解釋結(jié)構(gòu)模型ISM及其應(yīng)用

解釋結(jié)構(gòu)模型ISM及其應(yīng)用2解釋結(jié)構(gòu)模型ISM及其應(yīng)用InterpretiveStructuralModeling(ISM)3

解決復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題，困難在于弄清楚要解決什么問(wèn)題，什么是表面問(wèn)題，什么是潛在問(wèn)題，什么是原因?qū)拥膯?wèn)題，什么是根子層的問(wèn)題。這就是問(wèn)題診斷和系統(tǒng)概念開(kāi)發(fā)。如何能使用自然語(yǔ)言或圖形等較直觀的方式來(lái)描述和闡明問(wèn)題，這就是根據(jù)問(wèn)題導(dǎo)向，建立概念模型。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型是一種較正規(guī)的概念模型。這類模型對(duì)于理清思路、明確問(wèn)題，與利益相關(guān)者進(jìn)行溝通，都極為有用。這種結(jié)構(gòu)化的概念模型就是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。從概念模型到結(jié)構(gòu)模型——系統(tǒng)概念開(kāi)發(fā)4結(jié)構(gòu)模型：系統(tǒng)有很多要素構(gòu)成，建立要素之間的相互關(guān)系，即系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，是系統(tǒng)分析的重要方法。5

凡系統(tǒng)必有結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定系統(tǒng)功能；破壞結(jié)構(gòu)，就會(huì)完全破壞系統(tǒng)的總體功能。這說(shuō)明了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的普遍性與重要性。

結(jié)構(gòu)模型描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形態(tài)，即系統(tǒng)各部分間及其與環(huán)境間的關(guān)系（因果、順序、聯(lián)系、隸屬、優(yōu)劣對(duì)比等）。結(jié)構(gòu)模型是從概念模型過(guò)渡到定量分析的中介，即使對(duì)那些難以量化的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)也可以建立結(jié)構(gòu)模型，故在系統(tǒng)分析中應(yīng)用很廣泛。6模型發(fā)現(xiàn)者的資料：

對(duì)應(yīng)的dos程序，有個(gè)windows版本

國(guó)內(nèi)發(fā)展該模型的提供在線計(jì)算解釋結(jié)構(gòu)模型法需要了解的的知識(shí)點(diǎn)

解釋結(jié)構(gòu)模型法是用于分析教育技術(shù)研究中復(fù)雜要素間關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的一種專門(mén)研究方法，作用是能夠利用系統(tǒng)要素之間已知的零亂關(guān)系，揭示出系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。解釋結(jié)構(gòu)模型法的具體操作是用圖形和矩陣描述出各種已知的關(guān)系,通過(guò)矩陣做進(jìn)一步運(yùn)算，并推導(dǎo)出結(jié)論來(lái)解釋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)系.本章介紹了解釋結(jié)構(gòu)模型的基本概念；論述了解釋結(jié)構(gòu)模型法應(yīng)用的具體步驟；以“網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)學(xué)習(xí)的差異分析”為案例說(shuō)明解釋結(jié)構(gòu)模型法在教育技術(shù)研究中的具體應(yīng)用。通過(guò)本章的學(xué)習(xí),應(yīng)了解解釋結(jié)構(gòu)模型的基本概念,明確有向圖、鄰接矩陣和可達(dá)矩陣的含義，掌握解釋結(jié)構(gòu)模型法應(yīng)用的步驟，熟練運(yùn)用解釋結(jié)構(gòu)模型法分析解決教育技術(shù)研究中的具體問(wèn)題。本章內(nèi)容結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有向圖示法有向圖的矩陣描述鄰接矩陣的性質(zhì)可達(dá)矩陣系統(tǒng)要素分析建立鄰接矩陣進(jìn)行矩陣運(yùn)算，求出可達(dá)矩陣對(duì)可達(dá)矩陣進(jìn)行分解

差異特征要素分析要素強(qiáng)弱分析解釋結(jié)構(gòu)模型分析

WBT的層級(jí)模型與因果關(guān)系分析

參考在線計(jì)算

解釋結(jié)構(gòu)模型法的基本概念案例-網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)學(xué)習(xí)的差異分析解釋結(jié)構(gòu)模型法應(yīng)用步驟第一節(jié)解釋結(jié)構(gòu)模型法的基本概念定義：解釋結(jié)構(gòu)模型法（InterpretativeStructuralModellingMethod,簡(jiǎn)稱ISM方法）ISM方法是現(xiàn)代系統(tǒng)工程中廣泛應(yīng)用的一種分析方法，它在揭示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有向圖示法有向圖形——是系統(tǒng)中各要素之間的聯(lián)系情況的一種模型化描述方法。它由節(jié)點(diǎn)和邊兩部分組成節(jié)點(diǎn)——利用一個(gè)圓圈代表系統(tǒng)中的一個(gè)要素，圓圈標(biāo)有該要素的符號(hào)；邊——用帶有箭頭的線段表示要素之間的影響。箭頭代表影響的方向。

教師計(jì)算機(jī)多媒體學(xué)生圖1CAI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型二、有向圖的矩陣描述

對(duì)于一個(gè)有向圖，我們可以用一個(gè)m×m方形矩陣來(lái)表示。m為系統(tǒng)要素的個(gè)數(shù)。矩陣的每一行和每一列對(duì)應(yīng)圖中一個(gè)節(jié)點(diǎn)（系統(tǒng)要素）。規(guī)定，要素Si對(duì)Sj有影響時(shí)，矩陣元素aij為1，要素Si對(duì)Sj無(wú)影響時(shí)，矩陣元素aij為0。即（1）對(duì)于圖1中，m=3即可構(gòu)成一個(gè)3×3的方形矩陣，表示為：TMS根據(jù)式（1）則用矩陣表示為：

上述這種與有向圖形對(duì)應(yīng)的，并用1和0表現(xiàn)元素的矩陣稱為鄰接矩陣三、鄰接矩陣的性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程本身就是一個(gè)系統(tǒng)，它包含有實(shí)驗(yàn)者（S1）、實(shí)驗(yàn)對(duì)象（S2）、實(shí)驗(yàn)因素（自變量）（S3）、干擾因素（S4）和實(shí)驗(yàn)反應(yīng)（因變量）（S5）等5個(gè)基本要素。這5個(gè)因素之間的聯(lián)系關(guān)系可以用表12-1表示，根據(jù)此表，也可以用有向圖（圖12-2）和鄰接矩陣表示。表12-1因素之間的聯(lián)系實(shí)驗(yàn)者（S1）實(shí)驗(yàn)者（S2）實(shí)驗(yàn)者（S3）干擾因素（S4）實(shí)驗(yàn)反應(yīng)（S5）實(shí)驗(yàn)者S1○控制變量○排除干擾○測(cè)量反應(yīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象S2

○作出反應(yīng)實(shí)驗(yàn)因素S3○刺激對(duì)象干擾因素S4○干擾對(duì)象實(shí)驗(yàn)反應(yīng)S5

S1S2S3S4S5圖12-2有向圖鄰接矩陣描述了系統(tǒng)各要素之間直接關(guān)系，它具有如下性質(zhì)：⒈鄰接矩陣和有向圖是同一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的兩種不同表達(dá)形式。矩陣與圖一一對(duì)應(yīng)，有向圖形確定，鄰接矩陣也就唯一確定。反之，鄰接矩陣確定，有向圖形也就唯一確定。⒉鄰接矩陣的矩陣元素只能是1和0，它屬于布爾矩陣。布爾矩陣的運(yùn)算主要有邏輯和運(yùn)算以及邏輯乘運(yùn)算，即：

0+0=00+1=11+1=11×0=00×1=01×1=1⒊在鄰接矩陣中，如果第j列元素全部都為0，則這一列所對(duì)應(yīng)的要素Sj可確定為該系統(tǒng)的輸入端。例如，上述矩陣A

中，對(duì)應(yīng)S1列全部為0，要素S1可確定為系統(tǒng)的輸入端。⒋在鄰接矩陣中，如果第i行元素全部都為0，則這一行所對(duì)應(yīng)的要素Si可確定為該系統(tǒng)的輸出端。例如，上述矩陣A中，對(duì)應(yīng)S5行全部為0，要素S5可確定為系統(tǒng)的輸出端。⒌計(jì)算AK

，如果A矩陣元素中出現(xiàn)aij=1，則表明從系統(tǒng)要素Si出發(fā)，經(jīng)過(guò)k條邊可達(dá)到系統(tǒng)要素Sj

。這時(shí)我們說(shuō)系統(tǒng)要素Si與Sj之間存在長(zhǎng)度為k的通道。如上述矩陣矩陣A2表明，從系統(tǒng)要素S1出發(fā)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為2的通道分別到達(dá)系統(tǒng)要素S2和S5。同是，系統(tǒng)要素S3和S4也分別有長(zhǎng)度為2的通道到達(dá)系統(tǒng)要素S5。它們分別為：①→

④→

②;①→

③→

⑤;③→

④→

⑤;④→

③→

⑤計(jì)算出矩陣得到：矩陣A3表明，從系統(tǒng)要素S1出發(fā)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為3的通道到達(dá)系統(tǒng)要素S5。它就是①→③→④→⑤。四、可達(dá)矩陣如果一個(gè)矩陣，僅其對(duì)角線元素為1，其他元素均為0，這樣的矩陣稱為單位矩陣，用I表示。根據(jù)布爾矩陣運(yùn)算法則，可以證明：

同理可以證明：如果系統(tǒng)A滿足條件則稱M為系統(tǒng)A的可達(dá)矩陣?？蛇_(dá)矩陣表示從一個(gè)要素到另一個(gè)要素是否存在連接的路徑。

第二節(jié)解釋結(jié)構(gòu)模型法應(yīng)用的步驟一、ISM方法的基本步驟

ISM方法的作用是把任意包含許多離散的，無(wú)序的靜態(tài)的系統(tǒng)，利用系統(tǒng)要素之間已知的、但凌亂的的關(guān)系，揭示出系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其基本方法是先用圖形和矩陣描述各種已知的關(guān)系，在矩陣的基礎(chǔ)上再進(jìn)一步運(yùn)算、推導(dǎo)來(lái)解釋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。其基本步驟如下：（1）建立系統(tǒng)要素關(guān)系表（2）根據(jù)系統(tǒng)要素關(guān)系表，作出相應(yīng)的有向圖形，并建立鄰接矩陣；（3）通過(guò)矩陣運(yùn)算求出該系統(tǒng)的可達(dá)矩陣M；（4）對(duì)可達(dá)矩陣M進(jìn)行區(qū)域分解和級(jí)間分解；（5）建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。二、以任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)過(guò)程模式為例，說(shuō)明如何用ISM方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析：

（一）系統(tǒng)要素分析

任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)過(guò)程是指教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生實(shí)際向?qū)W生提出學(xué)習(xí)任務(wù)，同時(shí)提供完成任務(wù)所需要的學(xué)習(xí)資源和相關(guān)材料，要求學(xué)生利用資源完成一個(gè)作品，教師還提供對(duì)作品的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系并對(duì)學(xué)生作品作出評(píng)價(jià)，要求學(xué)生在完成作品和理解教師對(duì)作品的評(píng)價(jià)意見(jiàn)之后，形成有意義的知識(shí)，即完成意義的建構(gòu)。我們可以把上述教學(xué)過(guò)程分解為：教師活動(dòng)、學(xué)生活動(dòng)、學(xué)習(xí)任務(wù)、學(xué)習(xí)資源、學(xué)生作品、評(píng)價(jià)指標(biāo)、意義建構(gòu)等7個(gè)活動(dòng)要素。這些要素之間的存在著直接的因果關(guān)系。如教師提出學(xué)習(xí)任務(wù)、提供學(xué)習(xí)資源、建立作品評(píng)價(jià)指標(biāo)等。我們把每一個(gè)因素（Si）分別與其他因素進(jìn)行比較，如果存在直接因果關(guān)系的，用符號(hào)○表示在要素關(guān)系表中,如表12-2所示。表12-2要素關(guān)系表教師學(xué)生學(xué)習(xí)任務(wù)學(xué)習(xí)資源評(píng)價(jià)指標(biāo)學(xué)生作品意義建構(gòu)教師S1○提出任務(wù)○提供資源○制定指標(biāo)學(xué)生S2○完成任務(wù)○形成意義學(xué)習(xí)任務(wù)S3○驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)資源S4○學(xué)生利用評(píng)價(jià)指標(biāo)S5○評(píng)價(jià)作品學(xué)生作品S6○學(xué)習(xí)結(jié)果意義建構(gòu)S7二、建立鄰接矩陣

根據(jù)要素關(guān)系表建立鄰接矩陣A：三、進(jìn)行矩陣運(yùn)算，求出可達(dá)矩陣＝M三、對(duì)可達(dá)矩陣求解的擴(kuò)展A：逐次平方B:warshall算法B：排序后再warshall法最高效的可達(dá)矩陣算法四、對(duì)可達(dá)矩陣進(jìn)行分解定義：⒈可達(dá)集合R（Si）：可達(dá)矩陣中要素Si對(duì)應(yīng)的行中，包含有1的矩陣元素所對(duì)應(yīng)的列要素的集合。代表要素Si

到達(dá)的要素。⒉先行集合Q（Si）：可達(dá)矩陣中要素Si對(duì)應(yīng)的列中，包含有1的矩陣元素所對(duì)應(yīng)的行要素的集合。代表⒊交集A=R（Si）∩Q（Si）為了對(duì)可達(dá)矩陣進(jìn)行區(qū)域分解，我們先把可達(dá)集合與先行集合及其交集列出在表上，如表12-3所示。表12-3可達(dá)集合與先行集合及其交集表iR(Si)Q(Si)R(Si)∩Q(Si)11,2,3,4,5,6,71122,6,71,2,3,4232,3,6,71,3342,4,6,71,4455,6,71,5566,71,2,3,4,5,66771,2,3,4,5,6,77

(1)對(duì)可達(dá)矩陣的區(qū)域分解

根據(jù)對(duì)可達(dá)集合及先行集合的分析結(jié)果，我們可以發(fā)現(xiàn)，在先行集合Q（Si）中顯示存在S1—S3、S1—S4、S1—S5有著很強(qiáng)的直接聯(lián)系，而S2又與S3、S4直接聯(lián)系因此，我們對(duì)可達(dá)矩陣M的行和列位置作適當(dāng)?shù)淖儞Q，即把S1、S3、S4、S5、S2集中在一起，如M’所示。

ⅢⅠⅡS1S3S4S5S2S6S7

我們用虛線把變換后的矩陣M’分割為四部分，這四部分分別代表：左上角子矩陣I表示由元素S1、S3、S4、S5組成的子系統(tǒng)的鄰接矩陣（A）；右下角子矩陣IV表示由元素S2、S6、S7組成的子系統(tǒng)的鄰接矩陣（B）；右上角子矩陣II表示子系統(tǒng)（A）對(duì)子系統(tǒng)（B）的影響；左下角子矩陣III表示子系統(tǒng)（B）對(duì)子系統(tǒng)（A）的影響。圖中矩陣全部元素為0，表示子系統(tǒng)（B）對(duì)子系統(tǒng)（A）沒(méi)有影響。（2）層級(jí)分解層級(jí)分解的目的是為了更清晰的了解系統(tǒng)中各要素之間的層級(jí)關(guān)系，最頂層表示系統(tǒng)的最終目標(biāo)，往下各層分別表示是上一層的原因。利用這種方法，我們可以科學(xué)地建立教學(xué)過(guò)程或其它問(wèn)題的類比模型。層級(jí)分解的方法是根據(jù)R（Si）∩Q（Si）=R（Si）條件來(lái)進(jìn)行層級(jí)的抽取。如表-3中對(duì)于i=7滿足條件，這表示S7為該系統(tǒng)的最頂層，也就是系統(tǒng)的最終目標(biāo)。然后，把表12-3中有關(guān)7的要素都抽取掉，得到表12-4：表12-4抽出7后的結(jié)果iR(Si)Q(Si)R(Si)∩Q(Si)11,2,3,4,5,61122,61,2,3,4232,3,61,3342,4,