素養導向下基于大概念理念的ISM法教材分析初探
——以“磁場”為例

吳同華 陳美麗 宋 潔

(牡丹江師范學院物理與電子工程學院 黑龍江 牡丹江 157012)

當下，核心素養作為一種教學指導理念已經深入人心，但是教學實施中如何在學習知識的過程中培養能力又能有效促進發展學生的核心素養呢？《普通高中物理課程標準(2017版)》中明確指出“重視以學科大概念為核心，使課程內容結構化，促進學科核心素養的落實”[1].

科學領域中大概念(big ideas)是一種“包括了科學概念以及關于科學本身和科學在社會中所起作用的概念”[2]，是作為“聯結各種小概念的‘概念’，它如同一個認知文件夾，為我們提供了一個框架或結構，其中我們可以歸檔無限數量的信息”[3]，“能夠解釋較大范圍內的一系列相關科學現象、事實以及相互關系；能將較大范圍內分散的科學知識和事實聯結為有結構、有系統的整體；能作為一種解釋模型，賦予個別的、具體的事實以深層的科學意義”[3].

教材分析是將課程標準的理念和要求轉化成教學設計并以此開展教學實施的關鍵環節.教材分析的方法比較多，ISM法(Interpretive Structural Modeling Method，解釋結構模型)是一種較為科學系統的分析方法.該方法應用于教材分析可以有效地實現教材要素的結構化和序列化，定性分析與定量分析相結合，可以有效地減少主觀隨意性對教材分析結果的影響，將教材結構以可視化、網絡化的圖形呈現出來.借助ISM法分析教材可以幫助教師科學地解構和重新建構教材內容，更好地梳理教學內容體系，使知識內容層次化、簡潔化，得到具有關聯性和遞進性的教學目標，有助于教師更科學地進行教學設計，也有利于幫助學生清晰認知路徑建構合理的知識結構體系.

通過知網查閱已有文獻發現，利用ISM 法進行教材分析時，往往是基于一種經驗性的樸素的大概念思想，重點是對“科學知識”(即所選內容的知識要素)進行提取、分析，忽略了“關于科學本身的知識”而沒有涉及其中所蘊含的物理觀念、科學思維、研究方法等內容，在教材分析的過程中分析者主觀上將知識要素與核心素養要素進行了人為的分割，最后導致教學活動走向只重知識教學而忽視核心素養培養.

基于以上分析，如果利用ISM法進行教材分析，以“科學知識”和“關于科學本身的知識”的大概念作為目標統攝，將核心素養要素和知識要素共同提取進行分析，二者是否可以建立直接清晰具體的聯系、形成清晰的教學序列？是否能實現教材分析過程中素養要素的顯性化？本文嘗試以人教版高中《物理·選修3-1》第三章“磁場”為例展開探討.

1 素養導向的ISM法教材分析實例探索

磁場是高中物理重要的組成部分.磁場并非是一個孤立概念而是一個大概念，一個概念體系，包括磁場的概念、磁場的描述、磁場的基本性質和磁場的基本應用等4個部分，其中蘊含著豐富的“關于科學本身的知識”的素養要素，對促進學生物質觀、運動觀和相互作用觀等的發展具有重要作用，在解決具體問題時往往具有原型作用.對磁場深入學習的過程是從感性認識到理性認識的過程，是運用“模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新”等科學思維解決問題的過程.因此，對此部分教材分析時要充分認識到作為內核的磁場具有極強的吸附力和包容性，圍繞“磁場”這一“大概念”將比較零散的知識進行整合，挖掘蘊含“關于科學本身的知識”的素養因素進行.不僅僅是將素養要素和知識要素并重，更重要的是考慮如何將素養要素和知識要素融為一體，一起生成，彼此促進.素養導向下基于大概念理念ISM法進行教材分析的邏輯和步驟如圖1所示.

圖1 素養導向下的ISM操作流程

1.1 提取要素 確定目標

何為教材分析中的要素？從學生的認知過程和素養發展來看，要素應該是學生知識體系的建構和素養發展必不可少的知識、方法、模型等， 是知識體系形成的內在邏輯約束；從教師的教學過程來看，要素應該是那些串聯課堂教學的和影響教學進程推進的不可或缺的條件.要素有的是在課程標準里有確切的規定，明確寫在教材里的，是一種顯性要素，如教材中明確給出的概念、規律、方法等，有的是根據知識的演化過程和知識體系構建的需要挖掘出來的，在知識結構中有承上啟下的地位，往往是概念、規律、方法等建立的先決條件.

1.2 厘清關系 形成矩陣

要素間的關系應該是由知識形成過程中要素之間的內在邏輯關系客觀確定的，對教材內容的分析無論施教者的解構還是學習者的建構必須以此為前提開展，否則就是違背規律，將會事倍而功半.這是由于物理知識演化推進的過程必須是邏輯自洽的過程，而且科學思維、方法、模型在科學研究的過程中對知識的形成起著不可或缺的工具主導作用，是與知識共生共存的，是知識的內在必須.因此，在要素分析時，我們認為只有在學習或者掌握A的基礎上才能進一步學習B時(A和B均可以是知識也可以是思維、方法、模型、觀念等)，或者說A對于B的學習不可或缺時，A與B之間才具有邏輯上的“內在的直接關系”，并把A叫做B的直接子目標.

利用目標矩陣來表示各子目標之間的直接關系，用橫軸表示某級的教學目標，為高級目標，以縱軸表示橫軸某目標的直接子目標，在橫縱軸間存在對應關系處劃“√”，形成目標矩陣如表1所示.

表1 目標矩陣

1.3 分析層級關系 形成目標關系圖

表2 剩余目標矩陣

續表2

表3 要素關系表

圖2 要素關系圖

1.4 修訂關系圖 建構教學序列

教材分析的最終目的是在建立形成關系圖的基礎上，確定教學序列.決定教學序列應遵循：

(1)選擇的教學路徑要由易到難，易于教學.

(2)按層級關系由低向高進行排列.

(3)如果同一層級對應多個低級目標，則優先選擇水平較低的要素.

(4)若應用范圍和低級目標基礎性均相同，可根據經驗和實際教學情況來選擇序列[3].

根據這些原則，可得到如圖3所示的教學序列圖，其中對科學素養的滲透蘊含在知識教學當中，按教學序列開展教學的過程也是素養提升發展的過程.

圖3 教學序列

對“磁場”部分進行分析形成的教學序列是3個有向的層級關系圖，因此磁場部分的教學設計可按3個路徑開展以促進核心素養與知識的融合，實現核心素養的落地：

(1)建立電流元的概念，掌握“左手定則”的使用方法，學會“安培力”的判斷和計算，學會“洛倫茲力”的判斷和計算，會分析帶電粒子在勻強磁場中的運動，進一步深化對運動觀和相互作用觀的認識理解.

(2)認識“磁現象”，建立“磁場”的概念，認識到磁場也是一種物質，進一步豐富學生的物質觀.

(3)認識“磁現象”，建立“磁場”的概念，通過掌握“磁感線”和“磁感應強度”，理解“磁通量”，為以后電磁感應的學習建立基礎.

2 總結與啟示

將“磁場”作為一個統攝的大概念，把核心素養要素作為分析要素與知識要素并重，建立聯系，運用ISM法進行教材分析，通矩陣過運算獲得層級關系，使教材內容結構清晰化、層次化.此種方法簡便易行,好處也是顯而易見的：素養與知識并重，以此為基礎開展的教學有利于核心素養的顯性化教學，更好地推動學生核心素養的形成與發展；素養之間的邏輯層次清晰，有利于學生的認知建構和學習進階；始終聚焦大概念有利于學生知識的整合和科學觀念的形成.因此素養導向下基于大概念的ISM教材分析有助于實現核心素養的落地教學，實現物理教育的核心價值.

物理學科知識體系的建立過程是以核心概念為代表的大概念不斷形成和建立聯系的過程，對核心大概念深化理解的過程也是不斷圍繞問題科學探究的過程，是運用科學思維、方法、模型、數學知識等解決問題的過程，是學習知識、鍛煉能力和形成素養的一體化過程.作為上位的一個大概念往往是由若干個層次的下位概念構成，是一個概念體系，是由各個下位概念“層層遞進、逐步進階”而生成，各層級下位概念遵循嚴格的邏輯順序，不可逾越和打亂.