（课程与教学论专业论文）基于ism法的物理教科书分析及分析结果实用性的探讨.pdf

t h e s i so fm a s t e r sd e g r e ei n2 010 s c h o o lc o d e ：10 2 6 9 s t u d e n t i d ： l 。7 0 b 口a 一 e a s tc h i n an o r m a l u n i v e r s i t y a n a n a l y s i so fp h y s i c s t e x t b o o k b a s e do n i s ma n dad i s c u s s i o no nt h e p r a c t i c a b i l i t yo f t h e d e p a r t m e n t ： m a j o r ： a n a l y s i sr e s u l t s 旦盟丛f m 皇也q ! 里虹墨i 坌墨 g 画坌坠! 坠! 坠i 坐亟壁垒鱼h i 堕g ! h 曼q 碰 s t u d y i n gd i r e c t i o n ：t h ec o u r s ea n dt e a c h i n gc o m m e n t q 旦! 卫i 亟亟! 星墨曼h q q ! p h y 墨i 坌墨 s u p e r v i s o r ： h 坠坌坠q i 垒卫g墨墨q 堡i 丛曼! q 鱼墨墨q ! a p p l i c a n t ： 丛垒qq i a p r i l2 0 1 0 华东师范大学学位论文原创性声明 ! y 1 742075iiiilliiilllllllliiiiiilllii 1 1 1 111111 郑重声明：本人呈交的学位论文必基于i s m 法的物理教科书分析及分析结果实用性 的探讨，是在华东师范大学攻读硬止博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行 的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 孬牟 日期：m 年月j 日日期：剧6 年6 月f 日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 l 基于i s m 法的物理教科书分析及分析结果实用性的探讨系本人在华东师范大学 攻读学位期间在导师指导下完成的硕止博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归 华东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向 主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版； 允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加 入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出 版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密 学位论文宰， 于年月 日解密，解密后适用上述授权。 ( 2 不保密，适用上述授权。 导师签名 锃硅 本人签名 7 , ol o 年月日 i l l “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位 论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上 述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用 上述授权) 。 垂堕 硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 朱炯明教授上海师范大学主席 潘苏东教授华东师范大学 赵强副教授华东师范大学 杨广军副教授华东师范大学 舒信隆高级工程师华东师范大学 华东师范大学硕士学位论文 摘要 摘要 中学新课程改革在全国范围内推行至今，已取得了许多阶段性的成果，期间 也暴露出一些操作实施上的问题。作为课程改革的重要文本，现用的教材上承课 程标准，下启教学实践，是课程设计者与师生之间的纽带。如何在教材中全面体 现编写者的编写意图，如何帮助学生和教师梳理并整合教材的结构体系，实现教 材的有效利用，关系到课程理念的落实及课程目标的达成；另一方面，当前，国 家教委正酝酿对新课改教材进行修订，需要大量的资料用于对现有教材进行客观 的分析。 针对以上两方面的问题，本文引入最初应用于社会学研究的解释结构模型 ( i n t e r p r e t i v es t r u c t u r a lm o d e l ，简称i s m ) ，合理修正后使之适用于物理 课程教学的教材分析环节。本方法以教师经验为基础，通过图表化的呈现方式， 对教材的编排体系进行结构化梳理，既便于教师明晰教材编排的思路、规划设计 教学的路径，又利于学生知识体系的建构，对教学实践效果的提升具有显著的作 用。 本文首先应用i s m 法分析上海科技版物理教材的知识结构安排。宏观上构建 教材中知识要素编排的整体框架，微观上分析每一章节知识要素间的编排设计。 其次，在i s m 法分析物理教材的过程中，整理上海科技版教材的合理编排之处和 不足之处，为教材修订提供一定的分析资料。此后，本文并未止步于基本的教材 分析，而是在此基础上，运用教材要素间的层级有向图，提出教案设计的改进方 法和学生自主学案设计的策略，并在实际教学中实施对比实验，验证该方法的科 学性和可操作性。最后，本文初步探讨了i s m 法在教材比较领域的使用方法和实 用价值，给出本人研究的观点和建议。 关键词：解释结构模型教材分析实例应用教学对比实验 华东师范大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t t h en e wc u r r i c u l u mr e f o r m h a sa c h i e v e ds e v e r a ls t a g er e s u l t ss i n c ei th a sb e e n i m p l e m e n t e dt h r o u g h o u t t h e c o u n t r y d u r i n g w h i c ht i m es o m ei m p l e m e n t a l d i f f i c u l t i e sh a v ea l s ob e e nu n v e i l e d a sa l li m p o r t a n tt e x tf o rc u r r i c u l u mr e f o r m ， t e x t b o o ki sab r i d g ec o n n e c t i n gt h ec u r r i c u l u ms t a n d a r da n dt e a c h i n gp r a c t i c ea sw e l l a sab o n db e t w e e nc u r r i c u l u md e s i g n e ra n dt e a c h e r sa n ds t u d e n t s h o wt o c o m p r e h e n s i v e l yr e f l e c tt h ed e s i g n e r s i n t e n t i o ni n t h et e x t b o o ka n dh o wt oh e l p t e a c h e r sa n ds t u d e n t st oo r g a n i z ea n di n t e g r a t et h es t r u c t u r es y s t e mo ft e x t b o o ka r eo f g r e a ti m p o r t a n c et ot h ea c c o m p l i s h m e n to fc u r r i c u l u mr a t i o n a l ea n dc u r r i c u l u m o b j e c t i v e s i na d d i t i o n , t h es t a t ee d u c a t i o nc o m m i s s i o ni sc u r r e n t l yw o r k i n go na p l a nt or e v i s et h en e wc u r r i c u l u mt e x t b o o k sa n di tr e q u i r e ss u b s t a n t i a lo b j e c t i v e a n a l y s i so fe x i s t i n gt e a c h i n gm a t e r i a l s t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ei n t e r p r e t i v es t r u c t u r em o d e l ( i s m ) w h i c hi si n i t i a l l ya p p l i e d t ot h es t u d yo fs o c i o l o g y a f t e rr e a s o n a b l ea m e n d m e n t ，i ti ss u i t a b l ef o rt h es e s s i o no f t e x t b o o ka n a l y s i si np h y s i c st e a c h i n g t h i sm e t h o d ，w h i c hi sb a s e do nt h ee x p e r i e n c e o ft e a c h e r sa n di sp r e s e n t e di nd i a g r a m s ，c a l lb eu s e dt oo r g a n i z et h ea r r a n g i n gs y s t e m o ft e x t b o o k i tc a l lg r e a t l yi m p r o v et h er e s u l to ft e a c h i n ga c t i v i t ys i n c ei tn o to n l y h e l p st e a c h e rt ou n d e r s t a n dt h ea r r a n g e m e n to ft h e t e x t b o o ka n dt o d e s i g nt h e t e a c h i n gr o u t eb u ta l s ob e n e f i t st h ec o n s t r u c t i o no fs t u d e n t s k n o w l e d g es y s t e m i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o rf i r s ta p p l i e si s mi na n a l y z i n gt h ek n o w l e d g es t r u c t u r e a r r a n g e m e n to fp h y s i c st e x t b o o k sp u b l i s h e db ys h a n g h a is c i e n t i f i c & t e c h n i c a l p u b l i s h e r s t h eg e n e r a lf r a m eo ft h ea r r a n g e m e n to fk n o w l e d g ef a c t o r si n t h e t e x t b o o ki sc o n s t r u c t e do nt h em a c r ol e v e la n dt h ea r r a n g e m e n to ft h ek n o w l e d g e f a c t o r si ne a c hc h a p t e ri sa n a l y z e do nt h em i c r ol e v e l s e c o n d l y , t h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e si nt h ea r r a n g e m e n to f t h i st e x t b o o ka r es o r t e do u ti nt h ea n a l y s i sw h i c h c o u l db eu s e da sr e f e r e n c ef o rt h er e v i s i o no ft h et e x t b o o k t h i r d l y , e x c e p to ft h eb a s i c a n a l y s i s ，t h i st h e s i sa l s op r o v i d e si m p r o v e m e n tp l a n sf o rt h ed e s i g no fl e s s o na sw e l l a st h es t r a t e g yf o rt h ed e s i g no fs t u d e n t s s e l f - l e a r n i n gp l a nb yu s i n gt h eh i e r a r c h y d i g r a p ho ft h ek n o w l e d g ef a c t o r sb a s e do nt h ea n a l y s i s t h es c i e n t i f i c i t ya n dt h e m a n e u v e r a b i l i t yo ft h i sm e t h o da r ev e r i f i e db ye a r r i n go u tc o n t r a s tt e s t si np r a c t i c a l n 华东师范大学硕士学位论文 摘要 t e a c h i n g f i n a l l y , t h et h e s i sg i v e sap r e l i m i n a r y d i s c u s s i o na b o u tt h ea p p l i c a t i o n m e t h o da n dp r a c t i c a lv a l u eo fi s mi nt h ec o m p a r i s o no ft e x t b o o k s t h ea u t h o r s r e s e a r c hp e r s p e c t i v ea n dt h es u g g e s t i o na r ea l s op r o v i d e d k e y w o r d s ： i n t e r p r e t i v es t r u c t u r em o d e l ，a n a l y s i so ft e a c m a t e r i a l ，p r a c t i c a la p p l i c a t i o n ， t e a c h i n gc o n t r a s tt e s t i i i 蕾 华东师范大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t - il 第一章绪论 1 1 选题背景1 1 2 选题意义2 1 3 论文设计思路3 第二章is m 法分析上海科技版物理教材知识要素编排 2 1 研究对象概述5 2 2 基于i s m 法绘制章节内部要素层级有向图6 2 3 章节内部知识要素结构分析14 2 4 基于ls m 法绘制章节间要素编排结构3 2 2 5 本章小结3 5 第三章基于is m 教材分析的教法改进 3 1 教师对教材的使用情况调查3 6 3 2 is m 指导教法改进的理论分析3 7 3 3 教学实验：l s m 教材分析法指导教师新课教学对比研究3 8 第四章基于is m 教材分析的学法指导 4 1 学生对教材的使用情况调查4 3 4 2ls m 指导学法改进的理论分析4 5 4 3is m 教材分析法辅助学生学案设计初探4 7 第五章i s m 法的拓展应用：教材对比研究 5 1 理论概述5 0 5 2 实例对比分析5 0 第六章结束语 6 1 启示5 4 6 2 后续工作5 4 附录”。5 5 参考文献6 6 后记6 8 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景 根据中共中央、国务院关于深化教育改革全面推进素质教育的决定和教 育部基础教育课程改革纲要( 试行) 的精神，在课程专家和学科专家以及社 会各界的共同努力下，教育部于2 0 0 1 年和2 0 0 3 年相继颁布了全日制义务教育 物理课程标准( 实验稿) 和普通高中物理课程标准( 实验) ，为新一轮基 础教育物理课程改革的全面展开明确了方向。此次课程改革中，我国的教材体制 打破了以往高度集中的局面，实施“一纲多本 政策，促进了教材的现代化与多 样化发展。在课程标准的指导下，上海市组织各方面专家联合编写了新的物理教 科书( 以下简称上海科技版) ，供二期课改推广使用。 作为课程理念与课程目标的具体体现形式，上海的物理教科书契合义务教育 阶段物理教育目的的定位，面向全体学生，以提高全体学生的科学素养为根本宗 旨，对课程改革的全面推进与教学实践水平的实质性提升起到了积极作用。中学 新课程改革在全国范围内推行至今，已取得了许多阶段性的成果，期间也暴露出 一些操作实施上的问题，比如新教材编排是否符合一线教师教学过程中的需要， 教材中知识结构安排是否符合逻辑顺序并兼顾学生认知规律等等。对于这些问 题，多数研究结果是以主观论述为主，缺乏客观数据分析上的支持，所以往往缺 少一定的公信度，难以对教材的改进起到帮助作用。 当前，国家教委正酝酿对新课改教材进行修订，需要大量对教材的客观分析 资料，在此研究背景下，本文选取上海科技版高中物理教材，通过解释结构模型 ( i s m ) 建立教材中物理基本知识要素间的结构层次图，剔除教材中其他因素的 影响，客观地反映基本知识要素间的关系。从基本知识要素切入是由于物理基本 概念的构建影响着学生理解和应用物理知识的水平，对提高学生的科学素养具有 重要价值。本课题着重研究物理教材知识要素编排设置，避免讨论范围过宽，泛 泛而谈。在教材分析的基础上，为教师和学生提供一定的教学建议和学法指导将 有据可查、有理可依。 解释结构模型( i s m ) 法最早是w a r f i e l d 将图论用于研究社会系统中复杂要 素间关联结构分析的一种方法【l 】，它从离散数学和图形理论出发，结合行为科学、 数学概念、团体决策及电脑编程等领域，并考虑到学习的历程，通过二维矩阵数 学运算，呈现系统内全部要素间的关联性，并最终给出层级化的形成关系图。目 1 傅德荣章慧敏教育信息处理【m 】北京：北京师范大学出版社，2 0 0 1 ，6 2 l 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 前，在教育领域中该方法主要应用于教材设计，1 9 7 8 年佐藤隆博证明该方法可 适用于目标分析与教材开发【2 】，当前许多澳洲的公、私立中小学校采用i s m 方法 对在职教师进行训练以改进教学工作，我国台湾学者对i s m 方法在教学中的应 用也做了许多有益研究。但总体而言，在国内教学分析方面，尤其是在物理教学 上，运用解释结构模型法进行分析的例子比较少，从而激发了本人对该领域进行 探索的兴趣，企图从中获得相关的研究价值。 1 2 选题意义 作为课程改革的重要文本，教科书上承课程标准，下启教学实践，是课程设 计者与师生之间交流的纽带。如何在教材中全面体现编写者的意图，如何帮助学 生和教师梳理、整合教材的结构体系，这关系到课程理念的落实及课程目标的达 成，对课程改革的顺利开展具有实际意义。 物理教科书是物理学科教育教学中的重要资料，其基本功能是向学生展示物 理学的基本面貌，提高学生的科学素养，同时作为主要的教学与学习资源，教材 对于教师在教学决策的制定中具有重要的参考价值，进而间接影响课程目标的达 成与学生思维能力的发展。因此，教材分析对课堂教学活动的设计有着重要影响。 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 观反映基本要素间的关系。有助于教师在教学前构建结构化的知识体系，也能帮 助学生通过教师讲解顺利同化新知识，进行有效学习与记忆。 1 3 论文设计思路 、研究目标： 通过本课题的研究，引入新的教材研究方法，构建目前高中物理教科书的知 识要素编排整体框架。在整体框架基础上方便教材使用者搜寻某概念或章节在整 个物理教学体系中的位置，并明确其所占地位。此外，通过本课题研究，帮助教 师借助分析得到的层级有向图进行合理的教学设计，同时，为学生开展有效自主 学习提供科学的辅助手段，改进学法。另一方面，希望能为物理教材修订提供辅 助性的客观数据资料。研究目标具体分为以下几点： l 、通过本课题的研究引入新的教材分析方法，构建上海科技版高中物理教材的 知识要素编排整体框架，方便教材使用者搜寻某知识要素或章节在整个物理教学 体系中的位置并明确其所占的地位。 嚣 2 、通过i s m 法分析当前上海科技版物理教材的知识结构编排合理性。 3 、基于i s m 法的教材分析，为教师提供合理使用教材的教法指导建议。 ， 4 、基于i s m 法的教材分析，为学生提供合理使用教材的学法改进建议。 5 、为不同版本间、中外物理教材间对比研究提供一种新的分析手段。 6 、为物理教材修订提供客观数据资料。一。 二、研究方法和主体内容： 本研究主要采取文献研究法、对比教学实验法、比较研究法和访谈法，涉及 访谈设计、数据分析、教学实验实施、可达矩阵计算程序编写等技术要求。 本文主要分析当前上海普通高中使用的上海科技版高中物理教材，运用i s m 法分三个部分研究： 1 i s m 法分析上海科技版物理教材知识结构安排。分为两个层次：第一，以上 海科技版教材第一篇：机械运动为例，研究每一章节中知识要素间的编排与设计 方法。主要突出教学目标在教材编排中的位置；对比知识本身结构与教材要素编 排结构间的关系；分析教材中知识要素设计上的合理性。第二，研究教材整体框 架的设计方法，着眼于分析章节中每节的横向结构上的联系，以及章节间知识要 素的联系。 2 基于i s m 教材分析的教法改进以及基于i s m 教材分析的学法指导。这部分内 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 容建立在i s m 法对教材进行梳理，并形成逻辑体系的基础上。作为一种具体化的 实施案例呈现。在其中包括了教学对比实验，客观验证通过该方法实施教材分析 后对教学的实际指导效果。 3 i s m 法的拓展应用：教材对比研究。课题进展中涉及外国教材的实例分析， 通过不同教材对同一物理内容在设计上的比较和研究，梳理了国内教材在概念编 排上的优缺点。同时提供了i s m 法作为一种合理科学的教材分析方法应用于教材 对比研究上的实例。 三、设计实施思路： 第一阶段：资料搜集( 包括上海科技版教材、配套教学参考资料、配套习题册等) 第二阶段：理论研究，研读i s m 法在其他领域的实施实例 第三阶段：调查当前教师和学生在教材使用上的情况 第三阶段：用i s m 法分析上海科技版物理教材的内容 第四阶段：分析模型计算的结果 第六阶段：以i s m 教材分析得到的研究结果去指导实施教学实验 第七阶段：分析实验结果 第八阶段：整理结论 4 华东师范大学硕士学位论文第二章i s m 法分析上海科技版物理教材知识要素编排 第二章i s m 法分析上海科技版物理教材知识要素编排 2 1 研究对象概述 一、i s m 简介 解释结构模型( i n t e r p r e t i v es t r u c t u r a lm o d e l ，简称i s m ) 是以教师经 验为基础，通过图表化的呈现形式，对教材的编排体系进行结构化梳理，既便于 教师明晰教材编排的思路、规划和设计教学的路径，又利于学生知识体系的建构， 对教学实践效果的提升具有显著意义聆1 。 解释结构模型( i s m ) 法最早是w a r f i e l d 将图论用于研究社会系统中复杂要 素间关联结构分析的一种方法。目前，在教育领域中主要应用于教材设计h 3 。 布鲁纳在教育过程( t h ep r o c e s so fe d u c a t i o n ) 一书中提到：“不论我 们是教导什么学科，首先务必使学生理解和掌握该学科的基本结构。”他主张学 习情境( 或教材) 的结构性是有效学习的必要条件。简而言之，在教学活动中， 教师不应局限于点对点的知识概念学习，而更应使学生了解知识间的形成关系， 向其展现由点及面的知识框架搭建过程。现有的国内主流物理教材在编排过程 中，基本都是按照一定的框架体系安排要素的内容，然而，一些基本知识要素间 的形成关系结构，在最终完成教材编写后将隐没于章、节、重点这样的横向结构 中，使用者无法从中得知各概念间的相关性及各课程单元间的关联性。解释结构 模型( i s m ) 的突出特点是能够明确给出教材中要素间的安排结构、清晰展现教 材中安排的知识脉络，使学习要点模块化、结构化，在帮助学生掌握基本概念的 同时，清楚地了解概念间的关联及形成结构。 二、教材概述 本课题研究中所针对的是上海市普通高中物理教材。由于上海物理课程设置 的特殊性，高中物理教材分为两套：基础课程教材物理( 试用本) 配合基础 型课程，供全体学生，由上海科学技术出版社出版。分为：高一第一学期；高一 第二学期；高二第一学期；高二第二学期四本。拓展教材：物理拓展型课程( 试 用本) 配合“拓展型课程”，供有兴趣或有特长的学生选修，由华东师范大学出 版社出版。分为i ，i i 两部分，其中1 分两册，供高一、高二学生选学，i i 供 高三学生定向拓展学习，共三本。从研究成果应用的普遍性考虑，选择基础课程 教材物理( 试用本) 作为主体研究对象。该套教材按照力学、热学、电学、 原子物理和宇宙科学的层次，将课程标准所规定的高中阶段物理基础型课程 3 傅德荣，章慧敏教育信息处理 m 北京：北京师范大学出版社，2 0 0 1 ，6 1 7 8 4 戴敏利，谈国新，陆峰，李敏解释结构模型在教学计划制定中的应用【j 】计算机时代2 0 0 6 ，第1 0 期：5 8 6 l 5 华东师范大学硕士学位论文第二章i s m 法分析上海科技版物理教材知识要素编排 四个主题( 物质、机械运动、电磁运动和能量) 内容组织为四篇：一、机械运动； 二、能量与能量守恒；三、电场和磁场；四、微观和宇观世界。由于四篇内容具 有相对独立性，且解释结构模型分析教材过程具有一定重复性，本研究中重点分 析第一篇：机械运动。其中包括四章，即匀变速直线运动、力和力的平衡、牛顿 运动定律、周期运动。基本分析思路如图2 1 所示： 图2 - 1 基本分析思路 2 2 基于i s m 法绘制章节内部要素层级有向图 解释结构模型方法从离散数学和图形理论出发，考虑到学习的历程，将复杂 的系统分解为若干子系统( 或要素) ，利用矩阵计算方法以及计算机的帮助，呈现 系统内全部要素间的关联性。它最终将系统转换成一个多级递阶的结构模型。该 模型实际上是用节点和有向连接线构成的有向连接图来描述的一个系统结构，它 不仅可以分析系统的要素选择是否合理，还可以分析系统要素及其相互关系对系 统总体的影响等问题。具体分为四个步骤：要素的确定、明确要素间的形成关系、 求可达矩阵、基于可达矩阵求层级有向图。 一、要素的确定 。 在i s m 法中基础性的步骤就是对要素 的正确界定，该步骤具有一定主观性，建 议教师可根据本人对教材内容的分析、专 家建议、学生反馈和综合整理等多种途 径，确定需要分析的相关核心要素。首先 明确要素的操作性定义，即给出判定条 件，由此界定哪些知识点可以作为核心要 素。一般而言，教材编排中，满足：教材 中给出明确概念；在每课小结中作为主要 知识点；在整个章节体系中占节点地位这 三个条件的内容可作为核心要素。 6 溺 霉。时避囊i i | ，蜘酿黼秘辨v。：霭 v e l 础y ) 一 运动物体在莱一射凝 自 的速度或经过篥一位置曩孪一麓 的速度，列做臻时建度。霭 一 它能攒述徽变遽运动 ， 霪 的物体在任何时掰 或侄一。镬 位置) 的运动快慢翻远魂方；。驾 随。 ：一霭 ， 菜农置( 戏慕对越；酶 瞬耐速度，就是无限遁近该7 ”i 位置l 或该对弱 默近的位+ j 霭 。移 或对溺；内蠹孽平均蘧度n i 磊磊潼盔浚缢滋琵戳i 施鑫苏二么施瀛磊二幺二箍旌 图2 - 2 上海科技版教材页边栏 华东师范大学硕士学位论文 第二章i s m 法分析上海科技版物理教材知识要素编排 上海科技版物理教材设立了页边栏( 如图2 - 2 ) ，用于罗列教材中的主要知 识点。根据教材的这一特点，本文中核心要素的操作性定义为：1 、页边栏中罗 列的知识点；2 、忽略学生实验；3 、忽略次级概念( 如“加速度 概念下的“加 速度的方向”就不作为核心要素) 。 根据以上操作性定义，明确各章核心要素( 各要素按教材中出现先后排序) ： 第一章中匀变速直线运动的要素如图2 - 3 所示： 薛1 面稠| s 2 坐标系l | s 3 路程位移i | s 4 标量矢剧i s 5 匀速直线运动的概刽 i s 6 速率速剧i s 7 匀速直线运动位移公式ll s 8 匀速直线运动的s t 图例 | s 9 匀速直线运动的v - t 图倒l s l o 变速直线运动 l s i i 平均速剧l s l 2 瞬时速度 i s l 4d i s 测加速度ll s l 5 匀变速直线运动的概剑 l s l 6 v 。= o 的匀加速直线运动的v t 图倒j $ 1 7v 。= o 的匀加速直线运动v t 关系j b 1 8v 。= o 的匀加速直线运动s t 关系j | s1 9 自由落体运动l 图2 - 3 匀变速直线运动要素 第二章中力和力的平衡的要素如图2 - 4 所示： 图2 4 力和力的平衡要素 第三章中牛顿运动定律的要素如图2 - 5 所示： s l 伽利略理想斜面实剃i s 2 牛顿第一定倒i s 3 惯性i | s 4 牛顿的贡 s 5a 与f ，m 的关系( d i s ) l | s 6 牛顿第二定剁l s 7 惯性的量剧 作用力和反作用力j | s 9 牛顿第三定劁b i o 国际单位铜 1 1 牛顿力学的局限( 爱冈斯坦的贡献) 图2 - 5 牛顿运动定律要素 第四章中周期运动的要素如图2 6 所示： s l 圆周运动的定刘i s 2 圆周运动条俐| s 3 匀速圆周运动的定j s 4 匀速圆周运动的描述( 线速度、角速度、周期、转速) l 5 线速度角速度周期转速关系f | s 6 机械振动fl s 7 同复力ii s 8 全振动i 9 机械振动的描述( 振幅、周期、频率) j s l o 机械波的产生| i 1 机械波产生传播条件( 波源、介质) il s l 2 横浏i s l 3 横波的图 1 4 机械波的描述( 波长、频率、周期、波速) jb 1 5 波速波长频率的关系 图2 - 6 周期运动要素 二、要素间的形成关系 根据教材内容和学习者的特点，考虑核心要素间的逻辑、因果、上下位关系， 7 华东师范大学硕士学位论文第二章i s m 法分析上海科技版物理教材知识要素编排 从而形成需解析的要素间形成关系。同理，操作前先明确形成关系的操作性定义。 为了减少研究者根据个人主观臆测判断要素间形成关系的情况发生，研究中采用 如下方法：根据每个要素在教材中的实际表述，教材中若缺少某个下位要素，则 该表述无法形成，那么，判断两者具有形成关系。 本文中形成关系的操作性定义：教材编排中，阐明上位要素时用到了某下位 要素内涵的本质属性( 既假设没有下位要素支撑，教材中无法形成和给出上位要 素) 则判断两个要素有形成关系。注意，这里讨论的仅仅是教材的编排，并不等 同于物理概念间本身的逻辑关系。 根据以上操作性定义，给出各章核心要素间的形成关系如图2 7 至图2 1 0 所示： 尺甲甲 匝硇区圈匝圈团圆匝圈匝硇 匦团区互亟垂垂圆 匠墅垂垂噩正盈匡巫亟卫亟垂匦虱面丑圜 图2 - 7 第一章匀变速直线运动形成关系 8 圈 巨 华东师范大学硕士学位论文第二章i s m 法分析上海科技版物理教材知识要素编排 巨亘圃 t 匠圃 匠叠囫圃 t 匠圆 圆圃匿噩圃 t下 匠圃匠圈 1 1 共点力平衡条 筠力的ils 7 共点力的合lis 8 力的lls 9 力的li $ 1 0 基点 合威概il 成( 平行四边l1 分解概l1 分解方il 力平衡 念ll 形定则)il 念il 法il 状态 图9 - 8第二章力和力的平衡形成关系 图2 9第三章牛顿力学形成关系 甲呷匝严 9 华东师范大学硕士学位论文第二章i s m 法分析上海科技版物理教材知识要素编排 i s 4 匀速圆周运动的描述( v 、( i ) 、t 、转速) i s 5 线速度角速度盾期转速关系 i s 3 匀速圆周运动的定义 l s 4 匀速圆习运动的描述( 线速度、角速度、周期、转速) l 甲甲 l s l 3 横渡的图谰i s l 4 机械波的描述( 波长、频率、周期、波速) l 一 图2 - 1 0第四章周期运动形成关系 三、求可达矩阵 根据以上确定的要素间形成关系，通过矩阵算法求出每个要素在教材编排中 的高低层级。首先求出邻接矩阵：将要素间的形成关系编排成双向表格， 0 表 示两要素间不存在形成箭头，l 表示存在形成箭头。将表格中的数据表示为矩阵 形式，可得邻接矩阵。而后通过转移法由邻接矩阵求出可达矩阵，可达矩阵描述 的是从一个要素到另外一个要素间是否存在连接的路径( 无论长度有多长) 。( 通 l o 华东师范大学硕士学位论文第二章i s m 法分析上海科技版物理教材知识要素编排 过计算机编程计算畸旬) ，由此得到匀变速直线运动章节双向形成表格如表2 1 所 不： 表2 - 1第一章匀变速直线运动双向形成表格 1 234 567 8 91 01 11 21 31 41 51 61 71 81 9 l11 21 3111111 4 1 1 5 6 11 11 7 8 91 1 0 1 1 11 1 2 1 l 1 3 1 1 4l 1 5 1 1 611 1 7 1 8 1 9 5 杨伟丽摹于i s m 有向图的求可达矩阵的简洁算法 d 厦门：厦门大学，2 0 0 7 6 钟志强解释结构模型算法实现研究【j 】电脑学习2 0 0 9 ，第1 期：2 华东师范大学硕士学位论文 第二章i s m 法分析上海科技版物理教材知识要素编排 邻接矩阵： o o 1 ，o , o , l o , o , o , o , o o , o , o , o , q o , o , o 谚4 互露0 。o , o , o , o 。o , o , o , o , o , o o , o o , o o , o , o l 1 ，l o , 1 , o ，z , 1 ，o , o , o , o , o , o o , o 砖绣绣露露l o , o , o , o , o ，o , i f o , o , o , o , 0 u o o , o ，谚磅绣露谚口谚o , o , e o ，o , o , o , o i o , o o , o o , o , o , o a , o , l ，o , l 。l o , o , o , o o ，o , o o , o o ，o , o ，o , o ，o , o ，o , o 。o o ，o , o , o o ，o , o o , o , o ，o , o ，o , o ，o , o ，o , o o , o o , o , o , o , o , o o , o o , o , o 。o , o 。露甥露谚群口4 4 殍露乏口 o , o , o , o , o , o , o , o , o , o , 1 ，o , o , o , o ，o , o 。o , o 绣绣蝗露踺露露露谚露绣l o , o , o , o , o , o , o o o , o , o , o ，色o , o , o , o , o , o , l ，o , i ，o , o , o , o o o i o q o , o , o , o , o ，o , o ，o , o ，o , 1 ，o , o , o , o 0 , 0 0 ，q o ，o , o , o , o o o , o , o , o , o , o , l o , o , o 窍露绣露绣露瑶露睡露绣露4 露绣l o , o , o 瓴o , o , o , o , o , o , o , o , o , o , o , o , o , o , o , 1 ，l o 0 , 0 0 。o , o 。0 , 0 。谚霹o , o 。o , o 。露瑶露0 , 0 1 0 绣谚瑶露o , o , o , o , o , o , o , o , o , o , o , o , o , o , o o , o , o ，o , o 。o , o ，o , o ，o , o , o , o , o , o , o , o , o , o 可达矩阵： 1 , 0 。l ，z , i ，l ，l ，l l 。l ，l ，z , 1 。o , 1 ，1 1 ，l o 0 , 1 1 。1 , i 1 1 1 l l 。l 1 z , 1 ，o , 1 。重，l 。l o o o 1 1 ，l ，l 1 ，l 1 l 1 。z , j ，o , 1 。1 , 1 。z , o o - o ，o ，l ，o ，l l ，o 1 ，o , 1 ，l i ，o , i ，z , i ，1 , o o , o , o , o , i ，o , o , o , o , o , o , o , o , o , o , o , o , o , o 0 , 0 , 0 ，o o 。l ，1 ，o , i ，o , i ，l ，l ，o , i ，l ，l ，i , o 0 , 0 , 0 ，o , o , o , i ，o , o , o , o , o , o o , o , o , o , o , o 0 , 0 , 0 。o , o 。露露z 蜒牙谚露露o , o , o , o 。o , o o ，o 仉q o 毽o q l ，q 戗氆也o ，也饥o ，l o o o 。o q o q 呱o ，l ，l ，l l ，o , 1 ，毛l ，l o 0 ，o , o , o , o ，0 ，o i q o ，o , 1 。l l ，o , i ，1 l ，1 , o 0 ，0 , 0 ，q o 。氆o 色o i 征o ，l 1 ，o , 1 ，l l ，i o 0 ，0 , 0 ，o , o ，o , o , o , o , o , o , o , l o , 1 ，1 ，l ，z , o o , o , o , o , o 。露磅露程野砖蜂露z 绣z , 1 。1 , o 0 , 0 ，o , o , o , o , o , o , o , o , o , o , o , o , 1 ，l ，l ，1 。0 0 , 0 , 0 ，露踺露露霹露露谚露鹰露霹1 1 ，l o 0 ，0 , 0 。o , o ，o , o , o , o , o , o , o , o , o , o o , z ，o , o 露谚谚露建露露露磅露惦露瑶霹霭牙露1 , o 0 ，o , o ，g , o & o ，o , o , o , o , o , o , o , o , o , o , o , i 上海科技版教材中第二至第四章分析过程同上，得到的双向形成表格、邻接矩阵、 可达矩阵参见附录1 。 四、基于可达矩阵求层级有向图 建立表格，定义可达集合r ( s i ) 为从s i 出发，可能达到的全部要素集合。 定义先行集合a ( s i ) 为所有能达到s i 的要素集合。即得到可达矩阵的r ( s i ) 、 a ( s i ) 与r ( s i ) na ( s i ) 的关系。 通过表格求出满足r ( s i ) n a ( s i ) = r ( s i ) 的s i 的集合，该集合内的 要素不可能达到本集合外的任一要素，所以，这些要素是全部要素中的最高层级， 先将它从表中取出，对于剩下的要素，再用相同的方法决定出次高层级，依次类 推，可以得到各个要素在教材编排中所占高低