基于ISM法的中學化學教材分析

鄧峰 吳宇豪 竇炳新 董亞楠

摘要： ISM法是一種定性與定量相結合的分析方法，基于ISM法的原理和流程，以中學化學教材的“化學反應類型”核心概念為例，通過抽提概念要素、梳理要素關系、建立目標矩陣以及確定概念層級，構建邏輯清晰、整合有序的層級有向圖，為教材分析提供可行的新思路，并提出合理的教學建議，推動ISM法指導教學設計和教學評價的應用進程。

關鍵詞： ISM法； 教材分析； 化學反應類型； 核心概念

文章編號： 1005-6629（2023）03-0010-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題的提出

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）明確要求教師進一步增進化學學科理解，有效落實“素養為本”的課堂教學?；瘜W學科理解是指教師對化學學科知識及其思維方式和方法的一種本原性、結構化的認識，它不僅僅是對化學知識的理解，還包括對具有化學學科特質的思維方式和方法的理解［1］；教學內容結構化則是教師提高化學學科理解和落實“素養為本”教學的關鍵要素。

教學內容結構化主要包括知識關聯的結構化、認識思路的結構化和核心觀念的結構化［2］。知識關聯的結構化是指按照化學學科知識的邏輯關系，統整課本中零散分布的知識點，顯化知識點間的內在聯系，從而形成組織結構良好的知識體系。認識思路的結構化是指從學科本原的視角出發，深入理解和抽象概括物質及其變化的認識過程，以助于學生形成分析和解決復雜問題的思維路徑。核心觀念的結構化是指從學科本原的視角出發，進一步抽象概括物質及其變化的本質和其認識過程，以促進學生對化學學科核心觀念的理解和把握。

已有很多研究者聚焦于教學內容結構化進行了探討，其中關于認識思路結構化和核心觀念結構化［3］的研究相對較少，大多數［4， 5］是基于知識關聯結構化的研究。當前知識關聯結構化可以分為橫向與縱向兩種，其中橫向結構化指的是通過概念圖［6］、樹狀圖［7］等形式體現化學學科知識之間的內在關系和結構。近年來，為了將化學核心素養的培養落實到教學實踐中，不少學者結合學習進階理論對教材進行了分析，得出了化學學科知識之間層級化、縱向化的結構框架，即知識關聯的縱向結構化［8］。不過，這類研究大多屬于思辨型，即按照學段主觀地劃分出若干層次水平，其研究結果也相對較為定性。

針對上述問題，ISM（Interpretive Structure Modeling）法提供了有益的解決思路，它是一種更定量、更科學的方法。ISM法克服了在教材分析過程中過度主觀化的弊端，將紛繁復雜的知識有序整合起來，構建起有向的知識間層級圖，為定量分析教材提供了理論依據和科學的操作方法。目前ISM法相對比較成熟，已有一些研究者使用該方法對化學物質及其變化、化學平衡等［9］主題進行了層級分析?！盎瘜W反應類型”貫穿學生化學學習的整個過程，在不同的學段有著不同的目標要求，對于學生厘清概念脈絡和構建化學知識框架具有關鍵性作用，是化學知識體系中不可或缺的一部分。“化學反應類型”在教學中也起著舉足輕重的作用，不僅整合了學生的化學學科知識，提高了概念理解的深度和廣度，而且偏重于顯化學生的化學學科觀念和認識思路，引導學生從化學學科本原出發，深入剖析和把握化學變化的原理和規律，在化學教學中處于核心骨架的地位?；诖?，本文運用ISM法對“化學反應類型”核心概念進行分析具有必要性，借此彌補國內這一類研究的不足，以期為化學教學研究提供一定的參考。

2? ISM分析法的內涵和流程

2.1? ISM分析法的內涵

ISM分析法的全稱是結構解釋模型法，是一種用于分析復雜社會經濟系統問題的方法，其在教材分析領域得到了廣泛的應用。它借助離散數學的圖形理論并采取矩陣運算的方式，呈現復雜要素間的關聯結構，繪制出知識要素的有向結構層級圖［10， 11］。它將零散的要素統整起來，客觀反映要素間的內在聯系，既有利于教師直觀感受教材編排的結構和邏輯順序，又有助于學生梳理和把握知識間的內在聯系，有望為教師備課和教學過程提供理論性的支持。

2.2? ISM分析法的流程

本研究的主題是貫穿初高中階段的“化學反應類型”，選取的教材分別是人教版九年級化學上、下冊（2012年版），人教版必修第一、二冊（2019年版），人教版選擇性必修一、二、三（2019年版），魯科版必修第一、二冊（2019年版）以及魯科版選擇性必修一、二、三（2019年版）。

2.2.1? 分析化學教材，抽提概念要素

抽提概念要素是利用ISM法分析教材的基礎，其過程往往會受到研究者主觀因素的影響，所以需要明確抽提概念要素的標準。為了保證與強化主題的聚焦性，未對“化學反應類型”更上位的概念（如“化學反應”）進行溯源性分析，即所抽提出的最高層次概念要素為“某某反應”。同時，概念要素的具體選擇標準包括：（1）教材給出的具體定義中的概念；（2）與教材給出的化學反應類型例子直接聯系的概念；（3）教材中與已抽提概念直接聯系的先行概念；（4）結合具體學習內容展開的過程進行分析——如初中教材中雖未明確給出“放熱反應”與“吸熱反應”的定義，但結合教材中“化學反應中的能量變化”學習內容，可抽提這兩個概念進行分析。

研讀上述教材以及初、高中化學課程標準，基于多輪小組討論，再根據專家意見進行修改與完善，最終確定了20種初高中階段主要學習的化學反應類型，分別是化合反應、分解反應、置換反應、復分解反應、中和反應、正反應、逆反應、可逆反應、離子反應、氧化反應、還原反應、取代反應、加成反應、消去反應、酯化反應、聚合反應、水解反應、吸熱反應、放熱反應、自發反應。因為吸熱反應、放熱反應、氧化反應和還原反應在不同的學段有著不同的學習要求，所以依據不同階段的學習任務，將其細分為吸熱反應（定性）、放熱反應（定性）、吸熱反應（定量）、放熱反應（定量）、氧化反應（元素）、還原反應（元素）、氧化反應（有機）、還原反應（有機）、氧化反應（電能）、還原反應（電能）。

根據概念要素的選擇標準，再次抽提出其他要素，分別是化合物、單質、酸、堿、鹽、醇、酯、反應物、生成物、物質狀態、物質種數、物質分子量、鹵素原子、碳碳雙鍵、碳碳三鍵、羥基、羧基、原子、分子、電子、離子、官能團、化學鍵的斷裂和形成、化學鍵的極性、化學鍵的飽和性、化學能、熱能。以離子反應為例，人教版定義為“離子之間的反應”，依據上述標準可抽提出的概念要素為“離子”，為了避免知識點的冗雜，優化結果的層次感，本研究將“離子”進一步定義為“微?！?，所以抽提的概念要素最終確定為“微?！?。

如上述所示，并基于兩名化學教學法專家的建議，對某些概念要素進行了以下處理：（1）將同一尺度的概念進行統稱，如將“化合物/單質”與“酸/堿/鹽”“醇/羧酸/酯”“反應物/生成物”納入物質類別范疇，統稱為“物質類別”；“鹵素原子/碳碳雙鍵/碳碳三鍵/羥基/羧基”統稱為“官能團”；“原子/分子/電子/離子/官能團”統稱為“微粒”；“化學能/熱量”統稱為“能量”。（2）依據概念的共性進行高度概括，“物質狀態/物質種數/物質類別/物質分子量”統稱為“物質”；“化學鍵的斷裂和形成/化學鍵的極性/化學鍵的飽和性”統稱為“化學鍵”。

經過上述步驟，最終對確定的概念要素進行編碼（詳見表1）。為確保研究的信度，另外邀請三名化學教育類研究生基于上述概念抽提和劃分標準進行獨立編碼分析，互評信度達91％，說明編碼結果較為可靠。

2.2.2? 厘清要素關系，建立目標矩陣

如果學生在學習概念要素A之前必須要掌握概念要素B，則可以稱概念要素B是概念要素A的先行要素，概念要素A是概念要素B的可達要素。以加成反應為例，人教版將其定義為“有機物分子中的不飽和碳原子與其他原子或原子團直接結合生成新的化合物的反應”，魯科版將其定義為“有機化合物分子中不飽和鍵兩端的原子與其他原子或原子團結合，生成新的有機化合物的反應”。同時魯科版還舉出相關例子進行補充說明：“乙烯可以和溴單質發生加成反應，反應時乙烯分子中碳碳雙鍵中的一個鍵斷裂，兩個溴原子分別加在斷鍵的兩個碳原子上”“除了分子中有碳碳雙鍵或碳碳三鍵的有機化合物能夠發生加成反應外，分子中有碳氧雙鍵的部分如乙醛，丙酮等，也能發生加成反應”。統整以上教材內容，可以得出“加成反應”的先行要素為“物質”“微粒”和“化學鍵”。據此，對“化學反應類型”所有的概念要素進行分析，可得到如表2所示關系。需要說明的是，概念要素之間關系的最終確定既來自對教材中關于概念的文本描述分析，同時也包括對概念之間的內容邏輯的關系分析。

厘清概念要素關系后，繪制出雙向形成表，即將概念要素分別在表格的橫縱軸按照相同的順序羅列出來，若縱軸上的概念要素是橫軸上的概念要素的先行要素，則需要在相應的交點處標記“1”，若不是則在相應的交點處標記“0”。基于上述操作，繪制“化學反應類型”的第一輪目標矩陣（如表3所示）。

2.2.3? 確定概念層級，繪制層級關系

對繪制出的目標矩陣進行分析，概念要素S1所在列沒有出現“1”，則表示S1沒有先行要素，所以它處于目標層次結構的最底層。將S1所在行上的“1”全部刪去，由此可以得到如表4所示的第二輪目標矩陣。

除了處于目標層次結構最底層的概念要素S1，橫軸上的概念要素S2、 S3、 S4、 S5、 S6、 S7、 S27、 S28、 S32所在的列上均無“1”出現，說明S2、 S3、 S4、 S5、 S6、 S7、 S27、 S28、 S32是目標層次結構的第二層。按照相同的方法依次提取每一層級的概念要素，直至目標矩陣里的所有數據為“0”。基于上述兩輪目標矩陣的分析，可得到“化學反應類型”的層級分布關系，如表5所示。最終根據各概念要素關系和層級分布情況，繪制出“化學反應類型”的層級有向圖，箭頭末端概念要素為箭頭指向概念要素的先行要素，如圖1所示。

3? 結果分析

由圖1可見，基于ISM法的“化學反應類型”分析有六個層級。其中，第一層級包含物質；第二層級包含化合反應、分解反應、置換反應、復分解反應、中和反應、正反應、逆反應、微粒、能量（宏觀）；第三層級包含離子反應、可逆反應、吸熱反應（定性）、放熱反應（定性）、元素；第四層級包含還原反應（元素）、氧化反應（元素）、化學鍵；第五層級包含取代反應、加成反應、消去反應、酯化反應、聚合反應、水解反應、還原反應（有機）、氧化反應（有機）、能量（微觀）；第六層級包含吸熱反應（定量）、放熱反應（定量）、還原反應（電能）、氧化反應（電能）、自發反應。

此外，“化學反應類型”的層級有向圖可以劃分為左右兩部分進行解讀。

左邊部分是所有名稱中包含“反應”的概念要素，概念要素的層級分布與初高中的學段順序大體相符：（1）學生在初中階段學習了化合反應、分解反應、置換反應、復分解反應和中和反應。（2）在高中必修階段學習了離子反應、正反應、逆反應和可逆反應，以及從元素化合價的視角認識了氧化反應和還原反應。（3）在高中選擇性必修階段系統全面地學習了取代反應、加成反應、消去反應、酯化反應、聚合反應、水解反應；從官能團轉化和化學鍵斷裂與形成的角度認識了氧化還原和還原反應；在熱化學主題下，基于能量變化，從定性與定量雙重視角認識了吸熱反應和放熱反應，并在電化學主題下，認識到化學能與電能的直接轉化需要在一定裝置中經由氧化還原反應才能實現，以及從能量變化（即焓變）和混亂度變化（即熵變）兩個方面認識了自發反應。

右邊部分的概念要素體現了學生對化學反應類型的本原性認識，概念要素的層級分布同樣符合學生對化學反應類型認識視角的發展：物質視角→微粒視角/能量（宏觀）視角→元素視角→化學鍵視角→能量（微觀）視角，整體上基本與從宏觀到微觀、從體系到體系-環境的變化趨勢相吻合。但是“微粒”和“元素”的排列順序沒有遵循該變化趨勢，這是因為學生需要在認識原子的基礎上，才能理解掌握元素的相關內容，從“微粒”發展到“元素”是符合教材內容編排順序的，順應了學生的認知發展規律。

此外，左右兩部分的概念要素之間呈現一定認識邏輯順序，具體表現在：（1）右邊第一層的“物質”為左邊第二至第六層的化學反應類型奠定基礎——譬如，“化合反應”和“分解反應”是依據物質種數變化進行定義的?！爸泻头磻钡亩x是酸與堿作用生成鹽和水的反應，“酸/堿/鹽”“生成物/反應物”均屬于物質類別的范疇，所以“置換反應”“復分解反應”“中和反應”“正反應”“逆反應”和“可逆反應”都是依據物質類別（如單質或化合物、反應物或生成物）進行定義的。（2）右邊第二層的“微?！睘樽筮叺谌龑拥摹半x子反應”（“離子”視角）、第四層的“氧化還原反應（元素）”（“電子”視角）、第五層的“氧化反應（有機）”與“還原反應（有機）”（“原子”視角）、第六層“氧化還原反應（電能）”（“電子”“離子”與“分子”綜合視角）奠定基礎。（3）右邊第二層的“能量（宏觀）”與第五層的“能量（微觀）”主要與左邊第三層與第六層的“吸熱反應”與“放熱反應”相對應，體現了從初中的“宏觀-定性”向高中“微觀-定量”的認識進階。其中，第五層的“能量（微觀）”概念為認識“化學反應與能量變化”與“化學反應的方向”提供認識視角。（4）右邊第三層的“元素”主要對應左邊第四層的“氧化還原反應（元素）”概念，體現了從初中的“元素得失”向高中的“元素化合價升降”的認識進階。（5）右邊第四層的“化學鍵”可作為左邊第五層的幾種有機化學反應類型的認識視角。譬如，可從“化學鍵的極性”與“化學鍵的飽和性”兩個角度認識這些反應類型的微觀本質。

4? 基于ISM分析的教學建議

利用ISM法進行教材分析有助于教師剖析概念間的邏輯關系，不僅揭示了知識關聯和認識思路的結構化，而且顯化了兩者之間的對應關系。教師可以更加清晰地掌握學生從初中到高中各個學段圍繞“化學反應類型”核心概念的階段性發展，尤其是“物質視角→微粒視角/能量（宏觀）視角→元素視角→化學鍵視角→能量（微觀）視角”認識視角的進階變化。

具體而言，在新授課階段，化學教師可以依據層級有向圖確定學生的前后發展階段，并基于此分析學生的已有基礎和發展需求。例如學生在學習取代反應時，已經能夠從物質、元素等宏觀視角去認識化學反應，但尚未形成基于化學鍵的微觀視角。教師可以參考化學反應類型的層級有向圖，向學生提供合適的腳手架，幫助其順利實現認識視角的過渡發展。再如，“吸熱反應”與“放熱反應”貫穿了初中、高中必修與高中選擇性必修三個階段，需要中學生發展螺旋式上升的學科認識——即從“宏觀-定性-孤立”認識先上升至“微觀-定量-孤立”認識，再上升至“微觀-定量-系統”認識。另外，在復習課階段，教師在復習課時可以利用層級圖統整高中化學反應類型的全部內容，凸顯化學學習的系統性思維，發展結構化、本原性的概念體系，從而在了解學生的邏輯思維能力和遵循化學學科特點的基礎上，更有效、科學地組織教學活動。

此外，教師同樣可以依據層級有向圖設計教學評價工具，測量學生對化學反應類型的認識水平。例如按照圖中所示的六個層級編制出紙筆測試題，探究各個學段學生的實際認識水平是否達到理想要求、認識視角是否符合循序漸進的發展規律，以及存在哪些認識空缺和迷思概念。此外，教師還可對學生的回答進行合理的內容分析，進而有效測量出學生內隱性的知識結構化和認識思路結構化［12］，真正落實化學學科核心素養的可操作化測評。

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