姜雨婧 劉小賢

（1.南京師范大學教師教育學院，江蘇 南京 210023；2.南京師范大學物理科學與技術學院，江蘇 南京 210023）

教材是前承課程標準，后啟課堂教學的主要媒介，是物理教學過程4個基本要素之一，是幫助學生認識物理世界的重要工具，是師生開展教學活動的主要依據(jù)和重要來源.［1，2］因此，教材分析對教師制定教學決策與開展教學活動具有重要的參考價值與指導意義，間接影響課程目標的達成與學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng).［1，3］

國內(nèi)外的教材編寫者往往持有不同的教材觀，對于同一部分知識，不同教材在知識點選取、認知邏輯設計、特色板塊編排等方面都存有一定差異.因此，進行國際教材的對比分析可以深化教師對物理學科知識的理解，幫助教師剖析知識的內(nèi)在理路，在充分理解和利用教材的基礎上豐富教學內(nèi)容.

然而，教材分析往往會過多摻雜研究者自身的主觀導向.這樣依據(jù)經(jīng)驗的分析結(jié)果就會存在局限和“偏見”.［3］在對比分析教材的眾多方法中，主客觀結(jié)合的ISM法作為科學系統(tǒng)的分析工具受到教材研究者們的信賴.該方法既支持研究者的觀點自由，又滿足分析過程與結(jié)果的科學性，使教材分析更客觀嚴謹.

利用ISM法對比分析物理教材已具有十分成熟的思路和嚴謹?shù)牧鞒?［1，3－5］自新課改以來，2019年出版的人教版高中物理教材正式投入使用，但目前鮮有對新版教材結(jié)構(gòu)的梳理與研究，可見物理教材分析的版圖還不夠豐富和完善.本文利用ISM法對我國2019年投入使用的人教版高中物理教材《物理》（以下簡稱R教材）與美國9—12年級的主流物理教材《物理：原理與問題》（Physics：Principles and Problems）（以下簡稱3P教材）中“電路”部分進行對比研究，通過繪制層級有向圖，比較兩版主流教材對同一專題編寫結(jié)構(gòu)與內(nèi)在邏輯的共性與差異，歸納教材編寫特色與結(jié)構(gòu)優(yōu)劣，為我國教材的編寫修訂和多樣化發(fā)展提供參考建議，為一線教師備課與教學提供新視角與新思路.

1 分析教材結(jié)構(gòu)的必要性

布魯納曾在《教育過程》一書中強調(diào)任何學科都有其基本結(jié)構(gòu)：“不論我們選教什么學科，都務必使學生理解該學科的基本結(jié)構(gòu)，學科的基本結(jié)構(gòu)即各門學科的基本概念、基本原理和規(guī)律，學習結(jié)構(gòu)就是學習事物是怎樣相互關聯(lián)的.”［6］研究表明，從教材的本質(zhì)結(jié)構(gòu)看，任何一本中學教材都必須滿足3個基本要素：學科知識體系、學生心理發(fā)展（或思維能力發(fā)展）和可教學性，教材編寫應該遵循教學邏輯.［7］綜上，物理教學應該置于一個各知識要素間相互關聯(lián)、有內(nèi)在邏輯的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中開展，那么教材中各知識要素間是否存在緊密的內(nèi)在邏輯關系就成為分析教材編寫質(zhì)量高低的判據(jù)之一.肖磊等人在回顧過去20年來中國教材分析的文章中提出，教材是傳遞人類文化知識和國家意識形態(tài)的特殊文本，因而教材分析離不開對教材文本內(nèi)容及結(jié)構(gòu)的分析，所使用的研究方法也離不開質(zhì)性和量化研究.［8］

2 ISM法及操作流程概述

ISM法（Interpretive Structural Modeling Method）是解釋結(jié)構(gòu)模型法的簡稱，最早由美國沃菲爾德（John Warfield）教授于1973年提出，是將圖論用于分析經(jīng)濟社會系統(tǒng)中復雜要素間關聯(lián)結(jié)構(gòu)的一種方法.佐藤隆博于1978年證實該方法適用于目標分析與教材開發(fā).［3，9，10］ISM 法提供了一個梳理復雜系統(tǒng)內(nèi)在結(jié)構(gòu)的有效手段，分析脈絡明確可觀，實現(xiàn)了主觀與客觀、定性與定量、數(shù)學模型與思維邏輯的高度融合.該模型能夠系統(tǒng)地將教材中各知識要素之間復雜、零亂、分散的關系以可視化、遞進式、整體性的結(jié)構(gòu)模式清晰地展現(xiàn)出來.利用ISM法分析教材不僅有助于教師厘清和把握教材中知識點間的內(nèi)在邏輯指向和層級結(jié)構(gòu)劃分，也為教師深入備課和創(chuàng)新教學提供科學的邏輯思路，還有助于學生在繁蕪冗雜的知識要素中自主構(gòu)建有條理的知識體系.

以兩版教材中“電路”部分為例，運用ISM法分析教材結(jié)構(gòu)的操作流程概述如下：首先綜合自身對教材的理解、學生的認知程度、現(xiàn)有研究成果、學科特色、業(yè)界專家及經(jīng)驗豐富的教師的意見進行關鍵知識要素的界定，提取兩版教材中關鍵知識要素（即物理知識點），并為其編碼排序（見表1和表2）.而后根據(jù)改進后的ISM法，運用簡化操作確定要素間的二元形成關系，并繪制要素間形成關系路徑圖.［11］據(jù)此創(chuàng)建鄰接矩陣并求取可達矩陣，最后繪制層級有向圖（見圖1和圖2）.

表1 R教材“電路”部分關鍵知識要素

表2 3P教材“電路”部分關鍵知識要素

圖1 R教材的層級有向圖

圖2 3P教材的層級有向圖

3 分析對比

3.1 關鍵知識要素的異同

通過對兩版教材中“電路”部分相關章節(jié)的目錄進行對比，發(fā)現(xiàn)兩版教材在章節(jié)劃分和內(nèi)容設置方面存在較大差異.R教材對“電路”部分的教學分成兩章9節(jié)內(nèi)容，而3P教材僅有4節(jié)內(nèi)容.筆者從R教材提取出33個關鍵知識要素，3P教材提取出26個關鍵知識要素，R教材的關鍵知識點含量略高于3P教材.其中，兩者共同要素包括“電源（電池組）”“電流”“電功”“電功率”“電壓表和電流表的結(jié)構(gòu)”“串聯(lián)和并聯(lián)電路”等，宏觀上所呈現(xiàn)的知識內(nèi)容大體相同，說明編者們對“電路”部分學生需要掌握的基本知識的把握基本一致，但對部分關鍵知識要素的處理、選擇和出現(xiàn)順序等方面存在差異.在對共同且基礎的知識點“電源”的處理上，兩版教材均注重對舊知識的鞏固運用，在原有認知基礎上發(fā)展新知識，但3P教材在“電路”起步階段就強調(diào)了電流與能量之間的聯(lián)系，為后續(xù)電能和能量守恒思想的學習埋下伏筆.此外，在解釋電源工作原理的插圖部分，有別于R教材將兩電荷橫向并置，3P教材將高電勢一端置于低電勢上位，從視覺角度潛移默化地幫助學生建構(gòu)電勢能與重力勢能的聯(lián)系，深化學生對電源工作原理的記憶與理解.又比如R教材的編寫嚴格依照課標要求，將能源利用和社會可持續(xù)發(fā)展作為教材關鍵知識要素，注重學生核心素養(yǎng)的顯性培養(yǎng)；3P教材更傾向?qū)τ秒姲踩慕榻B.再比如對于“電功率”的計算推導過程兩版教材一致，R教材對其安排靠后，在“電能”首節(jié)出現(xiàn)，結(jié)合靜電力做功和前一章習得的電流公式，得到電功率的計算式；3P教材則漸入佳境，對電流進行定義后，順勢結(jié)合“電流攜帶的能量即為電能”，推導出電能和電功率的計算式.前者符合我國學生在電學部分的學習習慣，后者關注基礎知識的實時應用.

3.2 起始要素選取的異同

起始要素是指在層級有向圖中只有指出箭頭，而沒有指入箭頭的要素.起始要素只有可達要素，在教材中該部分內(nèi)容作為基礎知識而被直接引入.建構(gòu)主義認為：應充分關注認知起點，促進學習者在已有知識基礎上的有意義學習.因此起始要素在知識框架中承擔基石作用.R教材的起始要素為“電源”“歐姆定律”以及“游標卡尺和螺旋測微器的使用”，而3P教材的起始要素為“電流”和“歐姆定律”.“電源”和“電流”在兩版教材中均屬于低層級要素，且在編排上都緊接著另一個要素，因此對后續(xù)知識學習的干預不大.

“歐姆定律”作為初中知識，兩版教材均選擇直接引用.3P教材中“歐姆定律”的可達要素為“電阻”，不同之處在于，R教材從分析導體的U -I圖像出發(fā)，得到電阻的定義式和定義，進而過渡到從定性和定量兩個角度分析影響電阻大小的因素，再延伸到對線性元件與非線性元件“伏安特性曲線”的學習，最后結(jié)合“游標卡尺和螺旋測微器的使用”實現(xiàn)“導體電阻率的測量”.3P教材先從歐姆定律“一段通電導線的電壓和電流成正比”的結(jié)論出發(fā)，結(jié)合將同一節(jié)電池分別與銅棒和玻璃棒相連產(chǎn)生電流有無的現(xiàn)象，得到電阻的定義——物體由于存在電壓而產(chǎn)生的阻礙電流的特性，而后直接給出電阻的計算公式、單位和符號，僅從定性角度解釋了影響電阻大小的因素，雖然不涉及電阻率的定義和計算，但列舉出了不符合歐姆定律的器件、具有特定阻值電阻器的構(gòu)成材料以及滑動變阻器的內(nèi)部構(gòu)造和實際應用（如MP3播放器和計算器的晶體三極管和二極管、滑動變阻器是電動摩托車控制桿能夠連續(xù)改變轉(zhuǎn)速的關鍵），并聯(lián)系身體健康，結(jié)合人體電阻強調(diào)用電安全.

R教材的知識內(nèi)容編排難度大、物理學科知識性強、對學生的學習能力提出更高要求.3P教材側(cè)重對學生安全意識的培養(yǎng)和知識面的拓展，更強調(diào)物理在生活生產(chǎn)中的基本應用和與科學技術的密切關聯(lián).

3.3 結(jié)點要素選取的異同

結(jié)點要素是指在層級有向圖中只有指入箭頭，而沒有指出箭頭的要素.結(jié)點要素沒有可達要素，因此不對其他知識要素構(gòu)成影響，通常位于層級有向圖的最頂端.R教材和3P教材均有9個結(jié)點要素，但差異巨大，相同的僅有2個——“超導現(xiàn)象”和“電壓表電流表的構(gòu)造”.對于“電壓表電流表的構(gòu)造”兩版教材較為相似，“串并聯(lián)電路”均是最重要的先行要素.但對于“超導現(xiàn)象”R教材從“電阻”過渡到“影響電阻的因素”，從溫度過渡到“超導現(xiàn)象”這一特殊情況.而3P教材則以“電阻”和“電功率”共同作為“超導體（現(xiàn)象）”的先行要素，因為導體的電阻為0，因此電荷在其中的運動不會受到阻力，故超導體中不存在電壓，又因?qū)w損耗功率為IU，因此超導體傳輸電能沒有損耗.

結(jié)點要素不同，既說明教材對同類知識需要掌握的深度和廣度的要求不同，也體現(xiàn)了教材的編寫特色和編者的教材觀.在R教材中“電流的微觀解釋”是“電流”的可達要素也是結(jié)點要素，而3P教材則不涉及電流的微觀解釋.此外，3P教材中“電能的轉(zhuǎn)化與計算”這一結(jié)點要素在R教材中僅處于第5層級，而R教材對“電能”知識要素的要求不僅限于能夠應用公式計算電能和電功率及其在傳輸過程中的損失，更要求學生能夠應用“電能”相關知識解決“閉合電路歐姆定律”此類更復雜的問題，可見R教材對“電路”部分需要掌握知識的深度和廣度均遠超3P教材.3P教材部分結(jié)點要素我國學生在初三階段已經(jīng)熟練掌握（如“家庭電路保護裝置”和“千瓦時”），其結(jié)點要素的設置看似簡單實則生活化，側(cè)重物理知識在生活生產(chǎn)、工業(yè)技術中的實用途徑與價值體現(xiàn)，更體現(xiàn)3P教材從物理走向生活、用知識服務生活的教材觀.

3.4 要素間形成路徑的異同

形成路徑反映編者對于知識內(nèi)在邏輯關系和教學順序的理解和組織.兩版教材關鍵知識要素的層級有向圖均成樹狀，知識主干相似，可見編者們均重視基礎知識的鋪墊與高階知識的發(fā)散，但要素間形成路徑的差異較大.R教材形成路徑更為復雜，除去關鍵知識要素的數(shù)量差異，本質(zhì)源于兩版教材的單元設置不同.R教材從閉合電路的基本構(gòu)成要素（電源、電流、電阻、串并聯(lián)電路）開始，逐步延伸到對能量的學習，并著重強調(diào)功能關系的轉(zhuǎn)化，切合我國學生初中時的學習順序.而3P教材則先由電路基本知識引出電能及其應用，再從能量角度考慮電路相關應用，屬于交互學習，因此將電路基本構(gòu)成要素和電能兩部分聯(lián)系得更加緊密.此外，兩版教材的可達要素大多有多條路徑，說明對于較為復雜的知識點，中美教材均采用新舊知識融合的編排方式，通過對知識點的綜合運用實現(xiàn)重難點的突破.

4 結(jié)論

運用ISM法對比分析教材可以幫助教師更好厘清各知識點間的邏輯關系，結(jié)合實際學情和課標要求，通過篩選、歸納、整合分析結(jié)果進行課堂優(yōu)化，ISM法不失為一線教師準確理解教材結(jié)構(gòu)和知識邏輯關聯(lián)的一件利器.本文運用ISM法對中美兩版主流物理教材“電路”部分的結(jié)構(gòu)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)兩版教材在關鍵知識要素、起始要素、結(jié)點要素的選取，以及要素間的形成路徑存在差異，只有取其精華、融會貫通才能倍道而進、錦上添花，因此結(jié)合上文分析結(jié)果，見微知著，對我國教材編寫及教學提出以下兩點建議.

在知識要素選取方面，不僅要強調(diào)知識的縱深與橫寬，物理與現(xiàn)實生活的聯(lián)系也不容忽視.在保留我國教材特色之余，可適當添加工程技術、體育健康、日常生活、職業(yè)生涯等與物理學相關、具有時效性的跨學科領域內(nèi)容的插圖與文字介紹，從而增添物理教材和物理教學的趣味性與豐富度.聚焦物理學科的生活化與實用性，體現(xiàn)物理學的時代性和基礎性，滿足社會對人才培養(yǎng)的需要和學生對自身發(fā)展的需求.

在知識編排順序方面，在滿足課標要求和理解學生原有認知結(jié)構(gòu)的基礎上，巧妙完善學生認知體系的閉環(huán)結(jié)構(gòu).例如：為更加符合我國學生對電路和能量之間關系的認知，初次教學時應采用我國教材編寫的邏輯順序，但在復習課、習題課等強調(diào)知識綜合運用的授課過程中，建議教師借鑒美國3P教材的編寫思路，可通過設置系列“問題鏈”來幫助學生構(gòu)建“電路”和“電能”間相互轉(zhuǎn)化的緊密聯(lián)系，提高學生的思維品質(zhì)，幫助學生建構(gòu)系統(tǒng)完整的認知體系.