基于課程思政背景下的“葡萄糖結構與性質”教學設計與思考

劉德智，郭可愚，梁 瑩，張 穎，陳雅瓊

（上海健康醫學院，上海 201318）

2020年6月，教育部頒發的《高等學校課程思政建設指導綱要》（以下簡稱《綱要》）指出：落實立德樹人根本任務，必須將價值塑造、知識傳授和能力培養三者融為一體、不可割裂。全面推進課程思政建設，就是要寓價值觀引導于知識傳授和能力培養之中，幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀?！捌咸烟墙Y構與性質”是醫學類相關專業醫用化學學習的重要內容，葡萄糖知識體系形成的歷史中蘊含豐富的思想價值和精神內涵，充分挖掘提煉整合到教學中，實現知識傳授、能力培育和價值引領的有機結合是落實《綱要》精神的有益嘗試。本文從知識功能定位與價值分析、教學目標確立、教學設計思路、教學實施過程和反思5個方面進行闡述。

1 知識功能定位與價值分析

葡萄糖作為醫用化學“糖類化合物”章節中的重要內容，上承羥基、醛基、醚鍵、手性與光學異構等內容，下接果糖等單糖、寡糖和多糖等內容，在整個教材體系中起承上啟下的關鍵作用，更是檢驗和訓練學生知識綜合運用能力的典型載體。對“葡萄糖結構與性質”的深刻理解和掌握是醫學類專業學生學習生物化學、分子生物學、病理學等后續課程的重要基礎。對于認識其在體內代謝、發揮生理功能以及開展臨床診斷與研究具有重要的意義。葡萄糖屬于多官能團化合物，結構復雜，性質多樣。人類從發現葡萄糖到探明其結構與性質關系歷時200多年，其艱辛的探索過程蘊含豐富的思想價值和精神內涵。結合科學家探索葡萄糖的歷史開展教學，寓價值觀引導于知識傳授和能力培養之中，發揮基礎課程育才與育人相統一的協同效能。

2 教學目標的確立

在遵循醫學類相關專業醫用化學課程標準的基礎上，通過對學情和對專業課程需求的分析，并結合《綱要》中對基礎課程和理學課程開展課程思政的要求，將課程思政元素融入素質目標中，凝練成如下教學目標：（1）知識目標：能識記葡萄糖分子的鏈式構造及特征基團；能理解葡萄糖的相對和絕對構型；能理解葡萄糖環式和哈沃斯式及其構型、能理解葡萄糖椅式構象；能理解葡萄糖結構與性質之間的關系；（2）能力目標：初步學會運用類比分析、實驗探索、科學假設和證據推理等思維方法分析問題、解決問題；（3）素質目標：深刻感悟和贊賞科學家的執著與探索精神、求真與創新精神、反思與質疑精神。

3 教學設計思路

以問題為導向，通過層層設問，環環相扣，激發學生興趣，引導學生思考。以葡萄糖結構與性質為顯性線索，以科學家探索葡萄糖結構的歷史為隱性線索，將顯性的知識傳授和能力培養與隱性的價值塑造相融合。從司空見慣的生活現象提出問題，引發學生思考，激發求知欲，然后通過結合科學家探索葡萄糖構造、構型和構象的歷史，輔以問題呈現這一過程，通過學生之間的交流討論、教師的引導，層層揭開葡萄糖結構的面紗，具體見圖1。希望學生在習得知識的同時，感悟科學史中所蘊含的方法論思想和崇高的科學精神。

圖1 葡萄糖結構與性質教學設計思路

4 教學實施過程

首先拋出兩個問題：（1）為什么人體能代謝利用淀粉，但不能代謝纖維素？（2）為什么組成都是葡萄糖的淀粉和纖維素在體內代謝結果截然不同？引發學生思考，然后，教師給出“組成淀粉和纖維素的葡萄糖結構并不相同”的論斷，使學生產生強烈的認知沖突，激發學生探索新知的學習興趣。

4.1 葡萄糖鏈式構造的探究

1747年德國化學家A.S.Marggraf首次從葡萄干中分離得到葡萄糖，科學家通過李比希元素分析法和分子量測定得出葡萄糖化學式為C6H12O6。

葡萄糖可能含有哪些基團？它具有怎樣的構造？為此，科學家做了如下實驗：（1）與苯肼形成苯腙、與托倫試劑發生銀鏡反應；（2）與過量醋酸酐生成五乙酰基葡萄糖；（3）與還原劑反應生成己六醇，后者與HI作用生成正己烷[1]。依據上述實驗事實，請你推測葡萄糖的構造，并運用費歇爾式寫出其可能的構造式。進一步提問：五個羥基是如何連接在碳鏈上的呢？兩個羥基是否可以連接在同一個碳原子上？引導學生認識到葡萄糖是一個含有五個羥基的直鏈己醛。通過問題思考，給學生運用和體會“結構決定性質，性質反映結構”這一化學核心觀念的機會。

4.2 葡萄糖鏈式構型的確立

化學家探索葡萄糖構型的過程艱辛且富有智慧，但因課時所限，教師往往會忽略這個杰出的探索過程，而這個過程恰恰是培養學生科學思維能力的經典案例[2]，因此，將這個過程整理成文，以“拓展閱讀”形式布置給學生課后研習。

拓展閱讀：葡萄糖構造式中含有4個不同的手性碳原子，應該有24個光學異構體?；瘜W家Fischer是如何從16個異構體中找出葡萄糖的呢？Fischer假設將葡萄糖構型限定在5號碳原子上羥基在碳鏈右側的8個構型范圍內，在已有事實基礎上，運用關聯法、假設法等思維方法，同時，運用硝酸氧化醛基和羥甲基、Kiliani-Fischer合成法、旋光性分子的判斷等知識，最終確證了其中的（+）-葡萄糖構型，見圖2。

圖2 （+）-葡萄糖構型

為了進一步探索（+）-葡萄糖及其相關化合物之間構型關系，1906年美國紐約大學M.A.Rosaneff提出以最簡單的三碳糖甘油醛為標準，假設（+）-甘油醛的羥基在碳鏈右側，標記為D-型。后來進一步將單糖結構中編號最大的手性碳上羥基位置與D-（+）-甘油醛相同記為D-型，相反記為L-型。同時，費歇爾確證了（+）-葡萄糖為D-型。但是，這個結論是基于兩個假設基礎之上的，其實D-（+）-葡萄糖也可能是5號碳上羥基在左側。直到1949年，Bijvoet用X-射線分析法確定（+）-酒石酸的絕對構型時，才證實當年費歇爾假設的D-（+）-葡萄糖的構型恰巧就是絕對構型，見圖3。

圖3 葡萄糖絕對構型

4.3 葡萄糖氧環式構造與構型的探索

在費歇爾探索葡萄糖結構的過程中，累積了許多與D-（+）-葡萄糖結構不相符的實驗事實。將這些典型問題拋出，引發學生深入思考：（1）葡萄糖中的醛基為什么不與NaHSO3加成，也不與Schiff試劑顯色？（2）為什么葡萄糖中的醛基在IR譜圖中沒有羰基特征吸收峰？（3）醛與醇在酸存在時能形成縮醛，為什么D-（+）-葡萄糖與甲醇反應，產物甲基-D-葡萄糖苷中只含有一個-CH3，且有兩種產物？（4）如果 D-（+）-葡萄糖結構唯一，那么為什么在水溶液中存在變旋光現象[3]？

為了解決葡萄糖結構與性質之間的矛盾，許多科學家進行了探索，Haworth和Armstrong通過努力證實了葡萄糖的1，5-氧環式結構。將Haworth和Armstrong探索葡萄糖環式結構的歷史，以“拓展閱讀”的形式提供給學生課后研習，充分感受他們不迷信權威、敢于質疑和勇于創新的科學精神。

拓展閱讀：Tollens等人提出過D-（+）-葡萄糖環狀結構的可能，但未能給出充分的證據。后來Fischer提出了糖苷的環式結構，認為葡萄糖中醛基先與甲醇生成半縮醛，然后再與葡萄糖中羥基形成環狀縮醛，雖然解釋了糖苷的異構現象，但未能將環式結構擴展到葡萄糖本身而錯過了葡萄糖環式結構的發現。1903年，Fischer的學生，年僅25歲的化學家Armstrong將Fischer發現的糖苷環式結構與變旋光現象聯系起來，并用實驗推證出葡萄糖的醛基先與自身一個羥基形成、兩種環狀半縮醛結構，然后再分別與甲醇反應生成葡萄糖苷。1925年，Haworth又在前人研究的基礎上，創造性地運用O-甲基化反應、Hudson糖酸內酯規則和羰基酸氧化斷鍵規律，證實了葡萄糖主要以1，5-氧環式（六元環）結構存在，而非Armstrong提出的1，4-氧環式（五元環）半縮醛結構，后經X-射線分析法所證實[4]。

將氧環式呈現給學生之前，向學生提出下列問題：（1）結合半縮醛反應知識，思考氧環式是如何形成的？（2）為什么主要形成的是1，5-氧環式，而不是1，4-氧環式？促使學生積極思考并聯系已經學過的半縮醛反應以及環的大小與穩定性知識。

要讓學生深刻理解氧環式結構的形成，需對這一過程做精心可視化設計，如圖4所示。分子內同時含有羰基與羥基時，如果空間結構和產物穩定性允許，就能夠發生分子內的半縮醛反應。當葡萄糖碳鏈彎曲至首尾靠近時，4、5號碳的單鍵轉動，至5號碳上的羥基與醛基在同一平面，此時兩者最近，羥基從醛基平面的上下兩個方向進攻進行親核加成，形成環張力最小的含氧六元環狀結構，此時1號碳形成新的手性中心，因而產生兩種非對映關系的不同構型（端基異構體），最終形成鏈狀與環狀結構平衡共存體。同時，輔以葡萄糖鏈式與環式轉化的動畫演示，幫助學生有效突破難點，為深刻理解葡萄糖及糖類化合物錯綜復雜的性質奠定基礎。再向學生提出兩個問題：（1）要理解葡萄糖的結構特點與特性之間的辯證關系，你需要具備哪些知識？（2）葡萄糖所有性質特點如何從其結構上找到原因？通過問題引導學生進一步體會結構與性質之間的微妙關系，重新審視新舊知識之間的關系，鞏固學習成果。同時也提示教師在日常授課中應加強前后知識間的聯系，注重基礎知識和基礎理論的教學，這將有助于提升學生的科學思維能力。

圖4 葡萄糖六元氧環式結構的形成過程

4.4 葡萄糖構象的提出

葡萄糖的構造和構型隨著科學家持續艱辛探索得到了完美的確證。然而，有一個疑問一直困擾著科學家：為什么在自然界中以及鏈狀與環狀平衡體系中β-D-葡萄糖的含量更高？

早在1929年，Haworth受環己烷椅式構象的啟發，從構象角度認為含氧六元環狀葡萄糖的穩定構象應與環己烷相似，如圖5所示。1950年，科學家將焦點轉移到構象上。葡萄糖椅式構象內能較低，β-D-葡萄糖椅式構象中C1上羥基處于e鍵，而在α-D-葡萄糖椅式構象中羥基處于a鍵，因而β-D-葡萄糖椅式構象更加穩定，其在自然界中含量更高。

圖5 環己烷椅式構象與葡萄糖含氧六元環構象

然后讓學生思考課題開始的問題：為什么人體能夠將淀粉轉化為葡萄糖加以利用，卻不能代謝利用纖維素？通過比較淀粉和纖維素的麥芽糖片段和纖維二糖片段并結合三維球棍模型，兩者差異在于糖苷鍵的不同，形成淀粉的葡萄糖是α-型，而形成纖維素的葡萄糖是β-型。構象的不同使得他們與手性分子，如酶的作用不同。人體內的酶可以催化水解淀粉，卻不能水解纖維素，見圖6。

圖6 片段及模型

最后引導學生回顧本次課主要知識要點。結合科學家探索葡萄糖的歷史和專業學習以及未來職業發展以及“拓展閱讀”的學習，以小組形式撰寫收獲和感悟，并上傳學習通線上平臺供交流學習。旨在引導學生思考作為未來的醫學從業者，除了具備過硬的專業知識和能力外，還應該學習Fischer、Haworth和Armstrong三位科學家所具有的信念執著、求真務實、敢于質疑和勇于探索的科學精神。

5 反思

通過學習科學家探索葡萄糖結構的漫長而充滿波折的歷史，幫助學生認識到科學的發展進步離不開科學家持之以恒的付出和百折不撓的精神。提示學生學習、做事貴在“恒”字，學習或人生注定不會一帆風順，遇到問題或挫折應堅定信心，不氣餒、不退縮。雖然在探析化合物結構上現在有很多先進、便捷、精確的儀器手段，但是基于證據的邏輯推理、化學關聯法等思維方法在培養學生嚴謹的科學思維能力上更具有價值。通過對葡萄糖結構教學，為學生深入理解其他糖類化合物提供了一種認知模型和認知工具[5-6]。

以往的教學過于注重知識傳授，忽視方法和價值引導。通過“葡萄糖結構與性質”的教學，學生通過參與學習葡萄糖結構與性質之間錯綜復雜的關系，體驗假設法、類比法、實驗法等科學方法在探索過程中的應用，體驗科學家在探索新知的過程中所展現出的科學精神，反思自身存在的不足并實現自我糾偏。