有機化學糖類化合物教學的思政案例設計與實踐

周峰巖，趙玉亮，張文志，周利，閆鵬

棗莊學院化學化工與材料科學學院，山東 棗莊 277160

大學本科教育是樹立學生世界觀、人生觀、科學觀最重要的四年，而課堂教學是踐行習總書記“守好一段渠、種好責任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應”[1]指示精神的主渠道，要達成“立德樹人”的人才培養總目標，必須利用好課堂教學這一主渠道，通過育人實踐將思政元素與專業知識交融，提高“課程思政”的針對性和實效性，在知識傳授和能力培養之中引導學生價值觀的形成[2,3]。2020年5月，“教育部關于印發《高等學校課程思政建設指導綱要》的通知”中明確，全面推進課程思政建設是落實立德樹人根本任務的戰略舉措[4]。

有機化學是化學類專業的核心課程，也是醫學、藥學等專業的重要基礎課。糖類化合物是有機化學天然有機物部分的重要章節[5]。要想在糖類化合物課程教學中自然融入課程思政元素，需要有清晰的教學設計思路作指導，教師要在明確學習目標的基礎上，有計劃地將思政元素與教學各環節深度融合，設計教學內容，實現思想政治教育與知識體系教育的有機統一[6]。

1 設置學習目標

我們從知識目標、能力目標和情感目標三個層面，設置了糖類化合物章節教學的學習目標。

1.1 知識目標

（1）理解變旋光現象、相對構型、還原糖、非還原糖等基本概念；

（2）掌握常見單糖的構型表示法及主要化學性質；

（3）了解常見寡糖、多糖的結構及主要特性。

1.2 能力目標

（1）通過了解糖的存在、糖對人類的貢獻與危害，培養學生理解和學會健康的生活方式；

（2）通過學習常見單糖的結構和化學性質，獲得運用單糖相關知識解決化學問題的能力；

（3）通過單糖、寡糖、多糖結構、性質比較，培育學生質量互變辯證思維能力和內外因辯證原理應用能力。

1.3 情感目標

（1）通過了解單糖結構的發現史，培育學生挑戰權威的思辨精神，了解化學家應該具備的基本品質，形成良好的科學素養；

（2）通過學習我國科學家管華詩、張俐娜在糖類研究領域的貢獻，激發學生學習和研究有機化學的內動力，培養愛國主義情懷和民族自信心；

（3）通過了解《糖史》背后的故事，引起學生的情感共鳴，學習季羨林先生孜孜不倦、嚴謹求實的工作態度和安然平和的內心靈魂。

2 設計教學內容

2.1 課程導入

課程導入是激發學生學習興趣、激活學生求知欲望的關鍵。在“糖類化合物”的教學中，采用情景教學法導入課程。選取學生熟悉的含糖類化合物的食品、化妝品、藥品等作為情景素材導入課程。教師先展示如圖1所示含糖類食品、化妝品、藥品的實物或圖片，引導學生思考“糖類不僅是生物體中重要的能量來源，還是生物體中的重要信息分子，大家有沒有想過，糖的組成和結構究竟是怎樣的？為什么高糖和低糖飲食都對健康有害？”由此引出課程內容“糖類化合物”。

圖1 自然界、食品、化妝品、保健品、藥品中的糖類化合物

2.2 單糖的結構

2.2.1 教學設計思路

首先闡釋糖是指具有多羥基醛或酮結構的化合物及其衍生物。此處可通過回顧已經學習過的醛（酮）和醇類化合物，引導學生思考“單糖結構中的官能團是不是分別獨立存在的羰基和羥基呢？特性會不會是醛（酮）和醇性質的簡單加和呢？”由此進入學習內容，以單糖結構的發現史為線索，學習鏈狀結構、環狀結構、變旋光現象、端基差向異構體、單糖的構象（圖2）等知識。

圖2 單糖（葡萄糖）的鏈狀、呋喃式、吡喃式結構和構象

1843年Dumas測定出糖的實驗式為[CH2O]n，1870年Colley設想葡萄糖的結構為直鏈多羥基醛或酮[7]。

1883年Tollens根據單糖沒有普通醛酮的一些典型特征反應（如不與亞硫酸氫鹽加成，也不能使Schiff試劑變紅等）的實驗事實，設想單糖的醛基因與自身4-位或6-位羥基形成半縮醛而失去活性，但并未引起當時化學界的注意[8]。1846年Dubrunfont發現葡萄糖溶液具有變旋光現象。1893年，Emil Fischer提出糖苷的環狀結構，認為葡萄糖甲苷有兩種端基異構體；但他認為這仍不能證明單糖就具有Tollens所說的環式結構，因此環狀糖苷在“糖化學之父”Fischer手中也沒能成為打開單糖環式結構大門的鑰匙[9]。1895年，Tanret發現天然葡萄糖有三種“變體”，每種變體剛溶于水時旋光度各不相同，但都會逐漸變化，最終得到相同的旋光度[10]。1903年，Fischer的學生Armstrong首次將糖苷環式結構與變旋現象聯系起來，用實驗去尋找兩種D-葡萄糖與兩種D-葡萄糖甲苷之間的關系，提出葡萄糖的1,4-氧環式（五元環）半縮醛環式結構，成功解釋了成苷反應、變旋現象等問題[11]。

1910年，Hudson從大量糖酸內酯的旋光度數據中總結出糖酸內酯規律，即糖酸羧基與Fischer式中右邊的羥基形成內酯時，將比原來的糖酸更具右旋性；與左邊的羥基形成內酯時，將比原來的糖酸更具左旋性[12]。Haworth研究糖化學是從糖的O-甲基化開始的，他1915年改進的硫酸二甲酯法成為一種普適的甲醚化方法[13]。1925年，他巧妙地運用O-甲基化反應和Hudson糖酸內酯規則，證明半乳糖苷的環狀結構是1,5-氧環式，并通過裂解氧化法進一步確認了半乳糖的1,5-氧環式結構。采用相同的方法，他測定了許多單糖的環式結構，發現戊醛糖和己醛糖的環式結構都是以1,5-氧環式（六元環）為主，因此在1926年建議單糖的結構采用正多邊形透視式，也就是今天的Haworth式。1929年，Haworth在他的專著《The Constitution of Sugars》中預言，吡喃糖的構象應是與環己烷構象一致的椅式構象[14]。隨著20世紀六、七十年代核磁共振譜、質譜、X射線晶體分析等現代儀器分析手段的出現，證實了吡喃糖主要以椅式構象存在[15]。1934年，Haworth人工合成第一種維生素——維生素C，并因在糖類和維生素合成中的貢獻，獲得1937年諾貝爾化學獎。

2.2.2 思政元素與教學內容的融合

沿著單糖結構的發現史這條線索，使學生在對單糖結構的鏈狀到呋喃環、再到吡喃環和椅式構象的認識過程中，不僅學習到鏈狀結構、環狀結構、變旋光現象、端基差向異構體、單糖的構象、各結構之間的相互轉化等知識，更能體驗Armstrong和Haworth他們那種不畏權威和敢于探索的科學精神，盡管他們已經離開我們半個多世紀了，但卻永遠活在后輩化學工作者的心中。

2.3 單糖的性質

2.3.1 教學設計思路

在了解單糖結構的基礎上，引導學生思考“既然單糖是多羥基醛（酮）及其衍生物，有鏈狀和環狀的不同結構，按照結構決定性質的規律，單糖在參與化學反應時，羥基和羰基官能團的性質與簡單的醇或醛（酮）有什么異同？什么時候以鏈狀參與反應？什么時候以環狀參與反應？”由此進入單糖性質的學習。以單糖的鏈狀和環狀結構為線索，學習單糖以環狀結構參與的成醚和成酯、成縮醛（酮）等反應，以及單糖以鏈狀結構參與的氧化還原、成脎、遞升和遞降等反應（圖3）。

圖3 單糖（葡萄糖）的化學性質

在每類化學反應中，不同的反應條件下發生反應的選擇性不同。如醚化反應中，采用硫酸二甲酯作為醚化試劑時，環狀單糖的所有羥基均生成甲基醚，該五甲醚在酸性條件下僅端頭的醚鍵發生水解生成苷羥基；采用氯化三苯甲烷作為醚化試劑時，環狀單糖僅伯羥基成醚；體現出不同羥基的反應活性，并且可用于單糖羥基的選擇性保護和脫保護（圖4）。

圖4 單糖（葡萄糖）羥基的選擇性保護和脫保護

2.3.2 思政元素與教學內容的融合

在學習單糖以環狀結構參與的成醚和成酯、成縮醛（酮）等反應，以及單糖以鏈狀結構參與的氧化還原、成脎、遞升和遞降等反應時，始終以單糖的鏈狀和環狀結構為線索，強調鏈狀結構和環狀結構轉化的動態平衡。在每類具體反應中，以醚化反應為例，探究不同醚化試劑的反應選擇性、單糖不同羥基結構的反應選擇性，以及醚鍵水解反應的選擇性，貫穿“結構決定性質，性質決定用途，用途體現性質”的化學學科思想。

2.4 寡糖和多糖

2.4.1 教學設計思路

首先明確寡糖是由2-10個單糖之間通過苷鍵連接形成的，然后學習寡糖的結構和性質。在學習單糖的基礎上，引導學生思考“如果兩個單糖分子的縮水發生在半縮羥基和非半縮羥基之間，生成的二糖是還原糖嗎？如果兩個單糖分子的縮水發生在半縮羥基之間呢？”由此畫出如圖5所示麥芽糖、纖維二糖、乳糖、蔗糖、棉籽糖、環糊精等寡糖的結構式，啟發學生觀察寡糖分子中是否還存在苷羥基？苷羥基與還原糖的關系？得出麥芽糖、纖維二糖、乳糖等寡糖中仍含有苷羥基，是還原糖，因此具有變旋光現象，能與Tollen’s試劑、Benedict試劑和溴水反應，能生成糖脎。而蔗糖、棉籽糖、環糊精等寡糖中不含有苷羥基，是非還原糖，因此沒有變旋光現象，不能與Tollen’s試劑、Benedict試劑、溴水反應，不能生成糖脎。

圖5 常見寡糖的結構

在學習寡糖的基礎上，再引導學生分析纖維素和淀粉兩類多糖的結構和性質。引導學生思考“如果很多的單糖分子在半縮羥基和非半縮羥基之間縮水，生成的多糖是還原糖嗎？如果縮水發生在單糖分子的半縮羥基之間呢？”纖維素是平均3000個葡萄糖單位通過β-1,4-苷鍵形成的大分子。淀粉分為直鏈淀粉和支鏈淀粉，直鏈淀粉是由300-3000個葡萄糖單位通過α-1,4-苷鍵形成的大分子（圖6），支鏈淀粉是在直鏈淀粉的基礎上以α-1,6苷鍵形成支鏈，每條支鏈的長度約20-25個葡萄糖單位。纖維素和淀粉分子中都仍含有苷羥基，但實驗事實卻證明它們不具有還原糖的化學特性，是非還原糖。啟發學生思考原因。引導學生從苷羥基在大分子中所占的比例出發分析，得出多糖中苷羥基所占比例極小，不占主導，因此無法體現還原糖的性質，是非還原糖。進而得出所有的多糖都是非還原糖的結論。

圖6 纖維素和直鏈淀粉的結構

2.4.2 思政元素與教學內容的融合

在學習單糖的結構與性質的基礎上，引導學生從寡糖的結構出發，分析其是否是還原糖。進一步貫穿“結構決定性質”的化學學科思想。在此基礎上，探討以纖維素和淀粉為代表的多糖，其分子結構中仍存在苷羥基，但卻是非還原糖，啟發學生從分析苷羥基在整個大分子中所占的比例出發，得出多糖中苷羥基不占主導，所以無法體現出還原糖的性質，是非還原糖。進而運用“從典型到一般”的歸納法，得出所有的多糖都是非還原糖的結論。而寡糖和多糖的結構和性質關系，正是由于苷羥基量構成的變化逐漸過渡到發生質變的過程，這充分體現了量變與質變的規律。

2.5 糖的合成

2.5.1 教學設計思路

在學習糖結構和性質的基礎上，以糖的合成史為線索，介紹糖化學合成的發展和應用。

1861年，Buteleroff用稀堿處理多聚甲醛，得到聚甲醛糖，成為第一個用化學方法合成的糖類單體[16]。1887年，Fischer用稀堿處理二溴丙烯醛，出乎意料地得到阿柯糖，1890年，他用一系列反應證明阿柯糖是DL-果糖。通過鋅汞齊還原、硝酸氧化、溴水氧化等方法，Fischer將DL-果糖轉化為D-甘露糖酸和L-甘露糖酸，然后將D-甘露糖酸差向異構化得到D-葡萄糖酸，再經內酯化、鈉汞齊還原得到D-葡萄糖，首次化學合成了天然單糖。同年，他又完成了D-果糖的合成。Fischer還從己醛糖出發合成了庚糖、辛糖、壬糖等。1887年到1890年，Emil Fischer完成了當時已知16個己醛糖中12個糖的合成，并因此獲得1902年諾貝爾化學獎[7]。

在與生命緊密相關的糖類中，氨基糖的合成、不對稱糖的合成和不飽和糖的合成尤為重要。Horton以甘露糖為原料，經9步反應制得柔紅糖胺[17]。1975年，Baton報道了脫氧葡萄糖的合成[18]。1978年，Carney等合成了脫氧抗生素[19]。1981年，Acton由鹽酸阿霉素與2,2’-氧化二乙醛的還原烷基化，成功制得比阿霉素活性大100-1000倍的抗菌素。最著名的抗菌素是Aurodox，其葡萄糖苷稱為Efrotomycin，它具有21個手性中心和7個立體異構體中心，結構最為復雜。這兩個化合物的全合成在1985年由Dolle和Nicalaon完成，成為當年天然產物全合成的最高成就[20]。

在不飽和糖的合成中，除將糖類的羥基引入不飽和鍵外，重點在于C-核苷和前列腺素前體的合成。Horton等合成的3’,4’-二脫氧卡那霉素是第一個人工合成的多效氨基糖苷抗生素。他們還完成了核糖核苷和阿拉伯糖苷的合成，將糖與堿基經碳-碳鍵合，使之結合到細胞的核糖核酸中，破壞遺傳信息[21]。

2.5.2 思政元素與教學內容的融合

在糖類化合物結構與性質學習的基礎上，通過糖的化學合成史的學習，引導學生思考糖類化學合成的思路與方法，體驗偶然性在科學研究中的重要意義，而糖化學合成研究中的偶然性，正反映了糖內部隱藏著的必然性。通過學習糖類化學合成研究對抗生素物質、病源體化學等學科領域研究和發展的推動作用，引導學生體驗糖化學正滲透到生物化學、遺傳工程領域，明確糖化學研究為自然科學帶來的新發現。

3 教學內容拓展

3.1 季羨林先生與《糖史》

我國著名的古文字學家、語言學家、歷史學家季羨林先生，在古文字研究中發現歐洲各國以及中國文字中與“糖”有關的字皆源于梵文?arkarā和khandaka，這種由“糖”的傳播而出現的文化交流現象使季先生產生了濃厚的興趣，激發了他的科研靈感并著手收集關于糖史方面的資料。如圖7所示《糖史》的寫作始于1981年，最終完成于1998年，歷時十七年，近八十萬字，其中蔗糖的提取與純化蘊含有機化學實驗中重結晶單元操作技術的發展史[22]。

圖7 季羨林先生編撰《糖史》

季羨林先生不僅學問令人仰慕，孜孜不倦、嚴謹求實的學術態度更是讓人折服。在大多數老年人頤養天年之時，擁有等身之作的他，依然保持著一顆安靜平和的心，行走在學術探索的道路上。

3.2 管華詩院士與中國“藍色藥庫”

2005年起，管華詩團隊就構建了中國“藍色藥庫”中的海洋糖庫（圖8）。這些寡糖化合物中，有70%是世界范圍內的首次發現，中國科學家為世界海洋糖類物質的探索，作出了中國貢獻。他帶領團隊首創我國第一個現代海洋藥物藻酸雙酯鈉（PSS），主持編著了我國首部大型海洋藥物典籍《中華海洋本草》。2016年，他提出中國“藍色藥庫”開發計劃，并在青島海洋科學與技術試點國家實驗室組織實施，獲得習近平總書記點贊。2019年，管華詩團隊、中國科學院上海藥物研究所和上海綠谷制藥聯合研發的治療阿爾茨海默癥的新藥“甘露寡糖二酸（GV-971）”獲批上市，預示著中國科學家找到了阿爾茨海默癥的“解藥”。

圖8 管華詩院士構建“藍色藥庫”

年逾八旬的管華詩，早該退休的年齡，但管華詩說，在中國“藍色藥庫”的建設上，他是“退而不休”的。體現了一名科技工作者在海洋強國事業中的擔當和作為。

3.3 張俐娜院士與多糖高分子材料

張俐娜院士從小被老師當“科學家”培養，德智體美全面發展，以江西省田徑第二名的成績參加全國首屆少年運動會，武漢大學化學系優秀畢業生。但因出身不好，畢業檔案被打入另冊，分配到北京鐵道科學研究院。46歲時她輾轉回到母校，職稱還是一名講師，第一次有了自己的科研方向和實驗團隊。2000年，已是武漢大學化學系教授的60歲的張俐娜獲得國家自然科學基金重點項目資助，開始了纖維素新溶劑及材料的研究。經過20多年的探索，終于突破用有機溶劑加熱溶解高分子的傳統方法，成功開發了一系列諸如NaOH/尿素低溫水溶液體系的環境友好型新溶劑，突破了纖維素傳統的高溫高能耗的溶解方法（圖9），并提出了纖維素低溫溶解新機理，成為纖維素加工技術上的一大里程碑，國際上稱為神奇的“綠色”技術[23]。

圖9 張俐娜院士開發低溫溶解纖維素“綠色”技術構建新材料

張俐娜院士的科研成果敲開了纖維素科學基礎研究通往纖維素材料工業的大門，被科學家們喻為“神話般的故事”，2011年，她因此獲得國際纖維素與可再生資源材料領域的最高獎——安塞姆·佩恩獎。這位歷經坎坷、風度依然的老人始終相信，天才出于勤奮，激情更是決定事業成敗的關鍵。真正意義的勤奮是既要動腦動手，又要用心做事。而激情來自于愛，對祖國和人民的摯愛以及對科學的熱愛。

4 教學方法

糖類化合物章節的教學形式以自學、講授、討論為主。課程導入中，運用圖片、實物和視頻素材喚起學生對糖化學的興趣，引導學生認識糖類化合物在生命過程中的重要意義。單糖的結構部分，以教師講授為主，在人們對單糖結構的鏈狀到呋喃環、再到吡喃環和椅式構象的認識過程中，引導學生學習單糖的鏈狀結構、環狀結構、變旋光現象、端基差向異構體、單糖構象、各結構之間的相互轉化等知識，體驗Armstrong和Haworth不畏權威、敢于探索的科學精神。在單糖的性質部分，講授和討論相結合，引導學生對單糖中不同結構和官能團的性質進行分析和學習，啟發學生從物質結構的角度分析單糖的性質，明確“結構決定性質，性質決定用途，用途體現性質”的化學學科思想。在寡糖和多糖部分，以討論為主，師生互動，完成寡糖和多糖的結構和性質分析，進一步培育“結構決定性質”的學科思想和“量變到質變”的變化規律。糖的合成部分，采取講授和閱讀史料相結合的教學方式，引導學生從糖類的化學合成史中體驗科學研究中的偶然性和必然性的關系，以及糖化學合成研究對抗生素物質、病源體化學等學科領域研究和發展的推動作用。最后的教學內容拓展部分，采取課前布置學生分組查閱資料、課上學生講解、教師點評的教學方式，將教學內容進行拓展，培養學生嚴謹求實的學術態度、鍥而不舍的學術精神，對祖國、對人民、對科學的摯愛，增強學生的專業自信心和民族自豪感。

5 結語

以上是我們在有機化學糖類化合物章節教學過程中實施的專業知識與課程思政相互融合的教學案例，在實際教學過程中取得了良好的教學效果。學生在化學學科思想、學術精神、家國情懷、民族自豪感等方面表現出了良好的精神面貌。同時，思想政治的正確引導，也進一步增強了學生學習有機化學的熱情，在專業知識的學習方面取得了良好的效果。