羅月池 王朋嬌 趙銘洋

摘? 要： 本研究基于Web of Science（WOS）數(shù)據(jù)庫收集STEM教育研究的文獻(xiàn)。運(yùn)用CiteSpace 5.3.R4可視化軟件進(jìn)行文獻(xiàn)計量及共被引分析，繪制了國際STEM教育研究領(lǐng)域的知識圖譜，對STEM教育研究現(xiàn)狀的熱點(diǎn)及前沿進(jìn)行全方位的梳理。研究發(fā)現(xiàn)：自2015年以來，世界各國的教育學(xué)者對STEM教育的研究不斷深入，其中，歐美、澳大利亞等地的教育學(xué)者研究范圍廣、貢獻(xiàn)大;研究熱點(diǎn)包括課堂教學(xué)、學(xué)生學(xué)業(yè)表現(xiàn)、學(xué)習(xí)效能感、個性化學(xué)習(xí)以及注重STEM教學(xué)環(huán)境對學(xué)生與教師個體研究，研究重點(diǎn)結(jié)合教育公平與職業(yè)選擇進(jìn)行深入開展。文章認(rèn)為，STEM教育與人的高階發(fā)展密切相關(guān)，需引起高度重視，進(jìn)行本土化研究，培養(yǎng)以問題導(dǎo)向和創(chuàng)新為目標(biāo)的復(fù)合型人才。

關(guān)鍵詞： STEM教育;研究前沿;研究趨勢;科學(xué)計量;知識圖譜

中圖分類號： G434? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.051

本文著錄格式：羅月池，王朋嬌，趙銘洋. 國際STEM教育研究現(xiàn)狀的可視化分析：前沿與趨勢[J]. 軟件，2019，40（10）：217223

Visual Analysis of International STEM Education Research： Frontiers and Trends

LUO Yue-chi， WANG Peng-jiao， ZHAO Ming-yang

（School of Computer and Information Technology， Liaoning Normal University）

【Abstract】： This study collected STEM education research literature based on Web of Science （WOS） database. The CiteSpace 5.3.r4 visualization software was used to conduct literature measurement and co-citation analysis， draw the knowledge map of international STEM education research field， and comprehensively sort out the hot spots and frontiers of STEM education research. Research findings： since 2015， educational scholars around the world have been deepening their research on STEM education. Among them， educational scholars from Europe， the United States and Australia have a wide range of research and have made great contributions. Research hotspots include classroom teaching， students' academic performance， learning efficacy， personalized learning， and the focus on STEM teaching environment to study students and teachers. The research focuses on education equity and career choice. According to the article， STEM education is closely related to advanced human development， which needs to be paid great attention to， localized research， and cultivation of interdisciplinary talents with problem-oriented and innovation-oriented goals.

【Key words】： STEM education; Research front; Research trends; Scientific measurement; Knowledge map

0? 引言

近年來，STEM（Science， Technology， Engineering and Mathematics）已成為世界各國普遍認(rèn)同的跨學(xué)科主題和關(guān)鍵發(fā)展領(lǐng)域，諸多國家將培養(yǎng)具有STEM素養(yǎng)的高素質(zhì)人才作為主要教育目標(biāo)之一[1]。部分國家（尤其是中美）和相關(guān)報告（如地平線報告）都強(qiáng)調(diào)了對STEM教育模式進(jìn)行理論探索和實(shí)踐應(yīng)用的重要性。自2006年開始，STEM教育日益受到研究者與實(shí)踐者們的廣泛重視和持續(xù)關(guān)注，相關(guān)研究成果亦逐年呈現(xiàn)大幅度增長。但該領(lǐng)域的核心議題與未來走向仍不甚清晰，為此有必要對國際STEM教育的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，把握該領(lǐng)域的研究前沿和演進(jìn)趨勢，厘清其研究軌跡與取向，從而為日后STEM教育的研究提供參考與借鑒。

1? 研究方法與數(shù)據(jù)來源

本文應(yīng)用科學(xué)計量學(xué)的研究方法，借助Excel 2010及CiteSpace Ⅴ軟件工具[2][3]，對2015年以來的有關(guān)STEM教育國際期刊及會議論文展開可視化分析，以期從時間、空間、文獻(xiàn)載體、研究機(jī)構(gòu)及高產(chǎn)作者等方面揭示相關(guān)文獻(xiàn)的分布特征，同時繪制關(guān)鍵詞的共現(xiàn)知識圖譜和時序圖譜[4]，呈示STEM教育的國際研究前沿和演進(jìn)歷程，從而在此基礎(chǔ)上探討其研究不足與趨勢。

為了充分挖掘國際STEM教育的研究信息，本研究將文獻(xiàn)來源確定為Web of Science數(shù)據(jù)庫的核心合集，檢索詞為“STEM”，檢索方式為主題檢索，時間跨度為2015年—2019年，檢索日期為2019年3月16日。初步檢索后，共得到8630篇英文文獻(xiàn)。通過學(xué)科精煉與逐篇瀏覽，最終篩選出有效文獻(xiàn)857篇。檢索式如圖1所示。

2? 研究結(jié)果與分析

2.1? 文獻(xiàn)分布特征

（1）時間特征分析

通過研究文獻(xiàn)數(shù)量年度分布，有利于了解國外STEM教育研究時間分布熱點(diǎn)和關(guān)注程度情況。如圖2所示，國外關(guān)于STEM教育近五年的研究趨勢。自2015年到2018年，論文的發(fā)文量承逐年增長的趨勢，雖然2015到2017年增長速度較快，但是2017到2018年增長有所減緩，然而2019年2月就已經(jīng)有49篇文章發(fā)表在核心合集。經(jīng)過大量的文獻(xiàn)查閱發(fā)現(xiàn)，國外很多國家自2013年起出臺了一系列促進(jìn)STEM教育的相關(guān)政策和法案，例如：美國2013年發(fā)布了《聯(lián)邦STEM教育五年戰(zhàn)略計劃》等十余份正式報告、法國2013年發(fā)表了《文獻(xiàn)綜述——法國的STEM教育》、歐洲委員會發(fā)布2015年《科學(xué)教育塑造有責(zé)任的公民》等[5]。國外各國有關(guān)于STEM教育政策的出臺直接影響了STEM教育研究的熱潮，世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和對科學(xué)人才的訴求同樣使得STEM教育的研究呈穩(wěn)定上升趨勢。

（2）空間特征分析

基于各國學(xué)者的發(fā)文數(shù)量及地域信息，本文繪制了國家間合作網(wǎng)絡(luò)圖譜。其中，圖譜中的節(jié)點(diǎn)大小代表了發(fā)文數(shù)量，節(jié)點(diǎn)越大[6]，表明某國學(xué)者的文章數(shù)量越多[7]。如圖3所示，美國節(jié)點(diǎn)最大，以499篇居于首位，文獻(xiàn)數(shù)量遠(yuǎn)高于其他國家。其次是澳大利亞（59篇）和英國（52篇），中國和德國并列第四位（35篇），西班牙緊隨其后（28篇）。自1986年開始，美國便開始了STEM教育的研究，經(jīng)過30余年的發(fā)展，美國STEM教育研究已從教育理論探索、教育目標(biāo)制定、教育的師資培養(yǎng)發(fā)展到了教育的公平性。然而我國的STEM教育研究還處于教育政策的實(shí)施和教育目標(biāo)制定的基礎(chǔ)階段，距離美國STEM教育研究的實(shí)踐階段還有一定的距離。

（3）高影響力期刊分析

期刊是重要的學(xué)術(shù)信息交流平臺，期刊質(zhì)量和影響力受影響因子、載文量、被引頻次等諸多因素的影響[8]。一個期刊吸收和傳遞學(xué)術(shù)信息能力的高低取決于該期刊的載文量，影響因子、被引頻次等因素并不能代表期刊在某一領(lǐng)域傳遞信息的能力。如圖4所示，《科技教育》（Journal of Education and Technology）等五本期刊在國際STEM教育的研究領(lǐng)域影響力較高。其中，《科技教育》（Journal of Education and Technology）載文量最多，以311篇高居首位。其次是《科學(xué)教育》（Science Education）和《美國教育研究》（American Education Research Journal）等。

（4）高產(chǎn)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)分析

對高產(chǎn)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的研究，有助于進(jìn)一步揭示國外在STEM教育領(lǐng)域?qū)W術(shù)資源的分布情況，有針對性地展開機(jī)構(gòu)間的合作以及學(xué)術(shù)資源的引進(jìn)。如表1所示，目前STEM教育領(lǐng)域排名前十的研究機(jī)構(gòu)全部來自美國，分別是威斯康星大學(xué)、德州農(nóng)工大學(xué)、南加利福尼亞大學(xué)、密歇根大學(xué)、猶他州立大學(xué)、伊利諾伊大學(xué)、科羅拉多大學(xué)、北卡羅多萊納大學(xué)、密歇根州州立大學(xué)、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校。這些研究機(jī)構(gòu)是STEM教育領(lǐng)域的主要研究陣地。

圖5顯示的是STEM教育研究領(lǐng)域機(jī)構(gòu)的合作情況，可以看出，STEM教育研究領(lǐng)域機(jī)構(gòu)之間的合作并不是十分廣泛。一方面形成了以某幾所大學(xué)為核心的凝聚子群，如以威斯康星大學(xué)為核心的凝聚子群、德州農(nóng)工大學(xué)為核心的凝聚子群、以斯坦福大學(xué)為核心的凝聚子群、以密歇根大學(xué)為核心的凝聚子群、以猶他州州立大學(xué)為核心的凝聚子群等;另一方面，一些大學(xué)有其獨(dú)立的研究團(tuán)隊，如華盛頓大學(xué)、賓夕法尼亞大學(xué)、悉尼大學(xué)等。

（5）高產(chǎn)學(xué)者分析

在一個學(xué)科的發(fā)展過程中，作者與論文數(shù)量分布具有不均衡性，表現(xiàn)為不同作者在一定時期內(nèi)撰寫的論文數(shù)量不一致，即不同作者對學(xué)科的貢獻(xiàn)率不同，其中對學(xué)科發(fā)展貢獻(xiàn)率大的作者被認(rèn)為是核心作者，核心作者集聚成群從而形成核心作者群。核心作者群是學(xué)科研究的中堅力量，既引領(lǐng)著學(xué)科未來的發(fā)展方向，又對非核心學(xué)術(shù)研究人員產(chǎn)生非常重要的指導(dǎo)性意義[9]。圖6呈現(xiàn)了STEM教育研究領(lǐng)域作者的合作關(guān)系，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，合作比較密切的團(tuán)隊有四個，分別是伊麗莎白.斯坦恩斯團(tuán)隊，其主要研究內(nèi)容是高中種族構(gòu)成的作用和學(xué)生參與STEM大學(xué)學(xué)習(xí)的機(jī)會[10];杰西.L.史密斯團(tuán)隊，其研究的主要內(nèi)容是獲得高中咨詢服務(wù)、高等教育和stem職業(yè)的不同途徑[11];摩根.J.蓋納團(tuán)隊，其主要研究內(nèi)容是附加好處：支持STEM女性教師如何提高每個人的工作滿意度[12];杰妮特團(tuán)隊，其主要研究內(nèi)容是介紹六年級學(xué)生參加科學(xué)競賽項目日的有效性。在個人研究方面比較突出的是蓋爾.M，其主要研究的內(nèi)容是與友好的男性教師一起縮小STEM領(lǐng)域的性別差距，教學(xué)互動中虛擬主體的和諧行為與性別的影響。

2.2? 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

為詳細(xì)闡述STEM教育研究熱點(diǎn)及趨勢，現(xiàn)將高頻關(guān)鍵詞分析分為高頻關(guān)鍵詞統(tǒng)計、關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜、研究前沿關(guān)鍵詞時序圖譜三方面。

高頻關(guān)鍵詞及關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜分析。高頻關(guān)鍵詞可以反映一定時期某研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和前沿演變。研究熱點(diǎn)是某一段時間內(nèi)有內(nèi)在聯(lián)系且數(shù)量相對較多的一組論文所探討的科學(xué)問題，citespace Ⅴ通過對關(guān)鍵詞進(jìn)行詞頻統(tǒng)計來確定某領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析可以反映與揭示某一領(lǐng)域不同時期的研究熱點(diǎn)[13]。利用citespace Ⅴ可視化軟件對857篇文獻(xiàn)進(jìn)行關(guān)鍵詞共獻(xiàn)分析，如表2所示，可見國外STEM教育研究重要集中在science、stem、education、student、mathematics、gender、achievement、performance、school、technology等。這些關(guān)鍵詞在一定程度上表示2015年到2019年STEM教育領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

在分析了所有關(guān)鍵詞的基礎(chǔ)上，選取排名前20的高頻關(guān)鍵詞，并設(shè)置頻次大于10的節(jié)點(diǎn)顯示，生成了關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜。節(jié)點(diǎn)代表關(guān)鍵詞，邊描述關(guān)鍵詞共現(xiàn)情況。通過圖7可以看出，在STEM教育研究領(lǐng)域，除STEM、education、stem education、student、science、technology等眾所周知的關(guān)鍵詞外，性別差異（gender）、高等教育（higher education）等是國內(nèi)研究中少有提及的研究內(nèi)容。在性別差異（gender）方面，安妮·瑞尼克（Anni Reinking）等認(rèn)為，自20世紀(jì)90年代初以來，即使在美國獲得STEM領(lǐng)域?qū)W士、碩士或博士學(xué)位的女性人數(shù)逐年增加，

女性在與STEM相關(guān)的測試或項目中表現(xiàn)得和男性同齡人一樣好或更好，女性也會對STEM失去興趣，是因?yàn)槟行钥偸怯斜扰愿玫木蜆I(yè)機(jī)會。為此在STEM教育性別差異方面成為了國外STEM教育的研究重點(diǎn)與熱點(diǎn)。在高等教育方面（higher education），艾瑪·史密斯（Emma Smith）認(rèn)為，STEM教育相關(guān)專業(yè)畢業(yè)生每年都有很多，但是很少的畢業(yè)生最后選擇從事STEM教育相關(guān)行業(yè)，同樣STEM教育單位也很少招聘對應(yīng)專業(yè)的學(xué)生因?yàn)樗麄冋J(rèn)為STEM專業(yè)畢業(yè)的學(xué)生沒有很好的技能應(yīng)對相應(yīng)的工作，公司要付出一定時間和精力去培養(yǎng)他們在學(xué)校中所沒有學(xué)習(xí)到的內(nèi)容，為此高等教育下的STEM教育應(yīng)該怎樣設(shè)置課程才能使學(xué)生更好的適應(yīng)社會需求是急需解決的問題。

2.3? 關(guān)鍵詞時序圖譜

關(guān)鍵詞時序圖譜可以反映一定時期內(nèi)某研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)及演進(jìn)趨勢。通過關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次數(shù)、中心度以及出現(xiàn)年代等指標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步利用Time Zone呈現(xiàn)高頻關(guān)鍵詞雖時間演變的知識圖譜。2006年至今， STEM教育研究演變大致分為三個時期：

在2006-2010年間，教育研究重點(diǎn)關(guān)注課堂教學(xué)、學(xué)生學(xué)業(yè)表現(xiàn)、學(xué)習(xí)效能感、個性化學(xué)習(xí)以及職業(yè)選擇[14];在2011-至今，國際上教育研究熱點(diǎn)逐漸開始關(guān)注課堂學(xué)生參與、教師指導(dǎo)、大學(xué)生專業(yè)選擇預(yù)計學(xué)業(yè)表現(xiàn)、注重STEM教學(xué)環(huán)境對學(xué)生與教師個體研究，近期熱點(diǎn)更是結(jié)合計算機(jī)模擬與人工智能進(jìn)行深入研究[15]。

本文選取2015-2019年相關(guān)文獻(xiàn)的高頻關(guān)鍵詞進(jìn)行詳細(xì)分析，在2015年STEM圍繞教育本身問題深入研究，如STEM 術(shù)語概念化研究 （Mathematics，Science，STEM，STEM Education）、教育對象研究（Student， Gender）以及學(xué)生學(xué)業(yè)成就（Performance， Achievement）等，并且具有一定的研究深度。在2016年信仰（belief）、身份（identify）、沖突（impact）、選擇（choice）等關(guān)鍵詞逐步顯現(xiàn)，這些關(guān)鍵詞的出現(xiàn)說明教育公平性研究是當(dāng)時的研究熱點(diǎn)（引杜文彬）。在2017年職業(yè)（career）、大學(xué)（university）、參與度（engagement）、持久度（persistence）等關(guān)鍵詞是出現(xiàn)頻次最多的，這些關(guān)鍵詞的出現(xiàn)說明隨著STEM教育研究的深入，越來越多的專業(yè)學(xué)者開始關(guān)注大學(xué)生的就業(yè)問題。在2018年只有一個高頻關(guān)鍵詞自我效能感（self efficacy），自我效能感指個體對自己是否有能力完成某一行為所進(jìn)行的推測與判斷。到2019年年初，出現(xiàn)了不同的性別（sex difference）、性別問題（gender difference）、預(yù)言者（predictor）等關(guān)鍵詞，由此我們可以預(yù)測在2019年STEM教育研究的熱點(diǎn)還是圍繞教育公平性、不同性別對STEM教育發(fā)展的影響等。

從2015年到2019年的關(guān)鍵詞演變，我們可以清晰地看出國外STEM教育首先進(jìn)行了STEM教育概念化建設(shè)，然后提出STEM教育應(yīng)具有教育公平性（女性教師培養(yǎng)問題）、接著呼吁學(xué)生以自我效能感為手段實(shí)現(xiàn)學(xué)業(yè)達(dá)到就業(yè)、最后在多元化背景下實(shí)現(xiàn)教育公平（學(xué)生學(xué)習(xí)）。

3? 結(jié)論與建議

本研究主要分析了STEM教育高產(chǎn)機(jī)構(gòu)、高產(chǎn)學(xué)者、高頻關(guān)鍵詞等。通過以上幾個方面對國外STEM教育的研究熱點(diǎn)與重點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計分析：

在文獻(xiàn)研究年度、國外文獻(xiàn)發(fā)布國家以及高產(chǎn)學(xué)者與機(jī)構(gòu)的分析中，國外對STEM逐年重視并將其研究成果從量向質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，研究論文發(fā)表年增長率數(shù)有所放緩，總體數(shù)量依舊處于上升趨勢，呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的趨勢。其中，美國在STEM教育研究數(shù)量上處于超級領(lǐng)先地位，占發(fā)文數(shù)量的一半以上，澳洲、中國以及歐洲緊隨其后，側(cè)面反映了美國在STEM教育研究在國際上的研究影響力，且與美國在STEM教育方面的政策引導(dǎo)與經(jīng)濟(jì)投入有密切相關(guān)，因此，國內(nèi)在進(jìn)行相關(guān)研究時，應(yīng)對其有相應(yīng)的政策扶持與經(jīng)濟(jì)投入，使其研究在國內(nèi)更深入。在參與STEM教育研究的機(jī)構(gòu)中，大部分屬于美國高等院校的科研團(tuán)隊，表明美國在該方向上已經(jīng)具有足夠影響力的科研機(jī)構(gòu)，對其研究可進(jìn)一步揭示國外在該研究領(lǐng)域?qū)W術(shù)資源的分布與資金投入情況。

通過對高頻關(guān)鍵詞的分析，當(dāng)前研究的高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)相對結(jié)構(gòu)緊密，教育研究涵蓋多有學(xué)段，且國際上對STEM的研究注重各個學(xué)科的融合，涉及學(xué)生性別、專業(yè)選擇、教師指導(dǎo)、學(xué)習(xí)影響以及自我效能感等多個領(lǐng)域的主題。國內(nèi)研究主要針對基礎(chǔ)研究階段、對高等教育階段的學(xué)生研究不足，在學(xué)科領(lǐng)域也僅僅只關(guān)注理工科與科學(xué)教育，對技術(shù)類課程關(guān)注度較低，且教育研究熱點(diǎn)大多借鑒國外翻譯經(jīng)驗(yàn)，存在盲目跟風(fēng)的現(xiàn)象，應(yīng)該結(jié)合我國實(shí)際教學(xué)情況，探索相關(guān)主題，讓STEM呈現(xiàn)本土化，從根本上推動STEM教育研究的持續(xù)、穩(wěn)定、專注和高質(zhì)量的發(fā)展。

此外，近五年國外STEM教育表現(xiàn)為，教育目標(biāo)多元化、師資培養(yǎng)專業(yè)化、教育實(shí)施公平化、職業(yè)選擇多向化四方面。未來STEM教育的研究方向應(yīng)更多的專注到女性教師的培養(yǎng)、STEM專業(yè)學(xué)生的就業(yè)方向等方面。我國相關(guān)學(xué)者要根據(jù)教改的深入與實(shí)際教學(xué)情況，進(jìn)行本土化研究，利用技術(shù)手段，進(jìn)行深層次、跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的研究，培養(yǎng)以問題導(dǎo)向和創(chuàng)新為目標(biāo)的復(fù)合型人才。

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