“糖類來(lái)源”引發(fā)的教學(xué)思考

張堅(jiān)

摘要： 針對(duì)人教版高中必修《化學(xué)2》教材中有關(guān)糖類的敘述，學(xué)生提出探究性問(wèn)題，教師抓住教育時(shí)機(jī)，組織學(xué)生開(kāi)展科學(xué)探究活動(dòng)，從而促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建學(xué)科觀念，學(xué)會(huì)如何獲取資源，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究意識(shí)和能力，激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)科的興趣，體驗(yàn)化學(xué)學(xué)科的魅力。

關(guān)鍵詞： 糖; 糖科學(xué); 光合作用; 科學(xué)探究; 化學(xué)教學(xué)

文章編號(hào)： 10056629（2019）4004203中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

在高中化學(xué)教學(xué)中，針對(duì)人教版高中必修《化學(xué)2》教材中有關(guān)糖類的敘述：“糖類物質(zhì)是綠色植物光合作用的產(chǎn)物，……”學(xué)生提出如下問(wèn)題：“光合作用是綠色植物才有的，而綠色植物屬于較高級(jí)的植物，難道在地球的生命發(fā)展史上，沒(méi)有綠色植物的時(shí)候，就沒(méi)有糖類物質(zhì)嗎？”

這個(gè)看似平常的問(wèn)題點(diǎn)中了教材的“盲點(diǎn)”。為了鼓勵(lì)學(xué)生的質(zhì)疑精神、培養(yǎng)科學(xué)探究意識(shí)，筆者在教學(xué)中組織學(xué)生對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行探究。

1 探究主題

糖類是否是光合作用的產(chǎn)物？教材的敘述是否存在問(wèn)題？

2 探究過(guò)程

[資料查閱]人教版、蘇教版、魯科版等三個(gè)版本高中必修《化學(xué)2》教材，人教版高中生物《必修1》教材，科學(xué)出版社出版、李艷梅等主編的《有機(jī)化學(xué)（第二版）》、網(wǎng)站資源、中國(guó)知網(wǎng)收錄的公開(kāi)發(fā)表的有關(guān)糖類的論文。

[前概念]（1）什么是糖類物質(zhì)？（2）什么是光合作用？

[問(wèn)題探究1]什么是糖？

糖類物質(zhì)是自然界分布最廣泛、數(shù)量最多的有機(jī)化合物，它存在于每一種生物有機(jī)體中，也是我們?nèi)粘Ｉ钪械某Ｒ?jiàn)物質(zhì)。在化學(xué)和生物學(xué)上對(duì)糖類均有詳細(xì)的敘述，現(xiàn)在科學(xué)上把糖化學(xué)、糖生物學(xué)和糖工程學(xué)統(tǒng)稱為“糖科學(xué)”。

雖然最早科學(xué)家把糖類物質(zhì)稱為碳水化合物，實(shí)際上糖類化合物并不是由碳和水結(jié)合而成的，部分糖的分子式也不符合Cm（H2O）n的形式。因此，科學(xué)出版社出版、李艷梅等主編《有機(jī)化學(xué)（第二版）》教材中，把糖類物質(zhì)定義為“多羥基醛或多羥基酮，以及經(jīng)簡(jiǎn)單水解能生成多羥基醛或多羥基酮的一類化合物”[1]。

那么，多羥基的“多”，到底多少算多呢？常見(jiàn)的葡萄糖分子中有五個(gè)羥基，核糖分子中有四個(gè)羥基，而最簡(jiǎn)單的單糖應(yīng)該是甘油醛[2]和二羥基丙酮，它們的分子中都只有三個(gè)碳原子、兩個(gè)羥基。因此，雖然沒(méi)有明確規(guī)定多羥基的“多”到底是指多少個(gè)羥基，但是至少是在兩個(gè)以上。

同樣的，多糖和低聚糖（也叫寡糖）也沒(méi)有絕對(duì)的界限，沒(méi)有明確規(guī)定含有多少個(gè)單糖殘基屬于多糖或低聚糖。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，在科學(xué)出版社出版、李艷梅等主編的《有機(jī)化學(xué)（第二版）》教材和人教版、魯科版高中化學(xué)教材中，均稱低聚糖可以水解生成2～10個(gè)單糖分子，但蘇教版高中化學(xué)《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》教材卻表述為“通常把由不到20個(gè)單糖縮合形成的糖類化合物稱為低聚糖”。因此，學(xué)生認(rèn)為，按照科學(xué)出版社出版、李艷梅等主編的《有機(jī)化學(xué)（第二版）》教材的說(shuō)法，低聚糖可以水解生成2～10個(gè)單糖分子，而多糖一般可以水解生成20個(gè)以上的單糖分子，但沒(méi)有明確的數(shù)量界限。

此處，學(xué)生通過(guò)查閱資料，了解糖的組成結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的問(wèn)題：“糖類物質(zhì)是否均是由C、 H、 O三種元素組成？”

[深度學(xué)習(xí)]糖的組成結(jié)構(gòu)。

（1） 糖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

糖類是自然界中結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的一類有機(jī)分子。一方面，單糖分子中存在醛基或者羰基，多糖和低聚糖由于是通過(guò)單糖復(fù)合而成的，結(jié)合的形式不一樣，就生成了不同的官能團(tuán)。另一方面，糖分子存在種類繁多的異構(gòu)體，有鏈狀的結(jié)構(gòu)，有環(huán)狀的結(jié)構(gòu)，也有左旋和右旋的糖分子，如L葡萄糖和D葡萄糖。單糖在形成低聚糖和多糖時(shí)，連接的方式不同，也會(huì)產(chǎn)生不同的產(chǎn)物，如葡萄糖通過(guò)β構(gòu)型，連接的產(chǎn)物是纖維素，通過(guò)α構(gòu)型，連接的產(chǎn)物則是淀粉。因此，在學(xué)習(xí)上，并不能將糖類化合物想象為就是羥基和醛基，或者羥基和羰基的簡(jiǎn)單結(jié)合。

（2） 糖的組成元素

高中化學(xué)教材主要討論糖的種類、組成元素及相關(guān)性質(zhì)，高中生物教材主要討論糖在代謝中的作用，著眼點(diǎn)并不相同。而從目前三種版本高中化學(xué)必修教材來(lái)看，對(duì)糖的組成元素均有不同的描述（見(jiàn)表1）。

由表1和表2可見(jiàn)，三種版本高中教材基本上認(rèn)同糖類物質(zhì)是由C、 H、 O三種元素組成，除了人教版高中化學(xué)《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》教材的“資料卡片”欄目中明確敘述：“糖類化合物由碳、氫、氧三種元素組成?！逼渌滩木镁唧w的糖，來(lái)描述它們的組成元素。因?yàn)樽鳛槌Ｒ?jiàn)的糖，無(wú)論是高中化學(xué)教材中涉及的，還是日常生活中常見(jiàn)的，基本上都是只有C、 H、 O三種元素。但是，學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)上檢索時(shí)，發(fā)現(xiàn)了很多高中化學(xué)教材中沒(méi)有涉及到的糖類。例如，低聚糖中的唾液酸，也叫N乙酰神經(jīng)氨酸，從它的分子結(jié)構(gòu)中可以看到，該低聚糖并不止有C、 H、 O三種元素，還含有N元素（見(jiàn)圖1）。

學(xué)生發(fā)現(xiàn)，在三個(gè)版本高中化學(xué)教材中，無(wú)論是必修還是選修，均沒(méi)有對(duì)光合作用進(jìn)行介紹，科學(xué)出版社出版、李艷梅等主編的《有機(jī)化學(xué)（第二版）》教材也沒(méi)有介紹。在人教版高中生物《必修1》教材中，對(duì)光合作用的描述是“光合作用是指綠色植物通過(guò)葉綠體，利用光能，把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成儲(chǔ)存著能量的有機(jī)物，并且釋放出氧氣的過(guò)程”。

光合作用是一系列復(fù)雜的代謝反應(yīng)的總和，是生物界賴以生存的基礎(chǔ)，也是地球碳氧循環(huán)的重要媒介（見(jiàn)圖3）。由此可見(jiàn)，光合作用的發(fā)生需要這樣幾個(gè)條件： 二氧化碳、水、光能、葉綠體及其中的色素等。

如果僅按此判斷，可以看出光合作用似乎需要綠色植物，或者至少需要其中的葉綠體。學(xué)生的疑問(wèn)很有價(jià)值。這樣，教材中說(shuō)“糖類物質(zhì)是光合作用的產(chǎn)物”似乎是錯(cuò)的。此時(shí)，新的問(wèn)題又出現(xiàn)了，又有學(xué)生提出：“是不是只有綠色植物才能進(jìn)行光合作用？”

經(jīng)查閱資料，學(xué)生發(fā)現(xiàn)，光合作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)比高中生物教材介紹的更復(fù)雜，光合作用可以分產(chǎn)氧光合作用和不產(chǎn)氧光合作用。除了綠色植物可以進(jìn)行光合作用外，像一些真核藻類，如紅藻、綠藻、褐藻等，和高等植物一樣具有葉綠體，也能夠進(jìn)行產(chǎn)氧光合作用。不僅如此，屬于原核生物的藍(lán)藻同樣含有葉綠素，和葉綠體一樣進(jìn)行產(chǎn)氧光合作用。地球上氧氣最早就是來(lái)源于藍(lán)藻。事實(shí)上，現(xiàn)在生物學(xué)界普遍認(rèn)為葉綠體就是由藍(lán)藻進(jìn)化而來(lái)的。據(jù)加拿大研究人員的一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)表明，地球上最古老的藻類化石約有10億年歷史，在此基礎(chǔ)上推算，目前地球上植物賴以生存的產(chǎn)氧光合作用大約在距今12.5億年前開(kāi)始出現(xiàn)。

除了藻類外，某些細(xì)菌不具有葉綠體，但也可以直接由細(xì)胞本身進(jìn)行光合作用，部分細(xì)菌如紫硫細(xì)菌、太陽(yáng)桿菌等進(jìn)行的光合作用不產(chǎn)生氧氣，但可以產(chǎn)生糖類?？梢?jiàn)，光合作用的歷史更加悠久，在地球生命的最開(kāi)始即有光合作用發(fā)生，光合作用并不只是綠色植物才有的。

目前高中教材中涉及的單糖（葡萄糖、果糖、核糖）、低聚糖（蔗糖、麥芽糖）以及多糖（淀粉、纖維素）等均可以從光合作用的產(chǎn)物中找到，糖原等動(dòng)物多糖、乳糖、半乳糖、殼聚糖追根溯源，也可以找到它們的源頭就是光合作用。因此，地球生命來(lái)源于太陽(yáng)確有其科學(xué)根據(jù)的。

3 探究結(jié)論

綜合以上的探究，經(jīng)過(guò)小組的討論，學(xué)生得出結(jié)論： 人教版高中必修《化學(xué)2》教材中關(guān)于“糖類物質(zhì)是綠色植物光合作用的產(chǎn)物”的表述沒(méi)有明顯錯(cuò)誤，如果能夠敘述成“糖類物質(zhì)是光合作用的產(chǎn)物”則更為貼切。

但學(xué)生在探究過(guò)程中查閱到一些有趣的資料： 最近的研究發(fā)現(xiàn)在一些隕石中也存在糖類物質(zhì)如二羥基丙酮等，說(shuō)明糖類不僅存在于地球上，也存在于宇宙中。宇宙中的糖類是否也來(lái)自不同星球的光合作用，有待于科學(xué)家進(jìn)一步進(jìn)行探究。同樣，生命的起源也未必是地球獨(dú)有的。這些知識(shí)就留給學(xué)生作為未來(lái)努力的方向，成為指引他們?cè)诳茖W(xué)道路上前行的明燈。

4 探究反思

目前高中化學(xué)教材的版本有多種，對(duì)同一個(gè)事物的描述也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不同，而科學(xué)講究嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)，講究精確。以一個(gè)問(wèn)題來(lái)引導(dǎo)學(xué)生深入探究，可以培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神，突破舊觀念的羈絆，用新的思維方式來(lái)學(xué)習(xí)復(fù)雜多變、包羅萬(wàn)象的化學(xué)，喚醒他們對(duì)科學(xué)的追求，真正體驗(yàn)到科學(xué)的魅力。

參考文獻(xiàn)：

[1]李艷梅， 趙圣印， 王蘭英. 有機(jī)化學(xué)（第二版）[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2014.

[2]宋心琦主編. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)[M]. 北京： 人民教育出版社， 2007： 81.

[3]于海林. 糖類分子都是由C、 H、 O三種元素構(gòu)成的嗎[J]. 生物學(xué)教學(xué)， 2017， （2）： 68～69.