基于结构解释模型的高中化学教材分析_皇甫倩

教材分析既是教学活动的开端，也是教学活动很重要的一个方面。《普通高中化学课程标准（实验）》强调，教师分析教材进行备课时，应依据课程标准的要求，处理好不同课程模块之间的关系，把化学学科中最重要的基础知识、基本技能、基本观点和方法有机地融合起来[1]。这就要求教师在备课和教学设计的过程中通过对教材的分析，不仅要挖掘出书本上的隐性知识以及知识的隐性价值，还要能充分地掌握教材中局部和整体知识之间的联系，做到层次分明、心中有数，从而能设计出合理的教学程序，选择适合的教学方法。因此如何以科学的方法进行教材分析和研究显得尤为重要。

在当前的教材分析方法中存在着两种倾向。一种是教师完全根据自己的经验对教材进行解读和分析。教师经验上的主观性对教材的分析有利有弊。一方面这种主观性便于教师创造性的发挥，同时有利于不同层次学生的差异化教学；另一方面，对主观经验的依赖也会使教材分析的结果存在局限性。另外一种倾向是，教师完全按照教材内容的框架体系照本宣科地、机械地分析教材。这类教材分析法往往会忽略隐没于教材中的横向结构中的基本知识要素及其相互间的关系结构，从而无法构建各概念知识点之间的层级结构，进而使教学设计凌乱无序[2]。

基于结构解释模型（Interpretive Structure Modeling,以下简称为ISM ）教材分析方法则克服了以上缺陷，它建立了教材中要素间的层级有向图，避免了教材分析中过度主观化导致知识网络散乱不易梳理的问题，能较客观地反映基本要素间的关系。有助于教师在教学前构建结构化的知识体系，也能帮助学生通过教师讲解顺利同化新知识，进行有效学习与记忆。

本文通过实例来介绍基于ISM 教材分析法在化学

教学中的应用，旨在为广大教师进行教学设计时提供参考。

1 ISM 教材分析法的内涵及步骤1.1 ISM 教材分析方法的内涵

结构解释模型（ISM ）是1973年由美国John. W arfield 教授作为分析复杂的社会经济结构问题的一种方法而开发的。其基本思想是通过各种创造性技术，提取问题的构成要素，并对要素及相互关系等信息进行处理，最后用文字加以解释说明，明确问题的层次和整体结构，提高对问题的认识和理解程度。其特点是将复杂的系统分解为若干个系统要素，利用人们思维实践经验和知识以及计算机的帮助，最终建立一个多级阶梯的结构模型[3]。

ISM 属于概念模型，可以用简单明了的概念结构图形象地表示系统中各要素之间的关系，从而有效地实现教材的结构化和序列化。它要求教师对教材内容的理解达到融会贯通的水平，既精通教材的内容体系和编排意图，又能以一种批判的眼光来看待教材，正确认识到教材中的问题和不足，并结合学生已有的认知经验有意识地对教材内容进行调整、删减，来弥补这种不足，从而能够轻松、流畅地完成整个教学，并在课后对教材的反思性分析中表现出高度的理论性。

1.2 ISM 教材分析方法的运用步骤

根据John. Warfield 教授的ISM 分析方法，我们就教材分析提出了ISM 分析方法之“三段式”的教材分析模型。所谓“三段式”分别是指（1）分析学科教材，抽取知识要素；（2）确立目标关系，理清教学思路；（3）绘制结构模型，确定教学过程。该模型运用的步骤及内容见表1。

在此需要强调的是，ISM 分析法之“三段式”的教材分析模型在使用过程中应根据教材内容、学生的学

基于结构解释模型的高中化学教材分析

皇甫倩，王后雄

(华中师范大学化学教育研究所，湖北武汉 430079)

摘要：结构解释模型（ISM ）是一种系统分析法，将其运用于教材分析的主要功能在于将复杂零散的知识简洁化，它的核心在于将教材中各概念之间复杂、凌乱的关系整理成清晰的、多级阶梯的结构形式。本文通过对高中化学教材分析的实例研究，阐述了ISM 方法如何指导实践，并提出了相关的教学建议，旨在为中学化学教师应用该模型进行教学设计提供参考。

关键词：结构解释模型；高中化学；教材分析

文章编号：1005–6629(2013)2–0008–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

课改前沿

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课改前沿习情况等来讨论模型中的要素是否需要变更和增减，

要素间的形成关系是否需要进行修正，若需要修正，则

应重返阶段1，直到所得的结构模型基本符合实际情

况为止。在使用该模型中，教师要尽量避免机械地套用

模型，否则不但不利于实现有效教学，反而固步自封，

对教师开展教学活动产生阻碍作用。

表1 ISM分析法之“三段式”的教材分析模型

步骤内容

1.分析学科教材，抽取知识要素该步骤具有一定的主观性，建议教师可根据本人对教材内容的分析、专家建议、学生反馈和综合整理等多种途径，确定需要分析的相关知识要素。一般而言，教材编排中，满足“教材中的明确概念；在每课小结中作为主要知识点；在整个章节体系中占节点地位”这三个条件的内容可作为知识要素。

2.确定要素关系，理清教学思路对于抽出来的要素，要根据它们间的逻辑的、上下的、前后的各种关系，决定要素间的形成关系。这种形成关系的决定不仅与教材中的知识内容有关，也与教师的教材观，教学经验以及学生的具体学习情况等有关。在确定了各知识要素的关系之后，教师应该对整个教学思路有初步的把握。

3.绘制结构模型，确定教学过程将各要素之间的关系转化为图呈现出来，各个要素之间，先行要素与可达要素之间用有向箭头连接起来，从而形成一个由低到高的结构模型图。教师根据该模型图来确定教学过程。

2 ISM教材分析法的应用研究

前面我们提到了ISM教材分析法的精髓在于通过构建结构模型，将系统中各要素之间的复杂、零乱的关系整理成清晰的、多级递进的结构形式。因此，教师在分析教材时若能掌握这种方法，便可抓住ISM模型的精髓，起到事半功倍的效果。本文以人教版《化学1》中的“化学计量在实验中的应用”为例[4]，阐述ISM教材分析法的应用。

2.1 分析学科教材，抽取知识要素

在分析教材之前，教师应首先根据《普通高中化学课程标准（实验）》的要求,即“认识化学计量的基本单位——摩尔，能运用于相关的简单计算，体会定量研究的方法对研究和学习化学的重要作用”，以及“学会配制一定物质的量浓度的溶液”[5]。仔细研读教材，并抽出该单元的8个重要概念作为知识要素（见图1）。

图1 知识要素

2.2 确定要素关系，理清教学思路

ISM教材分析法认为，如果教师让学生在对要素A 进行学习之前必须先掌握要素B，则称要素A为可达要素，要素B为先行要素。教师在确定各要素关系的时候，不仅应该根据教材内容的安排来决定教学思路，还应当考虑学习者的实际情况以及知识的内在联系。

在本例中，根据学生之前的知识储备，4粒子总数、6体积和7质量是学生在初中阶段均已经学习过的知识。再由教师的分析判断和经验，可以决定各要素间的形成关系（见图2）。

图2 向我们展示了该单元所要学习的几个重要概念以及相关概念之间的联系，这种关系图示是教师在一般备课或者分析教材中经常采用的。该图示的优势在于它是根据教材内容的进度来描述相应的要素关系，具有紧扣教材，覆盖全面、能够提供给教师最基本的教学思路等特点。但是它没有考虑到学习内容体系的系统性以及学生掌握知识的便捷性，整个图示给人的感觉是“眉毛胡子一把抓”，没有层次感，知识内容非常凌乱，尤其是在向来以知识点“杂”、“多”且“分散”的化学学科中，这种图示不但不能为教师深层次地分析教材提供保障，反而会使教师陷入到一种教学思维“短路”或是面对庞杂的知识点不知从何教起的困境。

2.3 绘制结构模型，确定教学过程

根据要素目标的层次水平，将同一水平的元素排在同一层上，较低一层的要素是较高一层元素的先行要素。根据各要素关系示意图，我们可以算出每个要素的可达要素集合Ai和先行要素集合Bi（其中i表示要素的代号）。

1.物质的量（n）

5.阿伏伽德罗常数（N A）8.物质的量浓度（c B）

6.体积（V）

7.质量（m）

2.摩尔质量（M）

3.摩尔体积（V m）

4.粒子总数（N）

6.体积（V）

7.质量（m）

4.粒子总数（N）

预备知识

要素间关系

图2 各要素关系示意图

在本例中包含了8个元素，例如，要素2，它既具有先行要素1、7，又具有可达要素8。因此就有了A2=｛8｝, B2=｛1,7｝。

（1）对于Bi=｛ф｝（空集合）要素i，表示该元素没有先行要素，它属于最低阶层。在本例中，由图2我们可以看出，要素4、5、6、7没有先行元素，它的先行要素的集合为空集，因而要素4、5、6、7为最低级别，将要

素4、5、6、7从图中取出，得到层级1。

（2）在层级1余下的要素之中找出具有Bi=｛ф｝的i，此时i=1，它表示要素1为该图的最低层级。将要素1从余下要素中取出，得出层级2。

（3）在层级2余下的要素之中找出具有Bi=｛ф｝的i，此时i=2,3，它表示要素2、3为该图的最低层级。将要素2、3从余下要素中取出，得出层级3。

分析到此，就只剩下要素8了，那么它们便处于层级分布的最高层。层级分布见表1。各要素层级分布见图3。

表1 层级分布表

层级要素

14，5，6，7

21

32，3

48

由图3可以看出，该单元所涉及的知识点的层级有4层。4，5，6，7为前提知识，位于整个层级的最底层；然后是1位于第二层；2，3位于第三层；总目标知识点8位于第四层。箭头末端要素为箭头指向要素的可达要素。

此外，要强调的是，在确定教学过程的时候需要在教学要素层次分析的基础上考虑如下几个因素：按低级要素先于高级要素的原则排列；在多个同一级别的教学要素中，先安排有较多先行元素的教学要素；在多个同一级别的教学要素中，先安排基础性的教学要素；在多个同一级别的教学要素中，对于基础性的教学要素和先行要素数目均相同的场合，可根据教师经验决定排列的顺序。在绘制了结构模型之后，本章节的教学过程就清晰了，即：质量、体积、粒子总数和阿伏伽德罗常数→物质的量→摩尔质量、摩尔体积→物质的量浓度。此时教师再进行授课则不但能充分发挥教材的功能，而且能将知识传授系统化，授课思维清晰化，彰显出内容重点。若将此运用于教学过程中的板书，则更加利于学生知识的领悟以及加强对相关知识的联系，从而形成知识网。

图3 各要素关系的结构解释模型

3 ISM教材分析法的教学建议

利用ISM分析法进行教材分析不但能够使知识要素变得清晰明了，更能促使化学教材利用效率的大大提高。在此，笔者仅提出几点建议供教师参考。首先要合理定位要素层级。用ISM 法分析教材得出的教学活动序列与教材的内容序列应基本相符，但在实际教学中教师可以结合其他因素进行适当的调整，如学生的知识水平，智力因素等，以求达到最佳的教学效果。其次要深入研讨层级图示。对于所得到的各要素层级图应进行深入研讨，强调从层级图示中理解章节知识及其之间的关系，更加深刻地把握课程标准对教材的相关要求，从而促进更加科学有效的教学活动的开展，最终达到教师授课时教学思路清晰，学生学习时知识速成体系的良好效果。此外，无论用什么方法对教材进行分析，都必须把《普通高中化学课程标准（实验）》作为最重要的指导标准，因为只有这样才有利于全面落实化学教学目标，准确把握化学教材体系结构以及顺利实施有效教学。

总之，利用ISM方法进行教材分析有利于教师和学生抓好知识间的相互渗透及教材本身知识结构的前后联系，可以使教师更加深入细致地认识教材，是全面落实化学教学目标的重要保障，也是使教师更好地组织科学有效的教学活动，学生更好地理解掌握系统化知识的重要工具。

参考文献：

[1][5]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2006：35.

[2]毛琦.基于ISM法的物理教科书分析及分析结果实用性的探讨[D].上海：华东师范大学硕士学位论文，2010.

[3]袁旭梅，刘新建，万杰编著.系统工程学导论[M].北京：机械工业出版社，2006：156~157.

[4]宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书·化学（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2007：11~17.

课改前沿

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第二次作业《解释结构模型应用》

大连海事大学 实验报告 《系统工程》 2014～2015学年第一学期 实验名称：基于解释模型在大学生睡眠质量问题的研究学号姓名：马洁茹姚有琳 指导教师：贾红雨 报告时间： 2014年9月24日

《系统工程》课程上机实验要求 实验一解释结构模型在大学生睡眠质量问题中的研究 实验名称：基于MATLAB软件或C/Java/其他语言ISM算法程序设计(一) 实验目的 系统工程课程介绍了系统结构建模与分析方法——解释结构模型法（Inter pretative Structural Modeling ·ISM）是现代系统工程中广泛应用的一种分析方法，能够利用系统要素之间已知的零乱关系，用于分析复杂系统要素间关联结构，揭示出系统内部结构。ISM方法具有在矩阵的基础上再进一步运算、推导来解释系统结构的特点，对于高维多阶矩阵的运算依靠手工运算速度慢、易错，甚至几乎不可能。 本次实验的目的是应用计算机应用软件或者是基于某种语言的程序设计快速实现解释结构模型(ISM)方法的算法，使学生对系统工程解决社会经济等复杂性、系统性问题需要计算机的支持获得深刻的理解。学会运用ISM分析实际问题。 (二) 实验要求与内容： 1.问题的选择 根据对解释结构模型ISM知识的掌握，以及参考所给的教学案例论文，决定选择与我们生活有关的——大学生睡眠质量问题。 2．问题背景 睡眠与我们的生活息息相关，当每天的身体机制在不断运行的过程中身体负荷不断变大，到了夜间就需要休息。但是同一寝室的同学大多休息时段不同，有些习惯早睡，有些会由于许多原因晚睡。有些睡眠较沉不会轻易被打扰，有些睡眠较轻容易被鼾声或者其他声响惊醒。学习得知，解释系统模型是通过对表面分离、凌乱关系的研究，揭示系统内部结构的方法。因此，我想尝试通过解释模型来对该问题进行研究分析。 3.用画框图的形式画出ISM的建模步骤。

第二次作业《解释结构模型应用》

海事大学 实验报告 《系统工程》 2014～2015学年第一学期 实验名称：基于解释模型在大学生睡眠质量问题的研究学号：马洁茹有琳 指导教师：贾红雨 报告时间： 2014年9月24日

《系统工程》课程上机实验要求 实验一解释结构模型在大学生睡眠质量问题中的研究 实验名称：基于MATLAB软件或C/Java/其他语言ISM算法程序设计(一) 实验目的 系统工程课程介绍了系统结构建模与分析方法——解释结构模型法（Inter pretative Structural Modeling ·ISM）是现代系统工程中广泛应用的一种分析方法，能够利用系统要素之间已知的零乱关系，用于分析复杂系统要素间关联结构，揭示出系统部结构。ISM方法具有在矩阵的基础上再进一步运算、推导来解释系统结构的特点，对于高维多阶矩阵的运算依靠手工运算速度慢、易错，甚至几乎不可能。 本次实验的目的是应用计算机应用软件或者是基于某种语言的程序设计快速实现解释结构模型(ISM)方法的算法，使学生对系统工程解决社会经济等复杂性、系统性问题需要计算机的支持获得深刻的理解。学会运用ISM分析实际问题。 (二) 实验要求与容： 1.问题的选择 根据对解释结构模型ISM知识的掌握，以及参考所给的教学案例论文，决定选择与我们生活有关的——大学生睡眠质量问题。 2．问题背景

睡眠与我们的生活息息相关，当每天的身体机制在不断运行的过程中身体负荷不断变大，到了夜间就需要休息。但是同一寝室的同学大多休息时段不同，有些习惯早睡，有些会由于许多原因晚睡。有些睡眠较沉不会轻易被打扰，有些睡眠较轻容易被鼾声或者其他声响惊醒。学习得知，解释系统模型是通过对表面分离、凌乱关系的研究，揭示系统部结构的方法。 因此，我想尝试通过解释模型来对该问题进行研究分析。 3.用画框图的形式画出ISM的建模步骤。

解释结构模型

3.2解释结构模型 系统是由许多具有一定功能的要素（如设备、事件、子系统等）所组成的， 各要素之间总是存在着相互支持或相互制约的逻辑关系。在这些关系中，又可以分为直接关系和间接关系等。为此，开发或改造一个系统时，首先要了解系统中 各要素间存在怎样的关系，是直接的还是间接的关系，只有这样才能更好地完成 开发或改造系统的任务。要了解系统中各要素之间的关系，也就是要了解和掌握系统的结构，建立系统的结构模型。 结构模型化技术目前已有许多种方法可供应用，其中尤以解释结构模型法（InterpretativeStructuralModeling,简称ISM）最为常用。 3.2.1结构模型概述 一、解释结构模型的概念 解释结构模型（ISM）是美国华费尔特教授于1973年作为分析复杂的社会 经济系统有关问题的一种方法而开发的。其特点是把复杂的系统分解为若干子系 统（要素），利用人们的实践经验和知识，以及电子计算机的帮助，最终将系统 构造成一个多级递阶的结构模型。 ISM属于概念模型，它可以把模糊不清的思想、看法转化为直观的具有良好 结构关系的模型，应用面十分广泛。从能源问题等国际性问题到地区经济开发、 企事业甚至个人范围的问题等，都可应用ISM来建立结构模型，并据此进行系 统分析。它特别适用于变量众多、关系复杂且结构不清晰的系统分析，也可用于方案的排序等。 所谓结构模型，就是应用有向连接图来描述系统各要素间的关系，以表示一个作为要素集合体的系统的模型，图3-1所示即为两种不同形式的结构模型。

图3-1两种不同形式的结构模型 结构模型一般具有以下基本性质： （1）结构模型是一种几何模型。结构模型是由节点和有向边构成的图或树 图来描述一个系统的结构。节点用来表示系统的要素，有向边则表示要素间所存 在的关系。这种关系随着系统的不同和所分析问题的不同，可理解为“影响”、“取决于”、“先于”、“需要”、“导致”或其他含义。 （2）结构模型是一种以定性分析为主的模型。通过结构模型，可以分析系统的要素 选择是否合理，还可以分析系统要素及其相互关系变化对系统总体的影响等问题。 （3）结构模型除了可以用有向连接图描述外，还可以用矩阵形式来描述。 矩阵可以通过逻辑演算用数学方法进行处理。因此，如果要进一步研究各要素之间关系，可以 通过矩阵形式的演算使定性分析和定量分析相结合。这样，结构模型的用途就更为广泛，从而 使系统的评价、决策、规划、目标确定等过去只能凭个人的经验、直觉或灵感进行的定性分析，能够依靠结构模型来进行定量分析。 （4）结构模型作为对系统进行描述的一种形式，正好处在自然科学领域所用的数学 模型形式和社会科学领域所用的以文章表现的逻辑分析形式之间。因此，它适合用来处理 处于以社会科学为对象的复杂系统中和比较简单的以自然科学为对象的系统中存在的问题， 结构模型都可以处理。 总之，由于结构模型具有上述这些基本性质，通过结构模型对复杂系统进行分析往往能够 抓住问题的本质，并找到解决问题的有效对策。同时，还能使由不同专业人员组成的系统开发 小组易于进行内部相互交流和沟通。

应用解释结构模型

应用解释结构模型（ISM）分析大学生就业的问题09工业工程周浩吕超宇 摘要： 关键词：解释结构模型大学生就业原因及对策 背景： 据人力资源和社会保障部公布的数据，2009年我国将有2400万劳动力需要安排就业，其中将有超过700万大学毕业生需要解决就业问题。数据显示,2009年高校毕业生规模达到611万,比2008年增长52万；而据预测,2011年这一数字将达到峰值758万。与此同时,国际金融危机的影响进一步显现,可以预见,在未来相当长时期内大学生就业压力不会减弱。如何帮助大学生走出就业难的困境将成为政府与社会长期而艰臣的任务。 大学生就业难是一个现实问题，更是一个社会问题。总体来说,大学毕业生具有较高的人力资本水平,是劳动力市场上的优势群体。但随着全球化的发展与知识经济的冲击,青年初次与持续就业所需的能力门坎逐年提高,大学生必须具备能够满足新经济要求的核心就业能力才能成功发展,但现有教育培训体系缺乏必要的就业市场需求导向,缺乏对创业行为的深入研究,高等教育培养出来的大学生在知识和技能结构上与人才市场的需求存在脱节,大学生就业的结构性矛盾日益突出。 （https://www.wendangku.net/doc/5f8471368.html,/xiaobao/news_view.asp?newsid=663）

应用解释结构模型分析问题： 1.1成立ISM 小组 小组成员主要由来自09工业工程的周浩和吕超宇组成； 1.2确定关键问题与确定因素，列举各导致因素的相关性 根据当今大学生的就业现状，我们小组应用头脑风暴法在小组内经过激烈讨论，并在网上查阅大量的资料，基本上确定影响当今大学生就业的因素大致为以下12种原因，小组成员又经过多次探讨分析确定他们之间的关系并按照下面的影响关系填写表2所示的框图。 （1）j S i S 对有影响，填1；j S i S 对无影响，填0；（i ，j=0,1，……12） （2）对于有相互影响的因素，取你认为影响大一方为影响关系，即有影响； 表1导致因素 关键问题：大学生就业问题 0S 导致因素 1 专业设置与社会需求脱节 1S 2 就业政策不完善 2S 3 竞争压力较大（ 3S 4 教育机制存在弊端 4S 5 海归的竞争 5S 6 大学生就业观念 6S 7 缺乏工作经验 7S 8 知识陈旧，转化率低 8S

解释结构模型作业

解释结构模型作业 一问题提出 近年来，随着我校整体规模的不断扩大，很多细节问题都成了师生们关注的焦点，尤其是学校食堂的问题日益成为师生们关心的重点。可以看到，每到吃饭时间11：30分左右尤其11：55分前后学时，食堂里面人员排队情况十分严重。虽然大食堂已经尽量多开窗口，提供人手，但在学校就餐时人员仍旧很多，学校食堂餐厅就餐严重拥挤。针对该拥挤问题，我们首先组建了一个ISM 研究小组，共五人，研 究出现该拥挤问题的原因。经过小组成员的讨论，我们初步整理出了问题构成的要素。 选择构成食堂拥挤问题的要素; 在形成对食堂拥挤问题初步认识的意识模型基础上，本组成员进一步明确定义了影响食堂客源的各要素，系统共有11个要素所组成。要素集合为A，表达式：A= {A1,A2,A3, (11) 二模型构建针对问题建立邻接矩阵和可达矩阵 系统中这11个要素是有机的联系在一起的，而这些要素之间又

是相互影响的，将这种影响关系用矩阵，即邻接矩阵来表示。矩阵的元素A ij=1 表示要素A i对A j有直接影响，否则A ij=0。在本实验中，根据小组及相关人员分析之后，建立邻接矩阵如表2。 三模型求解 1．根据系统元素建立的邻接矩阵编程求出可达矩阵； 2．对可达矩阵编程求系统元素的前因集、后果集及其它们的交集，作出分级划分； 3．作出强连通与不连通子集划分。 邻接矩阵表2反映了要素之间的直接关系，同时，要素之间还存在着间接关系，要素A i影响A j,而A j又影响A k，则A i就间接影响A k。这种影响可能是通过一个中间要素，也可能通过多个中间要素。我们用可达矩阵M来表示这样的直接或者间接的要素之间的影响关系。矩阵的元素A ij=1表示要素A i对A j有直接或间接的影响，否则，A ij=0。