高校工程类科研项目促进本科教学的应用研究

［摘 要］ 以“超快速PCR仪器”项目开发为例，研究了高校工程类科研项目在本科教学中的促进作用。通过团队合作和实践操作，学生参与了超快速PCR仪器的设计和研发工作，锻炼了工程创新思维和实践能力。研究发现，通过该项目的实施，学生对学科知识的学习和应用能力得到提升，同时激发了创新意识，培养了学生分析和解决问题的能力。此外，项目的开展也提升了教师的教学能力。对于高校本科教学中工程创新思维的应用提供了借鉴，可为提高教学质量和培养学生的创新能力提供一定指导。

［关键词］ 科研项目；本科教学；工程创新思维；学科知识；PCR仪器

［基金项目］ 2023年度上海健康医学院师资人才百人库项目（A1-2601-23-311007-16）

［作者简介］ 曾 媛（1982—），女，江西吉安人，硕士，上海健康医学院医学影像学院工程师，主要从事光学仪器研究；王明轩（2001—），男，山东淄博人，上海健康医学院医学影像学院2023级医学影像技术专业（专升本）本科生，研究方向为医学影像技术。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）10-0055-04 ［收稿日期］ 2023-09-21

高素质技术技能人才的培养是实现大学教育高质量发展的必然要求［1］。近年来，国家出台的相关文件将培养具有熟练操作能力、创新思维和良好综合素质的应用型人才提升到了国家战略的重要位置［2-3］。因此，大学教育需要在人才培养模式等多方面深入推进改革［4］。为提升学生综合素质，高校在本科生培养方面积极探索多维度育人模式，尤其是重视培养学生理论与实践相结合的能力，使得学生能够在学科专业领域中更好地理解和应用工程技术，进而提升本科生的综合素质，推动创新［5］。

一、工程类科研项目助力本科创新人才

本科生参与教师科研项目是促进学科专业知识学习的一个系统方法［6］。科研将理论知识与实际问题相结合，通过运用已掌握的知识解决新的未知问题，是一个创新的过程。通过参与科研项目，本科生可以深入了解学科领域的前沿知识和发展动态，提升对学科知识的理解和掌握能力。同时，科研为学生提供了锻炼自主思考、独立解决问题的机会，培养学生的工程创新意识和解决实际问题的能力。近几年，部分高校开展了类似的课程改革，例如咸阳职业技术学院组织学生研究探讨数字减影血管造影装置，以提高学生的学习积极性［7］；张掖医学高等专科学校通过“简易半导体收音机的制作”项目，贯彻落实集“教、学、做”于一体的理念［8］；南京中医药大学中医学院运用项目式教学，推进“灌输式”课堂向“研讨式”课堂转变［9］；成都医学院应用压力式传感器项目促进教师与学生双向交流［10］，这些方法为上海健康医学院培养学生养成工程创新思维提供了重要的借鉴。

（一）“超快速PCR仪器工程研发”项目融入本科人才培养

“超快速PCR仪器工程研发”项目融入本科生培养，是上海健康医学院应用型高校专业的一个非常成功的案例。通过参与这个科研项目，本科生有机会亲身参与应用型高校领域的工程研发工作，结合理论知识与实践技能，运用所学知识解决实际问题。

在项目开始前，学生经过深入学习相关理论知识，理解其内涵和外延，掌握基本概念和基本原理。在实际操作中，学生运用理论知识进行实验分析，尝试用理论模型解释实验结果，或提出理论方法来预测实际问题的解决方案。在实验过程中，不断验证和修正理论知识，检查理论模型的正确性和适用性，同时发现理论方法的局限性和不足之处。项目完成后，对理论知识进行总结和提炼，归纳实验结果，总结经验教训，并提出新的理论观点或方法。

这种将理论知识与实际问题相结合的方式，使得学生能够全面提高项目的科学性和实用性。同时，参与科研项目也培养了学生的科研能力、创新意识和团队合作精神，为他们今后从事与生物医学工程等相关专业工作打下了坚实的基础。这个成功案例值得其他应用型院校借鉴，以提升本科生的专业素养和创新能力。

（二）“超快速PCR仪器工程研发”项目蕴含多维度、跨学科的理论知识点

工科创新思维强调解决问题的能力、跨学科思考的能力以及对实际应用的思考。而新型PCR仪器的研发涉及多个专业领域的知识，包括生物学、化学、物理学、电子工程等，这些学科的知识与生物医学工程、光学工程等专业的特点紧密相连，因此，相关专业的本科生在参与PCR仪器研发项目时具备优势。

1.生物学知识对于理解PCR技术及其原理至关重要。以我们开发的超快速PCR仪为例，学生需要熟悉并运用PCR反应的扩增过程——变性、退火和延伸，参与研制的本科生在该阶段能将生物学中的DNA扩增具体运用到实践或实物开发中，运用所学的生物学知识解决实际问题。学生的生化基础较好，有严谨的逻辑思维和自信果敢的学习习惯，他们能够深入理解PCR技术的原理和应用，并将其转化为实践技能，为超快速PCR仪器的研发和应用做出贡献。

2.化学知识在PCR仪器研发中有着重要作用。在我们开发的超快速PCR仪器中，以牙周病原菌为主要研究对象，进行牙周病原菌引物序列及PCR反应液构成。我们从牙龈炎患者中提取病原菌，P.g、T.d以及T.f被认为是与牙周病相关的三种主要病原体。因此，针对这三种牙周病原菌设计了面向16SrDNA保守区的3种PCR引物，并配制PCR反应液。结合开发过程配置牙周病原菌的引物和反应液可以实际指导学生将在书本上学到的理论化学知识应用到实际的仪器开发过程中。

3.物理学知识对于理解PCR仪器的工作原理和设计至关重要。超快速PCR仪的核心部件是连续微流控芯片，芯片内的通道设计是一个关键步骤。在设计过程中，导师带领团队进行了多种形状的尝试和试验，在试验过程中会运用到大学物理中雷诺系数和湍流等重要知识点，微流控芯片结构参考如图1所示［11］。因此，微通道截面形状的选取是微流控芯片的关键，可见，在超快速PCR仪器开发的微流控芯片内部微通道的设计上，物理学知识发挥了重要的作用。

除了以上几个专业领域的知识外，学生还需要学习一些相关的实验技能、查阅资料或文献、具备团队合作能力等，这种以实践促进思考，用刚学的理论知识应用实际问题的获得感是学生参与新型仪器开发的关键。

二、“超快速PCR仪器工程研发”项目实施情况及成果

课程组在2022—2023学年期间，将“超快速PCR仪器工程研发”项目融入本科培养，通过组建团队、制定目标、分工合作等方式实施。团队由3名校内教师和1名兄弟院校教师组成，背景为医学影像技术、光学工程和生物医学工程专业。通过笔试和面试，纳入了5名应用型高校专业的本科生，构成了科研团队。在项目建设期间，团队进行了大量的技术研究和实验验证，在上海市“科技创新行动计划”生物医药领域科技支撑项目、上海健康医学院超快速PCR仪器的研制校级产学研项目的支持下，团队开展了快速PCR仪器开发的研究，研究了流体在微通道内的温度场与速度场分布，并采用聚碳酸酯开发了集PCR与电泳于一体的可持式微流控芯片，解决了实验室常用的PDMS微流控芯片携带性差的问题。针对CF-PCR芯片一次只能扩增一种目标基因的问题，研究了芯片内多重PCR技术及开发了阵列式CF-PCR芯片，实现了多个牙周病原菌在芯片内的一次性扩增完成。以上研究成果对基于CF-PCR微流控芯片的快速核酸扩增系统的开发具有重要的技术指导意义。

本科生通过参与超快速PCR仪器开发项目，参与发表学术论文3篇，申请发明专利2项。5名本科生参与了超快速PCR仪器开发的科研项目，这一经历不仅让他们将专业课程中学到的知识点得以实际运用，还有助于培养他们的工程化思维能力。同时，这个项目也对他们同时进行的其他专业课程的学习产生了积极的促进和相互补充的效果。所有本科生在2022—2023学年的考试中取得了平均绩点3.7的优秀成绩。

通过这个项目的实施，学生获得了宝贵的科研经验，锻炼了实践能力，推动了PCR技术的发展，并为学校的教育教学提供了实践教学资源。

三、工程类科研项目在本科教学中的作用

（一）促进学生的工程创新思维

科研项目融入本科教学是培养学生工程创新思维模式的重中之重。医学精准，技术为基；科技进步，人才先行［12］。超快速PCR仪器的开发是以科学研究与工程技术等多元领域为基础，并将其融合，重塑再造［13］。在仪器开发过程中，导师需要带领学生，以工程化进程为顺序，以掌握的原理和方法为理论基点，结合工程实践，探索和应用具有创新性的科技手段来设计仪器模型，打造智能化、专业化兼顾的仪器。在试验过程中，着力激发学生的主观能动性，鼓励学生积极探索并解决问题。将工程创新思维赋能学生具备以下几个方面的作用。

1.科研要求学生具备扎实的理论基础和严谨的逻辑思维能力。在科研过程中，学生需要深入了解相关领域的理论知识，并通过逻辑思维进行问题的分析和解决。这不仅能够加深学生对知识的理解和掌握，还能够培养学生的分析、推理和判断能力。

2.促进学生的创新思维，提升解决实际问题的能力。在科研过程中，学生会面临各种问题和挑战，需要通过创新思维来解决问题，克服困难。这个过程不仅能够培养学生的创新意识，让学生直面科研前线的问题和挑战，以理论知识为基，以创新思维为要，精准对接切入点，解决科研难题。同时，还能优化学生实践能力，引导学生围绕科研项目中“发现问题、思考问题、解决问题”三部曲，驱动学生将书面知识向实际应用转化。如此一来，学生的创新思维和解决问题的实践能力得到了充分的锻炼。

3.科研还需要学生具备团队合作和沟通协调的能力。在科研过程中，学生往往需要与其他成员进行合作和协调，需要进行有效的沟通和交流。这样的过程不仅能够培养学生的团队合作和沟通协调能力，还能够提高学生的人际交往能力和领导力。科研过程可强化学生团队合作精神，聚焦分工合作方法，精准分配任务，贯彻落实小组讨论规范化、有序化，推动各学生、各小组聚势共赢，增强学生参与感和获得感，做到“人人有担当，事事有落实”。这为学生今后从事工程领域相关工作奠定了坚实基础，也为他们的职业发展提供了有力支持。

（二）提升教师的教学质量和科研水平

超快速PCR仪器开发的项目负责人不仅负责科研工作，也负责两门本科生课程的教学工作，因此仪器开发在促进教师的工程创新思维的同时，也在其本科教学等方面具有积极作用。

1.提升教师的教学质量。参与新型仪器开发的教师需要横向研究相关领域的知识和技术，这使得教师能够充分结合新型仪器的特点，设计具有创新性的实验教学项目，提供专业性高、实践性强的教学内容，提升学生的学习体验和学习效果。

2.提升教师的科研水平。参与新型仪器开发的教师需要在相关领域进行纵向深入研究和探索，及时了解并掌握国内外的科研成果和技术发展动态，增强教师的工程思维。这也促使教师能够将最新的科研成果应用到教育工作中，使教学内容更加前沿和实用。

3.丰富实验教学资源。教师能够借助新型仪器的功能和特点，设计差异性更强、针对性更强的实验项目，从而激发学生的学习兴趣和动力。

结语

将“超快速PCR仪器工程研发”项目融入本科培养中，师生都受益匪浅。仪器的研发过程也是科研过程，它使学生深入了解学科前沿，也为教学提供实践案例和资源。本科生通过参与项目研发深化了学科专业知识及其应用能力，锻炼了实践能力、团队合作能力和问题解决能力，奠定了良好的职业发展基础。

参考文献

［1］赵婷婷.大学质量文化：从合格质量转向创新质量［J］.教育研究，2023，44（4）：137-147.

［2］吴腾，吴润.基于创新项目探索应用型人才培养模式［J］.实验室研究与探索，2020，39（11）：183-185，203.

［3］杨牧川.技能中国建设背景下高水平应用型人才培养创新策略［J］.保定学院学报，2023，36（4）：105-108.