基于KH Coder文本数据挖掘的中日STEM教育研究模式对比
王卓玉 袁磊 张文超
摘要：STEM教育由于强调跨学科融合和创新人才培养的理念而受到世界各国的广泛关注。我國学者的国际视野主要集中于欧美国家，而对日本的STEM教育研究甚少。造成这一现象的主要原因在于当前主流文献数据库并不支持对日语文献的检索，因此有必要借助KH Coder这一支持日语文献分析的文本数据挖掘软件来探索日本STEM教育研究的特色，以期为我国的STEM教育研究提供借鉴。通过对中日两国STEM教育研究主题高频词表与主题词共现关系网络的分析发现，日本的STEM教育研究更偏向于实践，且注重进行实证研究;实践指向下的开发主要关注教材开发，且非常注重与地方特色产业相结合;同时倡导和重视国际间合作开展STEM实践，不断输出和引进可贵经验。反观我国的STEM教育研究，则偏向于介绍国外特别是美国的STEM教育经验，课程内容偏向于STEM教育的理念及其设计等理论层面问题，非常缺乏融入本地境脉的实践和实证研究。为了更好地推进我国STEM教育的实践发展，我国学者应该借鉴日本STEM教育研究模式的特色，从实践与实证相结合、建立国际合作、融入地方境脉三方面探求STEM教育研究模式的转变。
关键词：日本STEM教育;研究模式;比较研究;文本数据挖掘;KH Coder
中图分类号：G434? ?文献标识码：A? ? 文章编号：1009-5195（2020）02-0056-08? doi10.3969/j.issn.1009-5195.2020.02.007
*基金项目：广西高等教育本科教学改革工程一般项目“卓越信息技术教师的职前培养模式研究”（2019JGB134）。
作者简介：王卓玉，博士，副教授，硕士生导师，广西师范大学文学院（广西桂林 541004）;袁磊，博士，教授，博士生导师，广西师范大学教育学部（广西桂林 541004）;张文超（通讯作者），博士，讲师，广西师范大学教育学部（广西桂林 541004）。
一、研究缘起与问题提出
STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的英文单词首字母的缩写，是在1980年后起源于美国的一种课程整合教育，旨在为国家培养更多的工程技术人才，提高国家的竞争力（袁磊等，2017）。进入21世纪后，英国、法国、德国、日本等国纷纷发布相关计划并开展STEM教育。其中，日本早在2002年便建立了STEM教育研究中心，即埼玉大学STEM教育研究中心，至今为止该中心共举办了35期名为机器人与未来研究会的活动。同时，日本政府于2002年也开创了与STEM教育相关的名为SSH（Super Science Highschool）的科学技术人才培养专项，至今该项目已实行17年。该项目由日本文部科学省主导，旨在培养具备国际性的科学技术人才。2018年日本文部科学省发布的《中小学学习指导要领改订》指出，要增加20%～30%中小学理科数学教育的课时。同年发布的《高等学校学习指导要领改订》指出，日本将改革高中的信息科目，将以编程、网络（包括信息安全）和数据库（包括数据应用）等为基础内容的信息课程改为高中的必修课程。笔者在日本科研项目数据库KAKEN中初步检索后发现，截至2019年4月，日本政府支持的有关STEM教育的科研项目总量为90项。由此可见，日本政府对STEM教育的重视程度不容小觑。
然而我国学者对国外STEM教育的研究主要集中在欧美发达国家，对日本STEM教育的研究则是一大盲区。最可能的原因在于文献数据库的语言限制，日本的STEM教育研究论文多以日语形式收录在日本国内的论文文献数据库（CiNii）中。另外，综观我国学者（如王卓玉等，2018;吕文洁，2019;王巍，2019;李业平等，2019）对国外STEM教育研究的整体情况，主要存在以下两方面不足。一是该类研究只从宏观上分析了国外STEM教育研究的热点，并未分析其具体的研究模式及特点。二是该类研究最终的落脚点仍是如何开展STEM教育，并非如何进行STEM教育研究，也没有对我国应如何借鉴国外STEM教育研究模式进行深入探讨。
随着我国STEM教育如火如荼地开展，作为其支持力量的STEM教育研究需要从研究模式单一向研究模式多样转变。为此，笔者将着眼于先行研究中尚未涉及的日本STEM教育研究，采用比较研究的分析方式，先从宏观上对比中日STEM教育研究的区别，然后具体分析日本STEM教育研究模式的特点，最后通过比较和借鉴提出我国STEM研究模式由单一性向多样化转变的策略。
二、研究设计与实施
1.研究工具
当前国内学者在做文献计量研究时，主流使用陈超美博士开发的引文可视化分析软件Citespace。该软件能够对所搜集的主题文献进行高频关键词、关键词共现图谱、作者、研究机构等方面的分析。但是，Citespace所支持的文献数据库具有一定的局限性。它虽然涵盖了WoS（Web of Science）以及CNKI（中国知网）等大型文献数据库，但却不支持日语文献数据库（CiNii）。CiNii是日本国立情报研究所运营的文献数据库，其中收录了所有发表于日本学术期刊的日语论文资料。日本学者所发表的STEM教育论文基本以日文的形式收录于该数据库中。因此，该数据库为研究日本本土化的STEM研究提供了重要的文献来源，也有助于弥补国内学者对日本STEM教育研究的空白。同时由于Citespace无法分析日语文献，因此笔者使用由日本学者樋口耕一（2014）开发的一款名为KH Coder的文本数据挖掘（Text Mining）软件①。该软件具备强大的文本数据挖掘功能，在日本的社会学、经济学、语言学、教育学等多个研究领域得到广泛应用。KH Coder软件具有词频统计、词性分析、上下文关键词、关键词检索、相似度计算、自动分类、自动聚类、摘要生产和可视化（如柱状图、折线图、网状图、散点图、气泡图、聚类分析树状图）等功能（程慧荣等，2015）。经多次版本更新后，目前该软件能支持日语、汉语、英语、法语、德语、西班牙语、葡萄牙语、意大利语和俄语等多国语言的文本数据挖掘。与Citespace只能分析论文的主题文本有所不同，KH Coder可以分析其系统支持语言下的所有文本信息，即只要是Text格式的电子文本信息，KH Coder都可以进行文本数据挖掘。其次，KH Coder支持的语言种类比Citespace要多。基于KH Coder的文本数据挖掘的一般流程包括：（1）收集整理文本信息;（2）将文本载入软件并进行词语取舍选择与前处理，以保证抽取的数据准确性;（3）通过软件的抽出语一览表功能，概观文本中的高频词汇;（4）再通过关键词检索功能，观察高频关键词所在的文脉信息;（5）最后通过软件生成关键词共现关系图等，分析其中主要要素的分布与联系。
2.研究设计
文本数据挖掘的方法不同于假设验证型（即先假设后验证）的研究方法，是通过分析具体的文本信息来寻找隐藏其中的问题与假设，它更趋向于是一种问题与假设生成型的研究方法。本文的研究设计主要分为以下两步：
第一步，使用KH Coder对从中日两国文献数据库中收集到的有关STEM教育的论文主题进行高频词汇和主题词共现关系对比，以期了解日本STEM教育研究模式的整体特点。
第二步，以第一步所得结果为基础结合具体文献案例，深入分析日本STEM教育研究模式的具体特点。
日本的研究文献数据来源为CiNii（ci.nii.ac.jp），中国的研究文献数据来源为CNKI（www.cnki.net）中收集的核心期刊。具体的检索条件设定见表1。
经过检索后，总共收集到日本STEM教育研究文献250条和中国STEM教育研究文献359条，分别将其载入Text格式文档，以便用于KH Coder分析。经KH Coder初步文本处理后得到，日本STEM教育研究文献的Text文档中的总词数为6020个，异词数为1107个;中国STEM教育研究文獻的Text文档中的总词数为4093个，异词数为980个。两个文档都具备一定的文字量，可用KH Coder进行文本数据挖掘。
三、研究结果与分析
1.中日STEM教育研究差异
运用KH Coder中的高频词汇统计功能后发现，中日两国STEM教育研究主题中出现的高频主题词有较大差异。由表2可知，中日两国STEM教育研究的高频词中共同出现了“科学”一词，可见两国都关注STEM在科学教育方面的内容。“美国”一词也共同出现在高频词中，但其在中国的高频词排序中位居第一，而在日本的高频词排序中位居第十。此外，对比中日两国STEM教育研究主题高频词的前三位可以发现，日本STEM教育研究关注“科学”“实践”和“学习”，而我国STEM教育研究关注“美国”“启示”和“课程”。这反映出中日STEM教育研究的重要区别：即日本注重STEM在科学教育中的实践以及学生的学习;而我国大部分研究则着眼于美国的STEM教育，向国外的STEM教育寻求启示，同时注重课程的设计。由此可以认为，日本的STEM教育研究更偏向于实践，而我国的STEM教育研究则更偏向于介绍国外特别是美国的STEM教育经验。
KH Coder和Citespace都可实现主题词共现图谱的生成，但是KH Coder比Citespce生成的网络图更加清晰直观。KH Coder的主题词共现网络图中，以圆与线的形式展现各主题词之间的关联，圆的面积越大表明该词在源文本中出现的频率越高，连接两个圆之间的线越粗表明这两个主题词之间的关系越紧密。
通过KH Coder中共现网络的功能（最低词频数值设置为15）可得到如图1和图2所示的中日两国的STEM教育研究主题词共现网络图。从图中可以看出，围绕日本STEM教育距离较近的主题词是“科学”“技术”和“实践”（见图1），围绕中国STEM教育距离较近的主题词是“启示”“美国”和“课程”（见图2）。这再次佐证了日本STEM教育研究偏向于实践的结论。从图1还可以发现，“实践”不仅与“STEM教育”相连，还与“开发（開発）”相连，而“开发”又与“教材”相连，且“开发”与“教材”两词之间的连线较粗。由此可以推测，在日本的STEM教育研究中，STEM实践与开发相关，而开发的对象主要是STEM教材。
从图2中可以看出，“美国”与“启示”两词之间的连线较粗，说明我国学者主要是从美国获得STEM教育的经验启示。因为美国是STEM教育的发源地，且其发展历史较其他国家要长，因此出现这一结果也不难理解。其次，“课程”一词虽然与多个词相连，但与“理念”“设计”距离较近，且与“理念”之间的连线较粗。这表明我国STEM教育研究中有关课程的研究内容主要是STEM教育的理念及其设计，也从侧面反映出我国STEM教育研究偏重理论与设计、缺乏实践与实证的问题。
笔者认为，中日STEM教育研究体现出上述差异的原因主要有以下三点：
第一，中日STEM教育的发展历史差异。与日本相比，我国对STEM教育的认识相对较晚，无论是校内还是校外的STEM教育实践都相对匮乏。学者们对STEM教育的研究长期处于基于借鉴国外经验与实例的理论层面，以及对STEM如何本土化问题的探讨。
第二，中日STEM课程体系的差异。我国的STEM课程并没有和必修课密切地结合起来，也没有成为一门必修课，主要以社团课程、劳技课或校本课的形式存在。而日本政府较早就发布相关文件（如《中小学学习指导要领改订》和《高等学校学习指导要领改订》）将STEM相关课程设为中小学必修课。而要保证STEM相关必修课的顺利开展，就必须要有一套合适的教学实践体系，而教学实践体系建立的过程又必然要求有实证研究的支撑。因此，日本的STEM课程体系形成了一套完整、严谨的实践开发流程。
第三，中日STEM教育研究的支持力量差异。STEM研究的主体是研究者，但不应当只是研究者，而应是社会各界的通力合作。日本STEM教育研究不仅有国家政府的支持，还有与大学、中小学、社会组织以及企业的合作，这为研究者极大地拓宽了研究的空间和范围。相比之下，我国STEM教育研究的支持力量欠缺，从而导致研究者的研究范围难以拓宽。
2.日本STEM教育研究模式特点
既然日本的STEM教育研究非常注重教育实践，那么它是通过什么样的形式开展教育实践的？具体有哪些特点？通过阅读与“实践”相关的STEM研究文献后，笔者梳理、总结出以下三点日本STEM研究模式的特点。
（1）注重实践与实证相结合
日本学者在开展STEM教育“实践”时并非单纯介绍具体的教育实践，而是会通过相关调查检验该实践的具体效果，体现出实践与实证相结合的典型特征。例如，小林道夫（2012）将机器人教材与STEM教育相结合，在中学与高中进行了如下表3所示的教育实践，并在实践后通过网络调查工具以及采访手段，对66名学生的课程满意度以及职业观的变化进行了调查。其结果表明，在教育实践过程中学生对机器人和编程的兴趣虽然逐渐下降，但64%的学生对该课程感到满足。日本STEM教育实践研究既有像小林道夫通过量化调查进行研究的，也有如保坂惠通过质性调查方法进行研究的。保坂惠（2018）的研究不仅介绍了面向小学生的编程教材的开发理念、课程计划和教学实践，还具体分析了学生在学习过程中填写的反馈表的内容，全方位展示了学生的学习情况。
[（1）中学技术家庭科目——技术分野的实践案例＼&使用LEGOMindstormsNXT，制作感应机器人以及程序，进行竞技会，旨在培养学生的信息处理能力。＼&（2）高中信息科目——信息B的实践案例＼&使用LEGOMindstormsNXT，制作感应机器人以及程序，进行竞技会，并请学生对自己所制作的机器人以及程序进行口头表达。该课程旨在通过PDCA（Plan→Do→Check→Act）循环培养学生的问题发现和问题解决能力。＼&]
反观我国的STEM教育实践，虽然也有学者采用实践与实证相结合的模式进行研究（张屹等，2017;常咏梅等，2018;吴永和等，2018），但大部分研究仍以案例介绍或课程设计为主，缺乏具体的实证内容（秦瑾若等，2018;陆卫兵，2019;陈希等，2019）。有学者指出，我国STEM研究文献中有一半以上是非实证类研究，大部分研究仍停留在理论阐述层面（曾宁等，2018）。日本STEM教育研究中将实践与实证相结合的研究模式值得我国学者借鑒。
（2）重视国际间合作
科学技术的发展特别是近年来人工智能的快速发展，改变了传统的知识学习体系，给人类社会的知识创新带来了巨大冲击。鼓励和倡导合作与创新是人类应对当前和未来挑战的重要途径。因此，通过国际间合作来培养符合新世纪需要的科学技术人才，也理应受到STEM教育研究重视。在日本的STEM教育研究中，野村泰朗团队的研究展现了STEM教育研究的国际合作新模式。
野村泰朗等（2014）为了验证STEM-Robotics相关课程的实用性，不仅在日本国内进行研究，还在印度南部班加罗尔市（Bengaluru）的2所公立小学进行了为期3个月的调查，研究对象为小学5、6年级的学生。其结果表明，学生在学习STEM-Robotics相关课程后他们的自我效能感有了明显提高。总之，为印证所提出的STEM教育相关概念是否正确，检验所开发的STEM课程是否有效，日本学者积极向国外扩展试验。这一方式不仅有利于获得更广泛、更有效的数据，还可以间接推广本国的STEM教育理念及其文化。与此同时，该方式还有助于加强区域间合作，改善区域间教育发展不平衡问题，以及提高教育欠发达地区的教育质量。
笔者将野村泰朗团队的STEM教育研究模式总结为国际合作下的STEM教育研究“双赢”模式（见图3）。阐释如下：A国提出有关STEM教育理念与假设，之后其应用范围可分为国内与国外（B国或其他更多国家）两部分。在其他国家开展研究所得的结果，不仅可促进其他国家的STEM教育发展，也可以作为补充丰富A国的STEM教育经验，最终促进A国STEM教育的发展。同时，A国的STEM教育理念与假设也得到B国的实证支持，从而促进STEM教育在国际间的普及。
同时，日本为推进国际间合作，还加大力度培养具有国际素养的高等理科人才。例如，京都产业大学于2014年将理学部、计算机理工学部和综合生命科学部的学科进行融合，开设了名为Global Science Course（简称GSC）的新课程计划（足立薰等，2015）。该课程还获得日本文部科学省国际人才培养推进项目的支持。此外，日本在培养STEM相关的科学技术人才时，还加入了国际元素，这不仅有利于拓展学生的视野，也有利于他们今后进行国际间的合作研究。
（3）密切融入地方产业
前文指出，除“实践”一词之外，“开发”一词在日本STEM教育研究主题中的出现频次也较高，且两者之间联系密切。与国内STEM教育的开发研究有所不同，日本STEM教育的开发研究注重与社会的联结，强调将地方产业要素融入到开发过程中。例如，珠山信昭等（2016）着眼于日本爱媛县自古一直流传下来的制盐产业，以其为题材开发了STEM教材，并以该教材为基础进行了教育实践。在设计制作教材之前，该研究团队亲自考察了位于爱媛县今治市的制盐工厂。在分析和总结制盐工序后，该研究团队认为制盐过程中与科学、技术、工程、数学关系最为密切的工序为海水过滤、能量计算和盐的结晶化。因此该团队着眼于这三点进行教材开发，并开展了以下两种教学实践（表4）。
由表4可知，实践1可以作为教师培养的项目加以利用，实践2中虽然涉及一部分中学理科的内容，但是也可为小学生所接受。由此可见，该研究团队以地方产业中的制盐产业为教材开发基础，进行了教师培养和实际教学的应用。他们将STEM教育与地方产业、教材开发、教师培养以及教学应用有机结合，从而形成一个以STEM教育为核心，基于地方产业的教材开发、教师培养和教学应用的模式（见图4）。该模式不仅有利于挖掘地方产业的精髓，将STEM教育的科学理念融入其中，更重要的是其教学应用还有助于培养地方产业人才，促进地方产业发展。
四、研究结论与启示
1.研究结论
笔者通过KH Coder这一文本数据挖掘软件，获得了中日两国STEM教育研究主题中的高频词表与主题词共现关系网络。结果发现，中日两国在STEM教育研究模式上存在明显差异。日本STEM教育研究中有关实践的文献数量较多，注重进行STEM实践以及实证研究。通过主题词共现网络图还发现，实践与开发之间存在一定联系，日本STEM教育研究的开发主要是教材开发。相比之下，我国STEM教育研究的重心则偏向于对国外特别是美国STEM教育经验的借鉴。虽然我国STEM教育研究也关注STEM课程，但是从主题词共现网络图可知，有关课程的研究内容主要是STEM教育的理念及其设计。总之，本文的研究结果反映出我国STEM教育研究整体偏重理论与设计，而缺乏实践与实证。
笔者通过KH Coder对中日两国STEM教育研究模式进行宏观对比后，还结合案例具体分析了主题中出现“实践”的日文文献，最终总结出日本STEM教育研究体现出实践与实证相结合、注重国际间合作、强调融入地方产业三大特点。这三点恰好是我国STEM教育研究中所缺少的，无疑为我国今后更好地开展STEM教育研究提供了可资借鉴的模式。
2.研究启示
（1）倡导实践与实证相结合的研究模式
我国绝大多数STEM教育研究存在缺少信度和效度等质量指标检测的问题，其研究结果的可靠性和准确性有待考量（张春海等，2019）。因此如何加强STEM教育的实证研究将是我国学者面临的一大挑战。日本STEM教育研究强调的实践与实证相结合的研究模式为我国学者提供了借鉴。笔者认为，开展实践与实证相结合的STEM教育研究（见图5），既要避免陷入实证研究结果与实践内容脱轨的问题，也要避免因教育实践过程设计的简单化而导致研究结果缺乏实证数据支持的问题。STEM教育实践涉及课程设计、教材开发与教学实践，为STEM教育实证研究提供基础数据，而通过量化或质性研究方法得到的实证结果又可以为STEM教育实践的质量和效果提升提供科学依据。此外，以学习者为中心是STEM教育的核心理念之一，因此，STEM教育实践和实证研究都应以学习者为出发点，围绕STEM教育实践对学习者的学习兴趣、学习成果、职业观、课程满意度等方面的变化开展量化或质性研究。
（2）構建国际合作的STEM教育研究模式
STEM教育虽然逐渐在世界范围内普及，但其研究模式多以本国研究为主，鲜有国际合作研究。尽管各国的STEM教育通过培养符合本国国情的科技人才以服务本国利益的目的无可厚非，但缺乏国际合作势必阻碍STEM教育的普及进程，也不利于各国STEM教育理念的推广与交流。
概观当今中国的国情，“一带一路”方针与政策的提出，切实体现了我国在加强国际间合作的决心。在“一带一路”推进过程中，教育合作也是其中重要的组成部分。2019年的《共建“一带一路”倡议：进展、贡献与展望》中指出，共建“一带一路”推动沿线国家在教育、科技、文化、卫生、体育、媒体、旅游等领域开展广泛合作（推进“一带一路”建设工作领导小组办公室，2019）。未来以“一带一路”为背景的STEM教育推广与国际合作研究将成为新的研究突破点。日本的国际合作STEM教育研究模式（参见图3）为我国在“一带一路”沿线国家中开展STEM教育合作研究提供了参考。我国学者在提出STEM教育相关理论或课程方案后，可同时在国内和“一带一路”沿线国家开展合作研究，通过在不同国家开展各具特色的实证研究，最终可汇聚成丰富且具有国际借鉴价值的高质量研究成果。此模式也为我国的STEM研究提供了更广泛的试验范围，有助于验证所提理论与假设的合理性与一般性。同时该模式不仅可以引进其他国家先进的教育思想，还有利于传播我国的教育理念与经验，进而促进国际间的文化交流。
（3）重视融入地方境脉的STEM教育研究模式
STEM教育通过将科学、技术、工程和数学相结合，旨在培养学生发现问题和解决问题的能力。这种能力的培养与社会生活境脉紧密地联系在一起，也对教师设计和利用STEM课程资源提出了更高的要求。地方境脉（Local Context）是教师可以挖掘和利用的资源，也是教师设计真实问题情境与体验情境的最佳选择。地方境脉与学习者的生活最为贴近，以其为背景设计问题最能被学习者所接受，也能将其快速代入探究情境。珠山信昭团队开发的在STEM课程中融入地方产业就是地方境脉的要素。他们巧妙地将地方产业中涉及的科学知识融入STEM教材开发以及教学实践当中，从而形成一个以STEM教育为中心，以地方境脉的挖掘、教材编写、教师培养和具体教学实践为外围的统一研究模式（参见图4）。这一模式值得我国学者参考借鉴。
STEM教育虽然在科技人才培养中起着重要作用，但源于美国的STEM教育的目的与理念却并不一定适合我国。STEM也并不能解决科技人才培养过程中出现的所有问题。随着STEM在世界各国的普及和推进，其弊端也逐渐显露出来，例如其教学目标带有强烈的社会功利性（袁磊等，2017）。合理恰当地融入地方境脉，可以让STEM教育的教学目标从社会功利性转为社会福利性。融入地方境脉的STEM课程可以让学习者有机会了解自己所处的环境，并思考自己如何能解决周边环境中的问题。然而当前我国的STEM教育实践更注重STEM教育理念在课堂中的体现，却忽略了地方境脉在教学实践中的作用，也缺乏对如何挖掘和使用地方境脉的探讨。
我国地域广阔，既有沿海城市也有内陆城市，各地的地方产业各有差异，所能挖掘和利用的地方境脉也各不相同。如果我们继续在全国范围内开展单一模式的STEM教育，势必会出现STEM教育理念与当地地方产业以及人才培养目标不接轨的现象。为此，我们应较早开展如本文所述的基于地方产业的STEM教育研究，充分挖掘我国地方产业中的科学知识，并将其作为地方境脉要素融入到STEM教育的教材开发、教师培养和教学实践中去。
备注：
① KH Coder官方网站是http：//khcoder.net/。
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收稿日期 2019-12-01 责任编辑 刘选
