基于ISM法对中美两版物理教材“电路”部分的结构分析
时间：2023-02-27 23:05:04 来源：千叶帆 本文已影响人
姜雨婧 刘小贤
（1.南京师范大学教师教育学院，江苏 南京 210023；
2.南京师范大学物理科学与技术学院，江苏 南京 210023）
教材是前承课程标准，后启课堂教学的主要媒介，是物理教学过程4个基本要素之一，是帮助学生认识物理世界的重要工具，是师生开展教学活动的主要依据和重要来源.［1，2］因此，教材分析对教师制定教学决策与开展教学活动具有重要的参考价值与指导意义，间接影响课程目标的达成与学生核心素养的培养.［1，3］
国内外的教材编写者往往持有不同的教材观，对于同一部分知识，不同教材在知识点选取、认知逻辑设计、特色板块编排等方面都存有一定差异.因此，进行国际教材的对比分析可以深化教师对物理学科知识的理解，帮助教师剖析知识的内在理路，在充分理解和利用教材的基础上丰富教学内容.
然而，教材分析往往会过多掺杂研究者自身的主观导向.这样依据经验的分析结果就会存在局限和“偏见”.［3］在对比分析教材的众多方法中，主客观结合的ISM法作为科学系统的分析工具受到教材研究者们的信赖.该方法既支持研究者的观点自由，又满足分析过程与结果的科学性，使教材分析更客观严谨.
利用ISM法对比分析物理教材已具有十分成熟的思路和严谨的流程.［1，3－5］自新课改以来，2019年出版的人教版高中物理教材正式投入使用，但目前鲜有对新版教材结构的梳理与研究，可见物理教材分析的版图还不够丰富和完善.本文利用ISM法对我国2019年投入使用的人教版高中物理教材《物理》（以下简称R教材）与美国9—12年级的主流物理教材《物理：原理与问题》（Physics：Principles and Problems）（以下简称3P教材）中“电路”部分进行对比研究，通过绘制层级有向图，比较两版主流教材对同一专题编写结构与内在逻辑的共性与差异，归纳教材编写特色与结构优劣，为我国教材的编写修订和多样化发展提供参考建议，为一线教师备课与教学提供新视角与新思路.
布鲁纳曾在《教育过程》一书中强调任何学科都有其基本结构：“不论我们选教什么学科，都务必使学生理解该学科的基本结构，学科的基本结构即各门学科的基本概念、基本原理和规律，学习结构就是学习事物是怎样相互关联的.”［6］研究表明，从教材的本质结构看，任何一本中学教材都必须满足3个基本要素：学科知识体系、学生心理发展（或思维能力发展）和可教学性，教材编写应该遵循教学逻辑.［7］综上，物理教学应该置于一个各知识要素间相互关联、有内在逻辑的网络结构中开展，那么教材中各知识要素间是否存在紧密的内在逻辑关系就成为分析教材编写质量高低的判据之一.肖磊等人在回顾过去20年来中国教材分析的文章中提出，教材是传递人类文化知识和国家意识形态的特殊文本，因而教材分析离不开对教材文本内容及结构的分析，所使用的研究方法也离不开质性和量化研究.［8］
ISM法（Interpretive Structural Modeling Method）是解释结构模型法的简称，最早由美国沃菲尔德（John Warfield）教授于1973年提出，是将图论用于分析经济社会系统中复杂要素间关联结构的一种方法.佐藤隆博于1978年证实该方法适用于目标分析与教材开发.［3，9，10］ISM 法提供了一个梳理复杂系统内在结构的有效手段，分析脉络明确可观，实现了主观与客观、定性与定量、数学模型与思维逻辑的高度融合.该模型能够系统地将教材中各知识要素之间复杂、零乱、分散的关系以可视化、递进式、整体性的结构模式清晰地展现出来.利用ISM法分析教材不仅有助于教师厘清和把握教材中知识点间的内在逻辑指向和层级结构划分，也为教师深入备课和创新教学提供科学的逻辑思路，还有助于学生在繁芜冗杂的知识要素中自主构建有条理的知识体系.
以两版教材中“电路”部分为例，运用ISM法分析教材结构的操作流程概述如下：首先综合自身对教材的理解、学生的认知程度、现有研究成果、学科特色、业界专家及经验丰富的教师的意见进行关键知识要素的界定，提取两版教材中关键知识要素（即物理知识点），并为其编码排序（见表1和表2）.而后根据改进后的ISM法，运用简化操作确定要素间的二元形成关系，并绘制要素间形成关系路径图.［11］据此创建邻接矩阵并求取可达矩阵，最后绘制层级有向图（见图1和图2）.
表1 R教材“电路”部分关键知识要素
表2 3P教材“电路”部分关键知识要素
图1 R教材的层级有向图
图2 3P教材的层级有向图
3.1 关键知识要素的异同
通过对两版教材中“电路”部分相关章节的目录进行对比，发现两版教材在章节划分和内容设置方面存在较大差异.R教材对“电路”部分的教学分成两章9节内容，而3P教材仅有4节内容.笔者从R教材提取出33个关键知识要素，3P教材提取出26个关键知识要素，R教材的关键知识点含量略高于3P教材.其中，两者共同要素包括“电源（电池组）”“电流”“电功”“电功率”“电压表和电流表的结构”“串联和并联电路”等，宏观上所呈现的知识内容大体相同，说明编者们对“电路”部分学生需要掌握的基本知识的把握基本一致，但对部分关键知识要素的处理、选择和出现顺序等方面存在差异.在对共同且基础的知识点“电源”的处理上，两版教材均注重对旧知识的巩固运用，在原有认知基础上发展新知识，但3P教材在“电路”起步阶段就强调了电流与能量之间的联系，为后续电能和能量守恒思想的学习埋下伏笔.此外，在解释电源工作原理的插图部分，有别于R教材将两电荷横向并置，3P教材将高电势一端置于低电势上位，从视觉角度潜移默化地帮助学生建构电势能与重力势能的联系，深化学生对电源工作原理的记忆与理解.又比如R教材的编写严格依照课标要求，将能源利用和社会可持续发展作为教材关键知识要素，注重学生核心素养的显性培养；
3P教材更倾向对用电安全的介绍.再比如对于“电功率”的计算推导过程两版教材一致，R教材对其安排靠后，在“电能”首节出现，结合静电力做功和前一章习得的电流公式，得到电功率的计算式；
3P教材则渐入佳境，对电流进行定义后，顺势结合“电流携带的能量即为电能”，推导出电能和电功率的计算式.前者符合我国学生在电学部分的学习习惯，后者关注基础知识的实时应用.
3.2 起始要素选取的异同
起始要素是指在层级有向图中只有指出箭头，而没有指入箭头的要素.起始要素只有可达要素，在教材中该部分内容作为基础知识而被直接引入.建构主义认为：应充分关注认知起点，促进学习者在已有知识基础上的有意义学习.因此起始要素在知识框架中承担基石作用.R教材的起始要素为“电源”“欧姆定律”以及“游标卡尺和螺旋测微器的使用”，而3P教材的起始要素为“电流”和“欧姆定律”.“电源”和“电流”在两版教材中均属于低层级要素，且在编排上都紧接着另一个要素，因此对后续知识学习的干预不大.
“欧姆定律”作为初中知识，两版教材均选择直接引用.3P教材中“欧姆定律”的可达要素为“电阻”，不同之处在于，R教材从分析导体的U -I图像出发，得到电阻的定义式和定义，进而过渡到从定性和定量两个角度分析影响电阻大小的因素，再延伸到对线性元件与非线性元件“伏安特性曲线”的学习，最后结合“游标卡尺和螺旋测微器的使用”实现“导体电阻率的测量”.3P教材先从欧姆定律“一段通电导线的电压和电流成正比”的结论出发，结合将同一节电池分别与铜棒和玻璃棒相连产生电流有无的现象，得到电阻的定义——物体由于存在电压而产生的阻碍电流的特性，而后直接给出电阻的计算公式、单位和符号，仅从定性角度解释了影响电阻大小的因素，虽然不涉及电阻率的定义和计算，但列举出了不符合欧姆定律的器件、具有特定阻值电阻器的构成材料以及滑动变阻器的内部构造和实际应用（如MP3播放器和计算器的晶体三极管和二极管、滑动变阻器是电动摩托车控制杆能够连续改变转速的关键），并联系身体健康，结合人体电阻强调用电安全.
R教材的知识内容编排难度大、物理学科知识性强、对学生的学习能力提出更高要求.3P教材侧重对学生安全意识的培养和知识面的拓展，更强调物理在生活生产中的基本应用和与科学技术的密切关联.
3.3 结点要素选取的异同
结点要素是指在层级有向图中只有指入箭头，而没有指出箭头的要素.结点要素没有可达要素，因此不对其他知识要素构成影响，通常位于层级有向图的最顶端.R教材和3P教材均有9个结点要素，但差异巨大，相同的仅有2个——“超导现象”和“电压表电流表的构造”.对于“电压表电流表的构造”两版教材较为相似，“串并联电路”均是最重要的先行要素.但对于“超导现象”R教材从“电阻”过渡到“影响电阻的因素”，从温度过渡到“超导现象”这一特殊情况.而3P教材则以“电阻”和“电功率”共同作为“超导体（现象）”的先行要素，因为导体的电阻为0，因此电荷在其中的运动不会受到阻力，故超导体中不存在电压，又因导体损耗功率为IU，因此超导体传输电能没有损耗.
结点要素不同，既说明教材对同类知识需要掌握的深度和广度的要求不同，也体现了教材的编写特色和编者的教材观.在R教材中“电流的微观解释”是“电流”的可达要素也是结点要素，而3P教材则不涉及电流的微观解释.此外，3P教材中“电能的转化与计算”这一结点要素在R教材中仅处于第5层级，而R教材对“电能”知识要素的要求不仅限于能够应用公式计算电能和电功率及其在传输过程中的损失，更要求学生能够应用“电能”相关知识解决“闭合电路欧姆定律”此类更复杂的问题，可见R教材对“电路”部分需要掌握知识的深度和广度均远超3P教材.3P教材部分结点要素我国学生在初三阶段已经熟练掌握（如“家庭电路保护装置”和“千瓦时”），其结点要素的设置看似简单实则生活化，侧重物理知识在生活生产、工业技术中的实用途径与价值体现，更体现3P教材从物理走向生活、用知识服务生活的教材观.
3.4 要素间形成路径的异同
形成路径反映编者对于知识内在逻辑关系和教学顺序的理解和组织.两版教材关键知识要素的层级有向图均成树状，知识主干相似，可见编者们均重视基础知识的铺垫与高阶知识的发散，但要素间形成路径的差异较大.R教材形成路径更为复杂，除去关键知识要素的数量差异，本质源于两版教材的单元设置不同.R教材从闭合电路的基本构成要素（电源、电流、电阻、串并联电路）开始，逐步延伸到对能量的学习，并着重强调功能关系的转化，切合我国学生初中时的学习顺序.而3P教材则先由电路基本知识引出电能及其应用，再从能量角度考虑电路相关应用，属于交互学习，因此将电路基本构成要素和电能两部分联系得更加紧密.此外，两版教材的可达要素大多有多条路径，说明对于较为复杂的知识点，中美教材均采用新旧知识融合的编排方式，通过对知识点的综合运用实现重难点的突破.
运用ISM法对比分析教材可以帮助教师更好厘清各知识点间的逻辑关系，结合实际学情和课标要求，通过筛选、归纳、整合分析结果进行课堂优化，ISM法不失为一线教师准确理解教材结构和知识逻辑关联的一件利器.本文运用ISM法对中美两版主流物理教材“电路”部分的结构进行对比分析，发现两版教材在关键知识要素、起始要素、结点要素的选取，以及要素间的形成路径存在差异，只有取其精华、融会贯通才能倍道而进、锦上添花，因此结合上文分析结果，见微知著，对我国教材编写及教学提出以下两点建议.
在知识要素选取方面，不仅要强调知识的纵深与横宽，物理与现实生活的联系也不容忽视.在保留我国教材特色之余，可适当添加工程技术、体育健康、日常生活、职业生涯等与物理学相关、具有时效性的跨学科领域内容的插图与文字介绍，从而增添物理教材和物理教学的趣味性与丰富度.聚焦物理学科的生活化与实用性，体现物理学的时代性和基础性，满足社会对人才培养的需要和学生对自身发展的需求.
在知识编排顺序方面，在满足课标要求和理解学生原有认知结构的基础上，巧妙完善学生认知体系的闭环结构.例如：为更加符合我国学生对电路和能量之间关系的认知，初次教学时应采用我国教材编写的逻辑顺序，但在复习课、习题课等强调知识综合运用的授课过程中，建议教师借鉴美国3P教材的编写思路，可通过设置系列“问题链”来帮助学生构建“电路”和“电能”间相互转化的紧密联系，提高学生的思维品质，帮助学生建构系统完整的认知体系.
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