素养导向下基于大概念理念的ISM法教材分析初探——以“磁场”为例

吴同华 陈美丽 宋 洁

(牡丹江师范学院物理与电子工程学院 黑龙江 牡丹江 157012)

当下，核心素养作为一种教学指导理念已经深入人心，但是教学实施中如何在学习知识的过程中培养能力又能有效促进发展学生的核心素养呢？《普通高中物理课程标准(2017版)》中明确指出“重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，促进学科核心素养的落实”[1].

科学领域中大概念(big ideas)是一种“包括了科学概念以及关于科学本身和科学在社会中所起作用的概念”[2]，是作为“联结各种小概念的‘概念’，它如同一个认知文件夹，为我们提供了一个框架或结构，其中我们可以归档无限数量的信息”[3]，“能够解释较大范围内的一系列相关科学现象、事实以及相互关系；能将较大范围内分散的科学知识和事实联结为有结构、有系统的整体；能作为一种解释模型，赋予个别的、具体的事实以深层的科学意义”[3].

教材分析是将课程标准的理念和要求转化成教学设计并以此开展教学实施的关键环节.教材分析的方法比较多，ISM法(Interpretive Structural Modeling Method，解释结构模型)是一种较为科学系统的分析方法.该方法应用于教材分析可以有效地实现教材要素的结构化和序列化，定性分析与定量分析相结合，可以有效地减少主观随意性对教材分析结果的影响，将教材结构以可视化、网络化的图形呈现出来.借助ISM法分析教材可以帮助教师科学地解构和重新建构教材内容，更好地梳理教学内容体系，使知识内容层次化、简洁化，得到具有关联性和递进性的教学目标，有助于教师更科学地进行教学设计，也有利于帮助学生清晰认知路径建构合理的知识结构体系.

通过知网查阅已有文献发现，利用ISM 法进行教材分析时，往往是基于一种经验性的朴素的大概念思想，重点是对“科学知识”(即所选内容的知识要素)进行提取、分析，忽略了“关于科学本身的知识”而没有涉及其中所蕴含的物理观念、科学思维、研究方法等内容，在教材分析的过程中分析者主观上将知识要素与核心素养要素进行了人为的分割，最后导致教学活动走向只重知识教学而忽视核心素养培养.

基于以上分析，如果利用ISM法进行教材分析，以“科学知识”和“关于科学本身的知识”的大概念作为目标统摄，将核心素养要素和知识要素共同提取进行分析，二者是否可以建立直接清晰具体的联系、形成清晰的教学序列？是否能实现教材分析过程中素养要素的显性化？本文尝试以人教版高中《物理·选修3-1》第三章“磁场”为例展开探讨.

1 素养导向的ISM法教材分析实例探索

磁场是高中物理重要的组成部分.磁场并非是一个孤立概念而是一个大概念，一个概念体系，包括磁场的概念、磁场的描述、磁场的基本性质和磁场的基本应用等4个部分，其中蕴含着丰富的“关于科学本身的知识”的素养要素，对促进学生物质观、运动观和相互作用观等的发展具有重要作用，在解决具体问题时往往具有原型作用.对磁场深入学习的过程是从感性认识到理性认识的过程，是运用“模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新”等科学思维解决问题的过程.因此，对此部分教材分析时要充分认识到作为内核的磁场具有极强的吸附力和包容性，围绕“磁场”这一“大概念”将比较零散的知识进行整合，挖掘蕴含“关于科学本身的知识”的素养因素进行.不仅仅是将素养要素和知识要素并重，更重要的是考虑如何将素养要素和知识要素融为一体，一起生成，彼此促进.素养导向下基于大概念理念ISM法进行教材分析的逻辑和步骤如图1所示.

图1 素养导向下的ISM操作流程

1.1 提取要素 确定目标

何为教材分析中的要素？从学生的认知过程和素养发展来看，要素应该是学生知识体系的建构和素养发展必不可少的知识、方法、模型等， 是知识体系形成的内在逻辑约束；从教师的教学过程来看，要素应该是那些串联课堂教学的和影响教学进程推进的不可或缺的条件.要素有的是在课程标准里有确切的规定，明确写在教材里的，是一种显性要素，如教材中明确给出的概念、规律、方法等，有的是根据知识的演化过程和知识体系构建的需要挖掘出来的，在知识结构中有承上启下的地位，往往是概念、规律、方法等建立的先决条件.

1.2 厘清关系 形成矩阵

要素间的关系应该是由知识形成过程中要素之间的内在逻辑关系客观确定的，对教材内容的分析无论施教者的解构还是学习者的建构必须以此为前提开展，否则就是违背规律，将会事倍而功半.这是由于物理知识演化推进的过程必须是逻辑自洽的过程，而且科学思维、方法、模型在科学研究的过程中对知识的形成起着不可或缺的工具主导作用，是与知识共生共存的，是知识的内在必须.因此，在要素分析时，我们认为只有在学习或者掌握A的基础上才能进一步学习B时(A和B均可以是知识也可以是思维、方法、模型、观念等)，或者说A对于B的学习不可或缺时，A与B之间才具有逻辑上的“内在的直接关系”，并把A叫做B的直接子目标.

利用目标矩阵来表示各子目标之间的直接关系，用横轴表示某级的教学目标，为高级目标，以纵轴表示横轴某目标的直接子目标，在横纵轴间存在对应关系处划“√”，形成目标矩阵如表1所示.

表1 目标矩阵

1.3 分析层级关系 形成目标关系图

表2 剩余目标矩阵

续表2

表3 要素关系表

图2 要素关系图

1.4 修订关系图 建构教学序列

教材分析的最终目的是在建立形成关系图的基础上，确定教学序列.决定教学序列应遵循：

(1)选择的教学路径要由易到难，易于教学.

(2)按层级关系由低向高进行排列.

(3)如果同一层级对应多个低级目标，则优先选择水平较低的要素.

(4)若应用范围和低级目标基础性均相同，可根据经验和实际教学情况来选择序列[3].

根据这些原则，可得到如图3所示的教学序列图，其中对科学素养的渗透蕴含在知识教学当中，按教学序列开展教学的过程也是素养提升发展的过程.

图3 教学序列

对“磁场”部分进行分析形成的教学序列是3个有向的层级关系图，因此磁场部分的教学设计可按3个路径开展以促进核心素养与知识的融合，实现核心素养的落地：

(1)建立电流元的概念，掌握“左手定则”的使用方法，学会“安培力”的判断和计算，学会“洛伦兹力”的判断和计算，会分析带电粒子在匀强磁场中的运动，进一步深化对运动观和相互作用观的认识理解.

(2)认识“磁现象”，建立“磁场”的概念，认识到磁场也是一种物质，进一步丰富学生的物质观.

(3)认识“磁现象”，建立“磁场”的概念，通过掌握“磁感线”和“磁感应强度”，理解“磁通量”，为以后电磁感应的学习建立基础.

2 总结与启示

将“磁场”作为一个统摄的大概念，把核心素养要素作为分析要素与知识要素并重，建立联系，运用ISM法进行教材分析，通矩阵过运算获得层级关系，使教材内容结构清晰化、层次化.此种方法简便易行,好处也是显而易见的：素养与知识并重，以此为基础开展的教学有利于核心素养的显性化教学，更好地推动学生核心素养的形成与发展；素养之间的逻辑层次清晰，有利于学生的认知建构和学习进阶；始终聚焦大概念有利于学生知识的整合和科学观念的形成.因此素养导向下基于大概念的ISM教材分析有助于实现核心素养的落地教学，实现物理教育的核心价值.

物理学科知识体系的建立过程是以核心概念为代表的大概念不断形成和建立联系的过程，对核心大概念深化理解的过程也是不断围绕问题科学探究的过程，是运用科学思维、方法、模型、数学知识等解决问题的过程，是学习知识、锻炼能力和形成素养的一体化过程.作为上位的一个大概念往往是由若干个层次的下位概念构成，是一个概念体系，是由各个下位概念“层层递进、逐步进阶”而生成，各层级下位概念遵循严格的逻辑顺序，不可逾越和打乱.