自修复材料是近年来发展迅速的一类新型功能材料,它能够通过物理或化学作用自动修复损伤并恢复其功能，为主动预防材料的潜在危害并延长其使用寿命提供了一种新的智能方法。因其丰富的功能性与国民经济诸多领域密切相关，在军事、航空航天等高科技领域具有广阔的应用前景，已成为国际上新一轮竞争的热点，是国际学术界重视的新型学科领域。但是对这类先进材料的关注大多聚焦在科研领域，在大学课堂或实验教学领域很少涉及。近来，我校化学与分子工程学院罗千福副教授团队结合本科教学的特点对其进行优化设计，简化了材料的合成方法，集成了测试手段，并借助虚拟仿真实验平台，从课堂教学、实验教学和虚拟仿真教学多维度引入这种来自于科研前沿的自修复功能材料的教学内容，成功应用于本科教学的创新实践中，让学生在较短的时间内，高效、安全地学习探索这类前沿材料，更好地实现本科教学和科研的衔接，取得了良好成效。近日，相关成果发表在美国化学会旗下的化学教育期刊上（J. Chem. Edu. 2022, DOI: 10.1021/acs.jchemed.2c00463）。
图1.基于硫辛酸的自修复多功能材料的制备和性能教学设计
该教学设计无需复杂的反应条件和试剂，仅用硫辛酸天然小分子和少量廉价的市售试剂，便可方便快捷地制备出较大规模的多功能自修复材料，非常适用于本科生教学。该材料具有快速的自愈能力，以及可重复使用的粘结性和优异的可拉伸性能。这种制备方便、功能多样的特性吸引了学生对动态聚合、超分子氢键相互作用和自我修复等主题的兴趣，从而进一步激励他们深入了解其机制和应用。同时，学生们在化学课中学到的核磁、红外等结构表征的知识在该教学中得到了应用和提高，对科研中使用的相关技术手段也有了学习实践的机会。该项目为多功能自修复材料相关的教学提供了一个具有吸引力的平台，在本科教学与科学研究之间架起桥梁，引科研活水提高教学质量，弥补了现有教科书中教学内容相对陈旧的缺点，进一步激发学生的学习兴趣、启迪科学思维、开阔学术视野，帮助学生综合运用并巩固课本所学知识，由科学而达至修养，为学生未来的职业定位奠定了良好基础。
图2.虚拟仿真实验平台和自修复机理动画展示
在引入到线下课堂和实验室教学的同时，罗千福副教授团队还进一步利用现代的信息技术手段，将复杂的自修复机理和研究背景制作呈现为线上教学资源，建设完成了“多功能自修复超分子材料的制备和测试”虚拟仿真实验教学平台，并获得了具有自主知识产权的计算机软件著作权。借助该平台的虚拟仿真手段，团队成员将学生可自学的知识点、较难掌握的或需要较长时间反复熟练操作的内容，制作成虚拟仿真资源，让学生可以在线反复练习。在较短的时间内，同学们可以高效地学习探索这类科学前沿知识。本虚拟仿真实验平台运行3年来，已服务本校化学相关专业学生千余人次，锻炼了学生的能力，拓展了知识空间。通过本虚拟仿真实验平台的锻炼和启发，先后有多名学生在国家和省市级化学相关竞赛中获得了优异成绩。
罗千福副教授是我校首批全国高校黄大年式教师团队、“工科化学系列课程创新教育教师团队”的骨干成员，先后主持参加了多项教学改革项目并获得化学教育教学成果奖，编、译有多本教材和学术专著，在核心期刊上发表了10余篇教学教研论文和50余篇SCI科研论文。他一直致力于将前沿科研成果及时转化应用于本科教学实践。该文章涉及的科研成果正是由我校费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心田禾院士、曲大辉教授团队所开发的基于动态化学的二硫智能材料。该项目同时得到了田禾院士、朱为宏教授、曲大辉教授的悉心指导和大力支持，是我校费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心科研反哺教学、科教融合引领一流本科教学的又一成果。