基于ISM法的新旧鲁科版物理教材结构比较分析

陈淑玲 林钦

摘    要：在新课改的背景下，鲁科版物理教材编写者为更好地落实最新的育人要求，培养学生的物理核心素养，对教材进行了修订。文章利用ISM法，以鲁科版高中物理教材必修1第一单元“运动学”为例，选取合适的知识要素构建邻接矩阵，并计算获得可达矩阵，构建出该章的层级有向图，从核心要素的选择异同、起点和终点要素的安排异同、要素间形成关系异同三个方面对修订前后的教材进行比较分析。

关键词：ISM法;新旧教材比较;运动学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）3-0022-6

教材在教学工作中具有重要的价值，它是学生获得系统知识的直接来源、拓展科学原理和扩大知识领域的基础，优秀的教材可以陶冶学生的情操，帮助他们树立远大的理想和正确的人生观、价值观;教材也是教师进行教学的依据，只有熟练掌握教材内容，懂得教材意义、发展状况及编写原则，教师在运用和处理教材时才能灵活自如，富于创造性[1]。物理教材是物理课程物化的形式，是教师开展物理教学的必要工具，更是学生获取物理知识的直接來源。

随着新一轮基础教育改革的开启，教育部颁布《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称“新课标”），物理核心素养成为物理课程发展的最新目标，也标志着我国物理教育的发展进入一个新阶段。在该背景下，相关专家为使教材更加符合新课标的要求，依据新课标对物理教材进行了修订。

修订版鲁科版物理教材相较于旧版教材在教材基本架构、内容主题、修订版教材的体例等内容上均有不同[2]。为了使教师更好地把握新教材，挖掘教材的内在价值，明确教材结构联系，对教材内容的层次关系做到心中有数，教材分析是教学活动中一项必不可少的工作。本文以鲁科版高中物理教材必修1第一单元“运动学”为例，运用ISM法对修订前后的教材（以下分别简称“旧版教材”“新版教材”）进行比较分析，用层级有向图的形式直观展示教材的知识层级结构，为教师进一步明确教材结构、合理使用教材提供参考。

1    ISM简介

ISM法（Interpretive Structural Model）是Waf-

field将图论（Graph Theory）用于研究社会系统中复杂要素间关联结构分析的一种方法[3]。其特点是将复杂大系统问题分成多个要素，利用人的直觉和结构模型的方法，借助计算机综合性定出要素的顺序、层次结构。自1978年由日本佐藤隆博教授证实ISM分析法同样适用于教材开发和目标分析[4]后，该方法被广泛运用于教材结构的分析。该方法用于教学系统分析具有很好的效果，在教材分析中，以人们的经验为基础，通过图表化的呈现方式，对教材的编排体系进行结构化梳理[3]。运用ISM法的教材分析主要包含四个步骤，如图1所示。

教师首先根据对教材的理解和教学经验抽取教材的基本知识要素;再根据教材内容和教材观，确定要素间形成的关系，使用矩阵的形式表示;第三步对该矩阵运用布尔运算求出可达矩阵;在此基础上，以一定的层级排列算法，决定每一要素的层级，由此形成关系图，最后教师针对该关系图进行研讨，对整个流程进行修正[3]。

2    ISM法分析过程

2.1    抽取知识要素

运用ISM法分析教材的关键一步就是对知识要素的抽取，为降低知识要素抽取的主观性，本文在已有文献的基础上对知识要素作如下界定[5-7]：

第一类是教材中明确加粗的概念或主要知识点，第二类是处于节点位置的关键教学活动。第一类知识要素用“○”表示，第二类知识要素用“□”表示。结合新课标抽取出新版教材知识要素21项，旧版教材知识要素20项，并用编码进行标注（见表1）。

2.2    构建邻接矩阵

1.建立要素关系

构建邻接矩阵的基础是建立要素关系，在教材编排中，教材知识常表现出的是上下位关系，即阐明上位要素时要用到某下位要素内涵的本质属性，则判断两个要素有形成关系[5]。例如，根据教材编排顺序，本单元S6位移的学习是在能正确建立S3坐标系的基础上和理解S5质点这个理想化模型的前提下进行的，则称S6为上位要素，S3和S5为学习S6的下位要素。由此所确定的新旧教材要素关系图如图2和图3所示。

2.建立邻接矩阵

根据形成的要素关系，当两个要素有箭头联系时，用1表示，没有箭头联系时，用0表示。比如，在新版教材知识要素中S2对S1有箭头关系，则矩阵中元素A21（S）=1;S1对S2无箭头关系，则对应元素为A12（S）=0。依此将这些关系转变成矩阵形式，新版教材的邻接矩阵为Aij（S），旧版教材的邻接矩阵为Aij（L）。

2.3    获取可达矩阵[3]

结合单位矩阵I，对邻接矩阵进行布尔运算：

（A+I）k-1≠（A+I）k=（A+I）k-1=M

可求得可达矩阵M。关于布尔运算可以通过计算机编程实现，本文运用MATLAB计算可得新版教材可达矩阵为Mij（S），旧版教材可达矩阵为Mij（L）。

2.4    形成层级有向图

利用可达矩阵确定各要素的层级时，遵循三点原则：同层要素互通或者不通;每层要素仅指向相邻的上层要素;每层要素不指向下层要素。Si表示要素，仅当E（Si）∩F（Si）是Si顶层要素，其中E（Si）表示要素Si能到达的要素集合，F（Si）表示能到达要素Si的要素集合。以新版教材为例（见表2）。

根据表2，确定新版教材本章最高层级的要素是S1，S8，S10，S16，S18，S20，S21;先将这些要素从表中取出，接着再用相同的办法确定出第二层级、第三层级、……、第n层级。同理，确定旧版教材知识要素层级，最终各要素层级见表3。

根据表3画出层级有向图，对较高层级的知识要素在不改变整体结构关系和要素间关系的基础上调整位置，最终得到层级有向图如图4、图5所示。

3    比較分析

根据新旧鲁科版教材同一单元内容的层级有向图，从核心要素的选择异同、起点和终点要素的安排异同、要素间形成关系异同三个方面对教材进行比较分析。

3.1    核心要素选择异同分析

对比图4和图5，可以发现新旧教材知识要素选取大体相同，两者都以质点、坐标系和参考系作为“运动学”这一单元学习的起点，以此为基础，逐渐对描述运动的物理量——位移、速度、加速度深入学习，再结合图像探索匀变速直线运动规律，整个单元层级结构要素之间的联系和关系指向清晰，知识自下而上由简单到复杂，层层递进，整体联系密切，符合学生单元学习的规律。

与旧版教材相比，新版教材知识要素在“量”上大致相同，在“质”上有所提升。“量”上，新版教材有21个，旧版教材有20个，两者数量相当;“质”上，从整体视角来看，新版教材有单元的概念，更加关注学生认知中知识结构的整体性。从局部视角看，一方面要素的描述更精确，比如，将“匀变速直线运动位移变化规律”改成“匀变速直线运动s-t关系”，两者内容虽然相近，但是新版教材对知识描述更加明确，学习指向清晰，目标直指位移随时间的变化规律，不仅有助于教师更详细地设置教学目标，而且便于学生自主使用教材。另一方面新版教材相较于旧版教材知识要素有所删、增，比如，新版教材删除“匀变速直线运动平均速度”，转而借助“v-t图”得到“匀变速直线运动s-t关系”，教材直接给出推导依据，方法清晰，蕴含极限思维方法，可读性增强;新版教材增加“实验误差与有效数字”要素，误差分析和有效数字保留是学生形成科学探究素养的必备能力，教材增加该要素为学生整个高中物理实验分析奠定基础，关注对学生科学实验素质的培养。新版教材对要素的删、增、变，让教材成为更符合学生学习的“脚手架”。

3.2    起点和终点要素的安排异同分析

起点要素是在有向图中只有箭头指出，没有箭头指入的知识要素。新旧两版教材在起点要素的安排上相同，均以质点、坐标系、参考系为起点要素，这三者是本单元学习的起点，处于该单元学习的基石位置。对运动相关的问题解决几乎都是在这三个要素的基础上进行。同时，新旧两版教材均重视质点模型的学习，但是在新课标中强调学生要经历质点模型的建构过程，明确注重对学生构建模型的科学思维的培养。

终点要素是在有向图中只有箭头指入，没有箭头指出的知识要素。对比新旧两版教材的层级有向图，可以发现新旧两版教材相同的终点要素有平均速度、s-t图、a-t图和机械运动。两者的差异在于新版教材以“匀变速直线运动s-v关系”为终点要素，而旧版教材以“匀变速直线运动位移变化规律”为终点要素，虽大体上两者相同，但是细节上新版教材对要素的描述更精确、更详细。

3.3    要素间形成关系异同分析

笔者对比新旧两版教材的层级结构图，将层级图划分为主体和两翼部分，主体构成单元主线，两翼辅助主体形成。知识要素形成关系的主体如层级图中的虚线框所示，两者都是按质点、时间时刻、矢量标量、瞬时速度、加速度、匀变速直线运动、匀变速直线运动规律的主线形成，新版教材在“匀变速直线运动规律”要素上进行具体细化，使得师生明确位移、时间、速度三者之间的每两个都存在着相互制约的关系，从知识点到主线上整体逻辑脉络清晰，按从简单到困难，从运动相关的物理量到运用这些物理量描述匀变速直线运动，探究其运动特征，符合高中学生认知发展特征。在两翼上，新旧两版教材虽然都有描述运动的图像（如s-t图、v-t图等），但是从结构关系上看，新版教材充分利用v-t图像对匀变速直线运动规律（包含s-t关系、s-v关系）进行推导，相比旧版教材，新版教材对运动图像的重视程度和运用程度有所加强。

参考文献：

[1]曲大富，李国余.教育百科全书第2卷[M]. 吉林：北方妇女儿童出版社，1999.

[2]廖伯琴.课程标准与教材修订（一）——基于2017版课标对高中物理教材修订的总体思考[J].物理教学探讨，2020，38（01）：1-4.

[3]傅德荣，章慧敏.教育信息处理[M].北京：北京师范大学出版社， 2011.

[4]佐藤隆博.ISM构造学习法入门[M].东京：明治图书，1996.

[5]魏伊.基于ISM法的不同时期高中地理教材结构比较研究——以“地球上的大气”为例[D].武汉：华中师范大学，2019.

[6]石蕊.基于ISM法的高中物理教材结构的比较研究[D].西安：陕西师范大学，2016.

[7]谭熙.基于ISM分析法的人教版新旧地理教材比较分析——以“地球上的水”为例[J].地理教学，2020（03）：42-45.

（栏目编辑    刘   荣）