基于ISM法对人教版新旧教材结构的比较研究——以“磁场 磁感应强度”为例

孙泽萱 孙宝东 赵振宇 李 林

(1. 哈尔滨师范大学教师教育学院,黑龙江 哈尔滨 150025;2. 哈尔滨师范大学物理与电子工程学院,黑龙江 哈尔滨 150025)

随着信息化时代到来,中学物理教学资源日趋丰富,多媒体、数字化资源逐步走进一线课堂,发挥着越来越重要的作用,但物理教材仍然是现今教师进行课堂教学最重要的参考,学生学习的重要资源.随着我国教育改革的进一步深化,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”),其中物理学科核心素养作为重要目标被提出.[1]人教社紧紧围绕新课标的相关要求,将原有教材从多个方面进行全新修订,力求满足时代发展的需求,最终在2019年出版普通高中物理教科书(以下简称“新教材”).

人教版新教材相较于旧教材在很多方面被重新修订,在整个教材体系框架、教材章节的设计以及知识内容的选取等多个方面均有大幅度的改动.本文运用解释结构模型(ISM法)对新旧教材的知识结构进行科学的比较研究.笔者选取与磁场相关的章节进行对比分析,在旧教材中,磁场的相关内容被放置在《选修3-1》第3章进行学习;在新教材中其地位进一步得到提高,磁场的相关内容被放置在《必修3》第13章进行学习.这体现出磁场在新课程知识体系中的重要性.新教材必修3第13章前两节“磁场”“磁感应强度”的内容对应旧教材《选修3-1》第3章前3节的内容,笔者将对新旧版本教材中的上述内容进行比较研究.

1 解释结构模型(ISM法)介绍

解释结构模型(Interpretive Structural Model)简称为“ISM法”,最初是一种用于社会学研究的结构模型化方法,最早是由美国著名教授沃菲尔德在1973年提出,日本学者佐藤隆博教授首次将其运用于教材分析领域.解释结构模型的基本思路是提炼出所要分析对象的知识要素,借助矩阵、向图和计算机技术,得到各要素的形成关系并建立矩阵,最终得到结构层级.教师使用ISM法将教学内容以直观的结构层级及有向图的形式呈现出来,并通过分析直观图像对教材结构进行比较.下面介绍ISM法的具体操作步骤,如图1所示.

图1 解释结构模型流程简介图

(1) 对教材知识要素的提取.根据研究者自身已有经验以及参考资料等,参照课程标准等文件,对教材中的核心要素进行提炼并编码.(2) 分析各要素之间的关系.研究者根据学科专业知识与经验,分析各知识要素的关联,绘制形成关系图.(3) 根据要素关系构建邻接矩阵,通过要素间的形成关系图进而得到邻接矩阵.(4) 将邻接矩阵转化为可达矩阵.利用矩阵转化法或计算机将邻接矩阵转化为可达矩阵,通过可达矩阵得到要素层级表.(5) 制作层级有向图.根据要素层级表来绘制层级有向图.

2 对新旧教材的研究过程

2.1 知识要素的提取

对教材知识要素的提取是解释结构模型的第一步,为提高知识要素提取的有效性,笔者在查阅已有文献和相关材料的基础上,[2]同多位具有丰富经验的高中物理教师进行交流,主要提取出以下几种要素：(1) 在教材正文部分被明确加粗、加黑的内容;(2) 除教材中字体明显标注以外的其他重要知识;(3) 教材未直接表明,但非常重要的知识.下面分别对人教版新旧物理教材“磁场”“磁感应强度”相关内容进行提取并编码,具体如表1所示.

表1 新旧版教材知识要素表

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2.2 分析各要素形成关系

对从教材中提取出的各要素间的形成关系进行分析是解释结构模型的第二步,此处的形成关系以教材各要素本身的编排逻辑为原始素材.为了更好地保证得出的各要素形成关系间更具客观性与科学性,下面对形成关系进行具体说明.如果想要阐明B知识要素需要以理解A知识要素为前提,或者说如果阐明B知识要素必须运用到A知识要素的本质内涵,那么则称A知识要素到B知识要素有形成关系,称A要素为先行要素,称B要素为可达要素.关于形成关系需要强调的是,此处的形成关系特指教材编排时的知识要素关系,并非指知识要素本身内在的物理逻辑关系.[3]

笔者在深入研究教材知识结构后,通过反复比较分析,同时请教多位具有丰富教学经验的一线物理教师,确定“磁场”“磁感应强度”章节的知识要素在人教版新旧教材中的形成关系,如图2、图3所示.在确定要素形成关系时,不仅仅要认真研读教材与课标,还要了解学生在课堂中对知识要素的实际掌握情况.

图2 新教材形成关系图

图3 旧教材形成关系图

2.3 构建邻接矩阵

解释结构模型的第3步是利用形成关系图来构建邻接矩阵.表格的第1行与第1列分别填写被编码的知识要素,被编码的各知识要素根据编码的由大到小顺序依次排序.[4]从表格第2行(列)开始,如果阐明横轴某一要素需要以对应的纵轴要素为前提,则对应的纵轴位置填写“1”,其余无关位置的纵轴填写“0”,此时对应的纵轴要素到横轴要素是形成关系,纵轴要素代表先行要素,横轴要素代表可达要素.例如,在形成关系图中O1指向O2要素,O1要素是先行要素,O2是可达要素,O1到O2是形成关系,在表格第1行第3列填写“1”;反之,O2要素并没有指向O1要素,O2到O1不是形成关系,因此第2列第3行填写“0”.

根据以上界定,利用形成关系图对人教版新旧教材知识要素的邻接矩阵进行构建,新旧教材邻接矩阵分别如表2、表3所示.

表2 新教材邻接矩阵表

表3 旧教材邻接矩阵表

2.4 获取可达矩阵

得到知识要素的邻接矩阵后,可以采用传统的布尔代数法或利用matlab程序采取改进法将邻接矩阵转化为可达矩阵.可达矩阵是表示系统要素之间任意次传递性的二元关系,或有向图上两个节点之间通过任意长的路径可以到达情况的方阵,可达矩阵以邻接矩阵为基础.如A要素到B要素之间不论路径远近,存在形成关系,则两者在矩阵中对应位置标记为“1”,反之则标记为“0”.笔者借助matlab程序,根据新旧教材的邻接矩阵得到可达矩阵,如表4、表5所示.

表4 新教材可达矩阵

续表

表5 旧教材可达矩阵

2.5 制作层级有向图

在经过程序运算将新旧教材的邻接矩阵转化为可达矩阵后,还需要再进行3个步骤才能得到层级有向图.[5]第1步,由可达矩阵得到要素的层级分析表;第2步,由要素的层级分析表得到要素的层级分布表;第3步,借助层级分布表,由底层级向高层级绘图,最终得到层级有向图,下面以新教材为例.

(1) 得到要素的层级分析表.首先定义可达集合P(OX),该合集为从某一要素OX出发可以到达的全部要素的集合(在可达矩阵第X行被标记为“1”的横轴对应的要素集合).其次,定义先行集合Q(Ox),该集合为所有能够达到某一要素Ox的全部要素的合集(在可达矩阵第X列被标记为“1”的横轴对应的要素集合).最后,建立表格求出P(OX)∩Q(Ox)=P(OX)所有的要素集合,如表6所示.

通过表格得出P(OX)∩Q(Ox)=P(OX)的合集为{2,7,11,14,18},以上合集中的5个知识要素为节点要素.

表6 新教材知识要素层级分析表

(2) 得到层级分布表.通过上一步骤得到最高层级的知识要素,将最高层级的知识要素从层级分析表中剔除,继续重复步骤(1)的操作,可以得到次高层级的知识要素.之后将次高层级的知识要素从层级分析表中剔除,重复上述步骤(1)的操作,直到最终得到最低层级的知识要素.层级分布表将由层级分析表得到的不同层级知识要素进行分类,并将其放置在对应的层级中,因知识要素的数量较多,笔者借助matlab程序得出新旧教材知识要素的层级分布表,分别如表7、表8所示.

表7 新教材要素层级分布表

表8 旧教材要素层级分布表

(3) 制作层级有向图.根据步骤(2)得到的层级分布表,绘制新旧教材知识要素的有向层级图.对于两个不同层级的知识要素而言,低层级的知识要素到高层级要素可能有形成关系,而高层级知识要素对低层级知识要素的形成关系没有影响,因而在绘制有向层级图时,由最低层级知识要素向高层级要素进行绘制.新旧教材的层级有向图分别如图4、图5所示.

图4 新教材有向层级图

图5 旧教材有向层级图

需要特别说明的一点,知识要素在有向结构图中位置的高低并不代表知识要素在系统中的层级高低.例如,知识要素“O2磁现象”属于最高层级的知识要素,也就是节点要素,只存在从O1到O2的形成关系,但是为使层级有向图更加简洁清晰,笔者在绘制时将其放置在图的下方.某一层级有哪些知识要素,或者某一要素自身所在层级,都根据层级分布表来确定.

3 对新旧教材的对比分析

3.1 知识要素选择的异同

在知识要素选择的数量上新教材将原有的21个缩减为18个,减少了“磁偏角”“安培分子电流假说”等知识要素.但是这些知识要素并不是在教材中被完全删除,而是从正文部分转移到了课后的“科学漫步”“STSE”等环节,有兴趣的学生可以自主地进行学习探究,有利于学生科学探究能力的形成,发展学生的物理学科核心素养.这体现新教材在知识要素的选取上更具灵活性,对不同层次的学生可以提供不同的资源.旧教材中“电流的磁效应”要素在新教材中变为“电和磁的联系”,体现出新教材更加注重知识要素的关联,有利于将本章节内容与后面“电磁感应现象及应用”等章节进行充分联系.新课标提出不同的学业水平等级,以此来满足不同层次学生的需要,关于“磁场”“磁感应强度”在知识要素的选取上,新教材的内容设置更契合新一轮高考改革的需要.

3.2 节点要素的对比

在层级有向图中,只有箭头指出没有箭头指入的要素为起始要素,只有箭头指入没有箭头指出的要素为节点要素,新旧版教材的起始要素均为“磁体”“通电导体”,以上两个要素在整个知识体系中具有重要地位.旧教材共有“磁偏角”“安培分子电流假说”等7个节点要素,新教材共有5个节点要素,新教材删减的知识要素主要是节点要素,节点要素是最高层级要素,因此并不影响原有知识体系的编排逻辑.旧教材中的部分节点要素在新教材不再属于节点要素,例如：“单位：韦伯(Wb)”这一知识要素,原因是新教材中知识要素的编排已产生变化,在新教材中该要素与“磁感应强度大小”要素产生了形成关系.总的来说新教材的节点要素相比于旧教材更加简洁.

3.3 编排逻辑与形成关系的对比

从教材结构的整体框架来看,新教材的知识要素共有8个层级,旧教材为7个层级.新教材相比旧教材在缩减3个知识要素的基础上,仍新增一个知识层级.这反映出新教材在知识要素编排方面有着更强的层次性.新教材相比于旧教材在知识要素编排的顺序上有显著的变化,例如在旧教材中“磁感线”这一要素被放置于“磁感应强度”之后,但新教材将其提到“磁感应强度”之前.上述修订能够更符合中学生的思维习惯,学生在学过“磁场”这一知识点后,会自然而然地思考应该如何对磁场进行描述,学生会自觉地在头脑中进行联想,将学习过的电场相关知识与磁场进行类比.这有助于加深学生对磁场、磁感线的理解,实现前后知识的有机融合.

4 教学建议

笔者建议教师在新课讲授时更多参考人教版新教材,因为新教材的内容结构设计逻辑性、连贯性更强,同时还与此前“电场”“电场线”等相关知识呼应,更加注重学生对知识要素间关系的科学探究,强调对学生科学思维的训练,同时新教材另一个作用是为后面选修课程作铺垫,所以在知识要素的选取和编排上更简明,更强调前后知识间的递进关系.教师在进行复习课时,笔者建议可以参考旧教材的编排结构,因为其知识体系相比新教材更完整、更规范化,更注重学生对知识点的记忆与理解,注重培养学生的物理观念.旧教材属于《选修3-1》的内容,相比属于必修3的新教材,旧教材知识框架体系更全面,其知识要素的难度高,深度更大,能很好满足学生的高考复习需求,教师也可以利用其补充新教材中没有出现的知识要素.

新教材更适合配合新的课堂教学模式使用,旧版教材能巩固学生的知识基础,符合传统的教学习惯.现代教育理论提倡教师应“用课本去教”并非“教课本”,教材只是教学的参考而非标准,教师应对知识点有自己独到的理解,因此物理教师在研究“磁场”“磁感应强度”相关的教材结构时,不妨将新旧教材结合起来进行对比分析,将两者优点进行有机结合,为自己的教学提供帮助,形成独有的教学观.