新工科项目式教学的课程设计与实施

摘  要：新工科背景下的教育改革已成为当下高等教育的重要议题。项目式教学可在项目实践中让学生积极主动获取课程理论知识，提升学生的创造性，是开展新工科教学建设主要措施之一。该文以芯片实验室课程为切入点，以新工科建设为导向，以创新应用项目为载体，分析传统教学模式存在的问题及不足，并对项目式教学模式下的课程设计思路和实施进行全面的改革和实践。提出课题讲授与演示、开放实验室和产教融合综合项目设计等具体的改革实施内容。改革成效表明，课程的变革极大地提升学生的学习兴趣与动手实践能力，并能引导其积极开展创新思维，树立工程师核心素养。

关键词：新工科；项目式教学；芯片实验室；教学改革；课程实践

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：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

新工科是基于国家战略发现新需求、国际竞争新形势和立德树人新要求而提出的工程教育新方向[1]。2017年提出“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，新工科教育三部曲开启了新型人才培养的篇章，2017年也被称为新工科教育元年。2018年，教育部首批认定612个新工科研究与实践项目，建立新工科建设的新理念、新标准、新模式、新方法、新技术和新文化[2]。2019年全国新工科教育创新中心成立，提出形成中国特色、世界水平的新工科教育体系，打造世界工程创新中心和人才高地的建设方向[3]。多年的成效已表明，新工科建设能够培养出兼具实践能力和创新思维的新型人才，推动我国科技领域的突破和进步。新工科建设从初步探索到稳扎稳打，逐步进入再深化新阶段。而如何进一步深化改革，培养具有工程师要素、有较强的自主学习能力、掌握交叉学科的知识、善于把握科技发展趋势、能够综合运用所掌握的知识解决工程实际问题，以及不断满足人民日益增长的对新产品新技术需求的能力[4]，已成为当下教学改革不断完善的主题。

项目式教学，指在课程的课堂教学中以实践项目为核心，紧密围绕某个具体的工程应用项目展开课程讲授。该教学模式能够将实验室科研课题与课程教育教学紧密结合，最大化利用高校优势科研条件和学习资源，使学生形成扎实的专业技能和理论储备[5]。在项目式教学开展的过程中，其着重强调以学生为核心，利用课程和项目为引导，提倡学生的自我导向学习能力，鼓励学生主动进行思考和决策，锻炼学生的批判性思维能力[6]。该教学方式的开展，将实际工程应用于课程与课堂教学相结合，在实践中让学生掌握课程基础理论知识，发挥学生学习的积极主动性和创造性，提升学生积极主动面对问题、发现问题和解决问题能力等特色与优势。此外，基于项目式教学的特点，其教学模式的开展不仅改善教学方式，实现学生的主动有效学习[7]，还能真正做到学以致用，实现理论知识的具象化[8]。因此，项目式教学能够有效实现新工科人才的培养。

面向新一轮的科技革命和产业变革，为加快培养新兴领域工程科技人才，主动布局未来战略必争领域人才培养[9]，本课程组在校内开展了面向本科学生的芯片实验室课程。该课程主要讲授，面向工业化生产和生活需求，如何将科研中所涉及的样本收集、生化反应、样本分离和光电检测等所需的操作模块集成在一块微芯片上[10]，涉及“理工医”等多学科领域，是一门综合性和实践性都很强的新型课程。但采用传统授课方式时，具有教学模式单一，课程性质定位模糊及课堂内容过于宽泛等问题。

综合以上，基于培养多学科交叉、复合型工程人才的目标，满足新装备新技术的制造强国战略需求[11]，本文以公开选修课程芯片实验室为例，探索当前的新工科教学改革之路。结合该课程的多学科交叉性和实践性特色，以新工科和项目式教学为指导方向，在借鉴国内外课程体系改革经验的基础上，对课程进行全面梳理，分析和探讨了项目式教学模式下课程的设计与实施方案。

一  存在问题

新工科教学不同于传统教学模式，其更倾向于在传授基础理论知识的同时，利用项目需求引导学生积极主动思考，从而培养学生的自主学习能力、创新精神和创业能力[12]。以新工科建设目的为思路，本文首先对传统授课模式下所存在的问题进行了反思，发现采用传统教学模式将会存在教学模式单一、课程性质定位模糊及课堂内容过于宽泛等问题。

芯片实验室课程具有强烈的多学科交叉特性，在传统的单一授课模式下，往往不能在有限的时间内把专业知识高效地传授给学生，达到有效学习的目的。并且课堂理论知识学习也不能满足不同专业同学的需求，纯理论学习易枯燥无味，无法全面提升每位同学的兴趣和学习的积极性，最终导致理论与实际应用发生严重的脱节。此外，由于芯片实验室涉及多应用领域，传统课堂教学为了达到全面灌输目的，会采用课程内容大而全、以面带点的模式。这种模式忽略了本科课程教育以具体知识点为切入的需求，导致学生仅能形成一个模糊的概念，而无法对知识内容有深入的理解和掌握。因此，亟需引入新的教学要素以符合新工科类课程的建设要求。

二  建设目标与思路

芯片实验室技术是指把实验室中所涉及的样本收集、生化反应、样本分离和光电检测等各类操作模块集成在一块芯片上，是新型科学类仪器设备发展的重要方向。此外，该课程也是产学研用的有机结合，是仪器科学、生命科学、化学、医学、物理学和微电子等理工学科的综合交叉融合。数理化生是其理论基础，测量与控制是其核心的特色。

在建设新工科方向的指引下，基于项目式教学的实践性和前沿性，芯片实验室课程在落实多学科交叉，多知识融合授课的基础上，提出以即时诊断（Point of care test， POCT）项目为切入点的教学模式。POCT是基于芯片实验室理论与技术开发出的一种新型便携式快速检测技术[13]，已被应用于各类疾病的筛查、诊断、治疗监测与预后评估中[14]。其具有与生活密切相关、应用广泛，实践性强的特点。因此，课程拟以POCT项目为核心，以“厚基础、高素质、重创新、强能力的新型优秀人才”[11]为培养目标，开展多类型的教学模式及国内外课程资源借鉴与整合，充分将即时诊断项目的实际应用需求与课程理论知识紧密结合，课程开展所实施的具体教学目标与能力培养的关系见表1。经过系列课程改革推动，已逐步成为具备很好吸引力的新工科项目式教学课程。

三  课程建设内容与特色

芯片实验室课程主要讨论芯片实验室和微流控技术的基本知识和应用。课程授课内容通过对微芯片和微流体制造技术、相关传输过程、流动控制方法、样本操控和分析检测技术等课程内容的讲授，拓展学生在系统集成和传感测试等方向的广阔视野，丰富相关制造方法和分析技术，掌握主导微纳尺寸系统的多物理场耦合现象，以及了解芯片实验室在现代科研和先进生产中的应用。

该课程具有多学科交叉、理论与应用结合紧密以及实践性强的特点。在课程第一节课，以芯片实验室的概念和应用为起点，引出即时诊断的项目需求，引导学生思考开展项目过程中需要掌握的知识点和动手能力。利用对项目的分解，向学生灌输课程将陆续开展的系列授课内容与该项目间的联系。在教学方法上，突破传统的单向传授方式，注重启发学生的思维。引导学生结合自身生活背景和个人特点，提出可行的即时诊断项目，由此调动学生的学习积极性，激发学生的创新潜能。同时结合课程进展，将国际上该领域的前沿研究引入课堂进行介绍，培养学生了解国外研究技术、方法与应用的能力，进一步加强学生们追踪国际专业发展动态的能力并激发学生解决我国当下科学仪器“卡脖子”问题的信心。

四  课程建设实施内容

基于新工科项目式教学的理念，课程建设过程中分别采取了课堂讲授与演示、开发实验室和POCT项目设计等方式交叉融合进行。

（一）  课堂讲授与演示

芯片实验室是基于生产、生活的实际需求而逐渐诞生的一门新兴学科，各种类型的片上实验室在具体应用领域均有独特优势，是一类应用范围非常广的技术领域。课程中选择芯片实验室中具有代表性的即时诊断项目应用案例，介绍芯片实验室的理论、架构和应用。

根据课程特点，理论教学中进行课程知识点的讲授和演示，使学生了解芯片实验室的架构。例如，在芯片加工过程教学章节中，学生会出现所讲授的专业名称不熟悉，流体物理理论抽象不易理解的问题。针对这些问题，在开展课程的过程中，分别引入了教学视频演示、实物演示和实验室参观等多种方式综合进行讲授。首先，引入了视频教学，通过视频向学生演示具体的加工流程，使学生更清晰地理解芯片通过利用不同设备技术加工的过程。其次，在课堂上进行实物演示，依据加工目的，选择不同加工流程进行相应系列步骤加工后，向学生展示所加工出来的硅基芯片实物图，互相传阅并观测芯片的结构。并适时提出例如基于相应目标需求，为什么要设计该特定结构、为什么要选取该类材料、加工过程中需要考虑哪些参数等问题，鼓励同学们结合实物进行课堂讨论，更进一步加深对基于光刻的微芯片加工流程的理解。同时在上述基础上，也邀请同学们参观相关的仪器设备，在了解每个加工过程所涉及的实验设备及其操作流程的同时，结合课程所学内容，更具象地理解课程所讲授知识。