馬蹄形投影式結(jié)合教學(xué)游戲、順口溜協(xié)助學(xué)習(xí)單糖構(gòu)型與分子結(jié)構(gòu)

劉艷霞 劉 蕾 劉俊康

第三軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)院天然藥物化學(xué)教研室，重慶 400038

《天然藥物化學(xué)》課程糖類的教學(xué)中，單糖的立體化學(xué)是難點，尤其是 Haworth透視式（Haworth representations）的構(gòu)型判斷，關(guān)鍵是要實現(xiàn)從單糖鏈狀結(jié)構(gòu)的Fisher投影式（Fisher projections）到環(huán)狀結(jié)構(gòu)的Haworth透視式的自然過渡，以往也有相應(yīng)的報道[1-4]，但學(xué)生思維方式的多樣性，要求有不同的方法協(xié)助理解。本文筆者提出“馬蹄形投影式”幫助實現(xiàn)Fisher投影式到Haworth透視式的自然過渡，采用多媒體演示結(jié)合教學(xué)游戲幫助理解空間效應(yīng)和原子間“力”的作用，此外，將《天然藥物化學(xué)》“十一五”國家規(guī)劃教材[5]中關(guān)于單糖立體化學(xué)及糖的分類部分內(nèi)容概括成“單糖順口溜”，協(xié)助快速記憶單糖分子結(jié)構(gòu)及判斷絕對（D、L）和相對（α、β）構(gòu)型。筆者采用PBL教學(xué)法引導(dǎo)，馬蹄形投影式與教學(xué)游戲、順口溜結(jié)合，取得了良好的教學(xué)效果。

1 整體思路

教學(xué)實施過程中，依照提出問題→學(xué)生思考討論→教員總結(jié)給出答案并提出新問題→學(xué)生再思考討論→教員再總結(jié)給出答案的整體思路實施教學(xué)[6-7]。

1.1 問題一：單糖主碳鏈的原有形狀是怎樣的？

Fisher投影式主碳鏈為“線段狀”投影，討論中發(fā)現(xiàn)更多的學(xué)生認為主碳鏈是“鋸齒形”，為了直觀的闡述這一問題，借助示意圖（圖1）講解。

由圖1A可見，“鋸齒形”主碳鏈會使羥基空間位置比較接近，互相排斥，而圖1B中的“馬蹄形”主碳鏈有效地解決了這一問題，所以從空間位阻的角度看，單糖的主碳鏈應(yīng)該是“馬蹄形”，而不是“鋸齒形”。

圖1 D-葡萄糖主碳鏈形狀示意圖

為進一步更全面的闡述“馬蹄形”主碳鏈的合理性，筆者將Fisher投影式向右傾倒，右側(cè)的基團以虛線連接，左側(cè)的基團以實線連接，形成一種過渡型Fisher投影式，將其命名為“馬蹄形投影式”。本文圖2以D-葡萄糖（D-glucose，Glc）為例，演示從鏈狀結(jié)構(gòu)的Fisher投影式經(jīng)馬蹄形投影式到環(huán)狀結(jié)構(gòu)的Haworth透視式的轉(zhuǎn)化。

由圖2可見，馬蹄形投影式存在下列特點：①鏈狀結(jié)構(gòu)的Fisher投影式（F式）向右傾倒形成1式，主碳鏈呈“馬蹄形”，接近環(huán)狀，相對直觀地顯示有利于成環(huán)的空間位置。②1式溶于水后，受到質(zhì)子攻擊，C1位醛羰基形成羥基，因醛羰基兩側(cè)化學(xué)環(huán)境相似，質(zhì)子可以分別從兩側(cè)攻擊，因最末端手性碳C5位羥基在右側(cè)，所以質(zhì)子從右側(cè)攻擊形成α-D-葡萄糖，從左側(cè)攻擊則形成β-D-葡萄糖。2式演示質(zhì)子從右側(cè)攻擊形成α-D-葡萄糖。③從2式可看出C5位羥基與C1位正碳離子中心空間距離較遠。為了降低環(huán)張力，成環(huán)前C5旋轉(zhuǎn)120°。④2式到3式的轉(zhuǎn)化中，因空間位置的變化，導(dǎo)致投影式中虛實線條改變。反之，通過線條的變化，可以直觀的看出旋轉(zhuǎn)120°帶來的空間位置轉(zhuǎn)變，從而較易理解Haworth透視式中構(gòu)型的判斷與其對應(yīng)的Fisher投影式相反。

圖2 馬蹄形投影式演示D-葡萄糖從Fisher投影式到Haworth透視式的轉(zhuǎn)化

1.2 問題二：C5為什么旋轉(zhuǎn)120°？

教材中概括“為了降低環(huán)張力，成環(huán)前C5旋轉(zhuǎn)120°?！泵枋霰容^籠統(tǒng)，學(xué)生較難完全理解。理論上講，如果空間位置允許，單糖分子中的單鍵都是可以自由旋轉(zhuǎn)的，在旋轉(zhuǎn)的過程中，碳正離子中心和氧原子的孤對電子存在著異極相吸的作用，其空間距離逐漸拉近，在此過程中，分子中其他原子的位置也隨之適當調(diào)整，最終C5旋轉(zhuǎn)120°，到達環(huán)張力最小、最有利于成環(huán)的位置，即3式所示的位置。由此可見，C5旋轉(zhuǎn)120°的過程是一個在“力”的作用下逐漸完成的過程。

實際教學(xué)中，僅采用多媒體演示，仍不夠直觀，而且不易解釋“力”的作用。因此筆者設(shè)計教學(xué)游戲——人體單糖模型，通過游戲教學(xué)，充分調(diào)動學(xué)生的眼、手、腦，滿足學(xué)生探根究底的好奇心，激發(fā)學(xué)生對枯燥的化學(xué)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)興趣。具體方法為：兩位同學(xué)背對背站立，為一個碳原子，四只手臂按照分別約成108°伸開，比擬碳原子的四個化學(xué)鍵，鍵合羥基和氫的鍵，佩帶不同顏色手套以示區(qū)分，碳原子與碳原子的鍵合通過牽手表示，兩只手臂平行排列表示羰基。指導(dǎo)學(xué)生從圖2中“1”式演示到“H”式，并能演示優(yōu)勢構(gòu)象式的“N1”式、“1N”式、“C1”式和“1C”式。 實際演示的過程中，請 C1和C5的同學(xué)手持磁鐵，一個N極向外，一個S極向外，在旋轉(zhuǎn)地過程中，學(xué)生可以體會到“力”的作用。

1.3 問題三：如何快速記憶單糖分子結(jié)構(gòu)和判斷構(gòu)型？

使學(xué)生理解Fisher投影式到Haworth透視式的轉(zhuǎn)化，其最終目的是使學(xué)生更快、更準確地判斷單糖的構(gòu)型和記憶單糖分子結(jié)構(gòu)。《天然藥物化學(xué)》“十一五”國家規(guī)劃教材第二章第一節(jié)中，用大量篇幅敘述了Fisher投影式到Haworth透視式的轉(zhuǎn)換及兩種投影式中的構(gòu)型判斷，第二節(jié)糖的分類中羅列了數(shù)個單糖的Fisher投影式。筆者將該部分內(nèi)容概括成順口溜幫助學(xué)生理解和記憶。

其中，右側(cè)-OH由多到少排列，如核糖排在木糖的前面；遇到-OH數(shù)目相同時，-OH在上者排在前面，如阿拉伯糖排在來蘇糖的前面。同時，本順口溜只適用于Fisher投影式向右傾倒形成的Haworth透視式，其1～5號碳原子呈順時針排列。

單糖順口溜

五碳醛糖，核木阿（阿拉伯糖）來；

六碳醛糖，阿（阿洛糖）葡半甘；

六碳酮糖，果加山梨；

甲基五碳，雞納鼠夫；

支碳鏈糖，金縷鏈芹。

四碳一氧成呋喃；

五碳一氧是吡喃。

投影式學(xué)起來也不難，

費歇爾吸氣呈馬蹄，喝水右倒打哈欠（哈瓦斯）連成環(huán)，

費歇爾要求很簡單，上高下低，右D左L，同α異β總不變；

哈瓦斯變化有點煩，

五碳吡喃心意堅，下D上L，同α異β記心間，

五碳呋喃、六碳吡喃很搗蛋，成環(huán)先旋120，

上D下L，異α同β全改變，

六碳和甲基五碳呋喃糖更難辦，構(gòu)型根本無從辨。

2 討論

PBL法引導(dǎo)教學(xué)內(nèi)容逐層深入，自然而然地吸引了學(xué)生的注意力。

馬蹄形投影式直觀的反應(yīng)了單糖分子結(jié)構(gòu)有利于成環(huán)的主碳鏈結(jié)構(gòu)，幫助實現(xiàn)鏈狀結(jié)構(gòu)的Fisher投影式到環(huán)狀結(jié)構(gòu)的Haworth透視式的自然過渡，使學(xué)生更容易理解抽象的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

教學(xué)游戲直觀演示糖分子結(jié)構(gòu)的變化，使抽象的化學(xué)知識轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷦?、形象的肢體語言，使學(xué)生在游戲的過程中體會微觀的、原子間“力”的相互作用，充分實現(xiàn)學(xué)習(xí)過程中眼、手、腦的結(jié)合，寓教于樂，獲得很好的教學(xué)效果。學(xué)生在游戲的同時理解難懂的理論，簡單易懂且印象深刻，即時教學(xué)效果顯著且記憶持久。

單糖順口溜引導(dǎo)學(xué)生更加細致地閱讀教材內(nèi)容，既起到提綱挈領(lǐng)的作用，又起到總結(jié)復(fù)習(xí)的作用，使學(xué)生更容易理解和記憶教材內(nèi)容。教材中六碳醛糖的排序以葡萄糖為基礎(chǔ)，其他糖為其不同位置的差向異構(gòu)體，這種方式更具專業(yè)思想，思考再三后仍然保留了順口溜中簡單的排序依據(jù)，是基于順口溜就應(yīng)該簡單，以達到耳熟能詳為最終目標。

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