孫澤萱 孫寶東 趙振宇 李 林

(1. 哈爾濱師范大學教師教育學院,黑龍江 哈爾濱 150025;2. 哈爾濱師范大學物理與電子工程學院,黑龍江 哈爾濱 150025)

隨著信息化時代到來,中學物理教學資源日趨豐富,多媒體、數(shù)字化資源逐步走進一線課堂,發(fā)揮著越來越重要的作用,但物理教材仍然是現(xiàn)今教師進行課堂教學最重要的參考,學生學習的重要資源.隨著我國教育改革的進一步深化,教育部頒布《普通高中物理課程標準(2017年版)》(以下簡稱“新課標”),其中物理學科核心素養(yǎng)作為重要目標被提出.[1]人教社緊緊圍繞新課標的相關(guān)要求,將原有教材從多個方面進行全新修訂,力求滿足時代發(fā)展的需求,最終在2019年出版普通高中物理教科書(以下簡稱“新教材”).

人教版新教材相較于舊教材在很多方面被重新修訂,在整個教材體系框架、教材章節(jié)的設(shè)計以及知識內(nèi)容的選取等多個方面均有大幅度的改動.本文運用解釋結(jié)構(gòu)模型(ISM法)對新舊教材的知識結(jié)構(gòu)進行科學的比較研究.筆者選取與磁場相關(guān)的章節(jié)進行對比分析,在舊教材中,磁場的相關(guān)內(nèi)容被放置在《選修3-1》第3章進行學習;在新教材中其地位進一步得到提高,磁場的相關(guān)內(nèi)容被放置在《必修3》第13章進行學習.這體現(xiàn)出磁場在新課程知識體系中的重要性.新教材必修3第13章前兩節(jié)“磁場”“磁感應強度”的內(nèi)容對應舊教材《選修3-1》第3章前3節(jié)的內(nèi)容,筆者將對新舊版本教材中的上述內(nèi)容進行比較研究.

1 解釋結(jié)構(gòu)模型(ISM法)介紹

解釋結(jié)構(gòu)模型(Interpretive Structural Model)簡稱為“ISM法”,最初是一種用于社會學研究的結(jié)構(gòu)模型化方法,最早是由美國著名教授沃菲爾德在1973年提出,日本學者佐藤隆博教授首次將其運用于教材分析領(lǐng)域.解釋結(jié)構(gòu)模型的基本思路是提煉出所要分析對象的知識要素,借助矩陣、向圖和計算機技術(shù),得到各要素的形成關(guān)系并建立矩陣,最終得到結(jié)構(gòu)層級.教師使用ISM法將教學內(nèi)容以直觀的結(jié)構(gòu)層級及有向圖的形式呈現(xiàn)出來,并通過分析直觀圖像對教材結(jié)構(gòu)進行比較.下面介紹ISM法的具體操作步驟,如圖1所示.

圖1 解釋結(jié)構(gòu)模型流程簡介圖

(1) 對教材知識要素的提取.根據(jù)研究者自身已有經(jīng)驗以及參考資料等,參照課程標準等文件,對教材中的核心要素進行提煉并編碼.(2) 分析各要素之間的關(guān)系.研究者根據(jù)學科專業(yè)知識與經(jīng)驗,分析各知識要素的關(guān)聯(lián),繪制形成關(guān)系圖.(3) 根據(jù)要素關(guān)系構(gòu)建鄰接矩陣,通過要素間的形成關(guān)系圖進而得到鄰接矩陣.(4) 將鄰接矩陣轉(zhuǎn)化為可達矩陣.利用矩陣轉(zhuǎn)化法或計算機將鄰接矩陣轉(zhuǎn)化為可達矩陣,通過可達矩陣得到要素層級表.(5) 制作層級有向圖.根據(jù)要素層級表來繪制層級有向圖.

2 對新舊教材的研究過程

2.1 知識要素的提取

對教材知識要素的提取是解釋結(jié)構(gòu)模型的第一步,為提高知識要素提取的有效性,筆者在查閱已有文獻和相關(guān)材料的基礎(chǔ)上,[2]同多位具有豐富經(jīng)驗的高中物理教師進行交流,主要提取出以下幾種要素：(1) 在教材正文部分被明確加粗、加黑的內(nèi)容;(2) 除教材中字體明顯標注以外的其他重要知識;(3) 教材未直接表明,但非常重要的知識.下面分別對人教版新舊物理教材“磁場”“磁感應強度”相關(guān)內(nèi)容進行提取并編碼,具體如表1所示.

表1 新舊版教材知識要素表

續(xù)表

2.2 分析各要素形成關(guān)系

對從教材中提取出的各要素間的形成關(guān)系進行分析是解釋結(jié)構(gòu)模型的第二步,此處的形成關(guān)系以教材各要素本身的編排邏輯為原始素材.為了更好地保證得出的各要素形成關(guān)系間更具客觀性與科學性,下面對形成關(guān)系進行具體說明.如果想要闡明B知識要素需要以理解A知識要素為前提,或者說如果闡明B知識要素必須運用到A知識要素的本質(zhì)內(nèi)涵,那么則稱A知識要素到B知識要素有形成關(guān)系,稱A要素為先行要素,稱B要素為可達要素.關(guān)于形成關(guān)系需要強調(diào)的是,此處的形成關(guān)系特指教材編排時的知識要素關(guān)系,并非指知識要素本身內(nèi)在的物理邏輯關(guān)系.[3]

筆者在深入研究教材知識結(jié)構(gòu)后,通過反復比較分析,同時請教多位具有豐富教學經(jīng)驗的一線物理教師,確定“磁場”“磁感應強度”章節(jié)的知識要素在人教版新舊教材中的形成關(guān)系,如圖2、圖3所示.在確定要素形成關(guān)系時,不僅僅要認真研讀教材與課標,還要了解學生在課堂中對知識要素的實際掌握情況.

圖2 新教材形成關(guān)系圖

圖3 舊教材形成關(guān)系圖

2.3 構(gòu)建鄰接矩陣

解釋結(jié)構(gòu)模型的第3步是利用形成關(guān)系圖來構(gòu)建鄰接矩陣.表格的第1行與第1列分別填寫被編碼的知識要素,被編碼的各知識要素根據(jù)編碼的由大到小順序依次排序.[4]從表格第2行(列)開始,如果闡明橫軸某一要素需要以對應的縱軸要素為前提,則對應的縱軸位置填寫“1”,其余無關(guān)位置的縱軸填寫“0”,此時對應的縱軸要素到橫軸要素是形成關(guān)系,縱軸要素代表先行要素,橫軸要素代表可達要素.例如,在形成關(guān)系圖中O1指向O2要素,O1要素是先行要素,O2是可達要素,O1到O2是形成關(guān)系,在表格第1行第3列填寫“1”;反之,O2要素并沒有指向O1要素,O2到O1不是形成關(guān)系,因此第2列第3行填寫“0”.

根據(jù)以上界定,利用形成關(guān)系圖對人教版新舊教材知識要素的鄰接矩陣進行構(gòu)建,新舊教材鄰接矩陣分別如表2、表3所示.

表2 新教材鄰接矩陣表

表3 舊教材鄰接矩陣表

2.4 獲取可達矩陣

得到知識要素的鄰接矩陣后,可以采用傳統(tǒng)的布爾代數(shù)法或利用matlab程序采取改進法將鄰接矩陣轉(zhuǎn)化為可達矩陣.可達矩陣是表示系統(tǒng)要素之間任意次傳遞性的二元關(guān)系,或有向圖上兩個節(jié)點之間通過任意長的路徑可以到達情況的方陣,可達矩陣以鄰接矩陣為基礎(chǔ).如A要素到B要素之間不論路徑遠近,存在形成關(guān)系,則兩者在矩陣中對應位置標記為“1”,反之則標記為“0”.筆者借助matlab程序,根據(jù)新舊教材的鄰接矩陣得到可達矩陣,如表4、表5所示.

表4 新教材可達矩陣

續(xù)表

表5 舊教材可達矩陣

2.5 制作層級有向圖

在經(jīng)過程序運算將新舊教材的鄰接矩陣轉(zhuǎn)化為可達矩陣后,還需要再進行3個步驟才能得到層級有向圖.[5]第1步,由可達矩陣得到要素的層級分析表;第2步,由要素的層級分析表得到要素的層級分布表;第3步,借助層級分布表,由底層級向高層級繪圖,最終得到層級有向圖,下面以新教材為例.

(1) 得到要素的層級分析表.首先定義可達集合P(OX),該合集為從某一要素OX出發(fā)可以到達的全部要素的集合(在可達矩陣第X行被標記為“1”的橫軸對應的要素集合).其次,定義先行集合Q(Ox),該集合為所有能夠達到某一要素Ox的全部要素的合集(在可達矩陣第X列被標記為“1”的橫軸對應的要素集合).最后,建立表格求出P(OX)∩Q(Ox)=P(OX)所有的要素集合,如表6所示.

通過表格得出P(OX)∩Q(Ox)=P(OX)的合集為{2,7,11,14,18},以上合集中的5個知識要素為節(jié)點要素.

表6 新教材知識要素層級分析表

(2) 得到層級分布表.通過上一步驟得到最高層級的知識要素,將最高層級的知識要素從層級分析表中剔除,繼續(xù)重復步驟(1)的操作,可以得到次高層級的知識要素.之后將次高層級的知識要素從層級分析表中剔除,重復上述步驟(1)的操作,直到最終得到最低層級的知識要素.層級分布表將由層級分析表得到的不同層級知識要素進行分類,并將其放置在對應的層級中,因知識要素的數(shù)量較多,筆者借助matlab程序得出新舊教材知識要素的層級分布表,分別如表7、表8所示.

表7 新教材要素層級分布表

表8 舊教材要素層級分布表

(3) 制作層級有向圖.根據(jù)步驟(2)得到的層級分布表,繪制新舊教材知識要素的有向?qū)蛹増D.對于兩個不同層級的知識要素而言,低層級的知識要素到高層級要素可能有形成關(guān)系,而高層級知識要素對低層級知識要素的形成關(guān)系沒有影響,因而在繪制有向?qū)蛹増D時,由最低層級知識要素向高層級要素進行繪制.新舊教材的層級有向圖分別如圖4、圖5所示.

圖4 新教材有向?qū)蛹増D

圖5 舊教材有向?qū)蛹増D

需要特別說明的一點,知識要素在有向結(jié)構(gòu)圖中位置的高低并不代表知識要素在系統(tǒng)中的層級高低.例如,知識要素“O2磁現(xiàn)象”屬于最高層級的知識要素,也就是節(jié)點要素,只存在從O1到O2的形成關(guān)系,但是為使層級有向圖更加簡潔清晰,筆者在繪制時將其放置在圖的下方.某一層級有哪些知識要素,或者某一要素自身所在層級,都根據(jù)層級分布表來確定.

3 對新舊教材的對比分析

3.1 知識要素選擇的異同

在知識要素選擇的數(shù)量上新教材將原有的21個縮減為18個,減少了“磁偏角”“安培分子電流假說”等知識要素.但是這些知識要素并不是在教材中被完全刪除,而是從正文部分轉(zhuǎn)移到了課后的“科學漫步”“STSE”等環(huán)節(jié),有興趣的學生可以自主地進行學習探究,有利于學生科學探究能力的形成,發(fā)展學生的物理學科核心素養(yǎng).這體現(xiàn)新教材在知識要素的選取上更具靈活性,對不同層次的學生可以提供不同的資源.舊教材中“電流的磁效應”要素在新教材中變?yōu)椤半姾痛诺穆?lián)系”,體現(xiàn)出新教材更加注重知識要素的關(guān)聯(lián),有利于將本章節(jié)內(nèi)容與后面“電磁感應現(xiàn)象及應用”等章節(jié)進行充分聯(lián)系.新課標提出不同的學業(yè)水平等級,以此來滿足不同層次學生的需要,關(guān)于“磁場”“磁感應強度”在知識要素的選取上,新教材的內(nèi)容設(shè)置更契合新一輪高考改革的需要.

3.2 節(jié)點要素的對比

在層級有向圖中,只有箭頭指出沒有箭頭指入的要素為起始要素,只有箭頭指入沒有箭頭指出的要素為節(jié)點要素,新舊版教材的起始要素均為“磁體”“通電導體”,以上兩個要素在整個知識體系中具有重要地位.舊教材共有“磁偏角”“安培分子電流假說”等7個節(jié)點要素,新教材共有5個節(jié)點要素,新教材刪減的知識要素主要是節(jié)點要素,節(jié)點要素是最高層級要素,因此并不影響原有知識體系的編排邏輯.舊教材中的部分節(jié)點要素在新教材不再屬于節(jié)點要素,例如：“單位：韋伯(Wb)”這一知識要素,原因是新教材中知識要素的編排已產(chǎn)生變化,在新教材中該要素與“磁感應強度大小”要素產(chǎn)生了形成關(guān)系.總的來說新教材的節(jié)點要素相比于舊教材更加簡潔.

3.3 編排邏輯與形成關(guān)系的對比

從教材結(jié)構(gòu)的整體框架來看,新教材的知識要素共有8個層級,舊教材為7個層級.新教材相比舊教材在縮減3個知識要素的基礎(chǔ)上,仍新增一個知識層級.這反映出新教材在知識要素編排方面有著更強的層次性.新教材相比于舊教材在知識要素編排的順序上有顯著的變化,例如在舊教材中“磁感線”這一要素被放置于“磁感應強度”之后,但新教材將其提到“磁感應強度”之前.上述修訂能夠更符合中學生的思維習慣,學生在學過“磁場”這一知識點后,會自然而然地思考應該如何對磁場進行描述,學生會自覺地在頭腦中進行聯(lián)想,將學習過的電場相關(guān)知識與磁場進行類比.這有助于加深學生對磁場、磁感線的理解,實現(xiàn)前后知識的有機融合.

4 教學建議

筆者建議教師在新課講授時更多參考人教版新教材,因為新教材的內(nèi)容結(jié)構(gòu)設(shè)計邏輯性、連貫性更強,同時還與此前“電場”“電場線”等相關(guān)知識呼應,更加注重學生對知識要素間關(guān)系的科學探究,強調(diào)對學生科學思維的訓練,同時新教材另一個作用是為后面選修課程作鋪墊,所以在知識要素的選取和編排上更簡明,更強調(diào)前后知識間的遞進關(guān)系.教師在進行復習課時,筆者建議可以參考舊教材的編排結(jié)構(gòu),因為其知識體系相比新教材更完整、更規(guī)范化,更注重學生對知識點的記憶與理解,注重培養(yǎng)學生的物理觀念.舊教材屬于《選修3-1》的內(nèi)容,相比屬于必修3的新教材,舊教材知識框架體系更全面,其知識要素的難度高,深度更大,能很好滿足學生的高考復習需求,教師也可以利用其補充新教材中沒有出現(xiàn)的知識要素.

新教材更適合配合新的課堂教學模式使用,舊版教材能鞏固學生的知識基礎(chǔ),符合傳統(tǒng)的教學習慣.現(xiàn)代教育理論提倡教師應“用課本去教”并非“教課本”,教材只是教學的參考而非標準,教師應對知識點有自己獨到的理解,因此物理教師在研究“磁場”“磁感應強度”相關(guān)的教材結(jié)構(gòu)時,不妨將新舊教材結(jié)合起來進行對比分析,將兩者優(yōu)點進行有機結(jié)合,為自己的教學提供幫助,形成獨有的教學觀.