基于ISM法的“圓周運動”單元教學重難點分析

許君委 程小健 陶永杰

(安徽師范大學物理與電子信息學院 安徽 蕪湖 241002)

1 引言

ISM(Interpretive Structure Modeling)譯為解釋結構模型，是由美國John Warfield教授于1973年提出的一種用于分析社會經濟系統問題的典型方法[1]，它通過提取核心要素，繪制出層級有向圖，將混亂無序的要素進行分級，可以更直觀地展示出研究對象的構成要素及內在邏輯結構.直到1978年，日本學者佐藤博證明該方法可適用于目標分析和教材分析.目前，其在教育領域的使用途徑還是以教材結構分析為主，文獻[2～4]都對應用ISM法分析教材進行實例研究.但對應用ISM法分析教學重、難點的研究較少，筆者以人教版普通高中物理新教科書中“圓周運動”單元為例，應用ISM法從定量的角度分析該單元的教學重、難點.

2 ISM分析方法

運用ISM法分析“圓周運動”單元重點和難點，需要遵循ISM法的操作步驟，即：首先明確研究對象，然后提取單元的核心要素，確定要素間的形成路徑，再根據形成路徑制作出鄰接矩陣表，關于可達矩陣有學者認為是非必須步驟，故本文未求解，通過對鄰接矩陣表的分析得到層級有向表和繪制出層級有向圖.

2.1 明確研究對象

在展開研究前，要明確研究的對象，筆者依據新人教版教科書，對“圓周運動”單元的標題、內容和知識點進行了提煉、羅列，其中對“轉速”提煉是依據現實問題所涉及到的，周期和轉速間的轉換得來的，該知識點也反映這類運動的特點，如表1所示.

表1 第六章 圓周運動單元內容

2.2 提取核心要素

筆者在研究新人教版教科書“圓周運動”單元的基礎上，結合《普通高中物理課程標準》(2017年版2020年修訂)的要求：“會用線速度、角速度、周期描述勻速圓周運動.知道勻速圓周運動向心加速度的大小和方向.通過實驗，探究并了解勻速圓周運動向心力大小與半徑、角速度、質量的關系.能用牛頓第二定律分析勻速圓周運動的向心力.了解生產生活中的離心現象及其產生的原因.”[5]按照在教科書中出現的順序提取出了8個核心要素，如表2所示.

表2 新人教版圓周運動

2.3 確定要素間關系的形成路徑

要素間關系的形成路徑是依據課程標準的內容、教科書編纂結構、學習者的認知特點以及分析者的理解決定的.在結合課程標準中對這單元內容的教學要求的基礎上，給出“圓周運動”單元要素間的關系形成路徑，如圖1所示.

圖1 各要素間關系圖

2.4 鄰接矩陣表

在圖1中各要素間的關系得以明確，但是圖中關系多且復雜，不能很好地體現知識間的有序性，故將圖1轉換為更加直觀、有序的表格形式.依據圖1中確定的要素間關系的形成路徑，繪制出鄰接矩陣表，如表3所示.在表中“0”表示兩要素間沒有形成關系，即在圖1中沒有形成箭頭；“1”則表示要素間存在形成關系，即在圖1中有形成箭頭.

表3 鄰接矩陣表

2.5 要素的層級有向表

在分析了鄰接矩陣表的基礎上，將要素Ri可以到達的全部要素集合Mi和所有可以到達要素Ri的集合Ni列出，并且計算出它們的交集，得出表4.

表4 可達要素與先行要素集合表

通過表4可以計算出可達集合Mi與先行集合Ni的交集，當交集內的要素Si與要素Ri一致時，就說明要素Si不可能到達除本要素之外的任何要素，規定這些要素為全部要素中的最高級要素，用相同的方法得出次高級，以此類推，可以繪制出要素的層級有向表，如表5所示.

表5 層級有向表

2.6 要素間層級有向圖

由于層級有向表對要素間的層級顯示并不直觀，故依據層級有向表繪制出了要素間層級有向圖，如圖2所示.

圖2 層級有向圖

3 “圓周運動”單元教學重點難點分析

教學的重點難點分析是教師在進行教學設計時，必須考慮的一項重要內容，只有確定好了一個單元的重點和難點，才能有針對性地進行教學設計并組織教學活動，達到更好的教學效果.文獻[6]把教學重點歸納為教師把知識和技能傳授給學生過程中的重要的或者主要的部分.以“圓周運動”單元為例，其教學重點是指在圓周運動單元學習過程中，能夠體現該單元教學內容結構的基本特點，反映知識間邏輯關系的基礎.教學難點是指以學生為標準，學生已有的生活經驗、已有的基礎知識和基本技能在完成某項任務或學習某個知識時遇到的困難和挫折[7].即在教材內容中，形成關系復雜，學生可能難以理解或者教材內容給出不全面，需要學生自行推演的知識要素.

通過ISM法對“圓周運動”教材結構體系的分析和對單元教學重難點概念的界定，“圓周運動”單元的教學重點和難點如下.

教學重點：依據學科課程標準和教科書內容體系，運用ISM法分析結果，在分析過層級有向圖和學習者的認知特點后，可以看出“圓周運動”單元的教學重點不僅僅包括分析所得的8個核心要素，還包括如線速度和角速度間、角速度和轉速間、圓周運動和周期間等一些簡單的要素間形成路徑，這些教學重點構建出基本的圓周運動知識的框架體系，既有助于指導教師備課、教學，又為學生提高認知水平提供幫助.

教學難點：根據學生單元學習的具體情況，運用ISM法分析結果可知，教學難點不但是這個單元教材結構中的最高層級要素，周期、轉速、向心加速度和生活中的圓周運動和處在結構中心位置的向心力，還指一些需要學生自行推演的知識.例如周期和轉速，它們與向心力、向心加速度的關系需要學生自己去推演，無形中加大學生學習難度.向心力和向心加速度被視為教學難點，因其處在結構中較高的位置和其形成路徑復雜，對學生的知識遷移能力要求高.而生活中的圓周運動被列為教學難點，因其獨特的作用，構建一些具有代表性的圓周運動模，如火車轉彎模型、拱橋模型等.這些都是知識和生活實踐的結合，具有培養學生科學思維的重要意義.

4 總結

通過ISM法對教材結構進行分層，把隱藏在教科書邏輯結構中的有向性總結、繪制成層級分明的要素層級有向圖，可以更加直觀地觀察出教材內容的重點和難點.ISM這種研究方法可以呈現出單元或主題教學內容的層級關系，對理解克服難點有指向作用，同時對從定量的角度去分析和設計教學有指導性的作用.通過ISM法去指導教學更利于學生對物理知識結構的把握，進而達到培養學生高水平的物理觀念和提高學生的科學思維水平的教學目的.