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1、解释结构模型解释结构模型ISM及其应用及其应用uInterpretive Structural Modeling (ISM)u1 解决复杂系统问题，困难在于弄清楚要解决什解决复杂系统问题，困难在于弄清楚要解决什解决复杂系统问题，困难在于弄清楚要解决什解决复杂系统问题，困难在于弄清楚要解决什么问题，什么是表面问题，什么是潜在问题，什么问题，什么是表面问题，什么是潜在问题，什么问题，什么是表面问题，什么是潜在问题，什么问题，什么是表面问题，什么是潜在问题，什么是原因层的问题，什么是根子层的问题。这就么是原因层的问题，什么是根子层的问题。这就么是原因层的问题，什么是根子层的问题。这就么是原因层的问题
2、，什么是根子层的问题。这就是问题诊断和系统概念开发。是问题诊断和系统概念开发。是问题诊断和系统概念开发。是问题诊断和系统概念开发。如何能使用自然语言或图形等较直观的方式如何能使用自然语言或图形等较直观的方式如何能使用自然语言或图形等较直观的方式如何能使用自然语言或图形等较直观的方式来描述和阐明问题，这就是根据问题导向，建立来描述和阐明问题，这就是根据问题导向，建立来描述和阐明问题，这就是根据问题导向，建立来描述和阐明问题，这就是根据问题导向，建立概念模型。系统结构模型是一种较正规的概念模概念模型。系统结构模型是一种较正规的概念模概念模型。系统结构模型是一种较正规的概念模概念模型。系统结构模型是
3、一种较正规的概念模型。这类模型对于理清思路、明确问题，与利益型。这类模型对于理清思路、明确问题，与利益型。这类模型对于理清思路、明确问题，与利益型。这类模型对于理清思路、明确问题，与利益相关者进行沟通，都极为有用。这种结构化的概相关者进行沟通，都极为有用。这种结构化的概相关者进行沟通，都极为有用。这种结构化的概相关者进行沟通，都极为有用。这种结构化的概念模型就是念模型就是念模型就是念模型就是系统结构模型系统结构模型系统结构模型系统结构模型。从概念模型到结构模型从概念模型到结构模型从概念模型到结构模型从概念模型到结构模型系统概念开发系统概念开发系统概念开发系统概念开发u2结构模型：结构模型：系统
4、有很多要素构成，建立要素之间的相互关系，即系系统有很多要素构成，建立要素之间的相互关系，即系统的结构模型，是系统分析的重要方法。统的结构模型，是系统分析的重要方法。u3 凡系统必有结构，系统结构决定系统功能；凡系统必有结构，系统结构决定系统功能；凡系统必有结构，系统结构决定系统功能；凡系统必有结构，系统结构决定系统功能；破坏结构，就会完全破坏系统的总体功能。这说破坏结构，就会完全破坏系统的总体功能。这说破坏结构，就会完全破坏系统的总体功能。这说破坏结构，就会完全破坏系统的总体功能。这说明了系统结构的普遍性与重要性。明了系统结构的普遍性与重要性。明了系统结构的普遍性与重要性。明了系统结构的普遍性
5、与重要性。结构模型描述系统结构形态，即系统各部分间结构模型描述系统结构形态，即系统各部分间结构模型描述系统结构形态，即系统各部分间结构模型描述系统结构形态，即系统各部分间及其与环境间的关系（因果、顺序、联系、隶属、及其与环境间的关系（因果、顺序、联系、隶属、及其与环境间的关系（因果、顺序、联系、隶属、及其与环境间的关系（因果、顺序、联系、隶属、优劣对比等）。优劣对比等）。优劣对比等）。优劣对比等）。结构模型是从概念模型过渡到定结构模型是从概念模型过渡到定结构模型是从概念模型过渡到定结构模型是从概念模型过渡到定量分析的中介，即使对那些难以量化的系统来说量分析的中介，即使对那些难以量化的系统来说量
6、分析的中介，即使对那些难以量化的系统来说量分析的中介，即使对那些难以量化的系统来说也可以建立结构模型，故在系统分析中应用很广也可以建立结构模型，故在系统分析中应用很广也可以建立结构模型，故在系统分析中应用很广也可以建立结构模型，故在系统分析中应用很广泛。泛。泛。泛。u4模型发现者的资料：模型发现者的资料：对应的对应的dos程序，有个程序，有个windows版本版本 国内发展该模型的提供在线计算国内发展该模型的提供在线计算u5解释结构模型法解释结构模型法需要了解的的知识点需要了解的的知识点 解释结构模型法是用于分析教育技术研究中复杂要素间关联结构的一种专门研究方法，作用是能够利用系统要素之间已知
7、的零乱关系，揭示出系统的内部结构。解释结构模型法的具体操作是用图形和矩阵描述出各种已知的关系,通过矩阵做进一步运算，并推导出结论来解释系统结构的关系.本章介绍了解释结构模型的基本概念；论述了解释结构模型法应用的具体步骤；以“网络化学习与传统学习的差异分析”为案例说明解释结构模型法在教育技术研究中的具体应用。通过本章的学习,应了解解释结构模型的基本概念,明确有向图、邻接矩阵和可达矩阵的含义，掌握解释结构模型法应用的步骤，熟练运用解释结构模型法分析解决教育技术研究中的具体问题。本章内容结构本章内容结构 系统结构的有向图示法 有向图的矩阵描述 邻接矩阵的性质 可达矩阵 系统要素分析 建立邻接矩阵 进
8、行矩阵运算，求出可达矩阵 对可达矩阵进行分解 差异特征要素分析 要素强弱分析 解释结构模型分析 WBT的层级模型与因果关系分析 参考在线计算 u解释结构模型法解释结构模型法u的基本概念的基本概念u案例案例-网络化学习网络化学习u与传统学习与传统学习u的差异分析的差异分析u解释结构模型法应解释结构模型法应u用步骤用步骤第一节第一节 解释结构模型法的基本概念解释结构模型法的基本概念定义：定义：解释结构模型法（Interpretative Structural Modelling Method,简称ISM方法）ISM方法是现代系统工程中广泛应用的一种分析方法，它在揭示系统结构，一、系统结构的有向图示
9、法一、系统结构的有向图示法有向图形是系统中各要素之间的联系情况的一种模型化描述方法。它由节点和边两部分组成节点利用一个圆圈代表系统中的一个要素，圆圈标有该要素的符号；边用带有箭头的线段表示要素之间的影响。箭头代表影响的方向。教师计算机多媒体学生 图1 CAI系统结构模型系统结构模型二、有向图的矩阵描述二、有向图的矩阵描述 对于一个有向图，我们可以用一个mm方形矩阵来表示。m为系统要素的个数。矩阵的每一行和每一列对应图中一个节点（系统要素）。规定，要素Si 对Sj 有影响时，矩阵元素aij为1，要素Si对Sj无影响时，矩阵元素aij为0。即 （1）对于图1中，m=3即可构成一个33的方形矩阵，表
10、示为：uTuMuS根据式（1）则用矩阵表示为：上述这种与有向图形对应的，并用1和0表现元素的矩阵称为邻接矩阵三、邻接矩阵的性质 实验过程本身就是一个系统，它包含有实验者（S1）、实验对象（S2）、实验因素（自变量）（S3）、干扰因素（S4）和实验反应（因变量）（S5）等5个基本要素。这5个因素之间的联系关系可以用表12-1表示，根据此表，也可以用有向图（图12-2）和邻接矩阵表示。表12-1 因素之间的联系实验者实验者（S1S1）实验者实验者（S2S2）实验者实验者（S3S3）干扰因素干扰因素（S4S4）实验反应实验反应（S5S5）实验者实验者 S S1 1控制变量控制变量排除干扰排除干扰测量
11、反应测量反应实验对象实验对象 S S2 2 作出反应作出反应实验因素实验因素 S S3 3刺激对象刺激对象干扰因素干扰因素 S S4 4干扰对象干扰对象实验反应实验反应 S S5 5u S1 S2 S3 S4 S5u图图12-2有向图有向图邻接矩阵描述了系统各要素之间直接关系，它具有如下性质：邻接矩阵和有向图是同一系统结构的两种不同表达形式。矩阵与图一一对应，有向图形确定，邻接矩阵也就唯一确 定。反之，邻接矩阵确定，有向图形也就唯一确定。邻接矩阵的矩阵元素只能是1和0，它属于布尔矩阵。布尔矩阵的运算主要有逻辑和运算以及逻辑乘运算，即：0+0=0 0+1=1 1+1=1 10=0 01=0 11
12、=1 在邻接矩阵中，如果第j列元素全部都为0，则这一列所对 应的要素Sj可确定为该系统的输入端。例如，上述矩阵A 中，对应S1列全部为0，要素S1可确定为系统的输入端。在邻接矩阵中，如果第i行元素全部都为0，则这一行所对应的要素Si可确定为该系统的输出端。例如，上述矩阵A中，对应S5行全部为0，要素S5可确定为系统的输出端。计算 AK ，如果A 矩阵元素中出现 aij=1，则表明从系统 要素Si出发，经过k条边可达到系统要素Sj。这时我们说 系统要素Si与Sj之间存在长度为k的通道。如上述矩阵 矩阵A2表明，从系统要素S1出发经过长度为2的通道分别到达系统要素S2和S5。同是，系统要素S3和S
13、4也分别有长度为2的通道到达系统要素S5。它们分别为：;计算出矩阵 得到：矩阵矩阵A A3 3表明，从系统要素表明，从系统要素S S1 1出发经过长度为出发经过长度为3 3的通道到的通道到 达系统要素达系统要素S S5 5。它就是。它就是 。四、可达矩阵四、可达矩阵 如果一个矩阵，仅其对角线元素为1，其他元素均为0，这样的矩阵称为单位矩阵，用I表示。根据布尔矩阵运算法则，可以证明：同理可以证明：同理可以证明：u如果系统如果系统A A满足条件满足条件u则称则称M M为系统为系统A A的可达矩阵。可达矩阵表示从一个要素到的可达矩阵。可达矩阵表示从一个要素到另另u一个要素是否存在连接的路径。一个要素
14、是否存在连接的路径。第二节解释结构模型法应用的步骤一、一、ISM方法的基本步骤 ISM方法的作用是把任意包含许多离散的，无序的静态的系统，利用系统要素之间已知的、但凌乱的的关系，揭示出系统的内部结构。其基本方法是先用图形和矩阵描述各种已知的关系，在 矩阵的基础上再进一步运算、推导来解释系统结构的特点。其基本步骤如下：（1）建立系统要素关系表 （2）根据系统要素关系表，作出相应的有向图形，并建 立邻接矩阵；（3）通过矩阵运算求出该系统的可达矩阵M；（4）对可达矩阵M进行区域分解和级间分解；（5）建立系统结构模型。二、以任务驱动式教学过程模式为例，说明如何用ISM方法对系统进行系统结构 分析：（一
15、）系统要素分析（一）系统要素分析 任务驱动式教学过程是指教师根据教学目标和学生实际向学生提出学习任务，同时提供完成任务所需要的学习资源和相关材料，要求学生利用资源完成一个作品，教师还提供对作品的评价指标体系并对学生作品作出评价，要求学生在完成作品和理解教师对作品的评价意见之后，形成有意义的知识，即完成意义的建构。我们可以把上述教学过程分解为：教师活动、学生活动、学习任务、学习资源、学生作品、评价指标、意义建构等7个活动要素。这些要素之间的存在着直接的因果关系。如教师提出学习任务、提供学习资源、建立作品评价指标等。我们把每一个因素（Si）分别与其他因素进行比较，如果存在直接因果关系的，用符号表示
16、在要素关系表中,如表12-2所示。表12-2要素关系表教教师师学生学生学习任务学习任务学习资源学习资源评价指标评价指标学生作品学生作品意义建构意义建构教师教师S S1 1 提出任务提出任务 提供资源提供资源 制定指标制定指标学生学生S S2 2 完成任务完成任务 形成意义形成意义学习任务学习任务S S3 3 驱动学习驱动学习学习资源学习资源S S4 4 学生利用学生利用评价指标评价指标S S5 5 评价作品评价作品学生作品学生作品S S6 6 学习结果学习结果意义建构意义建构S S7 7u二、建立邻接矩阵二、建立邻接矩阵u 根据要素关系表建立邻接矩阵根据要素关系表建立邻接矩阵A A：u三、进行
17、矩阵运算，求出可达矩阵三、进行矩阵运算，求出可达矩阵uM三、对可达矩阵求解的扩展A：逐次平方B:warshall算法B：排序后 再warshall法最高效的可达矩阵算法四、对可达矩阵进行分解 定义：可达集合 R（Si）：可达矩阵中要素Si对应的行中，包 含有1的矩阵元素所对应的列要素的集合。代表要素Si 到达的要素。先行集合Q（Si）：可达矩阵中要素Si对应的列中，包含 有1的矩阵元素所对应的行要素的集合。代表 交集A=R（Si）Q（Si）为了对可达矩阵进行区域分解，我们先把可达集合与先行集合及其交集列出在表上，如表12-3所示。u表表12-3 12-3 可达集合与先行集合及其交集表可达集合与
18、先行集合及其交集表i iR(SR(Si i)Q(SQ(Si i)R(SR(Si i)Q(S)Q(Si i)1 11,2,3,4,5,6,71,2,3,4,5,6,71 11 12 22,6,72,6,71,2,3,41,2,3,42 23 32,3,6,72,3,6,71,31,33 34 42,4,6,72,4,6,71,41,44 45 55,6,75,6,71,51,55 56 66,76,71,2,3,4,5,61,2,3,4,5,66 67 77 71,2,3,4,5,6,71,2,3,4,5,6,77 7(1)对可达矩阵的区域分解 根据对可达集合及先行集合的分析结果，我们可以发现，
19、在先行集合Q（Si）中显示存在S1S3、S1S4、S1S5有着很强的直接联系，而S2又与S3、S4直接联系因此，我们对可达矩阵M的行和列位置作适当的变换，即把S1、S3、S4、S5、S2集中在一起，如M所示。uuuu S1 S3 S4 S5 S2 S6 S7 我们用虚线把变换后的矩阵M分割为四部分，这四部分分别代表：左上角子矩阵I表示由元素S1、S3、S4、S5组成的子系统的邻接矩阵（A）；右下角子矩阵IV表示由元素S2、S6、S7组成的子系统的邻接矩阵（B）；右上角子矩阵II表示子系统（A）对子系统（B）的影响；左下角子矩阵III表示子系统（B）对子系统（A）的影响。图中矩阵全部元 素为0，
20、表示子系统（B）对子系统（A）没有影响。（2）层级分解层级分解的目的 是为了更清晰的了解系统中各要素之间的层级关系，最顶层表示系统的最终目标，往下各层分别表示是上一层的原因。利用这种方法，我们可以科学地建立教学过程或其它问题的类比模型。层级分解的方法 是根据R（Si）Q（Si）=R（Si）条件来进行层级的抽取。如表-3中对于i=7 满足条件，这表示S7为该系统的最顶层，也就是系统的最终目标。然后，把表12-3中有关7的要素都抽取掉，得到表12-4：u表表12-4 12-4 抽出抽出7 7后的结果后的结果i iR(SR(Si i)Q(SQ(Si i)R(SR(Si i)Q(S)Q(Si i)1
21、11,2,3,4,5,61,2,3,4,5,61 11 12 22,62,61,2,3,41,2,3,42 23 32,3,62,3,61,31,33 34 42,4,62,4,61,41,44 45 55,65,61,51,55 56 66 61,2,3,4,5,61,2,3,4,5,66 6u从表从表12-4中又可以发现中又可以发现i=6满足条件，即可以抽出满足条件，即可以抽出6，这表示，这表示S6为第二层为第二层u，并是，并是S7的原因。的原因。u12-5 12-5 抽出抽出6 6后的结果后的结果u从表从表12-5 12-5 发现发现i=5,i=2,i=5,i=2,都满足都满足R R（S
22、 Si i）Q Q（S Si i）=R=R（S Si i）条件，条件，S2S2、S5S5为第三层并是为第三层并是S S6 6的原因。的原因。i iR(SR(Si i)Q(SQ(Si i)R(SR(Si i)Q(S)Q(Si i)1 11,2,3,4,51,2,3,4,51 11 12 22 21,2,3,41,2,3,42 23 32,32,31,31,33 34 42,42,41,41,44 45 55 51,51,55 5u表表12-6 12-6 抽出抽出2 2、5 5后的结果后的结果u 从表从表12-6 12-6 发现发现i=3,i=4,i=3,i=4,都满足都满足R R（S Si i）
23、Q Q（S Si i）=R=R（S Si i）条件，）条件，S3S3、S4S4为第四层并是为第四层并是S2,S5S2,S5的原因。的原因。i iR(SR(Si i)Q(SQ(Si i)R(SR(Si i)Q(S)Q(Si i)1 11,3,41,3,41 11 13 33 31,31,33 34 44 41,41,44 4u表表12-7 12-7 抽出抽出3 3、4 4后的结果后的结果i iR(SR(Si i)Q(SQ(Si i)R(SR(Si i)Q(S)Q(Si i)1 11 11 11 1u 结果表明，要素结果表明，要素S S1 1为系统的最底层，是引起系统运动的根为系统的最底层，是引起系统运动的根本原因各层关系如图本原因各层关系如图12-312-3所示。所示。uS4uS7uS3uS5uS6uS1uS2u顶层顶层u第二层第二层u第三层第三层u第四层第四层u底层底层u（B）u（A）u图图12-3 各层关系示意图各层关系示意图u根据上述分析，我们便可以把任务驱动的教学过程模式用一个根据上述分析，我们便可以把任务驱动的教学过程模式用一个u类比模型如图类比模型如图12-4所示所示