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(jié)合的分析方法，基于ISM法的原理和流程，以中學(xué)化學(xué)教材的“化學(xué)反應(yīng)類型”核心概念為例，通過抽提概念要素、梳理要素關(guān)系、建立目標(biāo)矩陣以及確定概念層級，構(gòu)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(xué)建議，推動ISM法指導(dǎo)教學(xué)設(shè)計和教學(xué)評價的應(yīng)用進(jìn)程。

關(guān)鍵詞： ISM法； 教材分析； 化學(xué)反應(yīng)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(xiàn)標(biāo)識碼： B

1? 問題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）明確要求教師進(jìn)一步增進(jìn)化學(xué)學(xué)科理解，有效落實“素養(yǎng)為本”的課堂教學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)科理解是指教師對化學(xué)學(xué)科知識及其思維方式和方法的一種本原性、結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識，它不僅僅是對化學(xué)知識的理解，還包括對具有化學(xué)學(xué)科特質(zhì)的思維方式和方法的理解［1］；教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化則是教師提高化學(xué)學(xué)科理解和落實“素養(yǎng)為本”教學(xué)的關(guān)鍵要素。

教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化主要包括知識關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)化、認(rèn)識思路的結(jié)構(gòu)化和核心觀念的結(jié)構(gòu)化［2］。知識關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)化是指按照化學(xué)學(xué)科知識的邏輯關(guān)系，統(tǒng)整課本中零散分布的知識點，顯化知識點間的內(nèi)在聯(lián)系，從而形成組織結(jié)構(gòu)良好的知識體系。認(rèn)識思路的結(jié)構(gòu)化是指從學(xué)科本原的視角出發(fā)，深入理解和抽象概括物質(zhì)及其變化的認(rèn)識過程，以助于學(xué)生形成分析和解決復(fù)雜問題的思維路徑。核心觀念的結(jié)構(gòu)化是指從學(xué)科本原的視角出發(fā)，進(jìn)一步抽象概括物質(zhì)及其變化的本質(zhì)和其認(rèn)識過程，以促進(jìn)學(xué)生對化學(xué)學(xué)科核心觀念的理解和把握。

已有很多研究者聚焦于教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化進(jìn)行了探討，其中關(guān)于認(rèn)識思路結(jié)構(gòu)化和核心觀念結(jié)構(gòu)化［3］的研究相對較少，大多數(shù)［4， 5］是基于知識關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)化的研究。當(dāng)前知識關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)化可以分為橫向與縱向兩種，其中橫向結(jié)構(gòu)化指的是通過概念圖［6］、樹狀圖［7］等形式體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科知識之間的內(nèi)在關(guān)系和結(jié)構(gòu)。近年來，為了將化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落實到教學(xué)實踐中，不少學(xué)者結(jié)合學(xué)習(xí)進(jìn)階理論對教材進(jìn)行了分析，得出了化學(xué)學(xué)科知識之間層級化、縱向化的結(jié)構(gòu)框架，即知識關(guān)聯(lián)的縱向結(jié)構(gòu)化［8］。不過，這類研究大多屬于思辨型，即按照學(xué)段主觀地劃分出若干層次水平，其研究結(jié)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(xué)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(fù)雜的知識有序整合起來，構(gòu)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(jù)和科學(xué)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(xué)物質(zhì)及其變化、化學(xué)平衡等［9］主題進(jìn)行了層級分析?！盎瘜W(xué)反應(yīng)類型”貫穿學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)的整個過程，在不同的學(xué)段有著不同的目標(biāo)要求，對于學(xué)生厘清概念脈絡(luò)和構(gòu)建化學(xué)知識框架具有關(guān)鍵性作用，是化學(xué)知識體系中不可或缺的一部分。“化學(xué)反應(yīng)類型”在教學(xué)中也起著舉足輕重的作用，不僅整合了學(xué)生的化學(xué)學(xué)科知識，提高了概念理解的深度和廣度，而且偏重于顯化學(xué)生的化學(xué)學(xué)科觀念和認(rèn)識思路，引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)學(xué)科本原出發(fā)，深入剖析和把握化學(xué)變化的原理和規(guī)律，在化學(xué)教學(xué)中處于核心骨架的地位。基于此，本文運(yùn)用ISM法對“化學(xué)反應(yīng)類型”核心概念進(jìn)行分析具有必要性，借此彌補(bǔ)國內(nèi)這一類研究的不足，以期為化學(xué)教學(xué)研究提供一定的參考。

2? ISM分析法的內(nèi)涵和流程

2.1? ISM分析法的內(nèi)涵

ISM分析法的全稱是結(jié)構(gòu)解釋模型法，是一種用于分析復(fù)雜社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)問題的方法，其在教材分析領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。它借助離散數(shù)學(xué)的圖形理論并采取矩陣運(yùn)算的方式，呈現(xiàn)復(fù)雜要素間的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)，繪制出知識要素的有向結(jié)構(gòu)層級圖［10， 11］。它將零散的要素統(tǒng)整起來，客觀反映要素間的內(nèi)在聯(lián)系，既有利于教師直觀感受教材編排的結(jié)構(gòu)和邏輯順序，又有助于學(xué)生梳理和把握知識間的內(nèi)在聯(lián)系，有望為教師備課和教學(xué)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(xué)反應(yīng)類型”，選取的教材分別是人教版九年級化學(xué)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(xué)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(chǔ)，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(biāo)準(zhǔn)。為了保證與強(qiáng)化主題的聚焦性，未對“化學(xué)反應(yīng)類型”更上位的概念（如“化學(xué)反應(yīng)”）進(jìn)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(yīng)”。同時，概念要素的具體選擇標(biāo)準(zhǔn)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(xué)反應(yīng)類型例子直接聯(lián)系的概念；（3）教材中與已抽提概念直接聯(lián)系的先行概念；（4）結(jié)合具體學(xué)習(xí)內(nèi)容展開的過程進(jìn)行分析——如初中教材中雖未明確給出“放熱反應(yīng)”與“吸熱反應(yīng)”的定義，但結(jié)合教材中“化學(xué)反應(yīng)中的能量變化”學(xué)習(xí)內(nèi)容，可抽提這兩個概念進(jìn)行分析。

研讀上述教材以及初、高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，基于多輪小組討論，再根據(jù)專家意見進(jìn)行修改與完善，最終確定了20種初高中階段主要學(xué)習(xí)的化學(xué)反應(yīng)類型，分別是化合反應(yīng)、分解反應(yīng)、置換反應(yīng)、復(fù)分解反應(yīng)、中和反應(yīng)、正反應(yīng)、逆反應(yīng)、可逆反應(yīng)、離子反應(yīng)、氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、取代反應(yīng)、加成反應(yīng)、消去反應(yīng)、酯化反應(yīng)、聚合反應(yīng)、水解反應(yīng)、吸熱反應(yīng)、放熱反應(yīng)、自發(fā)反應(yīng)。因為吸熱反應(yīng)、放熱反應(yīng)、氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)在不同的學(xué)段有著不同的學(xué)習(xí)要求，所以依據(jù)不同階段的學(xué)習(xí)任務(wù)，將其細(xì)分為吸熱反應(yīng)（定性）、放熱反應(yīng)（定性）、吸熱反應(yīng)（定量）、放熱反應(yīng)（定量）、氧化反應(yīng)（元素）、還原反應(yīng)（元素）、氧化反應(yīng)（有機(jī)）、還原反應(yīng)（有機(jī)）、氧化反應(yīng)（電能）、還原反應(yīng)（電能）。

根據(jù)概念要素的選擇標(biāo)準(zhǔn)，再次抽提出其他要素，分別是化合物、單質(zhì)、酸、堿、鹽、醇、酯、反應(yīng)物、生成物、物質(zhì)狀態(tài)、物質(zhì)種數(shù)、物質(zhì)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(tuán)、化學(xué)鍵的斷裂和形成、化學(xué)鍵的極性、化學(xué)鍵的飽和性、化學(xué)能、熱能。以離子反應(yīng)為例，人教版定義為“離子之間的反應(yīng)”，依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)可抽提出的概念要素為“離子”，為了避免知識點的冗雜，優(yōu)化結(jié)果的層次感，本研究將“離子”進(jìn)一步定義為“微?！保猿樘岬母拍钜刈罱K確定為“微?！?。

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

經(jīng)過上述步驟，最終對確定的概念要素進(jìn)行編碼（詳見表1）。為確保研究的信度，另外邀請三名化學(xué)教育類研究生基于上述概念抽提和劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行獨(dú)立編碼分析，互評信度達(dá)91％，說明編碼結(jié)果較為可靠。

2.2.2? 厘清要素關(guān)系，建立目標(biāo)矩陣

如果學(xué)生在學(xué)習(xí)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(dá)要素。以加成反應(yīng)為例，人教版將其定義為“有機(jī)物分子中的不飽和碳原子與其他原子或原子團(tuán)直接結(jié)合生成新的化合物的反應(yīng)”，魯科版將其定義為“有機(jī)化合物分子中不飽和鍵兩端的原子與其他原子或原子團(tuán)結(jié)合，生成新的有機(jī)化合物的反應(yīng)”。同時魯科版還舉出相關(guān)例子進(jìn)行補(bǔ)充說明：“乙烯可以和溴單質(zhì)發(fā)生加成反應(yīng)，反應(yīng)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(jī)化合物能夠發(fā)生加成反應(yīng)外，分子中有碳氧雙鍵的部分如乙醛，丙酮等，也能發(fā)生加成反應(yīng)”。統(tǒng)整以上教材內(nèi)容，可以得出“加成反應(yīng)”的先行要素為“物質(zhì)”“微粒”和“化學(xué)鍵”。據(jù)此，對“化學(xué)反應(yīng)類型”所有的概念要素進(jìn)行分析，可得到如表2所示關(guān)系。需要說明的是，概念要素之間關(guān)系的最終確定既來自對教材中關(guān)于概念的文本描述分析，同時也包括對概念之間的內(nèi)容邏輯的關(guān)系分析。

厘清概念要素關(guān)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(yīng)的交點處標(biāo)記“1”，若不是則在相應(yīng)的交點處標(biāo)記“0”?；谏鲜霾僮?，繪制“化學(xué)反應(yīng)類型”的第一輪目標(biāo)矩陣（如表3所示）。

2.2.3? 確定概念層級，繪制層級關(guān)系

對繪制出的目標(biāo)矩陣進(jìn)行分析，概念要素S1所在列沒有出現(xiàn)“1”，則表示S1沒有先行要素，所以它處于目標(biāo)層次結(jié)構(gòu)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(biāo)矩陣。

除了處于目標(biāo)層次結(jié)構(gòu)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(xiàn)，說明S2、 S3、 S4、 S5、 S6、 S7、 S27、 S28、 S32是目標(biāo)層次結(jié)構(gòu)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(biāo)矩陣?yán)锏乃袛?shù)據(jù)為“0”?；谏鲜鰞奢喣繕?biāo)矩陣的分析，可得到“化學(xué)反應(yīng)類型”的層級分布關(guān)系，如表5所示。最終根據(jù)各概念要素關(guān)系和層級分布情況，繪制出“化學(xué)反應(yīng)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(jié)果分析

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

此外，“化學(xué)反應(yīng)類型”的層級有向圖可以劃分為左右兩部分進(jìn)行解讀。

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

右邊部分的概念要素體現(xiàn)了學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)類型的本原性認(rèn)識，概念要素的層級分布同樣符合學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)類型認(rèn)識視角的發(fā)展：物質(zhì)視角→微粒視角/能量（宏觀）視角→元素視角→化學(xué)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(huán)境的變化趨勢相吻合。但是“微?！焙汀霸亍钡呐帕许樞驔]有遵循該變化趨勢，這是因為學(xué)生需要在認(rèn)識原子的基礎(chǔ)上，才能理解掌握元素的相關(guān)內(nèi)容，從“微粒”發(fā)展到“元素”是符合教材內(nèi)容編排順序的，順應(yīng)了學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律。

此外，左右兩部分的概念要素之間呈現(xiàn)一定認(rèn)識邏輯順序，具體表現(xiàn)在：（1）右邊第一層的“物質(zhì)”為左邊第二至第六層的化學(xué)反應(yīng)類型奠定基礎(chǔ)——譬如，“化合反應(yīng)”和“分解反應(yīng)”是依據(jù)物質(zhì)種數(shù)變化進(jìn)行定義的?！爸泻头磻?yīng)”的定義是酸與堿作用生成鹽和水的反應(yīng)，“酸/堿/鹽”“生成物/反應(yīng)物”均屬于物質(zhì)類別的范疇，所以“置換反應(yīng)”“復(fù)分解反應(yīng)”“中和反應(yīng)”“正反應(yīng)”“逆反應(yīng)”和“可逆反應(yīng)”都是依據(jù)物質(zhì)類別（如單質(zhì)或化合物、反應(yīng)物或生成物）進(jìn)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(yīng)”（“離子”視角）、第四層的“氧化還原反應(yīng)（元素）”（“電子”視角）、第五層的“氧化反應(yīng)（有機(jī)）”與“還原反應(yīng)（有機(jī)）”（“原子”視角）、第六層“氧化還原反應(yīng)（電能）”（“電子”“離子”與“分子”綜合視角）奠定基礎(chǔ)。（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(yīng)”與“放熱反應(yīng)”相對應(yīng)，體現(xiàn)了從初中的“宏觀-定性”向高中“微觀-定量”的認(rèn)識進(jìn)階。其中，第五層的“能量（微觀）”概念為認(rèn)識“化學(xué)反應(yīng)與能量變化”與“化學(xué)反應(yīng)的方向”提供認(rèn)識視角。（4）右邊第三層的“元素”主要對應(yīng)左邊第四層的“氧化還原反應(yīng)（元素）”概念，體現(xiàn)了從初中的“元素得失”向高中的“元素化合價升降”的認(rèn)識進(jìn)階。（5）右邊第四層的“化學(xué)鍵”可作為左邊第五層的幾種有機(jī)化學(xué)反應(yīng)類型的認(rèn)識視角。譬如，可從“化學(xué)鍵的極性”與“化學(xué)鍵的飽和性”兩個角度認(rèn)識這些反應(yīng)類型的微觀本質(zhì)。

4? 基于ISM分析的教學(xué)建議

利用ISM法進(jìn)行教材分析有助于教師剖析概念間的邏輯關(guān)系，不僅揭示了知識關(guān)聯(lián)和認(rèn)識思路的結(jié)構(gòu)化，而且顯化了兩者之間的對應(yīng)關(guān)系。教師可以更加清晰地掌握學(xué)生從初中到高中各個學(xué)段圍繞“化學(xué)反應(yīng)類型”核心概念的階段性發(fā)展，尤其是“物質(zhì)視角→微粒視角/能量（宏觀）視角→元素視角→化學(xué)鍵視角→能量（微觀）視角”認(rèn)識視角的進(jìn)階變化。

具體而言，在新授課階段，化學(xué)教師可以依據(jù)層級有向圖確定學(xué)生的前后發(fā)展階段，并基于此分析學(xué)生的已有基礎(chǔ)和發(fā)展需求。例如學(xué)生在學(xué)習(xí)取代反應(yīng)時，已經(jīng)能夠從物質(zhì)、元素等宏觀視角去認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)，但尚未形成基于化學(xué)鍵的微觀視角。教師可以參考化學(xué)反應(yīng)類型的層級有向圖，向?qū)W生提供合適的腳手架，幫助其順利實現(xiàn)認(rèn)識視角的過渡發(fā)展。再如，“吸熱反應(yīng)”與“放熱反應(yīng)”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(xué)生發(fā)展螺旋式上升的學(xué)科認(rèn)識——即從“宏觀-定性-孤立”認(rèn)識先上升至“微觀-定量-孤立”認(rèn)識，再上升至“微觀-定量-系統(tǒng)”認(rèn)識。另外，在復(fù)習(xí)課階段，教師在復(fù)習(xí)課時可以利用層級圖統(tǒng)整高中化學(xué)反應(yīng)類型的全部內(nèi)容，凸顯化學(xué)學(xué)習(xí)的系統(tǒng)性思維，發(fā)展結(jié)構(gòu)化、本原性的概念體系，從而在了解學(xué)生的邏輯思維能力和遵循化學(xué)學(xué)科特點的基礎(chǔ)上，更有效、科學(xué)地組織教學(xué)活動。

此外，教師同樣可以依據(jù)層級有向圖設(shè)計教學(xué)評價工具，測量學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)類型的認(rèn)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(xué)段學(xué)生的實際認(rèn)識水平是否達(dá)到理想要求、認(rèn)識視角是否符合循序漸進(jìn)的發(fā)展規(guī)律，以及存在哪些認(rèn)識空缺和迷思概念。此外，教師還可對學(xué)生的回答進(jìn)行合理的內(nèi)容分析，進(jìn)而有效測量出學(xué)生內(nèi)隱性的知識結(jié)構(gòu)化和認(rèn)識思路結(jié)構(gòu)化［12］，真正落實化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的可操作化測評。

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