宋倩雯　謝俊　常鎖成

摘要：運(yùn)用ISM法對高中人教版新舊必修化學(xué)教材的知識結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過提取知識要素、確定要素問的形成關(guān)系繪制形成關(guān)系圖、建立鄰接矩陣并計算可達(dá)矩陣。繪制知識要素的層級關(guān)系圖，為教材的分析提供一種定性與定量相結(jié)合的方法。從知識要素的選擇、起始要素、最高要素、要素問的形成關(guān)系與教材編排體系四個方面比較新舊教材的異同，并對新課程下教師的教學(xué)提出建議。

關(guān)鍵詞：高中化學(xué)教材;ISM法;比較研究

文章編號：1005-6629（2021）04-0038-07 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1研究背景

教材是教師教學(xué)的重要參考，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的主要資源，對教材進(jìn)行分析是落實(shí)新課改，提高教學(xué)質(zhì)量的重要保障。布魯納認(rèn)為，教授任何一門學(xué)科，主要是學(xué)生理解和掌握這門學(xué)科的基本結(jié)構(gòu)以及該學(xué)科所特有的研究方法。ISM法（Interpretative Structural Modeling Method）最早是研究社會系統(tǒng)中復(fù)雜要素間關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)分析的一種方法，它利用離散數(shù)學(xué)的圖形理論，通過矩陣運(yùn)算，呈現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)要素間的聯(lián)系，得出層級化的形成關(guān)系圖。ISM法涉及行為科學(xué)、數(shù)學(xué)概念、團(tuán)體決策及電腦編程等領(lǐng)域的知識。1978年，佐藤隆博證明該方法可適用于目標(biāo)分析與教材開發(fā)。ISM法以教師經(jīng)驗為基礎(chǔ)，通過圖表化的呈現(xiàn)形式，對教材的編排體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)化梳理，既便于教師明確教材編排的思路、規(guī)劃和設(shè)計教學(xué)路徑，又利于學(xué)生知識體系的建構(gòu)，對教學(xué)實(shí)踐效果的提升具有顯著意義。

2019年，基于《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》編制的普通高中教科書《化學(xué)》必修（第一冊、第二冊）在全國部分地區(qū)開始使用。新教材與舊教材相比，在內(nèi)容的選取和編排順序上做了一些調(diào)整，這些調(diào)整是否更加合理？為了避免分析教材時過度主觀化，本文選取ISM法對新舊高中化學(xué)必修教材的知識結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，有助于教師明確新舊教材知識結(jié)構(gòu)的異同，提升教師教學(xué)的科學(xué)性和有效性，同時讓學(xué)生明確必修階段化學(xué)課程的知識結(jié)構(gòu)，便于學(xué)生進(jìn)行知識的同化，構(gòu)建結(jié)構(gòu)化的知識體系。

2 ISM分析法流程

ISM法分析教材主要包括以下步驟（見圖1）：（1）提取知識要素，研究者根據(jù)自己的學(xué)科知識和實(shí)踐經(jīng)驗對教材內(nèi)容進(jìn)行分析，提取知識要素并進(jìn)行編碼。（2）確定要素問的形成關(guān)系，研究者根據(jù)自己的專業(yè)知識和經(jīng)驗確定要素的形成關(guān)系。（3）根據(jù)形成關(guān)系圖建立鄰接矩陣并計算可達(dá)矩陣。（4）根據(jù)可達(dá)矩陣確定層級關(guān)系，繪制層級關(guān)系圖，并對層級關(guān)系圖進(jìn)行討論，若意見統(tǒng)一流程結(jié)束，若不統(tǒng)一返回第一步或第二步進(jìn)行修改。

3研究過程

3.1提取知識要素

確定教材的核心知識要素受教師的教學(xué)經(jīng)驗、學(xué)生觀、教材觀等多方面因素的影響，有一定的主觀性。一般來說，滿足以下條件可以作為教材的核心知識要素：（1）教材中給出了明確的概念;（2）在本節(jié)課的小結(jié)中作為主要的知識點(diǎn);（3）在整個章節(jié)體系占節(jié)點(diǎn)地位。本文對核心知識要素的選擇滿足：（1）課程標(biāo)準(zhǔn)中要求系統(tǒng)掌握的知識;（2）教材章節(jié)中的重要概念或者知識點(diǎn);（3）忽略次級概念，例如“化學(xué)實(shí)驗”包含實(shí)驗安全、過濾和蒸發(fā)、萃取分液、蒸餾;（4）忽略穿插在章節(jié)中的實(shí)驗。本研究在確定知識要素時，先由3位教師按照知識要素在新舊教材中出現(xiàn)的先后順序獨(dú)自編碼，編碼結(jié)果基本一致，僅對有機(jī)化合物這一章的編碼不同，對編碼不同的知識要素進(jìn)行討論后，將討論的結(jié)果向3位20年教齡以上的高中化學(xué)高級教師進(jìn)行咨詢后，形成一致意見，得到最終的知識要素編碼表。人教版新舊教材的知識要素見表1。

3.2確定要素的形成關(guān)系圖

如果在學(xué)習(xí)知識要素B之前必須先要學(xué)習(xí)要素A，則稱要素B為A的可達(dá)要素，要素A為B的先行要素，要素A和要素B之間的關(guān)系可表示為：A→B。確定知識要素問形成關(guān)系的過程與確定知識要素的相同。按照新課標(biāo)的要求，必修第一冊和必修第二冊是全體學(xué)生必須修習(xí)的課程，因此確定要素問的形成關(guān)系是基于學(xué)業(yè)水平1和水平2。

對于參加學(xué)業(yè)水平合格考的學(xué)生來說，在學(xué)習(xí)金屬及其化合物和非金屬及其化合物之前先要學(xué)習(xí)物質(zhì)的分類、離子反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)，而對物質(zhì)的量這一知識要素不是必須要掌握的。學(xué)習(xí)金屬材料要有金屬及其化合物做基礎(chǔ);學(xué)習(xí)元素周期表元素周期律要了解原子結(jié)構(gòu)、鈉及其化合物、鋁及其化合物、硅及其化合物、氯及其化合物、硫及其化合物;學(xué)習(xí)化學(xué)鍵要有氧化還原反應(yīng)、原子結(jié)構(gòu)、元素周期表元素周期律作為基礎(chǔ)……以新教材為例來具體說明，各知識要素問的形成關(guān)系可表示為圖2。

3.3建立鄰接矩陣計算可達(dá)矩陣

根據(jù)知識要素的形成關(guān)系圖建立鄰接矩陣，a_ij表示S_i鄰接到S_j的邊的條數(shù)，若有一條邊記為1，若沒有邊記為0。新教材知識要素有向圖的鄰接矩陣為A。

可達(dá)矩陣描述的是從一個知識要素到另外一個知識要素間是否存在連接的路徑。鄰接矩陣經(jīng)過布爾運(yùn)算可得可達(dá)矩陣，定義I為單位矩陣，求可達(dá)矩陣R公式為：R=（A+I）^n-1≠（A+I）ⁿ≠（A+I）ⁿ⁺¹，由于本文知識要素較多、計算量大，故采用MATLAB軟件進(jìn)行編程計算得新舊教材的可達(dá)矩陣，新教材的可達(dá)矩陣為R。

3.4繪制層級圖

由表2可以繪制新舊教材知識要素層級圖，見圖3和圖4。

4結(jié)果分析

4.1知識要素選擇異同

新教材知識要素24個，舊教材知識要素25個。新舊教材在知識要素的選擇上數(shù)量變化不大。新教材中沒有安排單獨(dú)的章節(jié)講解“實(shí)驗化學(xué)”這一知識要素，但在附錄1和2中介紹了實(shí)驗室突發(fā)事件的應(yīng)對措施和常見廢棄物的處理方法。新教材“物質(zhì)的分類及轉(zhuǎn)化”比舊教材“物質(zhì)的分類”增加了物質(zhì)的轉(zhuǎn)化內(nèi)容，介紹了酸堿鹽的性質(zhì)和物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，這部分內(nèi)容既銜接了初中的化學(xué)知識，又為后續(xù)電解質(zhì)的電離和元素及其化合物的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。新教材刪減了“鋁及其化合物”這一知識要素，只在“金屬材料”中對鋁合金進(jìn)行了簡要講解，降低了學(xué)習(xí)的難度。新教材增加了“化學(xué)品的合理使用”這一知識要素，介紹了化肥農(nóng)藥的合理使用、合理用藥和安全使用食品添加劑，貼近生活實(shí)際，學(xué)以致用，符合學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)和發(fā)展需要。

4.2起始要素安排異同

起始要素是指沒有箭頭指人的知識要素。新舊教材的共同起始要素有“物質(zhì)的量”“物質(zhì)的分類”“離子反應(yīng)”“氧化還原反應(yīng)”“原子結(jié)構(gòu)”。舊教材的起始要素比新教材多了“化學(xué)實(shí)驗”，新教材將其融入在了元素及其化合物和附錄中。從起始要素的安排來看，舊教材將“化學(xué)實(shí)驗”“物質(zhì)的量”“物質(zhì)的分類”“離子反應(yīng)”“氧化還原反應(yīng)”都安排在了必修1的第一、二章，這些知識要素屬于基礎(chǔ)的知識、基本的理論、科學(xué)的方法，為學(xué)生后續(xù)的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。從知識結(jié)構(gòu)圖來看，符合知識的邏輯順序。但對于剛進(jìn)入高中的學(xué)生來說，其思維處于從形象思維向抽象思維過渡的階段，將這些抽象的理論知識放在一起，學(xué)習(xí)的難度較大，會影響學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。新教材將“物質(zhì)的分類”“離子反應(yīng)”“氧化還原反應(yīng)”安排在必修1的第一章，符合知識的邏輯順序，但將“物質(zhì)的量”穿插在了元素及其化合物的學(xué)習(xí)中，“物質(zhì)的量”概念多且抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大，且按照新課標(biāo)學(xué)業(yè)水平1和2的標(biāo)準(zhǔn)，對“物質(zhì)的量”的掌握要求不高，新教材的這種安排分散了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度。舊教材將“原子結(jié)構(gòu)”安排在“元素周期表元素周期律”之后，新教材將“原子結(jié)構(gòu)”安排在“元素周期表元素周期律”之前，而在知識結(jié)構(gòu)圖中，“原子結(jié)構(gòu)”是“元素周期表元素周期律”學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，新教材的安排更加合理。

4.3最高要素安排異同

最高要素是指沒有箭頭指出的知識要素。新舊教材最高要素的選擇和安排是一致的，最高要素有“金屬材料”“化學(xué)反應(yīng)與能量”“化學(xué)反應(yīng)的速率和限度”“基本營養(yǎng)物質(zhì)”“綠色化學(xué)與環(huán)境保護(hù)”?！敖饘俨牧稀睂⒒瘜W(xué)與實(shí)際生產(chǎn)生活聯(lián)系起來，讓學(xué)生了解金屬材料的重要作用和面臨的挑戰(zhàn)，激發(fā)學(xué)生的愛國熱情和社會責(zé)任感，培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”這一核心素養(yǎng)?！盎瘜W(xué)反應(yīng)與能量”和“化學(xué)反應(yīng)的速率和限度”幫助學(xué)生形成變化觀念與平衡思想?！盎緺I養(yǎng)物質(zhì)”體現(xiàn)了有機(jī)化學(xué)的應(yīng)用價值，幫助學(xué)生樹立健康生活的理念。“綠色化學(xué)與環(huán)境保護(hù)”有利于學(xué)生辯證、全面地看待人類和自然發(fā)展中遇到的問題，培養(yǎng)科學(xué)決策的意識、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

4.4知識要素形成關(guān)系與教材編排體系的比較

新舊教材知識形成關(guān)系基本相同，都是從學(xué)習(xí)方法、基礎(chǔ)理論開始，到元素及其化合物再到元素周期表元素周期律、化學(xué)反應(yīng)與能量和有機(jī)化學(xué)，最后是化學(xué)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。但是新舊教材在知識要素的編排上卻有較大的區(qū)別。舊教材將“物質(zhì)的量”安排在第一章第二節(jié)，符合知識的邏輯順序。新教材將其安排在了“鈉及其化合物”和“氯及其化合物”之后，分散了學(xué)習(xí)的難度，符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展順序。舊教材將“元素周期表元素周期律”“原子結(jié)構(gòu)”“化學(xué)鍵”安排在系統(tǒng)學(xué)習(xí)了“金屬及其化合物”和“非金屬及其化合物”之后，從知識結(jié)構(gòu)圖來看符合知識的邏輯順序，而新教材將元素及其化合物的知識拆分重組，將“元素周期表元素周期律”穿插于元素及其化合物之間，并將元素及其化合物出現(xiàn)的順序也重新進(jìn)行了編排。

新教材將典型的金屬元素鈉和典型的非金屬元素氯安排在一起，學(xué)生在初中學(xué)過NaOH、Na₂CO₃、NaHCO₃等鈉的化合物，以鈉為開始進(jìn)人元素及其化合物的學(xué)習(xí)，降低難度的同時豐富了物質(zhì)分類的感性知識，構(gòu)建了金屬及其化合物學(xué)習(xí)的方法;對典型的非金屬元素氯的學(xué)習(xí)，從化合價的角度對不同價態(tài)氯的化合物性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測和轉(zhuǎn)化，形成了非金屬及其化合物學(xué)習(xí)的一般思路和方法。接著對“鐵及其化合物”“金屬材料”進(jìn)行學(xué)習(xí)，進(jìn)一步鞏固元素及其化合物學(xué)習(xí)的方法，發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”這一學(xué)科核心素養(yǎng)。在此基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)“原子結(jié)構(gòu)”“元素周期表元素周期律”“化學(xué)鍵”，對原有的元素化合物的知識進(jìn)一步深化概括，實(shí)現(xiàn)從感性認(rèn)識到理性認(rèn)識的提升。接著在“硫、氮、硅及其化合物”的學(xué)習(xí)中學(xué)生既鞏固了非金屬元素及其化合物的學(xué)習(xí)思路和方法，又可以利用元素周期律預(yù)測和推斷元素及其化合物的性質(zhì)，加深對結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的理解。

5結(jié)論和建議

5.1結(jié)論

本文運(yùn)用ISM法對高中人教版新舊必修化學(xué)教材的知識結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。從知識要素的選擇來看，新教材在知識要素的選取上更注重初高中內(nèi)容的銜接，在符合新課標(biāo)理念的前提下適當(dāng)降低了難度，增強(qiáng)了化學(xué)與社會生活的聯(lián)系;從起始要素安排來看，新教材對“物質(zhì)的量”“原子結(jié)構(gòu)”的編排順序進(jìn)行了調(diào)整。關(guān)于“物質(zhì)的量”，一線教師普遍覺得學(xué)生的接受速度慢，需要經(jīng)過很長一段時間的強(qiáng)化訓(xùn)練才能熟練應(yīng)用，有研究發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)物質(zhì)的量后對化學(xué)的興趣明顯降低，新教材的這種調(diào)整分散了學(xué)習(xí)的難度，更符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)。新教材將“原子結(jié)構(gòu)”安排在了“元素周期表元素周期律”之前，由知識結(jié)構(gòu)圖可知，這樣更符合知識的邏輯順序;從最高要素安排來看，新舊教材都十分重視化學(xué)知識在日常生產(chǎn)生活的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng);從知識要素形成關(guān)系與教材編排體系來看，新舊教材知識要素的形成關(guān)系基本一致，但在編排順序上做了較大調(diào)整，教材的編排要遵循知識的邏輯順序、學(xué)生的認(rèn)知順序和學(xué)生的心理發(fā)展順序。根據(jù)知識結(jié)構(gòu)圖，舊教材的編排符合知識的邏輯順序，但學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大，新教材的部分編排雖不符合知識的邏輯順序，但符合學(xué)生的認(rèn)知和心理發(fā)展順序，學(xué)生比較容易接受。

整體來看，新教材的編寫更加注重育人目的，更加強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力，使學(xué)生具有理想信念和社會責(zé)任感，具有科學(xué)素養(yǎng)和終身學(xué)習(xí)的能力。

5.2建議

教師需要使用科學(xué)的方法分析新教材，本文運(yùn)用ISM法對高中人教版新舊必修化學(xué)教材的知識結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，除此之外，教師還可以運(yùn)用ISM法對某一章節(jié)的知識要素進(jìn)行分析，可以為教學(xué)設(shè)計提供參考，例如有研究者運(yùn)用ISM法對物質(zhì)的量進(jìn)行了分析。

從知識結(jié)構(gòu)圖來看，舊教材對知識要素的編排符合知識的邏輯結(jié)構(gòu)，例如舊教材在系統(tǒng)學(xué)習(xí)了金屬及其化合物和非金屬及其化合物之后再學(xué)習(xí)元素周期表和元素周期律，新教材中關(guān)于金屬及其化合物和非金屬及其化合物的編排是分散的，并將“元素周期表元素周期律”穿插在其中，雖打亂了知識的邏輯結(jié)構(gòu)，但學(xué)生的認(rèn)知是一個不斷反復(fù)、螺旋上升的過程，這種安排也是合理的。因此教師在教學(xué)中要注意幫助學(xué)生建構(gòu)知識的邏輯結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生對化學(xué)的知識結(jié)構(gòu)體系有清晰的認(rèn)識。例如可以通過構(gòu)建思維導(dǎo)圖對金屬及其化合物和非金屬及其化合物進(jìn)行總結(jié)。

此外，新教材對物質(zhì)的量的編排也做了調(diào)整，按照《新課標(biāo)》學(xué)業(yè)水平1和2的要求，“物質(zhì)的量”這一知識要素并不是學(xué)習(xí)“金屬及其化合物”和“非金屬及其化合物”前必須掌握的，對“物質(zhì)的量”相關(guān)的計算要求不高，因此教師在面對非選修化學(xué)的學(xué)生進(jìn)行教學(xué)的過程中，避免出現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)過高的情況，把握好教學(xué)的深度和廣度，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。