关键词：“智能实验装置：从设计到实践” 课堂重构 项目制

从二教西北面的玻璃门走入，拾级而下，穿过地下夹层的创新创意设计展示中心与青年创客空间，充满科技感的北京大学创新创业学院极客实验室便映入眼帘。这个与传统教室风格迥异的酷炫空间，在2025年秋季学期迎来了一门全新的项目制课程——“智能实验装置：从设计到实践”。课程由北京大学教务部推动、创新创业学院和深势科技公司深度联合开设，最大亮点在于“三位一体”的定位：以解决真实科研与工程问题为终极目标、驱动跨学科知识的高阶融合、产出真实项目与市场对接的成果。请您跟随我们的脚步，一同走进这场由学校、学生与企业共同参与的“三向奔赴”吧！

一、课程缘起与目标：产教融合，在真实问题中链接学术与产业

AI时代的人工智能技术，正从“纯软件模拟”走向与物理世界交互的“具身智能”和科学实验自动化。这一发展趋势，对未来工程师和科学家的能力提出了新要求——算法思维、硬件实现与跨学科解决实际问题的能力缺一不可。

作为北京大学核心数智科创工程实践平台，极客实验室在实践课程和科创竞赛上早已开展了多年探索与耕耘。深势科技是一家由北大校友创立、专注探索AI for Science的高科技企业。2025年3月，极客实验室联合深势科技开设了“扫描隧道显微镜（STM）复现与升级”工坊，引导学生亲手搭建精密仪器，这种“硬核”的动手体验在校园内反响热烈。

以此为契机，双方决定将兴趣工坊进一步迭代升级为一门串联AI、电子工程、机械设计等特定领域科学问题的公共实践课程，实现从“复现验证”到“自主设计”的教学范式跨越。与此同时，教务部正在推动面向未来的“课堂重构”，项目制课程正是方向之一。经过几方多次筹划讨论，课程确立了“以解决真实问题为出发点，围绕任务组织教学，通过学生团队合作、主动探究，从而产出解决问题的成果”的项目制课程教学基调。课程摒弃了传统实验课预设图纸与标准答案的模式，引入了深势科技来自产业一线的真实自动化产品需求，要求学生直接面对真实的市场痛点与技术挑战，进行从无到有的自主方案设计与问题攻关，打通“人才—项目—产业”的闭环链路，构建起产学研协同的智能实验社区生态。

于是，2025年秋季学期，“智能实验装置：从设计到实践”正式开课。企业派出工程师团队全程参与了课程设计、原型开发、现场指导等多个教学环节，帮助学生从0到1完成方案落地。学校为企业提供了参与人才培养的入口和应用场景，企业则为学校注入了前沿技术、实践经验和产业生态，双方共同构成了这门课程赖以生长的肥沃土壤。

二、课堂设计与实施：项目驱动的人机协作课堂

在这门公共选修课上，选课学生来自不同院系。虽然大部分学生并非纯AI、纯工程设计专业背景，但他们都怀抱期待，选修了这门富有挑战性的课程。生命科学学院大四学生张皓佳对生物与工程结合的交叉领域一直抱有浓厚兴趣，也拥有相关实践经验：“我想第一次在课程中把工程做到‘产品级’。”同级的化学学院学生李昊轩科研经历丰富，深知实验中大量重复操作的痛点，看到课程的宣传推送后，便欣然报名，“这门课与传统专业课很不一样，我想在本科最后一年挑战这门以动手为主的项目制课程”。医学部大一学生范星辰在一众高年级本科生中，显得尤为突出，她对医学工程领域兴趣浓厚，也希望通过这门课程体验智能实验装置的设计与制造。

选课学生的专业背景跨越生科、化学、医学等，有人能写代码，有人懂实验场景，有人擅长方案表达，有人擅长数学逻辑……这正是工程团队协作的典型形态。选课学生的专业背景虽不同，但他们都被课程“真实、跨界、面向未来”的特质所吸引。

极客实验室执行主任田英一老师告诉记者，课程旨在引导学生完成从“理论—仿真—硬件选型—原型制作—算法部署—实验验证”的全流程，打造能真正解决科研与工程问题的智能实体装置，概言之，“一切为项目服务”。同学们分为两组，分别完成“低成本可示教机械臂”和“自动进样球磨机”这两个能够投入实际运用的项目。

为帮助不同学科背景的学生顺利跨越从理论到工程的鸿沟，本课程构建了严谨而灵活的梯度式能力培养体系。课程分为两个阶段：前8周为基础夯实与引导阶段，采用“专家领路+实操跟进”模式，以“40分钟讲授+80分钟沉浸式实践”展开——首先由领域专家与校内教授精讲核心理论、原理与案例，随后由企业工程师带领学生进行针对性的动手实践与探索。例如在“机械设计”章节，介绍经典机械结构后即指导学生在建模软件中完成相应模型绘制；在“行研分析”部分，则引导学生通过Scimaster等工具进行检索与总结，将行业痛点转化为市场需求空间，培养其商业思维。第4周前后，随着项目选题逐步确定，产业专家随即深度介入，围绕行业真实需求对方案进行工程可行性把关。从第9周起，课程全面转入自主实践阶段，学生在课堂上与课后持续推进项目。面对项目攻坚中遇到的具体技术难点，导师团队进行针对性讲授，通过点拨关键知识路径，帮助学生精准定位所需技能，从而在解决复杂问题的过程中主动构建并迭代知识体系，完成产品研发全环节的深度体验与能力整合。

二、项目案例一：低成本可示教机械臂

机械臂组接到的任务是“为化学实验室开发一套能够自动开盖的机械臂模块”。张皓佳坦言，项目初期面临的最大问题是“需求的合理性”。“市面上的商用机械臂已经相当成熟，为什么要我们做一个新的？”经过近一个月的认真调研，组员们终于找到了真正的痛点：现有机械臂成本高昂，难以进入实验教学场景；通用机械臂无法处理实验室特有的瓶盖规格、材质与扭矩需求；化学实验中大量开盖动作无法被现有自动化系统良好替代等。于是，小组明确了结论：要做一台“低成本、适配化学场景、可连续开盖”的专用机械臂模块。

随后，小组在老师们的指导下，开始进入真正的工程阶段：建立实验瓶盖的摩擦夹取模型；设计可满足要求的金属夹爪，参与金属机加工；对机械臂进行反反复复的可行性测试……组员们向着项目目标稳步前行。在期末展示中，张皓佳介绍了组员如何通过不断改进机械臂设计，实现更低成本、更易于生产的机械臂素体；如何克服动作记录的思维定式，从复杂的轨迹记录升级为精简的关键点位记录，组员们克服种种艰辛，终于在期末汇报上拿出了倾注无数心血的原型。

项目成果展示

在期末汇报环节中，这个机械臂结构精简、成本低廉，能够自动完成夹爪开盖、多角度倾倒溶液的操作，得到评委老师的高度评价。组员们对这支“潜力股”在AI+教育、电池研发、生物医药领域的发展前景充满信心。据悉，已有公司关注联系，这让组员们更有成就感。

三、项目案例二：自动进样球磨机

球磨机组的起点更接近“从零开始”。他们的课题是“开发球磨机的智能监测与控制系统”：参考资料极少，国内外鲜有类似低成本专业机器。在一次次交流讨论中，组员们逐渐意识到：球磨机虽然是化学实验室常见设备，但在实验过程中仍存在诸多痛点，尤其是开关盖仍需人工精细操作，市场已有自动化设备价格高昂等。

随着理解的深入，小组逐渐进入球磨机设计的推进阶段。讨论从最初的分散设想，到逐步聚焦成可行方案，过程中充满反复推敲。“我们当时提出了很多想法，也有不少改进意见，”范星辰回忆道，“来自化学学院的学长根据实验中的真实痛点提出建议，导师们也会指出哪些方案不太对，需要调整。”

小组最初的项目目标是制作一个自动开关盖机构，实现全自动开闭。但在导师们的指导下，组员们经过进一步市场调研与自主学习，发现实现自动球磨机全流程，用组员们的话说，“‘手搓’一台低成本专业球磨设备，并非不可能。”重整行装再出发，组员们群策群力、分工合作，在数周时间内克服了机械原理、代码编写、自动化控制、3D打印装配等种种技术困难，经过紧锣密鼓的组装搭建，这台3D打印的自动化球磨设备顺利出现在期末汇报的舞台上：

项目成果展示

该装置已经具备了完整的自动球磨行星结构，其运行完全符合商用成品的运转原理与逻辑。尽管这台3D打印制作的设备还稍显稚嫩，但组员与导师们都相信假以时日，一定能打造出更成熟的自动球磨机。

不同于传统的课堂教学，课程以工科项目为导向，强调“项目式学习”与“实际问题解决能力”，同学们课上课下的大部分时间，都在紧锣密鼓的小组讨论、分工协作、实践落地中度过。课堂不再是单向传授，而变成了一个“谁缺什么就去学什么”的实战场域。对多数非工程背景的学生来说，项目不要求事先具备全部技能，而是驱动自己根据需求自主补全：遇到机械结构问题就学机械制图、遇到控制问题就补习基础控制理论、遇到数据问题就学信号处理与建模……正如北京大学创新创业学院院长刘德英所言：“这次课程和传统课程不太一样，只要大家有新奇的想法，就去尝试、去探索。”AI 在这一过程中发挥了重要作用，学生们利用AI，加速了前置知识的检索与理解、辅助完成建模与代码编写、借由AI将更多精力放在工程判断与设计权衡上。

四、学生成长与收获：从“能学”到“能做”再到“能创”

对于学生而言，这不仅是一次工程训练，也是一场深刻的未来启蒙。“我未来想从事仿生学研究，这门课为我提供了一个工程技术方面的大平台，”张皓佳说。李昊轩对企业负责人传授的商业思维印象深刻，“目前学术界很多研究成果，实际上很难转化落地，这门课让我对学术科研与企业运作结合有了更深刻的了解”。范星辰告诉记者，“医工结合是我感兴趣的领域，通过这门课，我收获了很多技能和很多知识储备，更亲身体会了将想法转化为产品的过程。”

更多同学则在课程反馈中表达了这种“硬核”挑战带来的深刻触动。谈及课程的独特体验，一位同学在课后总结道：“我们面对的不是课本上的习题，而是直接拿企业的‘真需求’来练手。我们得像在公司做项目一样，先剖析问题，然后发挥特长。这种从‘面向真需求’到‘解决真问题’的全过程，非常有成就感。” 对于课程强调的跨学科协作，同学们更是给出了高度评价：“我们拥有不同的学科背景，这种跨学科协作的经验，为我们未来处理复杂问题打下了坚实的基础，在这样浓厚的创新氛围下，相信未来我们也会更敢于去做从0到1的开拓者。”

五、教师与企业反馈：产教协同的实践范式

谈及同学们的进步，田英一老师尤其欣慰。“全员从零起步，初期虽然迷茫，但大家都有主动补短板的意识。”同学们或自学3D打印，或自学单片机接线，或研究机械组装，分工合理、各展所长，主动承担各关键环节，展现了北大学子坚韧的抗压能力。同学们面对“无图纸、无基础”的难题，没有轻易放弃，逐步从“不会”到“能落地”，执行力和协作意识逐步提升，他们在课程中淬炼了AI技术解决真实问题的思维、提升了未来复合型岗位亟需的跨学科学习能力，获得了“从0到1”解决具体行业真实问题的宝贵经验。期末汇报现场，刘德英院长鼓励同学们继续把手头的两个项目推进下去，学校将持续给予支持——“有什么想法，就大胆去做吧，往往会有意想不到的收获！”

企业方深势科技对课程成果也十分满意——在人工智能加速“具身智能”和“自动化科研”发展的今天，科技企业迫切需要具备工程实现能力、理解科研场景需求、并能架起 AI 与物理世界桥梁的人才。深势科技负责人说，“这门课所提供的正是这样一套系统训练，帮助学生在走向更复杂科研或创业路径前，完成一次‘从需求到产品’的完整工程旅程。”企业导师高度评价同学们在项目中的表现。负责本课程设计的丁千钧研究员认为，两组同学均展现了非常出色的综合能力。“他们不仅能从自身的背景出发，完成各自擅长的部分；还能主动学习，互相配合，涵盖了产品研发的各个环节，比如行业调研、方案设计、测试迭代和实际应用演示等。”同学们在项目快速迭代、动手实操和多学科协作等方面展现出的综合素养，给企业留下了深刻印象。

六、教育意义与未来展望：打造产教融合的教学平台

本课程既是一次项目制课程创新，也构建了产学研协同教育生态的实践范式。希望通过课程教学与实践，在学生未来发展道路上提前安装一个“高能引擎”——一种站在时代交汇点，敢于并善于用综合性的智能技术手段，重新定义和改造传统领域的内在自信与核心能力。

从讲台到企业，从课堂到实验室，从构想到产品，“智能实验装置：从设计到实践”以项目为纲、以真实问题为牵引、以人机协作为抓手，重构了学习流程与课堂生态。这是学校、企业与学生的“三向奔赴”——学生在真实挑战中积累工程经验，形成可迁移的解决策略；企业在参与中发现与培育人才，推动技术与场景的紧密结合；学校在协同中完善育人体系，打造可持续的产教融合平台。这是一次以 AI 时代为背景的课堂重构，是学校推进未来教育的有益探索。随着更多项目制等新型课程的落地与迭代，学校正在开展的课堂重构将持续为学生点燃“高能引擎”，驱动他们在跨学科与复杂场景中敢于并善于从0到1地开拓创新，让“面向真需求、解决真问题”的学习成为常态。

结课合影留念