張堅

摘要： 針對人教版高中必修《化學2》教材中有關糖類的敘述，學生提出探究性問題，教師抓住教育時機，組織學生開展科學探究活動，從而促進學生構(gòu)建學科觀念，學會如何獲取資源，培養(yǎng)學生的科學探究意識和能力，激發(fā)學生對化學學科的興趣，體驗化學學科的魅力。

關鍵詞： 糖; 糖科學; 光合作用; 科學探究; 化學教學

文章編號： 10056629（2019）4004203中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

在高中化學教學中，針對人教版高中必修《化學2》教材中有關糖類的敘述：“糖類物質(zhì)是綠色植物光合作用的產(chǎn)物，……”學生提出如下問題：“光合作用是綠色植物才有的，而綠色植物屬于較高級的植物，難道在地球的生命發(fā)展史上，沒有綠色植物的時候，就沒有糖類物質(zhì)嗎？”

這個看似平常的問題點中了教材的“盲點”。為了鼓勵學生的質(zhì)疑精神、培養(yǎng)科學探究意識，筆者在教學中組織學生對這個問題進行探究。

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題？

2 探究過程

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

[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)量最多的有機化合物，它存在于每一種生物有機體中，也是我們?nèi)粘Ｉ钪械某Ｒ娢镔|(zhì)。在化學和生物學上對糖類均有詳細的敘述，現(xiàn)在科學上把糖化學、糖生物學和糖工程學統(tǒng)稱為“糖科學”。

雖然最早科學家把糖類物質(zhì)稱為碳水化合物，實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，科學出版社出版、李艷梅等主編《有機化學（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？常見的葡萄糖分子中有五個羥基，核糖分子中有四個羥基，而最簡單的單糖應該是甘油醛[2]和二羥基丙酮，它們的分子中都只有三個碳原子、兩個羥基。因此，雖然沒有明確規(guī)定多羥基的“多”到底是指多少個羥基，但是至少是在兩個以上。

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

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

[深度學習]糖的組成結(jié)構(gòu)。

（1） 糖的結(jié)構(gòu)特點

糖類是自然界中結(jié)構(gòu)非常復雜的一類有機分子。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單糖復合而成的，結(jié)合的形式不一樣，就生成了不同的官能團。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，連接的方式不同，也會產(chǎn)生不同的產(chǎn)物，如葡萄糖通過β構(gòu)型，連接的產(chǎn)物是纖維素，通過α構(gòu)型，連接的產(chǎn)物則是淀粉。因此，在學習上，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單結(jié)合。

（2） 糖的組成元素

高中化學教材主要討論糖的種類、組成元素及相關性質(zhì)，高中生物教材主要討論糖在代謝中的作用，著眼點并不相同。而從目前三種版本高中化學必修教材來看，對糖的組成元素均有不同的描述（見表1）。

由表1和表2可見，三種版本高中教材基本上認同糖類物質(zhì)是由C、 H、 O三種元素組成，除了人教版高中化學《有機化學基礎》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，來描述它們的組成元素。因為作為常見的糖，無論是高中化學教材中涉及的，還是日常生活中常見的，基本上都是只有C、 H、 O三種元素。但是，學生在網(wǎng)絡上檢索時，發(fā)現(xiàn)了很多高中化學教材中沒有涉及到的糖類。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（見圖1）。

學生發(fā)現(xiàn)，在三個版本高中化學教材中，無論是必修還是選修，均沒有對光合作用進行介紹，科學出版社出版、李艷梅等主編的《有機化學（第二版）》教材也沒有介紹。在人教版高中生物《必修1》教材中，對光合作用的描述是“光合作用是指綠色植物通過葉綠體，利用光能，把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成儲存著能量的有機物，并且釋放出氧氣的過程”。

光合作用是一系列復雜的代謝反應的總和，是生物界賴以生存的基礎，也是地球碳氧循環(huán)的重要媒介（見圖3）。由此可見，光合作用的發(fā)生需要這樣幾個條件： 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。學生的疑問很有價值。這樣，教材中說“糖類物質(zhì)是光合作用的產(chǎn)物”似乎是錯的。此時，新的問題又出現(xiàn)了，又有學生提出：“是不是只有綠色植物才能進行光合作用？”

經(jīng)查閱資料，學生發(fā)現(xiàn)，光合作用遠遠比高中生物教材介紹的更復雜，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，也能夠進行產(chǎn)氧光合作用。不僅如此，屬于原核生物的藍藻同樣含有葉綠素，和葉綠體一樣進行產(chǎn)氧光合作用。地球上氧氣最早就是來源于藍藻。事實上，現(xiàn)在生物學界普遍認為葉綠體就是由藍藻進化而來的。據(jù)加拿大研究人員的一項新發(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12.5億年前開始出現(xiàn)。

除了藻類外，某些細菌不具有葉綠體，但也可以直接由細胞本身進行光合作用，部分細菌如紫硫細菌、太陽桿菌等進行的光合作用不產(chǎn)生氧氣，但可以產(chǎn)生糖類?？梢姡夂献饔玫臍v史更加悠久，在地球生命的最開始即有光合作用發(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，地球生命來源于太陽確有其科學根據(jù)的。

3 探究結(jié)論

綜合以上的探究，經(jīng)過小組的討論，學生得出結(jié)論： 人教版高中必修《化學2》教材中關于“糖類物質(zhì)是綠色植物光合作用的產(chǎn)物”的表述沒有明顯錯誤，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。

但學生在探究過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自不同星球的光合作用，有待于科學家進一步進行探究。同樣，生命的起源也未必是地球獨有的。這些知識就留給學生作為未來努力的方向，成為指引他們在科學道路上前行的明燈。

4 探究反思

目前高中化學教材的版本有多種，對同一個事物的描述也經(jīng)常會出現(xiàn)不同，而科學講究嚴謹求實，講究精確。以一個問題來引導學生深入探究，可以培養(yǎng)學生的質(zhì)疑精神，突破舊觀念的羈絆，用新的思維方式來學習復雜多變、包羅萬象的化學，喚醒他們對科學的追求，真正體驗到科學的魅力。

參考文獻：

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

[2]宋心琦主編. 普通高中課程標準實驗教科書·有機化學基礎[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]. 生物學教學， 2017， （2）： 68～69.