基于课程思政背景下的“葡萄糖结构与性质”教学设计与思考

刘德智，郭可愚，梁 莹，张 颖，陈雅琼

（上海健康医学院，上海 201318）

2020年6月，教育部颁发的《高等学校课程思政建设指导纲要》（以下简称《纲要》）指出：落实立德树人根本任务，必须将价值塑造、知识传授和能力培养三者融为一体、不可割裂。全面推进课程思政建设，就是要寓价值观引导于知识传授和能力培养之中，帮助学生塑造正确的世界观、人生观、价值观。“葡萄糖结构与性质”是医学类相关专业医用化学学习的重要内容，葡萄糖知识体系形成的历史中蕴含丰富的思想价值和精神内涵，充分挖掘提炼整合到教学中，实现知识传授、能力培育和价值引领的有机结合是落实《纲要》精神的有益尝试。本文从知识功能定位与价值分析、教学目标确立、教学设计思路、教学实施过程和反思5个方面进行阐述。

1 知识功能定位与价值分析

葡萄糖作为医用化学“糖类化合物”章节中的重要内容，上承羟基、醛基、醚键、手性与光学异构等内容，下接果糖等单糖、寡糖和多糖等内容，在整个教材体系中起承上启下的关键作用，更是检验和训练学生知识综合运用能力的典型载体。对“葡萄糖结构与性质”的深刻理解和掌握是医学类专业学生学习生物化学、分子生物学、病理学等后续课程的重要基础。对于认识其在体内代谢、发挥生理功能以及开展临床诊断与研究具有重要的意义。葡萄糖属于多官能团化合物，结构复杂，性质多样。人类从发现葡萄糖到探明其结构与性质关系历时200多年，其艰辛的探索过程蕴含丰富的思想价值和精神内涵。结合科学家探索葡萄糖的历史开展教学，寓价值观引导于知识传授和能力培养之中，发挥基础课程育才与育人相统一的协同效能。

2 教学目标的确立

在遵循医学类相关专业医用化学课程标准的基础上，通过对学情和对专业课程需求的分析，并结合《纲要》中对基础课程和理学课程开展课程思政的要求，将课程思政元素融入素质目标中，凝练成如下教学目标：（1）知识目标：能识记葡萄糖分子的链式构造及特征基团；能理解葡萄糖的相对和绝对构型；能理解葡萄糖环式和哈沃斯式及其构型、能理解葡萄糖椅式构象；能理解葡萄糖结构与性质之间的关系；（2）能力目标：初步学会运用类比分析、实验探索、科学假设和证据推理等思维方法分析问题、解决问题；（3）素质目标：深刻感悟和赞赏科学家的执着与探索精神、求真与创新精神、反思与质疑精神。

3 教学设计思路

以问题为导向，通过层层设问，环环相扣，激发学生兴趣，引导学生思考。以葡萄糖结构与性质为显性线索，以科学家探索葡萄糖结构的历史为隐性线索，将显性的知识传授和能力培养与隐性的价值塑造相融合。从司空见惯的生活现象提出问题，引发学生思考，激发求知欲，然后通过结合科学家探索葡萄糖构造、构型和构象的历史，辅以问题呈现这一过程，通过学生之间的交流讨论、教师的引导，层层揭开葡萄糖结构的面纱，具体见图1。希望学生在习得知识的同时，感悟科学史中所蕴含的方法论思想和崇高的科学精神。

图1 葡萄糖结构与性质教学设计思路

4 教学实施过程

首先抛出两个问题：（1）为什么人体能代谢利用淀粉，但不能代谢纤维素？（2）为什么组成都是葡萄糖的淀粉和纤维素在体内代谢结果截然不同？引发学生思考，然后，教师给出“组成淀粉和纤维素的葡萄糖结构并不相同”的论断，使学生产生强烈的认知冲突，激发学生探索新知的学习兴趣。

4.1 葡萄糖链式构造的探究

1747年德国化学家A.S.Marggraf首次从葡萄干中分离得到葡萄糖，科学家通过李比希元素分析法和分子量测定得出葡萄糖化学式为C6H12O6。

葡萄糖可能含有哪些基团？它具有怎样的构造？为此，科学家做了如下实验：（1）与苯肼形成苯腙、与托伦试剂发生银镜反应；（2）与过量醋酸酐生成五乙酰基葡萄糖；（3）与还原剂反应生成己六醇，后者与HI作用生成正己烷[1]。依据上述实验事实，请你推测葡萄糖的构造，并运用费歇尔式写出其可能的构造式。进一步提问：五个羟基是如何连接在碳链上的呢？两个羟基是否可以连接在同一个碳原子上？引导学生认识到葡萄糖是一个含有五个羟基的直链己醛。通过问题思考，给学生运用和体会“结构决定性质，性质反映结构”这一化学核心观念的机会。

4.2 葡萄糖链式构型的确立

化学家探索葡萄糖构型的过程艰辛且富有智慧，但因课时所限，教师往往会忽略这个杰出的探索过程，而这个过程恰恰是培养学生科学思维能力的经典案例[2]，因此，将这个过程整理成文，以“拓展阅读”形式布置给学生课后研习。

拓展阅读：葡萄糖构造式中含有4个不同的手性碳原子，应该有24个光学异构体。化学家Fischer是如何从16个异构体中找出葡萄糖的呢？Fischer假设将葡萄糖构型限定在5号碳原子上羟基在碳链右侧的8个构型范围内，在已有事实基础上，运用关联法、假设法等思维方法，同时，运用硝酸氧化醛基和羟甲基、Kiliani-Fischer合成法、旋光性分子的判断等知识，最终确证了其中的（+）-葡萄糖构型，见图2。

图2 （+）-葡萄糖构型

为了进一步探索（+）-葡萄糖及其相关化合物之间构型关系，1906年美国纽约大学M.A.Rosaneff提出以最简单的三碳糖甘油醛为标准，假设（+）-甘油醛的羟基在碳链右侧，标记为D-型。后来进一步将单糖结构中编号最大的手性碳上羟基位置与D-（+）-甘油醛相同记为D-型，相反记为L-型。同时，费歇尔确证了（+）-葡萄糖为D-型。但是，这个结论是基于两个假设基础之上的，其实D-（+）-葡萄糖也可能是5号碳上羟基在左侧。直到1949年，Bijvoet用X-射线分析法确定（+）-酒石酸的绝对构型时，才证实当年费歇尔假设的D-（+）-葡萄糖的构型恰巧就是绝对构型，见图3。

图3 葡萄糖绝对构型

4.3 葡萄糖氧环式构造与构型的探索

在费歇尔探索葡萄糖结构的过程中，累积了许多与D-（+）-葡萄糖结构不相符的实验事实。将这些典型问题抛出，引发学生深入思考：（1）葡萄糖中的醛基为什么不与NaHSO3加成，也不与Schiff试剂显色？（2）为什么葡萄糖中的醛基在IR谱图中没有羰基特征吸收峰？（3）醛与醇在酸存在时能形成缩醛，为什么D-（+）-葡萄糖与甲醇反应，产物甲基-D-葡萄糖苷中只含有一个-CH3，且有两种产物？（4）如果 D-（+）-葡萄糖结构唯一，那么为什么在水溶液中存在变旋光现象[3]？

为了解决葡萄糖结构与性质之间的矛盾，许多科学家进行了探索，Haworth和Armstrong通过努力证实了葡萄糖的1，5-氧环式结构。将Haworth和Armstrong探索葡萄糖环式结构的历史，以“拓展阅读”的形式提供给学生课后研习，充分感受他们不迷信权威、敢于质疑和勇于创新的科学精神。

拓展阅读：Tollens等人提出过D-（+）-葡萄糖环状结构的可能，但未能给出充分的证据。后来Fischer提出了糖苷的环式结构，认为葡萄糖中醛基先与甲醇生成半缩醛，然后再与葡萄糖中羟基形成环状缩醛，虽然解释了糖苷的异构现象，但未能将环式结构扩展到葡萄糖本身而错过了葡萄糖环式结构的发现。1903年，Fischer的学生，年仅25岁的化学家Armstrong将Fischer发现的糖苷环式结构与变旋光现象联系起来，并用实验推证出葡萄糖的醛基先与自身一个羟基形成、两种环状半缩醛结构，然后再分别与甲醇反应生成葡萄糖苷。1925年，Haworth又在前人研究的基础上，创造性地运用O-甲基化反应、Hudson糖酸内酯规则和羰基酸氧化断键规律，证实了葡萄糖主要以1，5-氧环式（六元环）结构存在，而非Armstrong提出的1，4-氧环式（五元环）半缩醛结构，后经X-射线分析法所证实[4]。

将氧环式呈现给学生之前，向学生提出下列问题：（1）结合半缩醛反应知识，思考氧环式是如何形成的？（2）为什么主要形成的是1，5-氧环式，而不是1，4-氧环式？促使学生积极思考并联系已经学过的半缩醛反应以及环的大小与稳定性知识。

要让学生深刻理解氧环式结构的形成，需对这一过程做精心可视化设计，如图4所示。分子内同时含有羰基与羟基时，如果空间结构和产物稳定性允许，就能够发生分子内的半缩醛反应。当葡萄糖碳链弯曲至首尾靠近时，4、5号碳的单键转动，至5号碳上的羟基与醛基在同一平面，此时两者最近，羟基从醛基平面的上下两个方向进攻进行亲核加成，形成环张力最小的含氧六元环状结构，此时1号碳形成新的手性中心，因而产生两种非对映关系的不同构型（端基异构体），最终形成链状与环状结构平衡共存体。同时，辅以葡萄糖链式与环式转化的动画演示，帮助学生有效突破难点，为深刻理解葡萄糖及糖类化合物错综复杂的性质奠定基础。再向学生提出两个问题：（1）要理解葡萄糖的结构特点与特性之间的辩证关系，你需要具备哪些知识？（2）葡萄糖所有性质特点如何从其结构上找到原因？通过问题引导学生进一步体会结构与性质之间的微妙关系，重新审视新旧知识之间的关系，巩固学习成果。同时也提示教师在日常授课中应加强前后知识间的联系，注重基础知识和基础理论的教学，这将有助于提升学生的科学思维能力。

图4 葡萄糖六元氧环式结构的形成过程

4.4 葡萄糖构象的提出

葡萄糖的构造和构型随着科学家持续艰辛探索得到了完美的确证。然而，有一个疑问一直困扰着科学家：为什么在自然界中以及链状与环状平衡体系中β-D-葡萄糖的含量更高？

早在1929年，Haworth受环己烷椅式构象的启发，从构象角度认为含氧六元环状葡萄糖的稳定构象应与环己烷相似，如图5所示。1950年，科学家将焦点转移到构象上。葡萄糖椅式构象内能较低，β-D-葡萄糖椅式构象中C1上羟基处于e键，而在α-D-葡萄糖椅式构象中羟基处于a键，因而β-D-葡萄糖椅式构象更加稳定，其在自然界中含量更高。

图5 环己烷椅式构象与葡萄糖含氧六元环构象

然后让学生思考课题开始的问题：为什么人体能够将淀粉转化为葡萄糖加以利用，却不能代谢利用纤维素？通过比较淀粉和纤维素的麦芽糖片段和纤维二糖片段并结合三维球棍模型，两者差异在于糖苷键的不同，形成淀粉的葡萄糖是α-型，而形成纤维素的葡萄糖是β-型。构象的不同使得他们与手性分子，如酶的作用不同。人体内的酶可以催化水解淀粉，却不能水解纤维素，见图6。

图6 片段及模型

最后引导学生回顾本次课主要知识要点。结合科学家探索葡萄糖的历史和专业学习以及未来职业发展以及“拓展阅读”的学习，以小组形式撰写收获和感悟，并上传学习通线上平台供交流学习。旨在引导学生思考作为未来的医学从业者，除了具备过硬的专业知识和能力外，还应该学习Fischer、Haworth和Armstrong三位科学家所具有的信念执着、求真务实、敢于质疑和勇于探索的科学精神。

5 反思

通过学习科学家探索葡萄糖结构的漫长而充满波折的历史，帮助学生认识到科学的发展进步离不开科学家持之以恒的付出和百折不挠的精神。提示学生学习、做事贵在“恒”字，学习或人生注定不会一帆风顺，遇到问题或挫折应坚定信心，不气馁、不退缩。虽然在探析化合物结构上现在有很多先进、便捷、精确的仪器手段，但是基于证据的逻辑推理、化学关联法等思维方法在培养学生严谨的科学思维能力上更具有价值。通过对葡萄糖结构教学，为学生深入理解其他糖类化合物提供了一种认知模型和认知工具[5-6]。

以往的教学过于注重知识传授，忽视方法和价值引导。通过“葡萄糖结构与性质”的教学，学生通过参与学习葡萄糖结构与性质之间错综复杂的关系，体验假设法、类比法、实验法等科学方法在探索过程中的应用，体验科学家在探索新知的过程中所展现出的科学精神，反思自身存在的不足并实现自我纠偏。