基于ISM法的新舊人教版必修化學(xué)教材內(nèi)容比較

宋倩雯　謝俊　常鎖成

摘要：運(yùn)用ISM法對(duì)高中人教版新舊必修化學(xué)教材的知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過(guò)提取知識(shí)要素、確定要素問(wèn)的形成關(guān)系繪制形成關(guān)系圖、建立鄰接矩陣并計(jì)算可達(dá)矩陣。繪制知識(shí)要素的層級(jí)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(shí)要素的選擇、起始要素、最高要素、要素問(wèn)的形成關(guān)系與教材編排體系四個(gè)方面比較新舊教材的異同，并對(duì)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(hào)：1005-6629（2021）04-0038-07 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(duì)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(huì)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(guò)矩陣運(yùn)算，呈現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)要素間的聯(lián)系，得出層級(jí)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(shí)。1978年，佐藤隆博證明該方法可適用于目標(biāo)分析與教材開(kāi)發(fā)。ISM法以教師經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過(guò)圖表化的呈現(xiàn)形式，對(duì)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(jì)教學(xué)路徑，又利于學(xué)生知識(shí)體系的建構(gòu)，對(duì)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(shū)《化學(xué)》必修（第一冊(cè)、第二冊(cè)）在全國(guó)部分地區(qū)開(kāi)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(shí)過(guò)度主觀化，本文選取ISM法對(duì)新舊高中化學(xué)必修教材的知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，有助于教師明確新舊教材知識(shí)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(shí)讓學(xué)生明確必修階段化學(xué)課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)，便于學(xué)生進(jìn)行知識(shí)的同化，構(gòu)建結(jié)構(gòu)化的知識(shí)體系。

2 ISM分析法流程

ISM法分析教材主要包括以下步驟（見(jiàn)圖1）：（1）提取知識(shí)要素，研究者根據(jù)自己的學(xué)科知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行分析，提取知識(shí)要素并進(jìn)行編碼。（2）確定要素問(wèn)的形成關(guān)系，研究者根據(jù)自己的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)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(jì)算可達(dá)矩陣。（4）根據(jù)可達(dá)矩陣確定層級(jí)關(guān)系，繪制層級(jí)關(guān)系圖，并對(duì)層級(jí)關(guān)系圖進(jìn)行討論，若意見(jiàn)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(guò)程

3.1提取知識(shí)要素

確定教材的核心知識(shí)要素受教師的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、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(lái)說(shuō)，滿足以下條件可以作為教材的核心知識(shí)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(shí)點(diǎn);（3）在整個(gè)章節(jié)體系占節(jié)點(diǎn)地位。本文對(duì)核心知識(shí)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(shí);（2）教材章節(jié)中的重要概念或者知識(shí)點(diǎn);（3）忽略次級(jí)概念，例如“化學(xué)實(shí)驗(yàn)”包含實(shí)驗(yàn)安全、過(guò)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(yàn)。本研究在確定知識(shí)要素時(shí)，先由3位教師按照知識(shí)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(duì)有機(jī)化合物這一章的編碼不同，對(duì)編碼不同的知識(shí)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(jí)教師進(jìn)行咨詢后，形成一致意見(jiàn)，得到最終的知識(shí)要素編碼表。人教版新舊教材的知識(shí)要素見(jiàn)表1。

3.2確定要素的形成關(guān)系圖

如果在學(xué)習(xí)知識(shí)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(shí)要素問(wèn)形成關(guān)系的過(guò)程與確定知識(shí)要素的相同。按照新課標(biāo)的要求，必修第一冊(cè)和必修第二冊(cè)是全體學(xué)生必須修習(xí)的課程，因此確定要素問(wèn)的形成關(guān)系是基于學(xué)業(yè)水平1和水平2。

對(duì)于參加學(xué)業(yè)水平合格考的學(xué)生來(lái)說(shuō)，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(duì)物質(zhì)的量這一知識(shí)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(lái)具體說(shuō)明，各知識(shí)要素問(wèn)的形成關(guān)系可表示為圖2。

3.3建立鄰接矩陣計(jì)算可達(dá)矩陣

根據(jù)知識(shí)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(méi)有邊記為0。新教材知識(shí)要素有向圖的鄰接矩陣為A。

可達(dá)矩陣描述的是從一個(gè)知識(shí)要素到另外一個(gè)知識(shí)要素間是否存在連接的路徑。鄰接矩陣經(jīng)過(guò)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(shí)要素較多、計(jì)算量大，故采用MATLAB軟件進(jìn)行編程計(jì)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(jí)圖

由表2可以繪制新舊教材知識(shí)要素層級(jí)圖，見(jiàn)圖3和圖4。

4結(jié)果分析

4.1知識(shí)要素選擇異同

新教材知識(shí)要素24個(gè)，舊教材知識(shí)要素25個(gè)。新舊教材在知識(shí)要素的選擇上數(shù)量變化不大。新教材中沒(méi)有安排單獨(dú)的章節(jié)講解“實(shí)驗(yàn)化學(xué)”這一知識(shí)要素，但在附錄1和2中介紹了實(shí)驗(yàn)室突發(fā)事件的應(yīng)對(duì)措施和常見(jiàn)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(shí)，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(shí)要素，只在“金屬材料”中對(duì)鋁合金進(jìn)行了簡(jiǎn)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(shí)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(méi)有箭頭指人的知識(shí)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(yàn)”，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(lái)看，舊教材將“化學(xué)實(shí)驗(yàn)”“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(shí)要素屬于基礎(chǔ)的知識(shí)、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(shí)結(jié)構(gòu)圖來(lái)看，符合知識(shí)的邏輯順序。但對(duì)于剛進(jìn)入高中的學(xué)生來(lái)說(shuō)，其思維處于從形象思維向抽象思維過(guò)渡的階段，將這些抽象的理論知識(shí)放在一起，學(xué)習(xí)的難度較大，會(huì)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(shí)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(duì)“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(shí)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(méi)有箭頭指出的知識(shí)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(yíng)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(lái)，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(ài)國(guó)熱情和社會(huì)責(zé)任感，培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)”體現(xiàn)了有機(jī)化學(xué)的應(yīng)用價(jià)值，幫助學(xué)生樹(shù)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(wèn)題，培養(yǎng)科學(xué)決策的意識(shí)、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

4.4知識(shí)要素形成關(guān)系與教材編排體系的比較

新舊教材知識(shí)形成關(guān)系基本相同，都是從學(xué)習(xí)方法、基礎(chǔ)理論開(kāi)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(shí)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(shí)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(shí)結(jié)構(gòu)圖來(lái)看符合知識(shí)的邏輯順序，而新教材將元素及其化合物的知識(shí)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(guò)NaOH、Na₂CO₃、NaHCO₃等鈉的化合物，以鈉為開(kāi)始進(jìn)人元素及其化合物的學(xué)習(xí)，降低難度的同時(shí)豐富了物質(zhì)分類的感性知識(shí)，構(gòu)建了金屬及其化合物學(xué)習(xí)的方法;對(duì)典型的非金屬元素氯的學(xué)習(xí)，從化合價(jià)的角度對(duì)不同價(jià)態(tài)氯的化合物性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)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(duì)“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(shí)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(duì)原有的元素化合物的知識(shí)進(jìn)一步深化概括，實(shí)現(xiàn)從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)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(cè)和推斷元素及其化合物的性質(zhì)，加深對(duì)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(duì)高中人教版新舊必修化學(xué)教材的知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。從知識(shí)要素的選擇來(lái)看，新教材在知識(shí)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(huì)生活的聯(lián)系;從起始要素安排來(lái)看，新教材對(duì)“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(jué)得學(xué)生的接受速度慢，需要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)一段時(shí)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(duì)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(shí)結(jié)構(gòu)圖可知，這樣更符合知識(shí)的邏輯順序;從最高要素安排來(lái)看，新舊教材都十分重視化學(xué)知識(shí)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(shí)要素形成關(guān)系與教材編排體系來(lái)看，新舊教材知識(shí)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(shí)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(shí)結(jié)構(gòu)圖，舊教材的編排符合知識(shí)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(shí)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(lái)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(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，使學(xué)生具有理想信念和社會(huì)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(duì)高中人教版新舊必修化學(xué)教材的知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，除此之外，教師還可以運(yùn)用ISM法對(duì)某一章節(jié)的知識(shí)要素進(jìn)行分析，可以為教學(xué)設(shè)計(jì)提供參考，例如有研究者運(yùn)用ISM法對(duì)物質(zhì)的量進(jìn)行了分析。

從知識(shí)結(jié)構(gòu)圖來(lái)看，舊教材對(duì)知識(shí)要素的編排符合知識(shí)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(shí)的邏輯結(jié)構(gòu)，但學(xué)生的認(rèn)知是一個(gè)不斷反復(fù)、螺旋上升的過(guò)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(shí)的邏輯結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生對(duì)化學(xué)的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系有清晰的認(rèn)識(shí)。例如可以通過(guò)構(gòu)建思維導(dǎo)圖對(duì)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(duì)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(shí)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(duì)“物質(zhì)的量”相關(guān)的計(jì)算要求不高，因此教師在面對(duì)非選修化學(xué)的學(xué)生進(jìn)行教學(xué)的過(guò)程中，避免出現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)過(guò)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)。