小學(xué)科學(xué)課程多學(xué)科融合設(shè)計的ISM分析方法

吳麗華 王蕊 彭海棠

摘 要：新課程改革以來，科學(xué)課程對培養(yǎng)小學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)具有重要作用。為了深入理解STEAM科學(xué)項目中的目標(biāo)層級結(jié)構(gòu)，本文運用解釋結(jié)構(gòu)模型法（ISM分析法）對小學(xué)三年級科學(xué)教材中STEAM科學(xué)項目進行分析，得出跨學(xué)科教學(xué)目標(biāo)的可視化層級關(guān)系，幫助教師厘清項目中各學(xué)科目標(biāo)的層次和教學(xué)內(nèi)容次序，為教師合理構(gòu)建教學(xué)層次提供參考。

關(guān)鍵詞：STEAM科學(xué)項目;教學(xué)目標(biāo)可視化;內(nèi)容設(shè)計;ISM分析法

中圖分類號：G42? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-624X（2021）10-0063-02

引 言

2017年，教育部重新修訂的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》明確指出，小學(xué)科學(xué)課程應(yīng)重視對學(xué)科綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，并鼓勵教師在教學(xué)實踐中嘗試運用STEAM教育理念。

一、小學(xué)科學(xué)課程中STEAM科學(xué)項目內(nèi)容分析中存在的問題

在STEAM科學(xué)項目中，教學(xué)設(shè)計應(yīng)體現(xiàn)跨學(xué)科融合的概念。但在科學(xué)教學(xué)實踐中，很少有教師能夠獨立進行教學(xué)設(shè)計，大多數(shù)教師直接借用他人的教案或?qū)λ说慕贪高M行加工處理，缺乏深入的思考和分析[1]。

針對STEAM科學(xué)項目，教師在分析教材、設(shè)計教案的過程中，往往無法憑借以往的直觀經(jīng)驗判斷各學(xué)科知識在項目中的層級結(jié)構(gòu)，進而無法確定教學(xué)層級。教師在不清楚各目標(biāo)層級結(jié)構(gòu)的情況下，直接沿用傳統(tǒng)的教學(xué)方案，不僅無法達到STEAM項目應(yīng)有的教學(xué)效果，還容易出現(xiàn)學(xué)科間知識不融合的情況。

教師應(yīng)重視科學(xué)實踐項目，學(xué)會把一體化的STEAM科學(xué)項目目標(biāo)分解到對應(yīng)學(xué)科中，分析項目中各知識點的關(guān)系，對各學(xué)科內(nèi)容和目標(biāo)的教學(xué)層次進行科學(xué)劃分。

二、ISM分析法及思路

解釋結(jié)構(gòu)模型（Interpretive Structural Model），簡稱ISM分析法，作為一種系統(tǒng)建模的分析工具，可以將教材的系統(tǒng)知識結(jié)構(gòu)還原并清晰地呈現(xiàn)出來，幫助教師從整體上聚焦知識點、發(fā)揮教材的整體性功能。ISM分析法已被證實有助于教師進行教學(xué)設(shè)計。

利用ISM分析法進行教材分析的最大優(yōu)勢是把教材中知識要素之間支離破碎、雜亂無章的關(guān)系梳理成客觀、清晰的多級遞階結(jié)構(gòu)模型，使教材分析由主觀研究直接轉(zhuǎn)化為量化研究，提高了項目分析的科學(xué)性，尤其適用于STEAM項目中多學(xué)科融合的內(nèi)容分析。

本文以2017年人民教育出版社和湖北教育出版社出版的小學(xué)科學(xué)三年級教科書為例，針對其中第六單元的“動力小車”進行ISM分析。

三、應(yīng)用ISM分析法進行科學(xué)項目分析的操作過程

第一步，找出影響系統(tǒng)問題的主要元素，抽取教學(xué)子目標(biāo);第二步，考慮因果等關(guān)系的傳遞性，建立反映諸要素間關(guān)系的鄰接矩陣;第三步，尋找元素之間的其他通路，即通過鄰接矩陣求可達矩陣;第四步，對可達矩陣進行數(shù)據(jù)處理，得到層級關(guān)系，并畫出層級結(jié)構(gòu)圖。運用ISM分析法進行教材分析的基本流程為抽取教學(xué)—建立反映諸要素—通過鄰接矩—畫出層級，找出影響系統(tǒng)問題的主要元素，抽取教學(xué)子目標(biāo)（見表1）。

本章節(jié)目標(biāo)元素根據(jù)教材原文結(jié)尾處對單元的回顧整理得出。教材中將本次“動力小車”項目分為四個模塊，加入最新的藝術(shù)概念，正好對應(yīng)STEAM教育中的科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)五門學(xué)科。由此可見，教材采用STEAM理念進行項目設(shè)計，并對每個目標(biāo)進行了學(xué)科劃分，使教學(xué)目標(biāo)相對清晰，所以在選取教學(xué)目標(biāo)元素時沿用了這種區(qū)分方式和目標(biāo)設(shè)置?？紤]因果等關(guān)系的傳遞性，建立反映諸要素間關(guān)系的鄰接矩陣（見表2）。

抽取要素后，教師應(yīng)綜合考慮教材具體內(nèi)容、學(xué)生特點及要素所屬的上下位和邏輯關(guān)系，確定要素間的形成關(guān)系，同樣要先對形成關(guān)系進行界定。比如，教材解釋說明了給小車安裝動力裝置（E1）需要考慮動力因素（S1、S2、S3）、小車的形狀和結(jié)構(gòu)（T1、T2），那么，小車的設(shè)計（E1）這一要素就與動力因素（S1、S2、S3）、小車的形狀和結(jié)構(gòu)（T1、T2）存在直接形成關(guān)系。尋找元素之間的其他通路，即通過鄰接矩陣求可達矩陣（見表3）。

可達矩陣的求解有很多不同的計算方法。本文在由鄰接矩陣A到可達矩陣M的計算中，引入除對角線外其他元素均為0的單位矩陣I，當(dāng)滿足（A+I）≠（A+I）2≠…≠ （A+I）k-1=（A+I）k時，可達矩陣M=（A+I）k。具體計算中可以使用Warshell算法來求解。本文計算過程直接套用matlab求可達矩陣的代碼實現(xiàn)（見圖1）。

教師對可達矩陣進行層級劃分，得到層級關(guān)系，并畫出層級結(jié)構(gòu)圖。所謂層級劃分，就是將系統(tǒng)中的所有元素，以可達矩陣為準(zhǔn)則，劃分成不同層級。由要素的可達集和先行集的定義可得到一個事實：在教學(xué)目標(biāo)結(jié)構(gòu)中，其最上級要素S1的可行集R（S1），只能由S1本身和S1的強連接要素組成。

通過多次原因優(yōu)先——結(jié)果優(yōu)先的輪換法對可達矩陣進行層級抽取，得出各層級和對應(yīng)層級要素，過程和結(jié)果如表4和圖2所示。得出“動力小車”項目一節(jié)的教學(xué)結(jié)構(gòu)層次與教材順序結(jié)構(gòu)層次（見圖3）。

從以上的解釋結(jié)構(gòu)分析結(jié)果中，我們可以知道在“動力小車”這一單元中，教師應(yīng)按照層次結(jié)構(gòu)圖由下而上地設(shè)定教學(xué)目標(biāo)，并根據(jù)學(xué)生的特點、學(xué)生的初始能力、課時分配等情況，層次之間由低到高，同一層次的不同要素之間由易到難，適用范圍由大到小，按基礎(chǔ)程度由低到高的原則，靈活、合理地設(shè)計和安排教學(xué)順序。

四、用ISM法分析層級結(jié)構(gòu)的結(jié)果

由此可知，教師在STEAM項目教學(xué)設(shè)計中，不可單純根據(jù)學(xué)科的區(qū)分進行分類教學(xué)和講授?？鐚W(xué)科教學(xué)不是將學(xué)科內(nèi)容和學(xué)習(xí)目標(biāo)單純地融合，而是體現(xiàn)在學(xué)習(xí)任務(wù)和項目中各學(xué)科知識的深度融合。根據(jù)ISM分析法得到的層次與教材基本一致，但各學(xué)科內(nèi)容的分布更清晰，證明ISM分析法可運用在STEAM項目的教學(xué)分析中。教師可以將該方法用于STEAM科學(xué)實踐項目中，并根據(jù)層級結(jié)構(gòu)圖設(shè)計教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容次序，為小學(xué)科學(xué)教材的可視化和量化分析提供科學(xué)、合理的依據(jù)。

結(jié) 語

綜上所述，教師運用ISM分析法分析科學(xué)教材中STEAM科學(xué)項目，能得出跨學(xué)科教學(xué)目標(biāo)的可視化層級關(guān)系，從而厘清各學(xué)科目標(biāo)的層次和教學(xué)內(nèi)容次序，設(shè)計更有效的教學(xué)方案，有利于教學(xué)質(zhì)量的提高。

[參考文獻]

蔡曉程.基于STEAM教育理念下小學(xué)課程實踐[J].當(dāng)代家庭教育，2020（32）：3-4.

基金項目：本文系2018年國家自然科學(xué)基金一般項目“基于不確定認知云模型的在線學(xué)習(xí)者隱性學(xué)習(xí)行為特征聚類方法研究”（項目編號：61867001）的階段性研究成果。海南省2018年自然科學(xué)基金一般項目“基于不確定認知云模型的在線學(xué)習(xí)者隱性學(xué)習(xí)行為特征聚類方法研究”（項目編號：619MS053）的階段性研究成果。

作者簡介：吳麗華（1963.6—），女，錫伯族，遼寧沈陽人，教授。

王蕊（1998.5—），女，四川資陽人，在讀研究生。

彭海棠（1967.7—），男，廣東汕尾人，中級教師。