基于解釋結構模型的高中化學必修1內容比較分析

徐晶晶　黃紫洋

摘要：基于解釋結構模型（ISM）的基本原理和操作步驟，以人教版和蘇教版高中化學教材必修1的內容“氯的性質”為例，構建鄰接矩陣并將其轉化為可達矩陣，通過所得的層級有向圖比較兩個版本對于相同知識點在編排順序上的差異，分析兩版本不同的風格，為教材的比較研究提供一種獨特的新視角。

關鍵詞：解釋結構模型；層級有向圖；教材分析；比較分析

文章編號：1008-0546（2017）04-0002-03 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.04.001

《普通高中化學課程標準（實驗）》（簡稱“課標”）明確強調，在備課環節中，教師應該細致分析教材，并處理好不同模塊之間的聯系，幫助學生更好地認識科學的本質，掌握化學基礎知識與基本技能，從而具備解決實際問題的能力[1]。不難發現，對化學教材的正確分析，準確把握教材各知識點之間的聯系，是有效教學的起點，也是制定合理的教學目標與設計恰當的教學程序的前提。

教材的編寫在一定程度上反映了編寫者的教師觀與學生觀，不同的編寫者對相同教學內容的編寫，則會體現出不同的編排意圖。由于不同的教學研究者為教師和學生提供了多個版本的教材對比素材，更便于不同教材之間的相互借鑒與促進，有利于不同教師依據實際需要選擇合適的教材編排順序，設計更為符合學生認知規律的教學程序。當前，對于如何進行教學設計，如何更為有效地進行高中化學的備課，不免存在以下兩個問題：一是教師過分遵循課本的教材內容框架體系，機械式照本宣科進行教材分析；二是教師依據自身的經驗分析、解讀教材，由于缺乏科學的分析方法，在教材分析環節中，難以準確呈現化學基本知識要素以及知識之間的內在聯系。故筆者嘗試運用解釋結構模型（ISM）分析法，對人教版與蘇教版教材中“氯的性質”內容進行比較分析，探討各自的特點，為高中化學教材比較分析提供一種科學性、定量化的新視角，旨在拋磚引玉，為一線教師在高中化學教材的比較分析上提供一種借鑒。

一、ISM分析法

Warfield教授于1973年提出了解釋結構模型（Interpretive Structural Modeling，ISM）[2]。該模型最早用于將一個復雜的系統進行精細化，分解成多個子系統（要素），并基于人們日常生活、工作中的實踐經驗以及計算機的幫助，最終得到一個多級遞階的結構模型[3-4]。1978年，日本的佐藤隆博教授證實，運用該模型可對教學進行研究，便于開發教材。通過這個方法，教師在進行教學設計環節中，能夠將主觀的認識與實踐經驗有機地融入教材分析，最終達到將教學內容以直觀的層級有向圖呈現出來的可視化效果，實現教材的結構化與序列化。通過該模型可以細致地對教學系統內的要素以及各要素間的內在關系進行比較分析[5-6]。ISM分析教材的過程包括以下4步：

（1）抽取學科教材知識要素。ISM分析法中知識要素需要符合以下三個標準：一是在教材中有明確的概念講解；二是在整個章節體系當中占據節點地位；三是在每節課的小結中，可以作為主要知識點。

（2）確定知識要素間的關聯，獲得鄰接矩陣。根據ISM對教材的分析，如果學生要想掌握S2要素，前提是要先學會并掌握S1，則認為S1和S2之間是存在關聯的，即S1是S2的直接子目標。依據該方法對某部分內容的所有要素建立關系圖，最后將要素關系圖轉化為鄰接矩陣。

（3） 通過計算機程序將鄰接矩陣轉化為可達矩陣，制作要素層級分布表。E是單位矩陣，A是鄰接矩陣，根據布爾運算，當（A+E）k ≠（A+E）k+1 =（A+E）k+2可求得可達矩陣。由于人工計算工作量大，本文通過計算機進行Visual FoxPro 6.0軟件編程，輸入鄰接矩陣后可以直接求得可達矩陣M。

（4）探討、修正，形成要素層級有向圖。教師在實際運用解釋結構模型的過程中，應根據教材內容、學生的實際學習情況等對得出的要素層級有向圖進行探討，通過具體的實踐過程，討論某些要素是否需要刪除與變更，同一層級的要素在教學過程中出現的先后順序，亦或是各要素間的形成關系判斷是否正確，若需修正，則返回上一步驟，直到所得的要素層級有向圖符合實際情況為止，以便使ISM分析法更適應于教材分析。

二、“氯的性質”教材內容的ISM分析

依據上述對知識要素確定的標準，并結合課標的要求，即“通過實驗了解氯、氮、硫、硅等非金屬及其重要化合物的主要性質，認識其在生產中的應用和對生態環境的影響”[1]。抽取蘇教版化學必修1教材中“氯的性質”的知識要素15個，同樣人教版教材中“氯的性質”的知識要素也有15個，分別標注為S1、S2、……S15，如表1所示。

根據ISM對教材的分析過程，兩種版本的“氯的性質”中15個知識要素間的相互關系如圖1所示。

根據圖1的知識要素間的關系形成圖，編制得到鄰接矩陣。接著通過計算機編程求得可達矩陣。并由可達矩陣運算得到要素層級分布表，最后根據層級分布表得到如圖2所示的兩個層級有向圖。

三、結果分析與討論

根據人教版和蘇教版化學教材必修1的“氯的性質”層級有向圖，結合ISM分析法，可得到以下幾點對比與分析結果[7]。

1. 核心概念選擇的異同

通過對人教版和蘇教版高中化學必修1“氯的性質”這一節內容的層級有向圖的比較發現，兩者的核心要素選擇大致相同。氯是學生在高中階段接觸到的第一種非金屬元素，因而，兩本教材都從學生的生活實際出發，引起興趣。從學生熟悉的大海出發，由海水資源引出對“氯的性質”的學習，最后回歸到化學在生產生活中的應用，所以，各要素的安排是合理又科學的。其中，蘇教版教材在正文中，引入高中階段較為重要的知識“氯堿工業原理”，以及“制備Cl2的實驗裝置流程”，人教版教材則是增加了“H2在Cl2中燃燒”的實驗，進而使學生對“燃燒本質”有新的認識、以及具備對“Cl-的檢驗”等知識要素的理解。

蘇教版教材首先通過介紹“氯堿工業原理”進而引出實驗室制取Cl2的方法，緊接著介紹實驗室制備Cl2的裝置。由于Cl2制備裝置的各部分作用是高考較為常見的知識點，教師有必要對學生進行細致的講解，讓學生真正理解，達到靈活應用的效果。因而，蘇教版的安排較為合理。人教版則在教材中引入“Cl-的檢驗”，該要素也是不可忽略的，人教版通過實驗的輔助講解，可以讓學生深刻理解，為什么在檢驗Cl-的時候，在滴加AgNO3溶液后還需要再滴加稀硝酸。如果學生能正確理解該內容，對以后的解題將產生很大的幫助。同時，通過H2在Cl2中燃燒的實驗，讓學生轉變以往對燃燒本質的錯誤理解，即并不是燃燒就一定要有O2的參與。任何發光、發熱的劇烈的化學反應，都可以稱之為燃燒。通過增加該知識點的講解，使得學生對于燃燒本質的認識更為科學、正確，同時也加深對氧化還原反應的認識。所以，教師在教學過程中，可以適當增加該知識要素的講解。

2. 起始要素安排的異同

所謂起始要素，是指在層級有向圖中，該要素與其他要素具有關聯，而本身無其他要素的支撐，在整個層級有向圖中充當基石的作用。該部分知識中人教版與蘇教版教材的起始要素不同，蘇教版教材采用“電解飽和食鹽水”和“氯的發現”，而人教版教材采用“氯的發現”。

通過比較可以發現，兩版本起始要素有所差異，都體現在制取Cl2時的引入。新課程的基本理念重視學生所學的知識與生活實際相聯系，因而，兩版本都注重培養學生“化學源于生活，又服務于生活”的思想。蘇教版教材從海水曬鹽導入新課，從生活實際出發，引起學生興趣的同時，順勢引出工業上用電解食鹽水制取Cl2的方法，這也是高中化學階段學生需要掌握的“氯堿工業原理”。接著由工業制Cl2的原理引出實驗室制Cl2的方法。這兩種制取Cl2的方式都是高中階段學生需要掌握和學會應用的內容。況且，電解食鹽水的方程式是《化學2》電化學部分需要掌握的方程式，學生在此提前了解，對今后學習電化學知識也有所幫助，因而，蘇教版的安排較為合理，教師可以根據實際情況選擇補充這一知識點。

3. 最高要素選擇的異同

位于層級有向圖中最高層的知識要素（亦為第一層）即為最高要素。兩版本的教材在“氯的性質”這一部分內容的最高學習目標都定位在“Cl2的生活生產應用”上，可以看出，兩版本教材都重視化學在現實生產、生活中的應用，以期培養學生化學與生活聯系的思想。

4. 要素間形成關系的比較

兩版本教材在內容編排上大致是按照Cl2的制取、Cl2的物理性質、Cl2的化學性質和Cl2的生活生產應用的先后順序呈現的。通過對照不難發現，在人教版與蘇教版教材中，知識要素的編排都遵循循序漸進的思想，高層級的要素都有相應的低層級要素作為依托，體現學習由易到難的原則，同時這種教學順序也符合學生的認知規律，從他們已有的認知基礎出發，學習起來才會更加順暢，便于對知識的理解。此外，該編排順序使得整個教材的脈絡更為清晰，也有利于教師的教學以及明確各階段應當達到的教學目標。

四、結論

基于解釋結構模型（ISM）對人教版和蘇教版《化學1》 “氯的性質”一節中提取的15個知識要素進行比較、分析，得到兩個版本關于同一教材知識內容的層級有向圖，并通過核心概念的選擇、起始要素的異同、最高要素的選擇以及各知識要素間的形成關系進行比照。結果發現，人教版與蘇教版教材的知識結構安排大體上是相似的，僅在個別核心要素及起始要素上有所差異。因此，教師需要根據自己的教學經驗、學生水平的不同以及實際教學情況，對教材進行合理地刪、增、補、拓與重組，盡可能使得教學內容更適于學生學習的需要以及教師教學的要求。

參考文獻

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