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“糖类来源”引发的教学思考

范文

张坚

摘要：针对人教版高中必修《化学2》教材中有关糖类的叙述，学生提出探究性问题，教师抓住教育时机，组织学生开展科学探究活动，从而促进学生构建学科观念，学会如何获取资源，培养学生的科学探究意识和能力，激发学生对化学学科的兴趣，体验化学学科的魅力。

关键词：糖; 糖科学; 光合作用; 科学探究; 化学教学

文章编号： 10056629（2019）4004203中图分类号： G633.8文献标识码： B

在高中化学教學中，针对人教版高中必修《化学2》教材中有关糖类的叙述：“糖类物质是绿色植物光合作用的产物，……”学生提出如下问题：“光合作用是绿色植物才有的，而绿色植物属于较高级的植物，难道在地球的生命发展史上，没有绿色植物的时候，就没有糖类物质吗？”

这个看似平常的问题点中了教材的“盲点”。为了鼓励学生的质疑精神、培养科学探究意识，笔者在教学中组织学生对这个问题进行探究。

1 探究主题

糖类是否是光合作用的产物？教材的叙述是否存在问题？

2 探究过程

[资料查阅]人教版、苏教版、鲁科版等三个版本高中必修《化学2》教材，人教版高中生物《必修1》教材，科学出版社出版、李艳梅等主编的《有机化学（第二版）》、网站资源、中国知网收录的公开发表的有关糖类的论文。

[前概念]（1）什么是糖类物质？（2）什么是光合作用？

[问题探究1]什么是糖？

糖类物质是自然界分布最广泛、数量最多的有机化合物，它存在于每一种生物有机体中，也是我们日常生活中的常见物质。在化学和生物学上对糖类均有详细的叙述，现在科学上把糖化学、糖生物学和糖工程学统称为“糖科学”。

虽然最早科学家把糖类物质称为碳水化合物，实际上糖类化合物并不是由碳和水结合而成的，部分糖的分子式也不符合Cm（H2O）n的形式。因此，科学出版社出版、李艳梅等主编《有机化学（第二版）》教材中，把糖类物质定义为“多羟基醛或多羟基酮，以及经简单水解能生成多羟基醛或多羟基酮的一类化合物”[1]。

那么，多羟基的“多”，到底多少算多呢？常见的葡萄糖分子中有五个羟基，核糖分子中有四个羟基，而最简单的单糖应该是甘油醛[2]和二羟基丙酮，它们的分子中都只有三个碳原子、两个羟基。因此，虽然没有明确规定多羟基的“多”到底是指多少个羟基，但是至少是在两个以上。

同样的，多糖和低聚糖（也叫寡糖）也没有绝对的界限，没有明确规定含有多少个单糖残基属于多糖或低聚糖。学生发现，在科学出版社出版、李艳梅等主编的《有机化学（第二版）》教材和人教版、鲁科版高中化学教材中，均称低聚糖可以水解生成2～10个单糖分子，但苏教版高中化学《有机化学基础》教材却表述为“通常把由不到20个单糖缩合形成的糖类化合物称为低聚糖”。因此，学生认为，按照科学出版社出版、李艳梅等主编的《有机化学（第二版）》教材的说法，低聚糖可以水解生成2～10个单糖分子，而多糖一般可以水解生成20个以上的单糖分子，但没有明确的数量界限。

此处，学生通过查阅资料，了解糖的组成结构时，发现了一个新的问题：“糖类物质是否均是由C、 H、 O三种元素组成？”

[深度学习]糖的组成结构。

（1）糖的结构特点

糖类是自然界中结构非常复杂的一类有机分子。一方面，单糖分子中存在醛基或者羰基，多糖和低聚糖由于是通过单糖复合而成的，结合的形式不一样，就生成了不同的官能团。另一方面，糖分子存在种类繁多的异构体，有链状的结构，有环状的结构，也有左旋和右旋的糖分子，如L葡萄糖和D葡萄糖。单糖在形成低聚糖和多糖时，连接的方式不同，也会产生不同的产物，如葡萄糖通过β构型，连接的产物是纤维素，通过α构型，连接的产物则是淀粉。因此，在学习上，并不能将糖类化合物想象为就是羟基和醛基，或者羟基和羰基的简单结合。

（2）糖的组成元素

高中化学教材主要讨论糖的种类、组成元素及相关性质，高中生物教材主要讨论糖在代谢中的作用，着眼点并不相同。而从目前三种版本高中化学必修教材来看，对糖的组成元素均有不同的描述（见表1）。

由表1和表2可见，三种版本高中教材基本上认同糖类物质是由C、 H、 O三种元素组成，除了人教版高中化学《有机化学基础》教材的“资料卡片”栏目中明确叙述：“糖类化合物由碳、氢、氧三种元素组成。”其他教材均用具体的糖，来描述它们的组成元素。因为作为常见的糖，无论是高中化学教材中涉及的，还是日常生活中常见的，基本上都是只有C、 H、 O三种元素。但是，学生在网络上检索时，发现了很多高中化学教材中没有涉及到的糖类。例如，低聚糖中的唾液酸，也叫N乙酰神经氨酸，从它的分子结构中可以看到，该低聚糖并不止有C、 H、 O三种元素，还含有N元素（见图1）。

学生发现，在三个版本高中化学教材中，无论是必修还是选修，均没有对光合作用进行介绍，科学出版社出版、李艳梅等主编的《有机化学（第二版）》教材也没有介绍。在人教版高中生物《必修1》教材中，对光合作用的描述是“光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程”。

光合作用是一系列复杂的代谢反应的总和，是生物界赖以生存的基础，也是地球碳氧循环的重要媒介（见图3）。由此可见，光合作用的发生需要这样几个条件：二氧化碳、水、光能、叶绿体及其中的色素等。

如果仅按此判断，可以看出光合作用似乎需要绿色植物，或者至少需要其中的叶绿体。学生的疑问很有价值。这样，教材中说“糖类物质是光合作用的产物”似乎是错的。此时，新的问题又出现了，又有学生提出：“是不是只有绿色植物才能进行光合作用？”

经查阅资料，学生发现，光合作用远远比高中生物教材介绍的更复杂，光合作用可以分产氧光合作用和不产氧光合作用。除了绿色植物可以进行光合作用外，像一些真核藻类，如红藻、绿藻、褐藻等，和高等植物一样具有叶绿体，也能够进行产氧光合作用。不仅如此，属于原核生物的蓝藻同样含有叶绿素，和叶绿体一样进行产氧光合作用。地球上氧气最早就是来源于蓝藻。事实上，现在生物学界普遍认为叶绿体就是由蓝藻进化而来的。据加拿大研究人员的一项新发现表明，地球上最古老的藻类化石约有10亿年历史，在此基础上推算，目前地球上植物赖以生存的产氧光合作用大约在距今12.5亿年前开始出现。

除了藻类外，某些细菌不具有叶绿体，但也可以直接由细胞本身进行光合作用，部分细菌如紫硫细菌、太阳杆菌等进行的光合作用不产生氧气，但可以产生糖类。可见，光合作用的历史更加悠久，在地球生命的最开始即有光合作用发生，光合作用并不只是绿色植物才有的。

目前高中教材中涉及的单糖（葡萄糖、果糖、核糖）、低聚糖（蔗糖、麦芽糖）以及多糖（淀粉、纤维素）等均可以从光合作用的产物中找到，糖原等动物多糖、乳糖、半乳糖、壳聚糖追根溯源，也可以找到它们的源头就是光合作用。因此，地球生命来源于太阳确有其科学根据的。

3 探究结论

综合以上的探究，经过小组的讨论，学生得出结论：人教版高中必修《化学2》教材中关于“糖类物质是绿色植物光合作用的产物”的表述没有明显错误，如果能够叙述成“糖类物质是光合作用的产物”则更为贴切。

但学生在探究过程中查阅到一些有趣的资料：最近的研究发现在一些陨石中也存在糖类物质如二羟基丙酮等，说明糖类不仅存在于地球上，也存在于宇宙中。宇宙中的糖类是否也来自不同星球的光合作用，有待于科学家进一步进行探究。同样，生命的起源也未必是地球独有的。这些知识就留给学生作为未来努力的方向，成为指引他们在科学道路上前行的明灯。

4 探究反思

目前高中化学教材的版本有多种，对同一个事物的描述也经常会出现不同，而科学讲究严谨求实，讲究精确。以一个问题来引导学生深入探究，可以培养学生的质疑精神，突破旧观念的羁绊，用新的思维方式来学习复杂多变、包罗万象的化学，唤醒他们对科学的追求，真正体验到科学的魅力。

参考文献：

[1]李艳梅，赵圣印，王兰英. 有机化学（第二版）[M]. 北京：科学出版社， 2014.

[2]宋心琦主编. 普通高中课程标准实验教科书·有机化学基础[M]. 北京：人民教育出版社， 2007： 81.

[3]于海林. 糖类分子都是由C、 H、 O三种元素构成的吗[J]. 生物学教学， 2017，（2）： 68～69.

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