Die Ingenieurwissenschaften stehen weiterhin vor der Herausforderung, mit der Gestaltung von innovativen studierendenzentrierten Lehrangeboten auf sich stark ändernde globale Rahmenbedingungen zu reagieren und gleichzeitig die Attraktivität ihrer Studienangebote zu verbessern. Ziel dieses Beitrags ist es, (1) die in diesem Kontext entstehenden Schwierigkeiten, insbesondere bei studentischen Zielgruppen mit stark heterogener Mathematikkompetenz, forschungsbasiert zu erheben und zu adressieren sowie (2) theoriefundierte Interventionsansätze zu deren Überwindung vorzustellen. Zu (1) wird die studierendenzentrierte Lehrentwicklung in den Forschungsdiskurs um die mathematische Kompetenz mit Fachbezug zu den Ingenieurwissenschaften eingebettet, weiterhin wird mit dem Modell der Didaktischen Rekonstruktion ein darauf ausgerichteter Forschungsrahmen vorgestellt. Ausgehend von der theoretischen und methodischen Fundierung werden (2) die Entwicklung und Umsetzung der Lehrinnovationen anhand zweier stoffdidaktischer Analysen aufgezeigt, die die enge Verzahnung von mathematischer und ingenieurwissenschaftlicher Theorie und Praxis an Lehrbeispielen und Experimenten transparent machen. Abschließend werden Erkenntnisse aus der Umsetzung vorgestellt, der Einfluss auf die curriculare Entwicklung innerhalb des Ingenieurstudiums diskutiert sowie ein Ausblick auf weitere Forschungsdesiderate und mögliche Weiterentwicklungen gegeben. So wird neben neuen theoretischen Erkenntnissen ein Beitrag zur Verbesserung der ingenieurwissenschaftlichen Lehrpraxis geleistet.