基于ISM法分析高中化學(xué)教材人教版新版與實(shí)驗(yàn)版的異同
——以鐵及其化合物為例

郭 珍，許秋琳，郭 駒，莫尊理

(1.青海師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，青海 西寧 810016；2.貴州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550025;3.西北師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

為促進(jìn)高中化學(xué)教師高效理解和掌握人教版(2019年6月第1版)化學(xué)必修第一冊(cè)(以下簡稱新版教科書)所呈現(xiàn)的知識(shí)總體結(jié)構(gòu)，需要將其與高中化學(xué)原有的人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(2007年3月第3版，以下簡稱實(shí)驗(yàn)版教科書)化學(xué)必修一的知識(shí)結(jié)構(gòu)建立聯(lián)系[1].由于人腦一次所能處理信息的數(shù)量有限，利用概念結(jié)構(gòu)圖能擴(kuò)大教師對(duì)知識(shí)的加工能力，使教科書中所呈現(xiàn)的知識(shí)總體結(jié)構(gòu)在大腦中形成牢固的認(rèn)知結(jié)構(gòu)[2].本文以知識(shí)點(diǎn)鐵及其化合物為例，利用ISM 法分別對(duì)兩個(gè)版本教科書中各個(gè)學(xué)習(xí)要素之間的邏輯順序在定性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行定量分析，分別得到兩個(gè)版本教科書中呈現(xiàn)的學(xué)習(xí)要素之間的概念結(jié)構(gòu)圖.利用概念結(jié)構(gòu)圖對(duì)兩個(gè)版本教科書中的知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)、科學(xué)、直觀地比較，得到兩個(gè)版本教科書知識(shí)內(nèi)容具體的區(qū)別與聯(lián)系，有效避免教師在對(duì)兩個(gè)版本教科書知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行全面分析的過程中遺漏學(xué)習(xí)要素，利于教師理解兩個(gè)版本教科書中內(nèi)容的體系和編排意圖.

1 ISM法簡介

ISM法(Interpretive Structure Modeling)是社會(huì)系統(tǒng)工程學(xué)領(lǐng)域中用于定性分析和系統(tǒng)把握復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一種方法.教師為了把握教科書中所呈現(xiàn)的知識(shí)總體結(jié)構(gòu)，需要在大腦中加工大量復(fù)雜的信息.但是人腦一次所能加工的信息數(shù)量有限，因此需要有補(bǔ)償和擴(kuò)大人腦的信息加工能力的方法.方法之一就是把人的思維具象化，利用計(jì)算機(jī)，通過ISM教材結(jié)構(gòu)圖繪制程序，做出一目了然的概念結(jié)構(gòu)圖[2].建立概念結(jié)構(gòu)圖有四個(gè)步驟[3]，分別是步驟1：生成連接矩陣；步驟2：生成可達(dá)矩陣；步驟3：學(xué)習(xí)要素的層級(jí)分配；步驟4：生成概念結(jié)構(gòu)圖.

2 ISM法在對(duì)比兩個(gè)版本教科書中的作用

新版教科書和實(shí)驗(yàn)版教科書中的知識(shí)內(nèi)容都包含了化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)學(xué)生需要達(dá)到的學(xué)業(yè)要求和內(nèi)容要求[4，5].為了系統(tǒng)、科學(xué)地對(duì)比兩個(gè)版本教科書中學(xué)習(xí)要素的異同，幫助教師理解兩個(gè)版本教科書中內(nèi)容的呈現(xiàn)體系和編排意圖，利用ISM法，在定性分析的基礎(chǔ)上對(duì)教科書中的知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行定量分析，制作出客觀的符合教師認(rèn)知結(jié)構(gòu)，能形象地表述各學(xué)習(xí)要素之間關(guān)系的概念結(jié)構(gòu)圖.總之，教師用一種科學(xué)的、主客觀結(jié)合的分析方法，能夠保證分析結(jié)果的科學(xué)性，從而正確地從宏觀上把握教科書的結(jié)構(gòu)[6].

3 建立概念結(jié)構(gòu)圖

建立概念結(jié)構(gòu)圖需要進(jìn)行四個(gè)步驟的操作.第一步，抽出學(xué)習(xí)要素并編號(hào)，生成連接矩陣.由于兩個(gè)版本教科書中存在相同或相似的學(xué)習(xí)要素，在抽取學(xué)習(xí)要素過程中把相同或相似的學(xué)習(xí)要素進(jìn)行整合并分別按教科書中知識(shí)內(nèi)容的呈現(xiàn)順序進(jìn)行編號(hào).分析學(xué)習(xí)要素之間的關(guān)系，生成連接矩陣，需要滿足教科書中知識(shí)的呈現(xiàn)順序(鐵的單質(zhì)、氧化物、氫氧化物、鐵鹽和亞鐵鹽)和知識(shí)點(diǎn)由易到難，由簡到繁的教學(xué)邏輯順序.第二步，生成可達(dá)矩陣.把學(xué)習(xí)要素之間的關(guān)系用連接矩陣表示，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)代碼的運(yùn)行，得到可達(dá)矩陣.第三步，學(xué)習(xí)要素的層級(jí)分配.通過對(duì)可達(dá)矩陣進(jìn)行相應(yīng)的處理，得到學(xué)習(xí)要素之間的層級(jí)分配關(guān)系.第四步，根據(jù)學(xué)習(xí)要素的層級(jí)分配，分別繪制新版教科書和實(shí)驗(yàn)版教科書鐵及其化合物學(xué)習(xí)要素的概念結(jié)構(gòu)圖.概念結(jié)構(gòu)圖中各個(gè)學(xué)習(xí)要素之間的呈現(xiàn)順序需要符合教科書中知識(shí)的呈現(xiàn)順序和知識(shí)教學(xué)邏輯順序，對(duì)出現(xiàn)不符合要求的學(xué)習(xí)要素調(diào)整其與其他要素之間的關(guān)系，重復(fù)四個(gè)操作步驟，直至得到符合要求的概念結(jié)構(gòu)圖為止.

3.1 生成連接矩陣

充分了解教科書中鐵及其化合物知識(shí)內(nèi)容的呈現(xiàn)順序，分別抽取人教版新版教科書與實(shí)驗(yàn)版教科書中鐵及其化合物的學(xué)習(xí)要素,規(guī)定兩個(gè)學(xué)習(xí)要素Si和Sj之間的關(guān)系，并用連接矩陣A=[aij]表示,如果Si是Sj的先行要素，同時(shí)Sj是Si可達(dá)要素，aij為1，否則為0.通過逐一比較各學(xué)習(xí)要素間有無關(guān)系，得到連接矩陣[3].

3.1.1 抽出學(xué)習(xí)要素并編號(hào)

對(duì)比分析新版教科書與實(shí)驗(yàn)版教科書中學(xué)習(xí)要素之間的關(guān)系，新版教科書的學(xué)習(xí)要素多于實(shí)驗(yàn)版教科書的學(xué)習(xí)要素.根據(jù)新版教科書是對(duì)實(shí)驗(yàn)版教科書的繼承和發(fā)展，學(xué)習(xí)要素的抽取和呈現(xiàn)以新版教科書為主[7，8]，相同的學(xué)習(xí)要素同行放置.針對(duì)實(shí)驗(yàn)版教科書中的學(xué)習(xí)要素表述與新版教科書不同之處，單獨(dú)寫在括號(hào)內(nèi)并附在學(xué)習(xí)要素的最右端.為了便于從整體上對(duì)比兩個(gè)版本教科書中知識(shí)內(nèi)容的異同，學(xué)習(xí)要素抽取者把兩個(gè)版本教科書中知識(shí)內(nèi)容相同，知識(shí)內(nèi)容的呈現(xiàn)順序也相同的幾個(gè)學(xué)習(xí)要素歸為一個(gè)大的學(xué)習(xí)要素.最終抽取新版教科書概念26個(gè)學(xué)習(xí)要素，實(shí)驗(yàn)版15個(gè)學(xué)習(xí)要素，并分別進(jìn)行編號(hào),如表1所示:

表1 抽取概念并編號(hào)

續(xù)表

3.1.2 生成連接矩陣

確定鐵及其化合物由哪些學(xué)習(xí)要素組成后，規(guī)定兩個(gè)學(xué)習(xí)要素Si對(duì)Sj之間的關(guān)系并用矩陣形式表示.新版教科書中，例如S1無先行要素，只有可達(dá)要素S3；S2無先行要素，只有可達(dá)要素S8；S3的先行要素是S12，可達(dá)要素是S6.依次把先行要素和可達(dá)要素羅列出來，為簡單明了地在圖中呈現(xiàn)兩個(gè)版本教科書中各學(xué)習(xí)要素之間的關(guān)系，對(duì)部分學(xué)習(xí)要素對(duì)應(yīng)的先行要素和可達(dá)要素進(jìn)行整合，分別得到兩個(gè)版本教科書中學(xué)習(xí)要素之間的連接矩陣，如圖1和圖2所示.

3.2 生成可達(dá)矩陣

在計(jì)算機(jī)代碼中分別輸入兩個(gè)版本教科書中學(xué)習(xí)要素對(duì)應(yīng)的連接矩陣A(計(jì)算機(jī)程序中有相同層級(jí)的單位矩陣I)，對(duì)某一整數(shù)K做矩陣(A+I)的冪運(yùn)算(基于布爾代數(shù)運(yùn)算進(jìn)行)，直至A+I≠(A+I)2≠...(A+I)k=(A+I)k+1=M成立為止，可得到可達(dá)矩陣M[3].通過可達(dá)矩陣可以得到可達(dá)集合R(Si)和先行集合A(Si)[2].可達(dá)集合R(Si)指的是，從學(xué)習(xí)要素Si出發(fā)可以到達(dá)的全部學(xué)習(xí)要素的集合.先行集合A(Si)指的是，可以到達(dá)學(xué)習(xí)要素Si的全部學(xué)習(xí)要素的集合.通過計(jì)算機(jī)中代碼進(jìn)行運(yùn)算，分別得到新版教科書的可達(dá)矩陣M=(A+I)19，即(A+I)18≠(A+I)19=(A+I)20，實(shí)驗(yàn)版教科書的可達(dá)矩陣M=(A+I)11，即(A+I)10≠(A+I)11=(A+I)12.用計(jì)算機(jī)代碼實(shí)現(xiàn)其計(jì)算過程，在提高計(jì)算速度的同時(shí)可以確保結(jié)果的準(zhǔn)確性.

3.3 學(xué)習(xí)要素的層級(jí)分配

根據(jù)可達(dá)集合R(Si)和先行集合A(Si)，求滿足R(Si)∩A(Si)=R(Si)的集合L1[3].L1中的學(xué)習(xí)要素，從其他學(xué)習(xí)要素可以到達(dá)該學(xué)習(xí)要素，而從該學(xué)習(xí)要素不能到達(dá)其他學(xué)習(xí)要素.即L1中的學(xué)習(xí)要素位于第一層級(jí)(最高層次).然后從原來的可達(dá)矩陣M中刪去對(duì)應(yīng)L1中的學(xué)習(xí)要素行和列.接著進(jìn)行同樣的操作確定屬于第二層級(jí)L2的學(xué)習(xí)要素，依次重復(fù)操作直到求出最低層級(jí).

新版教科書學(xué)習(xí)要素的第一次集合運(yùn)算，得到滿足R(Si)∩A(Si)=R(Si)的集合為S25和S26.它們是最終形成關(guān)系圖中第一層級(jí)，即最高層級(jí)為S25和S26.第一層級(jí)確定后，將它們從可達(dá)矩陣中取出.依此類推可得，第二層級(jí)S24，第三層級(jí)S23，第四層級(jí)S22，第五層級(jí)S21，第六層級(jí)S19，第七層級(jí)S18和S20，第八層級(jí)S17，第九層級(jí)S16，第十層級(jí)S14，第十一層級(jí)S13，第十二層級(jí)S15，第十三層級(jí)S4，第十四層級(jí)S5，第十五層級(jí)S11，第十六層級(jí)S8，S9和S10，第十七層級(jí)S2和S7，第十八層級(jí)S6，第十九層級(jí)S3和S12，第二十層級(jí)S1.

實(shí)驗(yàn)版教科書學(xué)習(xí)要素的第一次集合運(yùn)算，得到滿足R(Si)∩A(Si)=R(Si)的集合為S15，它是最終形成關(guān)系圖中第一層級(jí)，即最高層級(jí)為S15確定后，將它們從可達(dá)矩陣中取出.依次類推，進(jìn)行集合運(yùn)算可得：第二層級(jí)S14，第三層級(jí)S13，第四層級(jí)S12，第五層級(jí)S11，第六層級(jí)S10，第七層級(jí)S9，第八層級(jí)S6、S7和S8，第九層級(jí)S5，第十層級(jí)S4和S2，第十一層S1，第十二層S3.

3.4 生成概念結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)兩個(gè)版本教科書學(xué)習(xí)要素之間的層級(jí)關(guān)系，帶入相應(yīng)的學(xué)習(xí)要素可生成兩個(gè)版本教科書對(duì)應(yīng)的概念結(jié)構(gòu)圖.需要注意的是，由于先行學(xué)習(xí)要素和可達(dá)學(xué)習(xí)要素的確定難以避免個(gè)人主觀因素的干擾，導(dǎo)致得到的概念結(jié)構(gòu)圖出現(xiàn)個(gè)別學(xué)習(xí)要素所處的層級(jí)不符合教科書中知識(shí)的呈現(xiàn)順序和知識(shí)教學(xué)邏輯順序的要求.需要對(duì)不符合教學(xué)邏輯關(guān)系的學(xué)習(xí)要素根據(jù)教學(xué)邏輯關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，重復(fù)進(jìn)行建立概念結(jié)構(gòu)圖的四個(gè)操作步驟，直至得到符合要求的概念結(jié)構(gòu)圖為止.最終分別得到新版教科書和實(shí)驗(yàn)版教科書的概念結(jié)構(gòu)圖，分別如圖3和圖4所示.

4 對(duì)比分析兩個(gè)版本的概念結(jié)構(gòu)圖的異同

雖然教科書以學(xué)科知識(shí)的邏輯順序?yàn)橹鳂?gòu)建知識(shí)體系[9]，但是教科書中部分知識(shí)內(nèi)容其呈現(xiàn)形式較混亂，需要對(duì)其進(jìn)行合理的調(diào)整.從圖3和圖4可知，基于ISM法對(duì)教課書呈現(xiàn)的學(xué)習(xí)要素進(jìn)行科學(xué)的調(diào)整.新版教科書調(diào)整7個(gè)學(xué)習(xí)要素(S3，S12，S6，S5，S4，S15，S20)的順序.即在講解S2鐵元素的主要化合價(jià)之前，先講解S3鐵在地殼中的含量.接著講解S12資料卡片欄目：人體中的鐵元素，S6鐵的延展性、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，再進(jìn)行S2鐵的化合價(jià)和S7鐵能被磁鐵吸引的講解.在講S13鐵的氧化物之前，講解S5、S4和S15.是因?yàn)镾11鐵與水蒸氣的反應(yīng)產(chǎn)物有Fe3O4，接著講解S5工業(yè)煉鐵的原理，主要原料為Fe2O3.輔以S4丹霞地貌含F(xiàn)e2O3和S15Fe3O4和Fe2O3的簡單介紹，再統(tǒng)一于學(xué)習(xí)要素S13鐵的氧化物這一類.S20調(diào)整到S18的后面，是因?yàn)镾20是對(duì)S18的深化，同時(shí)為S19做好鋪墊.實(shí)驗(yàn)版教科書只需要調(diào)整一個(gè)學(xué)習(xí)要素S3，即需要先講解學(xué)生已知的S3鐵在地殼中的含量，再銜接其他學(xué)習(xí)要素，使知識(shí)呈現(xiàn)符合由易到難的教學(xué)邏輯順序.新版教科書分別并列S3和S12、S2和S7、S8、S9和S10、S18和S20、S25和S26.實(shí)驗(yàn)版教科書分別并列S2和S4、S6，S7和S8.針對(duì)調(diào)整時(shí)出現(xiàn)學(xué)習(xí)要素并列的情況，教學(xué)過程中需先安排基礎(chǔ)性的學(xué)習(xí)要素.對(duì)于基礎(chǔ)性相同的情況，可根據(jù)教學(xué)實(shí)際需要確定教學(xué)順序[10].其他學(xué)習(xí)要素按教科書呈現(xiàn)順序進(jìn)行教學(xué).

圖3 新版教科書的概念結(jié)構(gòu)圖

圖4 實(shí)驗(yàn)版教科書的概念結(jié)構(gòu)圖

4.1 學(xué)習(xí)要素對(duì)比

由于新版教科書中的學(xué)習(xí)要素相較于實(shí)驗(yàn)版教科書，多了11個(gè)學(xué)習(xí)要素(S1、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S12、S20、S25、S26).新版教科書中，S1隕鐵，S4丹霞地貌Fe2O3，S9熾熱的鐵水或鋼水注入的模具應(yīng)干燥，不得留有水.這三個(gè)學(xué)習(xí)要素以豐富的圖片和文字進(jìn)行鐵和鐵的氧化物描述，也有S5工業(yè)煉鐵的原理，還原的方法.S6鐵的延展性、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性.S7鐵能被磁鐵吸引.這三個(gè)學(xué)習(xí)要素對(duì)于初中階段的習(xí)得內(nèi)容進(jìn)行回顧，在原有知識(shí)的基礎(chǔ)上循序漸進(jìn)的進(jìn)一步提升.用S8作還原劑與氧化性弱(鹽酸、硫酸銅等)、氧化性強(qiáng)(氯氣等)的氧化劑反應(yīng)，并用化學(xué)符號(hào)描述鐵單質(zhì)的還原性.S12資料卡片欄目：人體中的鐵元素，有利于拓寬學(xué)生了解鐵元素的視野，激發(fā)學(xué)生深入學(xué)習(xí)鐵的重要化合物的興趣.S20：提問實(shí)驗(yàn)室如何得到Fe(OH)2，激發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，思考Fe(OH)2和Fe(OH)3的不同.S25思考與討論欄目：Fe、FeSO4和Fe2(SO4)3這三種物質(zhì)氧化性和還原性，綜合運(yùn)用本節(jié)掌握的知識(shí)內(nèi)容.S26方法導(dǎo)引欄目：認(rèn)識(shí)元素及其化合物的視角，從方法上面進(jìn)行指導(dǎo).這有利于學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行遷移，提高學(xué)生的預(yù)測物質(zhì)性質(zhì)的能力，了解基于物質(zhì)類別和元素價(jià)態(tài)可以設(shè)計(jì)物質(zhì)間轉(zhuǎn)化的途徑[11].

4.2 單質(zhì)和化合物的學(xué)習(xí)要素分配

新版教科書鐵單質(zhì)部分給出12個(gè)學(xué)習(xí)要素：S1～S12.鐵單質(zhì)部分增加的學(xué)習(xí)要素涉及生活實(shí)際、物質(zhì)價(jià)態(tài)、歷史文物和工業(yè)煉鐵等方面.鐵的化合物部分給出14個(gè)涉及鐵的氧化物，鐵的氫氧化物以及鐵鹽和亞鐵鹽的學(xué)習(xí)要素，即S13～S26.實(shí)驗(yàn)版教科書在鐵的單質(zhì)部分以三個(gè)學(xué)習(xí)要素S1～S3進(jìn)行呈現(xiàn).沒有全面系統(tǒng)的介紹鐵單質(zhì)的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì).在實(shí)驗(yàn)3-3鈉與水反應(yīng)的現(xiàn)象之后呈現(xiàn)鐵單質(zhì)與水蒸氣的反應(yīng)，接著呈現(xiàn)鋁與氫氧化鈉反應(yīng).先表述S1：鐵不與冷水和熱水反應(yīng)之后，提出S2：鐵能否與水蒸氣反應(yīng)的問題，并進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，給出鐵與水蒸氣反應(yīng)的符號(hào)表達(dá)式.新版教科書相較于實(shí)驗(yàn)版教科書，新版教科書會(huì)結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，利用學(xué)生已有知識(shí)作為學(xué)習(xí)新知識(shí)的生長點(diǎn)進(jìn)行知識(shí)內(nèi)容的呈現(xiàn).鐵的化合物部分給出12個(gè)學(xué)習(xí)要素：S4～S15.學(xué)習(xí)要素涉及鐵的化合物主要化合價(jià)，鐵的氧化物，鐵的氫氧化物以及鐵鹽和亞鐵鹽.鐵的氧化數(shù)在S4中呈現(xiàn).鐵的氧化物在S5～ S9中呈現(xiàn).鐵的氫氧化物在S10和S11中呈現(xiàn)，鐵鹽和亞鐵鹽在S12，S13～S15中呈現(xiàn).按金屬元素及其化合物的認(rèn)知順序進(jìn)行呈現(xiàn).

4.3 相同學(xué)習(xí)要素的區(qū)別與聯(lián)系

新版教科書中有15個(gè)學(xué)習(xí)要素與實(shí)驗(yàn)版教科書的15個(gè)學(xué)習(xí)要素相對(duì)應(yīng)，其中有區(qū)別的學(xué)習(xí)要素有10個(gè)，即S2、S10、S11、S15、S18、S19、S21、S22、S23、S24.分別對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)版中的S4、S1、S2、 S7、S10、S11、S12、S13、S14、S15.為了表達(dá)簡便，對(duì)應(yīng)關(guān)系用符號(hào)“→”表示.

5 結(jié)論

基于ISM法分別得到新版教科書和實(shí)驗(yàn)版教科書中鐵及其化合物知識(shí)內(nèi)容的概念結(jié)構(gòu)圖.通過分析兩個(gè)版本教科書概念結(jié)構(gòu)圖的異同，可知兩者之間具體的區(qū)別和聯(lián)系.首先，新版教科書有26個(gè)學(xué)習(xí)要素比實(shí)驗(yàn)版教科書多11個(gè)學(xué)習(xí)要素.新版教科書的知識(shí)內(nèi)容與生產(chǎn)、生活聯(lián)系更加緊密.其次，新版教科書中15個(gè)學(xué)習(xí)要素與實(shí)驗(yàn)版教科書15個(gè)學(xué)習(xí)要素大體上相同，在10個(gè)學(xué)習(xí)要素上存在一些區(qū)別.用ISM法可以科學(xué)、直觀地把新版教科書中呈現(xiàn)的知識(shí)內(nèi)容與教師原有的實(shí)驗(yàn)版教科書的知識(shí)結(jié)構(gòu)建立聯(lián)系，促進(jìn)化學(xué)教師高效地理解和掌握人教版教科書所呈現(xiàn)的知識(shí)總體結(jié)構(gòu).需要特別注意的是，根據(jù)ISM法得到的概念結(jié)構(gòu)圖只是根據(jù)教科書中知識(shí)的呈現(xiàn)順序和知識(shí)的教學(xué)邏輯順序?qū)Τ槿〕龅膶W(xué)習(xí)要素進(jìn)行科學(xué)的呈現(xiàn)，教師在教育教學(xué)過程中的需要根據(jù)教學(xué)實(shí)際的需要對(duì)概念結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行調(diào)整.