摘   要：教科书中知识点的编排具有严谨的逻辑结构。熟悉知识点之间的逻辑关系，对于教师掌握课堂教学顺序及学生理解知识结构均有帮助。文章利用ISM法对人教版高中物理教科书中“机械能守恒定律”主题知识结构进行分析，以期将错综复杂的知识点以层级化和结构化的形式呈现，进而确定出重难点知识，旨在为高中物理课堂教学提供教学思路，为学生进行结构化的学习提供帮助。

关键词：ISM法;人教版教科书;高中物理;知识结构;教材分析

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2022）2-0025-4

《普通高中物理课程标准（2017年版）》[1]（以下简称“2017版课标”）强调要重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实。所以，在物理教学中，教师要尝试将一个主题下的知识点整合起来，做到使知识内容结构化和情境化，避免学生知识的碎片化和忽略物理学科核心素养的发展。笔者利用ISM法对“机械能守恒定律”主题进行知识结构分析，试图将复杂的知识点以层级化和结构化的形式呈现。

1    ISM法简介

“解释结构模型法”（Interpretive Structural Model法，简称ISM法）是一种结构模型分析技术，是用于分析和揭示复杂关系结构的有效方法，可以将系统中各要素之间的复杂关系分解成清晰的层次化的结构形式。约翰·沃菲尔德于1976年首次运用ISM法来解释复杂性的社会学问题[2]。1978年佐藤隆博教授证实了其可以用于教材开发与目标分析。后经过研究与发展逐渐趋于成熟，并被广泛应用于教育学、社会学等领域。利用ISM法分析教材的知识结构基本流程为：关键要素的提取—确定要素间的形成关系—确定各要素的层级—画出层级有向图。需要说明的是，在现有研究中关于“确定各要素的层级”，有的学者利用MATLAB软件输入固定的程序代码进行编程计算[3];有的用图示的方法，在要素间形成关系的基础之上利用先行集合和可达集合来确定要素层级[4]。相比于计算机编程而言，图示的方法虽然耗时，但是有利于分析者更清楚地掌握知识点的形成关系和层级的关系。所以，笔者采用后者的方法来确定各要素的层级。

2    “机械能守恒定律”主题知识结构分析

2.1    关键要素的提取

关键要素的提取，即提取出教科书中的重要知识点，每一个知识点就是一個关键要素。本文选取人民教育出版社2019年版高中物理必修第二册教科书（以下简称“人教版教科书”）的第八章内容即“机械能守恒定律”[5]进行分析，结合2017版课标的内容要求，提取出关键要素，如表1所示。

2.2    确定要素间的形成关系

确定要素间的形成关系，就是确定要素之间是否存在直接的形成关系，即确定两要素之间的上下位关系。根据ISM法的定义，学生在对核心要素A、B进行学习之前，需要掌握要素A才能学习并掌握要素B，则要素A称为先行要素，要素B称为可达要素[6]。要素A、B之间的关系用A→B表示。为了作图方便，笔者以各要素的编号（R1，R2…）代替要素本身，依据2017版课标和人教版教科书关于知识点的编写顺序，确定各要素的形成关系，如图1所示。

2.3    确定各要素的层级

依据要素间的形成关系图，确定出各要素的层级。在要素间的形成关系中，如果一个要素没有可达要素，则该要素应该是最高级。例如，“R11实验：验证机械能守恒定律”，依据要素间的形成关系图，可知其无可达要素，其先行要素为“R10机械能守恒定律”。故此，“R11实验：验证机械能守恒定律”为最高级，用层级Ⅰ表示。然后去除R11要素，再依次分析剩下的关键要素，以此类推，确定层级分别用Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ…表示。需要说明的是最高级往往不只一个关键要素。笔者分析各要素的层级分布如表2所示。

2.4    画出层级有向图

依据层级分布表画出层级有向图，如图2所示。

2.5    基于层级有向图的知识结构分析

从层级有向图可知，人教版教科书“机械能守恒定律”主题知识结构共有6个层级，最高层级的关键要素为“实验：验证机械能守恒定律”“功率”“动能定理”以及“重力势能的变化与重力做功的关系”。需要说明的是最高层级的要素因只有指入的箭头，没有指出的箭头，故又称之为结点要素。所以，它们通常是学生最难以掌握的知识点。因为这些知识点的掌握通常以众多知识点的学习为基础。所以，在本章中“实验：验证机械能守恒定律”“动能定理”以及“重力势能的变化与重力做功的关系”等知识点均为教学重难点。“功率”虽为最高级，但是其先行要素只有“功”，故此不能作为教学重难点。同时，在层级有向图中可见，“机械能”在整个知识结构中处于承上启下的位置，其重要性可见一斑。

在层级有向图的最低层级通常只有一个要素，因它只有指出的箭头，没有指入的箭头，故称之为起点要素。它是学习对应重难点知识的基础。在本章中，“功”就是起点要素。通过分析层级有向图，可大致将本章分为三个学习阶段，即功与功率的学习、能的学习和功能关系及定律的学习。教师教学也应该着眼于全局，统筹规划地进行教学，帮助学生进行结构化学习，避免因碎片化的学习而造成“只见树木不见森林”的后果。

3    对物理教师的教学建议

3.1    统筹规划，划分学习阶段

教科书一章的知识点错综复杂，知识点之间又有着千丝万缕的联系。教师在物理教学中需要对整章的内容进行统筹规划，着眼全局，构建出一章的逻辑网络和结构，划分出学生的学习阶段，帮助学生进行结构化学习。例如，就本章而言，利用ISM法得出层级有向图，6个层级的分布符合学生的认知规律，在学生已经有的功的知识基础之上，进行拓展、拔高，一步一步引入能量的知识，以机械能为一个知识架构，在势能与动能的相互转化下引入机械能守恒定律。在进行教学之前，教师有了这样的统筹规划，在教学过程中必然会知道自己的教学思路，每一个知识点都不是孤立的。在教学过程中，我们需要将所有的知识点进行网络构建，分出层级和学习阶段，教学任务和目标会更加清楚。在过往的教学中，教师正是缺少了统筹规划的意识，才导致教学思路混乱，虽说是按照教科书的知识点顺序在教，但是却割裂了知识点之间关系，容易加重学生的认知负担，不符合学生的认知规律。在每一章的教学中，教师最好分析出知识结构，划分出学习阶段，明确每一个阶段的教学目标，各个阶段又是存在什么样的关系。对教师而言是一个较好的教学蓝图，对于学生而言就是一个层次分明学习的阶梯，既可以让教师统筹地进行教学，又可以让学生知道自己的学习规划。

3.2    秉轴持钧，抓住重难点知识

在整个高中物理学习中，学生需要学习很多的知识点，这些知识点的复杂、抽象程度各有不同，学生对其理解的程度亦有差异。所以，面对如此庞大的知识体系，教师必须攻克复杂、抽象且具有一定难度的知识点，厘清它们的逻辑关系，深刻分析繁难知识点。例如，就本章内容而言，机械能守恒定律、动能定理及功能关系等都是高中物理教学中重要且具有难度的知识点，这三个知识点的掌握对于学生解决动力学及相关物理问题均有帮助。在物理教学中，教师需要抓住重难点知识，教学重心也必须放在重难点知识上，高中物理知识体系庞大，但是有的知识点确实不需要浓墨重彩。例如，从本章层级有向图中可见，“功率”知识点虽处于最高级，但是只与“功”有直接形成关系，链路单一，不能作为教学重难点。在教学过程中，教师只需要理清功率与功的关系、明确功率的物理意义即可。而本章主题是“机械能守恒”，所以教师应该抓住“机械能”，注重分析功能关系，明确机械能守恒的条件，这样才能抓住本章主干。如是，可以减轻学生的知识负担，提高课堂教学效率。

3.3    循序渐进，建构知识逻辑体系

利用教科书的严密逻辑体系，培养学生科学思维。学生科学思维的形成，离不开教师有逻辑的教学。所以，教师要利用好教科书，循序渐进地帮助学生建构知识体系[7]。高中物理知识体系庞大，知识点错综复杂。但是，知识点之间存在着千丝万缕的联系，它们有着严谨的逻辑结构，由易到难，由浅入深。就本章内容而言，我们从功的知识开始学习，功的相关知识又是学生在初中已经接触过的，所以教师要以学生已有的知识为基础，再进行拓展。学生理解做功的物理意义，再进行具体的性质力做功教学，如是，第一阶段“功”的学习就基本完成，第二、第三阶段“能的学习和功能关系及定律的学习”都是在“做功”的基础上进行，难度也是层层递进。概而言之，本章机械能的学习是纽带，做功的学习是基础，功能关系的学习是拓展，机械能守恒定律的学习是重难点。所以，在教学中要让学生形成这样的学习思路，同时教师要分析每一章的知识结构，帮助学生建构知识逻辑顺序，厘清教学顺序，循序渐进地进行物理教学。

4    结束语

高中物理教科书的知识编排具有严谨的逻辑结构，利用ISM法就是将这种逻辑结构以可视化的形式呈现。本文尝试性地利用ISM法分析“機械能守恒定律”主题知识结构，旨在为教师提供教学思路，帮助学生进行结构化学习。在高中物理教学中，教师应该秉承2017版课标的理念与要求，即重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，注重将学生对知识的关注从片面引向全局，使之达到纵观全局的学习境界。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4.

[2]John N. Warfield， Raymond Fitz. Societal Systems： Planning Policy， Complexity[J].IEEE Transactions on Systems， Man， and Cybernetics，1977，7（10）：759-760.

[3]石蕊.基于ISM法的高中物理教材结构的比较研究[D].西安：陕西师范大学，2016：66-67.

[4]赖树生，侯嘉励.ISM方法在中学物理教材分析中的运用[J].内蒙古师范大学学报（教育科学版），2012，25（06）：118-120.

[5]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理必修第二册[M].北京：人民教育出版社，2019：73-101.

[6]张月华，林惠花.基于ISM法的大气专题人教版教材结构研究[J].地理教学，2021（19）：40-43+58.

[7]陶永杰，程小健，许君委.基于物理学科核心素养的人教版新旧教科书比较——以“速度”概念的建立为例[J].湖南中学物理，2021，36（08）：41-43+46.

（栏目编辑    刘   荣）

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