新工科項目式教學的課程設計與實施

摘" 要：新工科背景下的教育改革已成為當下高等教育的重要議題。項目式教學可在項目實踐中讓學生積極主動獲取課程理論知識，提升學生的創造性，是開展新工科教學建設主要措施之一。該文以芯片實驗室課程為切入點，以新工科建設為導向，以創新應用項目為載體，分析傳統教學模式存在的問題及不足，并對項目式教學模式下的課程設計思路和實施進行全面的改革和實踐。提出課題講授與演示、開放實驗室和產教融合綜合項目設計等具體的改革實施內容。改革成效表明，課程的變革極大地提升學生的學習興趣與動手實踐能力，并能引導其積極開展創新思維，樹立工程師核心素養。

關鍵詞：新工科；項目式教學；芯片實驗室；教學改革；課程實踐

中圖分類號：G642" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2025）11-0049-04

Abstract： Education reform under the background of new engineering has become an important issue in higher education. Project-based teaching can enable students to acquire the basic theoretical knowledge of the course actively under the project practice， improve the innovation ability of students， which is one of the important ways of curriculum construction under the background of new engineering. This study takes the \"Lab on a Chip\" course as the point， guided by the development of new engineering disciplines， and using innovative application projects as carriers， analyzes the problems and shortcomings in current course teaching mode， then comprehensively reforms and practices the course design ideas and implementation under the project-based teaching mode. The specific reform contents such as subject teaching and demonstration， open laboratory and the design of industry-education integration comprehensive project were proposed and implemented. This curriculum reform has greatly promoted the ability of learning and practical， guided students to creative thinking， and helped them to establish the core quality of engineers.

Keywords： project-based teaching; new engineering; Lab on a Chip; teaching reform; curriculum practice

新工科是基于國家戰略發現新需求、國際競爭新形勢和立德樹人新要求而提出的工程教育新方向[1]。2017年提出“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，新工科教育三部曲開啟了新型人才培養的篇章，2017年也被稱為新工科教育元年。2018年，教育部首批認定612個新工科研究與實踐項目，建立新工科建設的新理念、新標準、新模式、新方法、新技術和新文化[2]。2019年全國新工科教育創新中心成立，提出形成中國特色、世界水平的新工科教育體系，打造世界工程創新中心和人才高地的建設方向[3]。多年的成效已表明，新工科建設能夠培養出兼具實踐能力和創新思維的新型人才，推動我國科技領域的突破和進步。新工科建設從初步探索到穩扎穩打，逐步進入再深化新階段。而如何進一步深化改革，培養具有工程師要素、有較強的自主學習能力、掌握交叉學科的知識、善于把握科技發展趨勢、能夠綜合運用所掌握的知識解決工程實際問題，以及不斷滿足人民日益增長的對新產品新技術需求的能力[4]，已成為當下教學改革不斷完善的主題。

項目式教學，指在課程的課堂教學中以實踐項目為核心，緊密圍繞某個具體的工程應用項目展開課程講授。該教學模式能夠將實驗室科研課題與課程教育教學緊密結合，最大化利用高校優勢科研條件和學習資源，使學生形成扎實的專業技能和理論儲備[5]。在項目式教學開展的過程中，其著重強調以學生為核心，利用課程和項目為引導，提倡學生的自我導向學習能力，鼓勵學生主動進行思考和決策，鍛煉學生的批判性思維能力[6]。該教學方式的開展，將實際工程應用于課程與課堂教學相結合，在實踐中讓學生掌握課程基礎理論知識，發揮學生學習的積極主動性和創造性，提升學生積極主動面對問題、發現問題和解決問題能力等特色與優勢。此外，基于項目式教學的特點，其教學模式的開展不僅改善教學方式，實現學生的主動有效學習[7]，還能真正做到學以致用，實現理論知識的具象化[8]。因此，項目式教學能夠有效實現新工科人才的培養。

面向新一輪的科技革命和產業變革，為加快培養新興領域工程科技人才，主動布局未來戰略必爭領域人才培養[9]，本課程組在校內開展了面向本科學生的芯片實驗室課程。該課程主要講授，面向工業化生產和生活需求，如何將科研中所涉及的樣本收集、生化反應、樣本分離和光電檢測等所需的操作模塊集成在一塊微芯片上[10]，涉及“理工醫”等多學科領域，是一門綜合性和實踐性都很強的新型課程。但采用傳統授課方式時，具有教學模式單一，課程性質定位模糊及課堂內容過于寬泛等問題。

綜合以上，基于培養多學科交叉、復合型工程人才的目標，滿足新裝備新技術的制造強國戰略需求[11]，本文以公開選修課程芯片實驗室為例，探索當前的新工科教學改革之路。結合該課程的多學科交叉性和實踐性特色，以新工科和項目式教學為指導方向，在借鑒國內外課程體系改革經驗的基礎上，對課程進行全面梳理，分析和探討了項目式教學模式下課程的設計與實施方案。

一" 存在問題

新工科教學不同于傳統教學模式，其更傾向于在傳授基礎理論知識的同時，利用項目需求引導學生積極主動思考，從而培養學生的自主學習能力、創新精神和創業能力[12]。以新工科建設目的為思路，本文首先對傳統授課模式下所存在的問題進行了反思，發現采用傳統教學模式將會存在教學模式單一、課程性質定位模糊及課堂內容過于寬泛等問題。

芯片實驗室課程具有強烈的多學科交叉特性，在傳統的單一授課模式下，往往不能在有限的時間內把專業知識高效地傳授給學生，達到有效學習的目的。并且課堂理論知識學習也不能滿足不同專業同學的需求，純理論學習易枯燥無味，無法全面提升每位同學的興趣和學習的積極性，最終導致理論與實際應用發生嚴重的脫節。此外，由于芯片實驗室涉及多應用領域，傳統課堂教學為了達到全面灌輸目的，會采用課程內容大而全、以面帶點的模式。這種模式忽略了本科課程教育以具體知識點為切入的需求，導致學生僅能形成一個模糊的概念，而無法對知識內容有深入的理解和掌握。因此，亟需引入新的教學要素以符合新工科類課程的建設要求。

二" 建設目標與思路

芯片實驗室技術是指把實驗室中所涉及的樣本收集、生化反應、樣本分離和光電檢測等各類操作模塊集成在一塊芯片上，是新型科學類儀器設備發展的重要方向。此外，該課程也是產學研用的有機結合，是儀器科學、生命科學、化學、醫學、物理學和微電子等理工學科的綜合交叉融合。數理化生是其理論基礎，測量與控制是其核心的特色。

在建設新工科方向的指引下，基于項目式教學的實踐性和前沿性，芯片實驗室課程在落實多學科交叉，多知識融合授課的基礎上，提出以即時診斷（Point of care test， POCT）項目為切入點的教學模式。POCT是基于芯片實驗室理論與技術開發出的一種新型便攜式快速檢測技術[13]，已被應用于各類疾病的篩查、診斷、治療監測與預后評估中[14]。其具有與生活密切相關、應用廣泛，實踐性強的特點。因此，課程擬以POCT項目為核心，以“厚基礎、高素質、重創新、強能力的新型優秀人才”[11]為培養目標，開展多類型的教學模式及國內外課程資源借鑒與整合，充分將即時診斷項目的實際應用需求與課程理論知識緊密結合，課程開展所實施的具體教學目標與能力培養的關系見表1。經過系列課程改革推動，已逐步成為具備很好吸引力的新工科項目式教學課程。

三" 課程建設內容與特色

芯片實驗室課程主要討論芯片實驗室和微流控技術的基本知識和應用。課程授課內容通過對微芯片和微流體制造技術、相關傳輸過程、流動控制方法、樣本操控和分析檢測技術等課程內容的講授，拓展學生在系統集成和傳感測試等方向的廣闊視野，豐富相關制造方法和分析技術，掌握主導微納尺寸系統的多物理場耦合現象，以及了解芯片實驗室在現代科研和先進生產中的應用。

該課程具有多學科交叉、理論與應用結合緊密以及實踐性強的特點。在課程第一節課，以芯片實驗室的概念和應用為起點，引出即時診斷的項目需求，引導學生思考開展項目過程中需要掌握的知識點和動手能力。利用對項目的分解，向學生灌輸課程將陸續開展的系列授課內容與該項目間的聯系。在教學方法上，突破傳統的單向傳授方式，注重啟發學生的思維。引導學生結合自身生活背景和個人特點，提出可行的即時診斷項目，由此調動學生的學習積極性，激發學生的創新潛能。同時結合課程進展，將國際上該領域的前沿研究引入課堂進行介紹，培養學生了解國外研究技術、方法與應用的能力，進一步加強學生們追蹤國際專業發展動態的能力并激發學生解決我國當下科學儀器“卡脖子”問題的信心。

四" 課程建設實施內容

基于新工科項目式教學的理念，課程建設過程中分別采取了課堂講授與演示、開發實驗室和POCT項目設計等方式交叉融合進行。

（一）" 課堂講授與演示

芯片實驗室是基于生產、生活的實際需求而逐漸誕生的一門新興學科，各種類型的片上實驗室在具體應用領域均有獨特優勢，是一類應用范圍非常廣的技術領域。課程中選擇芯片實驗室中具有代表性的即時診斷項目應用案例，介紹芯片實驗室的理論、架構和應用。

根據課程特點，理論教學中進行課程知識點的講授和演示，使學生了解芯片實驗室的架構。例如，在芯片加工過程教學章節中，學生會出現所講授的專業名稱不熟悉，流體物理理論抽象不易理解的問題。針對這些問題，在開展課程的過程中，分別引入了教學視頻演示、實物演示和實驗室參觀等多種方式綜合進行講授。首先，引入了視頻教學，通過視頻向學生演示具體的加工流程，使學生更清晰地理解芯片通過利用不同設備技術加工的過程。其次，在課堂上進行實物演示，依據加工目的，選擇不同加工流程進行相應系列步驟加工后，向學生展示所加工出來的硅基芯片實物圖，互相傳閱并觀測芯片的結構。并適時提出例如基于相應目標需求，為什么要設計該特定結構、為什么要選取該類材料、加工過程中需要考慮哪些參數等問題，鼓勵同學們結合實物進行課堂討論，更進一步加深對基于光刻的微芯片加工流程的理解。同時在上述基礎上，也邀請同學們參觀相關的儀器設備，在了解每個加工過程所涉及的實驗設備及其操作流程的同時，結合課程所學內容，更具象地理解課程所講授知識。

通過此類課堂教學與實物演示相結合方式，不僅使學生掌握了相關知識點，同時還激發了學生的創新能力和主動學習熱情。

（二）" 開放實驗室

一個有具體功能微芯片的開發和實現，可以通過不同結構、不同設計和不同測試方式，所基于的理論也不同。而對于學生來說，若沒有想過的實物或實驗經歷，很難對其有真正的理解和認知。因此，在芯片實驗室課程開展中，也引入了開放實驗室環節。

開放實驗室環節主要圍繞芯片實驗室的一個新興領域——器官芯片來開展。器官芯片是一種基于微納加工制造技術的微型系統，其可模擬人體器官，重構人體器官生理功能[15]。其作為芯片實驗室領域中的一種新型顛覆性的技術，已被應用于制藥、醫學、生命科學和航空航天等領域[16]。在課程前期的授課過程中，學生們也對該章節表現出較為濃烈的興趣和好奇。因此，以器官芯片的設計和制造為實驗素材，可極大引起學生學習興趣及開發其創新能力，契合新型工程師培養要素。

基于該器官芯片開放實驗室環節，對學生進行分組，以小組教學實驗的方式實施。進入實驗室前，課程團隊會帶領學生回顧開展實驗室項目所需要的各類理論知識，提出問題并鼓勵大家互相討論，強化理論學習效果。進入實驗室后，鼓勵學生進行實驗記錄和步驟分解，理清各實驗步驟中所需要的各種實驗材料、相關儀器設備和技能。在實驗過程中，鼓勵大家主動根據動手做出的器件來分析其背后的原理，并思考為什么采用此種方式和結構進行設計和制造。實驗現象和結果不一致時，鼓勵學生思考及討論，結合理論思考該現象產生的原因并提出優化的實驗方案，以及反思為什么提出該解決方案。最后，通過對各自所加工制造實物的分析比較及實驗報告，由此促進系列發現問題、分析問題和解決問題等環節的推動，提升學生的批判思維能力及培養工程師思維。

開放實驗室課程與理論課程相結合，為學生提供了理論與實踐相結合的真實場景，同時也為其營造了創新空間和實踐基地。

（三） POCT綜合項目設計

基于創新性和綜合性的設計思想，該課程同時還開設了綜合性實驗作為課程設計作業，為學生提供更多的理論與實際相結合的空間。POCT是一種集快速、簡便、智能為一體的一類檢測技術的總稱，能夠實現在傳統、核心或中心實驗室以外進行檢驗，有效減少所需樣品量和傳送時間，并能大大縮短報告時間[12]。具有設備便攜、操作簡單、檢驗快速等優勢，在各種檢測領域有諸多應用。借助于各學科領域技術的發展，目前POCT已經不僅是一種新技術，也已成為一種變革，是新工科建設理念下的典型新學科類別。

課程在逐步完善多媒體教學演示的過程中，結合POCT的優勢，進行POCT項目設計環節，將教學與科研相結合，培養學生的創新能力和研究能力，使之成為科學研究的前站。課堂中會以應用廣泛的血糖檢測儀及新冠核酸快速檢測入手，從其需求目標到設計理念及應用等進行分條梳理，使學生建立項目設計的思路。在POCT項目設計的具體實施中，鼓勵學生大膽發揮想象，并結合自身經歷和實際需求出發，提出POCT的具體應用對象。項目信息的收集、具體過程的設計、項目的實現及最終的效果評價均由學生自行發揮。鼓勵學生結合所學課堂知識，提出芯片的具體設計方案和加工過程；依據應用需求，提出可行的測試方案，自主完成各硬件搭建，并利用仿真軟件進行芯片的調試和改進。此外，也督促學生主動思考所設計的方案可能會存在哪些問題，是否能夠通過不同方式進行解決。最后，通過學生自評、小組互評、集體討論和教師評價，對任務完成效果及實施的過程進行綜合評價，使學生靈活掌握所學知識并提升其綜合創新能力。

五 結束語

依據芯片實驗室課程綜合性和實踐性強的特點，結合新工科建設需求，通過項目式教學方式對該課程的教學方法和教學模式進行了系統的更新和優化。實施結果發現，在提升學生對基礎理論知識的掌握能力、綜合應用能力及解決工程問題的能力等方面具有較好的成效。該課程教學全程圍繞POCT設計項目的理念而進行，該項目具有理工科多學科交叉、強實踐性和前沿性等特色。通過采用與學生實際生活密切相關的國內外典型案例進行分解，使抽象的理論知識形象化，充分激發了學生的學習主動性。同時通過開放實驗室、實物演示和綜合項目設計等方式，培養了學生的批判性思維、創新思維和工程設計的能力。該課程教學方案的實施和開展也為新工科教育提供了一種新的思路。但在實際教學的開展中，仍發現還存在諸多問題，例如開放實驗室空間不足，教材資源有限等。鑒于此，相應的改進仍需進一步在教學中探索和完善。

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