馬蹄形投影式結合教學游戲、順口溜協助學習單糖構型與分子結構

劉艷霞 劉 蕾 劉俊康

第三軍醫大學藥學院天然藥物化學教研室，重慶 400038

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

1 整體思路

教學實施過程中，依照提出問題→學生思考討論→教員總結給出答案并提出新問題→學生再思考討論→教員再總結給出答案的整體思路實施教學[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，討論中發現更多的學生認為主碳鏈是“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，右側的基團以虛線連接，左側的基團以實線連接，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，演示從鏈狀結構的Fisher投影式經馬蹄形投影式到環狀結構的Haworth透視式的轉化。

由圖2可見，馬蹄形投影式存在下列特點：①鏈狀結構的Fisher投影式（F式）向右傾倒形成1式，主碳鏈呈“馬蹄形”，接近環狀，相對直觀地顯示有利于成環的空間位置。②1式溶于水后，受到質子攻擊，C1位醛羰基形成羥基，因醛羰基兩側化學環境相似，質子可以分別從兩側攻擊，因最末端手性碳C5位羥基在右側，所以質子從右側攻擊形成α-D-葡萄糖，從左側攻擊則形成β-D-葡萄糖。2式演示質子從右側攻擊形成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。為了降低環張力，成環前C5旋轉120°。④2式到3式的轉化中，因空間位置的變化，導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120°帶來的空間位置轉變，從而較易理解Haworth透視式中構型的判斷與其對應的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透視式的轉化

1.2 問題二：C5為什么旋轉120°？

教材中概括“為了降低環張力，成環前C5旋轉120°。”描述比較籠統，學生較難完全理解。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的，在旋轉的過程中，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整，最終C5旋轉120°，到達環張力最小、最有利于成環的位置，即3式所示的位置。由此可見，C5旋轉120°的過程是一個在“力”的作用下逐漸完成的過程。

實際教學中，僅采用多媒體演示，仍不夠直觀，而且不易解釋“力”的作用。因此筆者設計教學游戲——人體單糖模型，通過游戲教學，充分調動學生的眼、手、腦，滿足學生探根究底的好奇心，激發學生對枯燥的化學結構的學習興趣。具體方法為：兩位同學背對背站立，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鍵，鍵合羥基和氫的鍵，佩帶不同顏色手套以示區分，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。指導學生從圖2中“1”式演示到“H”式，并能演示優勢構象式的“N1”式、“1N”式、“C1”式和“1C”式。 實際演示的過程中，請 C1和C5的同學手持磁鐵，一個N極向外，一個S極向外，在旋轉地過程中，學生可以體會到“力”的作用。

1.3 問題三：如何快速記憶單糖分子結構和判斷構型？

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

其中，右側-OH由多到少排列，如核糖排在木糖的前面；遇到-OH數目相同時，-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，

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，構型根本無從辨。

2 討論

PBL法引導教學內容逐層深入，自然而然地吸引了學生的注意力。

馬蹄形投影式直觀的反應了單糖分子結構有利于成環的主碳鏈結構，幫助實現鏈狀結構的Fisher投影式到環狀結構的Haworth透視式的自然過渡，使學生更容易理解抽象的化學結構。

教學游戲直觀演示糖分子結構的變化，使抽象的化學知識轉變為生動、形象的肢體語言，使學生在游戲的過程中體會微觀的、原子間“力”的相互作用，充分實現學習過程中眼、手、腦的結合，寓教于樂，獲得很好的教學效果。學生在游戲的同時理解難懂的理論，簡單易懂且印象深刻，即時教學效果顯著且記憶持久。

單糖順口溜引導學生更加細致地閱讀教材內容，既起到提綱挈領的作用，又起到總結復習的作用，使學生更容易理解和記憶教材內容。教材中六碳醛糖的排序以葡萄糖為基礎，其他糖為其不同位置的差向異構體，這種方式更具專業思想，思考再三后仍然保留了順口溜中簡單的排序依據，是基于順口溜就應該簡單，以達到耳熟能詳為最終目標。

[1]Varki A，Freeze HH，Manzi AE.Overview of glycoconjugate analysis[J].Curr Protoc Protein Sci，2009，（8）：1-8.

[2]陳迪炎.從單糖的Fischer式改寫成Haworth式的討論[J].高等函授學報：自然科學版，2000，13（3）：26-28.

[3]孫衛東.由單糖的Fischer投影式導出Haworth透視式的不同方法[J].溫州師范學院學報：自然科學版，2005，26（5）：50-53.

[4]秦志強，衛星星.利用搭橋法簡化記憶單糖分子結構[J].晉東南師范專科學校學報，2003，20（2）：63-64.

[5]吳立軍.天然藥物化學[M].5版.北京：人民衛生出版社，2009：60-64.

[6]劉秀財，王宏蘭，齊曉丹，等.生物化學教學中應用PBL教學模式的探討[J].中國當代醫藥，2011，18（5）：128，131.

[7]鄒純才.PBL教學法在藥物分析實驗課程中的應用[J].中國當代醫藥，2011，18（17）：176-177.