科生參與了超快速PCR儀器開發的科研項目，這一經歷不僅讓他們將專業課程中學到的知識點得以實際運用，還有助于培養他們的工程化思維能力。同時，這個項目也對他們同時進行的其他專業課程的學習產生了積極的促進和相互補充的效果。所有本科生在2022—2023學年的考試中取得了平均績點3.7的優秀成績。

通過這個項目的實施，學生獲得了寶貴的科研經驗，鍛煉了實踐能力，推動了PCR技術的發展，并為學校的教育教學提供了實踐教學資源。

三、工程類科研項目在本科教學中的作用

（一）促進學生的工程創新思維

科研項目融入本科教學是培養學生工程創新思維模式的重中之重。醫學精準，技術為基；科技進步，人才先行［12］。超快速PCR儀器的開發是以科學研究與工程技術等多元領域為基礎，并將其融合，重塑再造［13］。在儀器開發過程中，導師需要帶領學生，以工程化進程為順序，以掌握的原理和方法為理論基點，結合工程實踐，探索和應用具有創新性的科技手段來設計儀器模型，打造智能化、專業化兼顧的儀器。在試驗過程中，著力激發學生的主觀能動性，鼓勵學生積極探索并解決問題。將工程創新思維賦能學生具備以下幾個方面的作用。

1.科研要求學生具備扎實的理論基礎和嚴謹的邏輯思維能力。在科研過程中，學生需要深入了解相關領域的理論知識，并通過邏輯思維進行問題的分析和解決。這不僅能夠加深學生對知識的理解和掌握，還能夠培養學生的分析、推理和判斷能力。

2.促進學生的創新思維，提升解決實際問題的能力。在科研過程中，學生會面臨各種問題和挑戰，需要通過創新思維來解決問題，克服困難。這個過程不僅能夠培養學生的創新意識，讓學生直面科研前線的問題和挑戰，以理論知識為基，以創新思維為要，精準對接切入點，解決科研難題。同時，還能優化學生實踐能力，引導學生圍繞科研項目中“發現問題、思考問題、解決問題”三部曲，驅動學生將書面知識向實際應用轉化。如此一來，學生的創新思維和解決問題的實踐能力得到了充分的鍛煉。

3.科研還需要學生具備團隊合作和溝通協調的能力。在科研過程中，學生往往需要與其他成員進行合作和協調，需要進行有效的溝通和交流。這樣的過程不僅能夠培養學生的團隊合作和溝通協調能力，還能夠提高學生的人際交往能力和領導力?？蒲羞^程可強化學生團隊合作精神，聚焦分工合作方法，精準分配任務，貫徹落實小組討論規范化、有序化，推動各學生、各小組聚勢共贏，增強學生參與感和獲得感，做到“人人有擔當，事事有落實”。這為學生今后從事工程領域相關工作奠定了堅實基礎，也為他們的職業發展提供了有力支持。

（二）提升教師的教學質量和科研水平

超快速PCR儀器開發的項目負責人不僅負責科研工作，也負責兩門本科生課程的教學工作，因此儀器開發在促進教師的工程創新思維的同時，也在其本科教學等方面具有積極作用。

1.提升教師的教學質量。參與新型儀器開發的教師需要橫向研究相關領域的知識和技術，這使得教師能夠充分結合新型儀器的特點，設計具有創新性的實驗教學項目，提供專業性高、實踐性強的教學內容，提升學生的學習體驗和學習效果。

2.提升教師的科研水平。參與新型儀器開發的教師需要在相關領域進行縱向深入研究和探索，及時了解并掌握國內外的科研成果和技術發展動態，增強教師的工程思維。這也促使教師能夠將最新的科研成果應用到教育工作中，使教學內容更加前沿和實用。

3.豐富實驗教學資源。教師能夠借助新型儀器的功能和特點，設計差異性更強、針對性更強的實驗項目，從而激發學生的學習興趣和動力。

結語

將“超快速PCR儀器工程研發”項目融入本科培養中，師生都受益匪淺。儀器的研發過程也是科研過程，它使學生深入了解學科前沿，也為教學提供實踐案例和資源。本科生通過參與項目研發深化了學科專業知識及其應用能力，鍛煉了實踐能力、團隊合作能力和問題解決能力，奠定了良好的職業發展基礎。

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Research on Engineering Projects in Promoting Undergraduate Teaching in Universities： A Case Study of “Ultrafast PCR Instrument” Project Development

ZENG Yuan， WANG Ming-xuan

（College of Medical Imaging， Shanghai University of Medicine and Health Sciences， Shanghai

201318， China）

Abstract： This article takes the development of the “Ultra PCR Instrument” project as an example to study the application of engineering innovation thinking in undergraduate teaching in universities. Through team collaboration and practical operation， students have participated in the design and development of ultra PCR instruments， which has honed their engineering innovation thinking and practical abilities. Research has found that through the implementation of this project， students have stimulated innovation awareness and developed problemsolving abilities. In addition， the implementation of the project has also improved teachers’ teaching and research abilities. This study provides reference for the application of engineering innovation thinking in undergraduate teaching in universities， and provides certain guidance for improving teaching quality and cultivating students’ innovation ability.

Key words： scientific research projects; undergraduate teaching; innovative engineering thinking; subject knowledge; PCR instrument