基于ISM法的中学化学教材分析

邓峰 吴宇豪 窦炳新 董亚楠

摘要： ISM法是一种定性与定量相结合的分析方法，基于ISM法的原理和流程，以中学化学教材的“化学反应类型”核心概念为例，通过抽提概念要素、梳理要素关系、建立目标矩阵以及确定概念层级，构建逻辑清晰、整合有序的层级有向图，为教材分析提供可行的新思路，并提出合理的教学建议，推动ISM法指导教学设计和教学评价的应用进程。

关键词： ISM法； 教材分析； 化学反应类型； 核心概念

文章编号： 1005-6629（2023）03-0010-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  问题的提出

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）明确要求教师进一步增进化学学科理解，有效落实“素养为本”的课堂教学。化学学科理解是指教师对化学学科知识及其思维方式和方法的一种本原性、结构化的认识，它不仅仅是对化学知识的理解，还包括对具有化学学科特质的思维方式和方法的理解［1］；教学内容结构化则是教师提高化学学科理解和落实“素养为本”教学的关键要素。

教学内容结构化主要包括知识关联的结构化、认识思路的结构化和核心观念的结构化［2］。知识关联的结构化是指按照化学学科知识的逻辑关系，统整课本中零散分布的知识点，显化知识点间的内在联系，从而形成组织结构良好的知识体系。认识思路的结构化是指从学科本原的视角出发，深入理解和抽象概括物质及其变化的认识过程，以助于学生形成分析和解决复杂问题的思维路径。核心观念的结构化是指从学科本原的视角出发，进一步抽象概括物质及其变化的本质和其认识过程，以促进学生对化学学科核心观念的理解和把握。

已有很多研究者聚焦于教学内容结构化进行了探讨，其中关于认识思路结构化和核心观念结构化［3］的研究相对较少，大多数［4， 5］是基于知识关联结构化的研究。当前知识关联结构化可以分为横向与纵向两种，其中横向结构化指的是通过概念图［6］、树状图［7］等形式体现化学学科知识之间的内在关系和结构。近年来，为了将化学核心素养的培养落实到教学实践中，不少学者结合学习进阶理论对教材进行了分析，得出了化学学科知识之间层级化、纵向化的结构框架，即知识关联的纵向结构化［8］。不过，这类研究大多属于思辨型，即按照学段主观地划分出若干层次水平，其研究结果也相对较为定性。

针对上述问题，ISM（Interpretive Structure Modeling）法提供了有益的解决思路，它是一种更定量、更科学的方法。ISM法克服了在教材分析过程中过度主观化的弊端，将纷繁复杂的知识有序整合起来，构建起有向的知识间层级图，为定量分析教材提供了理论依据和科学的操作方法。目前ISM法相对比较成熟，已有一些研究者使用该方法对化学物质及其变化、化学平衡等［9］主题进行了层级分析。“化学反应类型”贯穿学生化学学习的整个过程，在不同的学段有着不同的目标要求，对于学生厘清概念脉络和构建化学知识框架具有关键性作用，是化学知识体系中不可或缺的一部分。“化学反应类型”在教学中也起着举足轻重的作用，不仅整合了学生的化学学科知识，提高了概念理解的深度和广度，而且偏重于显化学生的化学学科观念和认识思路，引导学生从化学学科本原出发，深入剖析和把握化学变化的原理和规律，在化学教学中处于核心骨架的地位。基于此，本文运用ISM法对“化学反应类型”核心概念进行分析具有必要性，借此弥补国内这一类研究的不足，以期为化学教学研究提供一定的参考。

2  ISM分析法的内涵和流程

2.1  ISM分析法的内涵

ISM分析法的全称是结构解释模型法，是一种用于分析复杂社会经济系统问题的方法，其在教材分析领域得到了广泛的应用。它借助离散数学的图形理论并采取矩阵运算的方式，呈现复杂要素间的关联结构，绘制出知识要素的有向结构层级图［10， 11］。它将零散的要素统整起来，客观反映要素间的内在联系，既有利于教师直观感受教材编排的结构和逻辑顺序，又有助于学生梳理和把握知识间的内在联系，有望为教师备课和教学过程提供理论性的支持。

2.2  ISM分析法的流程

本研究的主题是贯穿初高中阶段的“化学反应类型”，选取的教材分别是人教版九年级化学上、下册（2012年版），人教版必修第一、二册（2019年版），人教版选择性必修一、二、三（2019年版），鲁科版必修第一、二册（2019年版）以及鲁科版选择性必修一、二、三（2019年版）。

2.2.1  分析化学教材，抽提概念要素

抽提概念要素是利用ISM法分析教材的基础，其过程往往会受到研究者主观因素的影响，所以需要明确抽提概念要素的标准。为了保证与强化主题的聚焦性，未对“化学反应类型”更上位的概念（如“化学反应”）进行溯源性分析，即所抽提出的最高层次概念要素为“某某反应”。同时，概念要素的具体选择标准包括：（1）教材给出的具体定义中的概念；（2）与教材给出的化学反应类型例子直接联系的概念；（3）教材中与已抽提概念直接联系的先行概念；（4）结合具体学习内容展开的过程进行分析——如初中教材中虽未明确给出“放热反应”与“吸热反应”的定义，但结合教材中“化学反应中的能量变化”学习内容，可抽提这两个概念进行分析。

研读上述教材以及初、高中化学课程标准，基于多轮小组讨论，再根据专家意见进行修改与完善，最终确定了20种初高中阶段主要学习的化学反应类型，分别是化合反应、分解反应、置换反应、复分解反应、中和反应、正反应、逆反应、可逆反应、离子反应、氧化反应、还原反应、取代反应、加成反应、消去反应、酯化反应、聚合反应、水解反应、吸热反应、放热反应、自发反应。因为吸热反应、放热反应、氧化反应和還原反应在不同的学段有着不同的学习要求，所以依据不同阶段的学习任务，将其细分为吸热反应（定性）、放热反应（定性）、吸热反应（定量）、放热反应（定量）、氧化反应（元素）、还原反应（元素）、氧化反应（有机）、还原反应（有机）、氧化反应（电能）、还原反应（电能）。

根据概念要素的选择标准，再次抽提出其他要素，分别是化合物、单质、酸、碱、盐、醇、酯、反应物、生成物、物质状态、物质种数、物质分子量、卤素原子、碳碳双键、碳碳三键、羟基、羧基、原子、分子、电子、离子、官能团、化学键的断裂和形成、化学键的极性、化学键的饱和性、化学能、热能。以离子反应为例，人教版定义为“离子之间的反应”，依据上述标准可抽提出的概念要素为“离子”，为了避免知识点的冗杂，优化结果的层次感，本研究将“离子”进一步定义为“微粒”，所以抽提的概念要素最终确定为“微粒”。

如上述所示，并基于两名化学教学法专家的建议，对某些概念要素进行了以下处理：（1）将同一尺度的概念进行统称，如将“化合物/单质”与“酸/碱/盐”“醇/羧酸/酯”“反应物/生成物”纳入物质类别范畴，统称为“物质类别”；“卤素原子/碳碳双键/碳碳三键/羟基/羧基”统称为“官能团”；“原子/分子/电子/离子/官能团”统称为“微粒”；“化学能/热量”统称为“能量”。（2）依据概念的共性进行高度概括，“物质状态/物质种数/物质类别/物质分子量”统称为“物质”；“化学键的断裂和形成/化学键的极性/化学键的饱和性”统称为“化学键”。

经过上述步骤，最终对确定的概念要素进行编码（详见表1）。为确保研究的信度，另外邀请三名化学教育类研究生基于上述概念抽提和划分标准进行独立编码分析，互评信度达91％，说明编码结果较为可靠。

2.2.2  厘清要素关系，建立目标矩阵

如果学生在学习概念要素A之前必须要掌握概念要素B，则可以称概念要素B是概念要素A的先行要素，概念要素A是概念要素B的可达要素。以加成反应为例，人教版将其定义为“有机物分子中的不饱和碳原子与其他原子或原子团直接结合生成新的化合物的反应”，鲁科版将其定义为“有机化合物分子中不饱和键两端的原子与其他原子或原子团结合，生成新的有机化合物的反应”。同时鲁科版还举出相关例子进行补充说明：“乙烯可以和溴单质发生加成反应，反应时乙烯分子中碳碳双键中的一个键断裂，两个溴原子分别加在断键的两个碳原子上”“除了分子中有碳碳双键或碳碳三键的有机化合物能够发生加成反应外，分子中有碳氧双键的部分如乙醛，丙酮等，也能发生加成反应”。统整以上教材内容，可以得出“加成反应”的先行要素为“物质”“微粒”和“化学键”。据此，对“化学反应类型”所有的概念要素进行分析，可得到如表2所示关系。需要说明的是，概念要素之间关系的最终确定既来自对教材中关于概念的文本描述分析，同时也包括对概念之间的内容逻辑的关系分析。

厘清概念要素关系后，绘制出双向形成表，即将概念要素分别在表格的横纵轴按照相同的顺序罗列出来，若纵轴上的概念要素是横轴上的概念要素的先行要素，则需要在相应的交点处标记“1”，若不是则在相应的交点处标记“0”。基于上述操作，绘制“化学反应类型”的第一轮目标矩阵（如表3所示）。

2.2.3  确定概念层级，绘制层级关系

对绘制出的目标矩阵进行分析，概念要素S1所在列没有出现“1”，则表示S1没有先行要素，所以它处于目标层次结构的最底层。将S1所在行上的“1”全部删去，由此可以得到如表4所示的第二轮目标矩阵。

除了处于目标层次结构最底层的概念要素S1，横轴上的概念要素S2、 S3、 S4、 S5、 S6、 S7、 S27、 S28、 S32所在的列上均无“1”出现，说明S2、 S3、 S4、 S5、 S6、 S7、 S27、 S28、 S32是目标层次结构的第二层。按照相同的方法依次提取每一层级的概念要素，直至目标矩阵里的所有数据为“0”。基于上述两轮目标矩阵的分析，可得到“化学反应类型”的层级分布关系，如表5所示。最终根据各概念要素关系和层级分布情况，绘制出“化学反应类型”的层级有向图，箭头末端概念要素为箭头指向概念要素的先行要素，如图1所示。

3  结果分析

由图1可见，基于ISM法的“化学反应类型”分析有六个层级。其中，第一层级包含物质；第二层级包含化合反应、分解反应、置换反应、复分解反应、中和反应、正反应、逆反应、微粒、能量（宏观）；第三层级包含离子反应、可逆反应、吸热反应（定性）、放热反应（定性）、元素；第四层级包含还原反应（元素）、氧化反应（元素）、化学键；第五层级包含取代反应、加成反应、消去反应、酯化反应、聚合反应、水解反应、还原反应（有机）、氧化反应（有机）、能量（微观）；第六层级包含吸热反应（定量）、放热反应（定量）、还原反应（电能）、氧化反应（电能）、自发反应。

此外，“化学反应类型”的层级有向图可以划分为左右两部分进行解读。

左边部分是所有名称中包含“反应”的概念要素，概念要素的层级分布与初高中的学段顺序大体相符：（1）学生在初中阶段学习了化合反应、分解反应、置换反应、复分解反应和中和反应。（2）在高中必修阶段学习了离子反应、正反应、逆反应和可逆反应，以及从元素化合价的视角认识了氧化反应和还原反应。（3）在高中选择性必修阶段系统全面地学习了取代反应、加成反应、消去反应、酯化反应、聚合反应、水解反应；从官能团转化和化学键断裂与形成的角度认识了氧化还原和还原反应；在热化学主题下，基于能量变化，从定性与定量双重视角认识了吸热反应和放热反应，并在电化学主题下，认识到化学能与电能的直接转化需要在一定装置中经由氧化还原反应才能实现，以及从能量变化（即焓变）和混乱度变化（即熵变）两个方面认识了自发反应。

右边部分的概念要素体现了学生对化学反应类型的本原性认识，概念要素的层级分布同样符合学生对化学反应类型认识视角的发展：物质视角→微粒视角/能量（宏观）视角→元素视角→化学键视角→能量（微观）视角，整體上基本与从宏观到微观、从体系到体系-环境的变化趋势相吻合。但是“微粒”和“元素”的排列顺序没有遵循该变化趋势，这是因为学生需要在认识原子的基础上，才能理解掌握元素的相关内容，从“微粒”发展到“元素”是符合教材内容编排顺序的，顺应了学生的认知发展规律。

此外，左右两部分的概念要素之间呈现一定认识逻辑顺序，具体表现在：（1）右边第一层的“物质”为左边第二至第六层的化学反应类型奠定基础——譬如，“化合反应”和“分解反应”是依据物质种数变化进行定义的。“中和反应”的定义是酸与碱作用生成盐和水的反应，“酸/碱/盐”“生成物/反应物”均属于物质类别的范畴，所以“置换反应”“复分解反应”“中和反应”“正反应”“逆反应”和“可逆反应”都是依据物质类别（如单质或化合物、反应物或生成物）进行定义的。（2）右边第二层的“微粒”为左边第三层的“离子反应”（“离子”视角）、第四层的“氧化还原反应（元素）”（“电子”视角）、第五层的“氧化反应（有机）”与“还原反应（有机）”（“原子”视角）、第六层“氧化还原反应（电能）”（“电子”“离子”与“分子”综合视角）奠定基础。（3）右边第二层的“能量（宏观）”与第五层的“能量（微观）”主要与左边第三层与第六层的“吸热反应”与“放热反应”相对应，体现了从初中的“宏观-定性”向高中“微观-定量”的认识进阶。其中，第五层的“能量（微观）”概念为认识“化学反应与能量变化”与“化学反应的方向”提供认识视角。（4）右边第三层的“元素”主要对应左边第四层的“氧化还原反应（元素）”概念，体现了从初中的“元素得失”向高中的“元素化合价升降”的认识进阶。（5）右边第四层的“化学键”可作为左边第五层的几种有机化学反应类型的认识视角。譬如，可从“化学键的极性”与“化学键的饱和性”两个角度认识这些反应类型的微观本质。

4  基于ISM分析的教學建议

利用ISM法进行教材分析有助于教师剖析概念间的逻辑关系，不仅揭示了知识关联和认识思路的结构化，而且显化了两者之间的对应关系。教师可以更加清晰地掌握学生从初中到高中各个学段围绕“化学反应类型”核心概念的阶段性发展，尤其是“物质视角→微粒视角/能量（宏观）视角→元素视角→化学键视角→能量（微观）视角”认识视角的进阶变化。

具体而言，在新授课阶段，化学教师可以依据层级有向图确定学生的前后发展阶段，并基于此分析学生的已有基础和发展需求。例如学生在学习取代反应时，已经能够从物质、元素等宏观视角去认识化学反应，但尚未形成基于化学键的微观视角。教师可以参考化学反应类型的层级有向图，向学生提供合适的脚手架，帮助其顺利实现认识视角的过渡发展。再如，“吸热反应”与“放热反应”贯穿了初中、高中必修与高中选择性必修三个阶段，需要中学生发展螺旋式上升的学科认识——即从“宏观-定性-孤立”认识先上升至“微观-定量-孤立”认识，再上升至“微观-定量-系统”认识。另外，在复习课阶段，教师在复习课时可以利用层级图统整高中化学反应类型的全部内容，凸显化学学习的系统性思维，发展结构化、本原性的概念体系，从而在了解学生的逻辑思维能力和遵循化学学科特点的基础上，更有效、科学地组织教学活动。

此外，教师同样可以依据层级有向图设计教学评价工具，测量学生对化学反应类型的认识水平。例如按照图中所示的六个层级编制出纸笔测试题，探究各个学段学生的实际认识水平是否达到理想要求、认识视角是否符合循序渐进的发展规律，以及存在哪些认识空缺和迷思概念。此外，教师还可对学生的回答进行合理的内容分析，进而有效测量出学生内隐性的知识结构化和认识思路结构化［12］，真正落实化学学科核心素养的可操作化测评。

参考文献：

［1］［2］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 76.

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［12］邓峰， 钱扬义主编. 化学教学设计［M］. 北京： 化学工业出版社， 2022.