小学科学课程多学科融合设计的ISM分析方法

吴丽华 王蕊 彭海棠

摘 要：新课程改革以来，科学课程对培养小学生的科学素养具有重要作用。为了深入理解STEAM科学项目中的目标层级结构，本文运用解释结构模型法（ISM分析法）对小学三年级科学教材中STEAM科学项目进行分析，得出跨学科教学目标的可视化层级关系，帮助教师厘清项目中各学科目标的层次和教学内容次序，为教师合理构建教学层次提供参考。

关键词：STEAM科学项目;教学目标可视化;内容设计;ISM分析法

中图分类号：G42                        文献标识码：A                   文章编号：2095-624X（2021）10-0063-02

引 言

2017年，教育部重新修订的《义务教育小学科学课程标准》明确指出，小学科学课程应重视对学科综合素质的培养，并鼓励教师在教学实践中尝试运用STEAM教育理念。

一、小学科学课程中STEAM科学项目内容分析中存在的问题

在STEAM科学项目中，教学设计应体现跨学科融合的概念。但在科学教学实践中，很少有教师能够独立进行教学设计，大多数教师直接借用他人的教案或对他人的教案进行加工处理，缺乏深入的思考和分析[1]。

针对STEAM科学项目，教师在分析教材、设计教案的过程中，往往无法凭借以往的直观经验判断各学科知识在项目中的层级结构，进而无法确定教学层级。教师在不清楚各目标层级结构的情况下，直接沿用传统的教学方案，不仅无法达到STEAM项目应有的教学效果，还容易出现学科间知识不融合的情况。

教师应重视科学实践项目，学会把一体化的STEAM科学项目目标分解到对应学科中，分析项目中各知识点的关系，对各学科内容和目标的教学层次进行科学划分。

二、ISM分析法及思路

解释结构模型（Interpretive Structural Model），简称ISM分析法，作为一种系统建模的分析工具，可以将教材的系统知识结构还原并清晰地呈现出来，帮助教师从整体上聚焦知识点、发挥教材的整体性功能。ISM分析法已被证实有助于教师进行教学设计。

利用ISM分析法进行教材分析的最大优势是把教材中知识要素之间支离破碎、杂乱无章的关系梳理成客观、清晰的多级递阶结构模型，使教材分析由主观研究直接转化为量化研究，提高了项目分析的科学性，尤其适用于STEAM项目中多学科融合的内容分析。

本文以2017年人民教育出版社和湖北教育出版社出版的小学科学三年级教科书为例，针对其中第六单元的“动力小车”进行ISM分析。

三、应用ISM分析法进行科学项目分析的操作过程

第一步，找出影响系统问题的主要元素，抽取教学子目标;第二步，考虑因果等关系的传递性，建立反映诸要素间关系的邻接矩阵;第三步，寻找元素之间的其他通路，即通过邻接矩阵求可达矩阵;第四步，对可达矩阵进行数据处理，得到层级关系，并画出层级结构图。运用ISM分析法进行教材分析的基本流程为抽取教学—建立反映诸要素—通过邻接矩—画出层级，找出影响系统问题的主要元素，抽取教学子目标（见表1）。

本章节目标元素根据教材原文结尾处对单元的回顾整理得出。教材中将本次“动力小车”项目分为四个模块，加入最新的艺术概念，正好对应STEAM教育中的科学、技术、工程、艺术、数学五门学科。由此可见，教材采用STEAM理念進行项目设计，并对每个目标进行了学科划分，使教学目标相对清晰，所以在选取教学目标元素时沿用了这种区分方式和目标设置。考虑因果等关系的传递性，建立反映诸要素间关系的邻接矩阵（见表2）。

抽取要素后，教师应综合考虑教材具体内容、学生特点及要素所属的上下位和逻辑关系，确定要素间的形成关系，同样要先对形成关系进行界定。比如，教材解释说明了给小车安装动力装置（E1）需要考虑动力因素（S1、S2、S3）、小车的形状和结构（T1、T2），那么，小车的设计（E1）这一要素就与动力因素（S1、S2、S3）、小车的形状和结构（T1、T2）存在直接形成关系。寻找元素之间的其他通路，即通过邻接矩阵求可达矩阵（见表3）。

可达矩阵的求解有很多不同的计算方法。本文在由邻接矩阵A到可达矩阵M的计算中，引入除对角线外其他元素均为0的单位矩阵I，当满足（A+I）≠（A+I）2≠…≠ （A+I）k-1=（A+I）k时，可达矩阵M=（A+I）k。具体计算中可以使用Warshell算法来求解。本文计算过程直接套用matlab求可达矩阵的代码实现（见图1）。

教师对可达矩阵进行层级划分，得到层级关系，并画出层级结构图。所谓层级划分，就是将系统中的所有元素，以可达矩阵为准则，划分成不同层级。由要素的可达集和先行集的定义可得到一个事实：在教学目标结构中，其最上级要素S1的可行集R（S1），只能由S1本身和S1的强连接要素组成。

通过多次原因优先——结果优先的轮换法对可达矩阵进行层级抽取，得出各层级和对应层级要素，过程和结果如表4和图2所示。得出“动力小车”项目一节的教学结构层次与教材顺序结构层次（见图3）。

从以上的解释结构分析结果中，我们可以知道在“动力小车”这一单元中，教师应按照层次结构图由下而上地设定教学目标，并根据学生的特点、学生的初始能力、课时分配等情况，层次之间由低到高，同一层次的不同要素之间由易到难，适用范围由大到小，按基础程度由低到高的原则，灵活、合理地设计和安排教学顺序。

四、用ISM法分析层级结构的结果

由此可知，教师在STEAM项目教学设计中，不可单纯根据学科的区分进行分类教学和讲授。跨学科教学不是将学科内容和学习目标单纯地融合，而是体现在学习任务和项目中各学科知识的深度融合。根据ISM分析法得到的层次与教材基本一致，但各学科内容的分布更清晰，证明ISM分析法可运用在STEAM项目的教学分析中。教师可以将该方法用于STEAM科学实践项目中，并根据层级结构图设计教学目标和内容次序，为小学科学教材的可视化和量化分析提供科学、合理的依据。

结 语

综上所述，教师运用ISM分析法分析科学教材中STEAM科学项目，能得出跨学科教学目标的可视化层级关系，从而厘清各学科目标的层次和教学内容次序，设计更有效的教学方案，有利于教学质量的提高。

[参考文献]

蔡晓程.基于STEAM教育理念下小学课程实践[J].当代家庭教育，2020（32）：3-4.

基金项目：本文系2018年国家自然科学基金一般项目“基于不确定认知云模型的在线学习者隐性学习行为特征聚类方法研究”（项目编号：61867001）的阶段性研究成果。海南省2018年自然科学基金一般项目“基于不确定认知云模型的在线学习者隐性学习行为特征聚类方法研究”（项目编号：619MS053）的阶段性研究成果。

作者简介：吴丽华（1963.6—），女，锡伯族，辽宁沈阳人，教授。

王蕊（1998.5—），女，四川资阳人，在读研究生。

彭海棠（1967.7—），男，广东汕尾人，中级教师。