知识学习的过程既是一种认识过程，也是一种探究过程。随着脑科学越来越紧密地与教育相结合，科学教育和科学学习的理论和方法已经引起了社会关注，并越来越多地应用于教学实践。探究式的学习方式不仅给予学生感性认知，更使知识在重新构建的过程中得到强化、固化和系统化，使课堂和书本的学习所得转化为学生可以自我驾驭的知识体系，更重要的是实践探究推动了知识的交叉、拓展，是创新的土壤和源泉。这就是为何“从做中学”的理论从西方引入即后被我国的中小学、大学所广泛采纳，为何我国古代“知行合一”的教育思想至今极具现实意义和价值的原因所在。
在创新型人才的培养过程中，同济大学大力倡导实践创新育人，打破满堂灌的旧式教学方式，提倡自主式、体验式、探究式的学习方式；破除为就业而实习实践的旧理念，在实践中为学生启发创新思维、培养创新能力，大力构筑基于创新型人才培养的立体化实践教学体系。
实验室是课程体系内培养实践动手能力、启发创新思维的第一场所。学校投入大量资金新建和完善基础和专业实验室，创造优良的实验条件，确保列入本科生培养计划和实验教学大纲的实验课程开出率达到100%，而且建设对象从理、工、医科，向经济管理、人文社会科学、艺术、设计等学科进行了全覆盖。
以实验教学示范中心建设为引领，打造一批水平高、特色鲜明的国内一流实验室。目前学校拥有国家级实验教学示范中心4个、上海市级6个、校级11个。
开放性实验室以共建共享、扩大内涵为建设目标，积极开发出探究性、启发性，并适合于跨学科专业学习的实验项目，已成为学校当前实验室建设的重要方面。
同济大学以“本科生三进”（进课题、进团队、进实验室）和“高中合作三进”（中学生进大学、实验室进中学、教授进中学）为抓手，从人才培养模式的最前端开始，吸引学生进入实验室，提高科研兴趣、培养科学精神、启发创新思维。
学校加强实验室管理和教辅队伍建设。建立了校、院两级管理体制，明确各级部门的权利、责任和义务。实验教学业绩点核算、专业技术职务评聘向长期从事一线实验室教学工作的人员倾斜，保障稳定的实验室教学队伍。鼓励教学人员参与实验室管理改革，并将相关工作纳入业绩点核算范畴，推进民主管理。
大学生创新性实验计划为创新能力的培养提供了广阔空间。2007年，学校入选教育部“国家大学生创新性实验计划”首批10所试点高校，这是教育部第一次在国家层面实施的、直接面向本科生的创新训练项目。
学校以“兴趣驱动、自主实验、重在过程”为宗旨，构建了由国家、上海市、学校、院系组成的四级创新训练计划体系，逐步推出了1:1配套经费支持、实验室全开放、保研资格等多项配套政策，并在2010级培养方案中明确提出2个创新实践学分的要求。学校还于2007年在全国率先成立了大学生创新俱乐部，依托创新实践基地，以纯学生组织的形式完成了项目的选题策划、校内申报、立项答辩、组织管理等一系列工作，实现了大学生的自我管理、自主实施。目前，国家级大学生创新训练计划项目累计已达381项，上海市级项目480项，校级项目1732项，已覆盖全校70%的本科生。
学科竞赛是开放交叉的大平台，是团队合作的操练场。大学生学科竞赛不仅紧密联系专业知识，而且促进了跨领域、跨专业的知识学习和能力培养，是衡量高校教育教学质量的重要指标，也是大学生创新实践能力的直接反映。2011年同济大学本科生参加各类竞赛71项，获得国家级二等奖以上296人次，省部级一等奖98人次，其他奖项124人次。获奖等级、人数均呈逐年上升态势。在第四届全国大学生创新年会上，学校有2个项目入选“10个我最喜爱的大学生创新项目”，1篇论文入选“10篇最优秀论文”。
建筑与城市规划学院的品牌项目“建造节”已经声名远播，不仅吸引了本学院的学生，校内其他学院、上海大学、东南大学、浙江大学都慕名派队参赛。
从2000起就开始举办的土木工程学院“结构赛”早已深入人心。在2012年美国ASCE（美国土木工程师协会）中太平洋赛区的比赛中，由我校土木、环境、交通和材料等4个学院的19位学生组成的同济大学代表队获得了钢桥竞赛第三名、土力学竞赛第一名、论文竞赛第二名、交通竞赛第二名的可喜佳绩，而且总分超过加州大学伯克利分校，成功夺冠，尽显同济学子风采。
数学系自2004年起每年举行面向全校本科生的数学建模竞赛。3位本科生共同完成的参赛论文喜获2012年美国大学生数学建模竞赛一等奖。
强化校企合作，实现学生、教师、企业的三赢。在校企人才培养合作中，学校推出联合课程、工程讲座、企业现场教学、联合课程设计、联合毕业设计等一系列实践教学内容，建立了联合课程71门，联合指导毕业设计近400人次。2011—2012年，同济大学分别与上海大众、上海建工集团、施奈德电气、上海城建集团合作共建校企实践基地，先后被教育部批准为国家工程实践教育中心。
在学生的实习实践同时开展工程类教师企业践习，以丰富教师的工程经验、更新知识体系。学校鼓励从企业、科研院所聘请兼职教师，并要求其加入校内课程教学团队，以实现优势互补。学校配套一系列人事政策，落实校内教师工作量计算，明确企业兼职教师教学津贴标准，并新增面向工程教育的“教学Ⅲ型”职称，形成校内教师与兼职教师的互通。
推进校企合作的制度化规范化。《同济大学卓越人才合作培养框架》明确了校企合作的目标、合作企业的遴选标准，并建立三级授牌管理体系，按照合作深度和职能划分为：第一层次“实习基地”；第二层次“人才培养基地”或“产学研合作基地”；第三层次“人才培养与产学研合作基地”。我校目前共签约成立260个“实习基地”和129个“人才培养与产学研合作基地”。