我国STEM教育的研究现状与趋势
毛新玉 吴霓
摘要：本研究采用文献计量法与可视化分析法，从研究数量、研究主体与研究内容三方面对2010至2019年我国STEM教育研究的热点与趋势进行系统分析。研究结果发现国内STEM教育研究整体发展呈上升趋势，研究内容包括stem教育理论与实践两部分，最后提出未来STEM教育研究需要完善相关标准的建立，政策支持与教育实践相辅相成;加强校企合作，实现STEM教育发展生态一体化等建议。
关键词：STEM?STEM教育?Cite Space?可视化分析
一、研究背景
STEM 是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）英文首字母的缩略语，最早由美国国家科学基金会提出。STEM因其跨学科特色和综合能力培养导向而备受各国关注。美国商务部报告（2010）指出：社会对STEM人才的需求越来越大，STEM人才对国家竞争力、经济增长和总体生活水平有特别大的影响，STEM工作是适应未来的，对国家的技术创新和全球竞争至关重要。在当下突飞猛进的创新浪潮中，中国亟需大量具备探究能力和批判性思维的综合型创新人才。
我国STEM教育已经进入国策视野。2015年教育部发布的《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见 （征求意见稿）》中明确提出：要“探索steam教育、创客教育等新教育模式”。2016年教育部在《教育信息化“十三五”规划》中提出“有条件的地区要积极探索信息技术在‘众创空间、跨学科学习（STEAM教育）、创客教育等新的教育模式中的应用，着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力，养成数字化学习习惯，促进学生的全面发展，发挥信息化面向未来培养高素质人才的支撑引领作用”。2018年4月，中国教育科学研究院正式发布《中国STEM教育白皮书》，其中提出：STEM 教育在我国整个教育体系中的战略地位需要被重新定位;STEM教育是面向所有学生培养综合素质的载体。此外，该机构于2018年11月正式推出《中国STEM 教育 2029 创新行动计划》提出在2049年新中国成立一百年时建成世界创新型国家。STEM教育已成为我国教育创新的一个重要抓手。目前我国STEM教育研究出现了哪些核心议题？本文通过对2010年至2019年STEM教育研究文献进行可视化分析，剖析了STEM教育研究领域的热点主题与前沿问题，并提出STEM教育未来发展的建议，以期为我国STEM教育研究提供参考。
二、研究设计
（一）研究方法与工具
本研究主要采用文献计量法与可视化分析法。研究选取Cite Space作为分析软件。该软件是由美国德雷赛尔大学陈超美教授基于Java编程语言环境下研发的一款可視化软件，主要用于科学文献数据计量和分析、识别和显示科学发展的新趋势，且在分析和可视化分析方面具有准确高效的特点。本文将从年度发文量、主要研究机构、研究内容三个维度对我国STEM教育研究的现状、热点和趋势进行分析。
（二）数据来源
本研究以北京邮电大学图书馆数据库为入口， 在中国知网中以 “STEM教育”or“STEM &教学”or “STEM &教师”or“STEM &课程”作为主题进行检索，时间跨度为2010年至2019年，检索日期为2020年6月1日，共检索到STEM教育相关文献1720篇。由图书情报学中的Bradford定律可知，某一专业领域的核心论文集中发表在少数顶尖期刊上，这些论文基本涵盖了该领域的总体状况。基于此，选择“核心期刊”文献与“CSSCI”文献，共得到424篇。继续人工剔除新闻报道、丛书、课程、会议资讯等非学术性文献及与主题不符的文献105篇，最终确定319篇有效文献作为研究样本。
三、STEM教育研究的时空分布
（一）年度发文量呈逐年上升趋势，且近三年激增明显
基于CNKI数据库的核心期刊和CSSCI论文凝结了该领域的重要成果，具有很强的代表性和权威性，对STEM教育的论文数量及变化趋势的研究可以较为直观地反映出该领域的发展现状。笔者按年份统计了近十年来该领域每年的论文发表数量（如图3-1所示）。
整体来看，我国STEM教育研究相关文献的数量呈逐年上升趋势。（1）起步阶段，小步快跑。2010年至2016年STEM教育研究处于起步阶段，每年核心期刊与CSSCI的发文量总和小于30篇。2010年11月， 第一届STEM教育应用国际会议于澳大利亚昆士兰科技大学顺利召开，第二届于2012年11月24日至27日在北京召开，由昆士兰科技大学和北京师范大学联合举办。两届STEM教育应用国际会议的召开引起教育工作者的关注，核心期刊与CSSCI的高产作者开始关注到这一领域。2013年论文数量相较于2012年出现了较大增长，之后保持缓慢增长趋势，直到2016年论文数量出现新的增长点。（2）政策引领，快速增长。2016年6月教育部在《教育信息化“十三五”规划》中明确提出“要在有条件的地区探索信息技术在STEAM教育中的创新应用，培养学生的创新意识和创新能力。”该文件的发布极大地推动了STEM教育的快速发展。接着2016年10月14日第二届中美STEM+创新教育论坛在北京教育学院举行。2017年6月20日至21日，由中国教育科学研究院和成都电子科技大学联合主办的第一届“中国STEM教育发展大会”在成都电子科技大学召开，大会发布了《2017年中国STEM教育白皮书》，启动了“中国STEM教育2029创新行动计划”。此次大会正式拉开了我国STEM教育发展的序幕，使更多学者对STEM教育有了深入认识。一系列重大事件直接触发2017年的发文量出现了爆炸式增长，2016年到2017年发文量的增长率达178%。此后研究热度持续不减，由此可见，顶层设计对我国STEM教育的研究与实践起到了关键推动作用。
（二）研究团队之间科研合作程度不高
在Cite Space中，将研究机构设为分析对象，时间切片设为1，可以得到我国STEM教育的研究机构分布情况（如图3-2所示）。笔者将数据导出到表格，统计了发文数量排名前8的发文机构（见表3-1）。从研究机构分布图中可以看出我国STEM教育研究团队主要集中在高校，且以师范类院校为主，说明师范类院校是STEM教育研究和推进的中坚力量。
从地域分布来看，华东、华中、华北地区研究较为丰富，西北和华南地区相对较少，区域研究数量与本区师范大学数量之间基本呈现正相关。通过分布图中节点间连线稀疏可以分析出各高校研究机构多为基于本校开展的自主研究，仅部分研究机构之间存在合作关系，而合作团体多以本校合作为主，合作关系呈现出较强的地域特征，总体尚未形成紧密的跨校科研合作网络。
四、STEM教育研究的内容分析
关键词（keyword）是学术论文中揭示研究主题、反映主题信息特性的词汇或短语，是文章的核心与精髓。表4-1呈现的是频次大于等于5的关键词。中心度反映了一个关键词在整个网络中作为“媒介”的能力， 也就是占据其他两个节点之间最短路径的能力。经过该节点的连线越多，代表此节点拥有越高的中介性，进而体现出对整个网络资源的控制程度。因此，一个关键词的中介中心度越强，意味着它控制的关键词之间的信息流越多。
通过关键词的频次及中心度可以看出，我国STEM教育在2010年至2019年这十年的研究热点主要集中在“美国STEM教育”“创客教育”“科学教育”“STEAM教育”“教学模式”“教学设计”几个方面。为全面把握我国STEM教育研究现状，借助关键词聚类并结合文献阅读对研究内容进一步分析，挖掘出当前STEM教育发展的核心内容和难点问题。笔者进一步阅读文献后发现STEM教育研究重点集中在人才培养、课程设计、教学模式及政策背景等方面，接下来从理论与实践角度详细阐述STEM教育的发展情况及过程中遇到的难点问题，挖掘出STEM教育的发展趋势，旨在为STEM教育未来的发展提供参考性建议。
（一）STEM教育理论研究
1.政策背景研究
STEM教育起源于美国，国际上对STEM教育广泛关注且有了一些较成熟的理论与实践，值得我们借鉴。有关政策背景研究中主要是对国外STEM教育政策进行深入分析从而提出我国STEM教育政策的建议。周榕等借助于支持联盟框架， 对美国STEM教育的体制内联盟、体制外联盟和受众体联盟及其信仰系统进行解析，进而解读了美国STEM教育政策的历史演进过程，并阐释了STEM教育政策的变迁逻辑，最后提出我国应立足于政策导向与政策执行两个层面，从全学段贯通、STEM全纳教育、社会师资力量整合、教育经费保障、社会舆论引导以及支持联盟权力共同体这六个方面构建STEM教育的政策体系。李刚等通过对《制定成功路线：美国的STEM教育战略》进行内容分析，结合我国目前STEM教育现状提出三点启示：一是要构建公平而有质量的STEM教育生态，实现STEM教育合理布局;二是制定与完善STEM教育行业各类标准，保障STEM教育科学发展;三是围绕大概念进行STEM教育课程设计，落实STEM教育核心理念。
2.STEM教育交叉领域研究
创客教育因其关注学生解决实际问题能力的培养理念、强调真实情境的场景与STEM教育的理念、策略不谋而合，但侧重点的不同经常引发研究者习惯将两者放在一起进行比较。如滕娇娇等从背景起源、理论基础、活动类型、学科内容与课程载体五个方面对两者进行了辨析，使读者深入认识两者的本质与特征。事实上，中小学的STEM教育与创客教育实践之间常常是“你中有我，我中有你”的状态，因此，一线教师不必过于关注两者的区别，而应更多地从学生发展的角度去考虑如何设计相应的教学活动。
我国科学教育一直以来受传统教学模式的影响，仍以教师传授制为主要形式。而STEM课程注重对科学技术的应用与创新，充分体现出对创新能力与解决实际问题能力的培养，教师更侧重对学生动手能力及主动参与实践的引导。因此，STEM教育已经成为科学教育的发展趋势。有学者对美国的STEM教育和科学教育改革进行研究，何善亮深入研究美国《Science Fusion》教材的编制特色，对加强我国中小学科学教材建设，特别是对在科学教育中如何开展STEM教育提出了思考：要树立大科学教育观，坚持科学教材整体设计，实现STEM教育的学科融合，直面现实世界真实问题。
（二）STEM教育实践研究
1.STEM课程设计与实践
当前，学术界对STEM整合课程的不同理解产生了不同定义，雖表述不同，但均建立在“基于真实情境，打破STEM四门学科的界限，将各个学科建立知识联系，以达成跨学科整合的效果”的共识上。我国关于STEM课程的研究主要涉及美国课程开发的案例分析、中小学STEM课程设计与实践、STEM跨学科课程整合的内涵、模式构建、实施路径等理论研究，包括国内实践研究与国际案例分析。
国内一线教师对STEM课程整合实践进行了初步探索，耿红采用“半开放式”教学模式在七年级物理课程中开展了“探究一款能点亮彩灯的面团”的实践探究，将物理、化学、美术、音乐等艺术学科融合在一起，激发了学生的探究乐趣，实现了STEM教育的理念与物理教学零距离对接。陈希等人采用6E设计型学习模式进行了基于工程设计的STEM课程设计。国际案例分析多是引入美国某节课的课堂实践，对课程开展具体流程进行详细介绍，张静等人以美国高中一堂围绕“防撞垫”制作的STEM课程为例，详细展示了美国STEM教育模式的一般过程，从而为我国STEM课程的设计与开发提供借鉴。
2.STEM教学模式探索
检索发现研究者对STEM教学模式的关注从2017年开始，核心期刊与CSSCI中有关STEM教育模式的研究有10篇，研究视角多元化。2018年3月，赵呈领等以“5E教学流程（参与-Engage、探究-Explore、解释-Explain、精致-Elaborate和评价-Evaluate五个环节）”为基本架构， 以“探究”为核心点，将发现式、推理式、实验式探究策略加入该流程，设计了面向STEM教育的5E探究式教学模式并结合案例进行了分析。同年8月，赵呈领等依据跨学科整合取向的STEM教育课程设计观， 在建构主义与创新理论指导下， 以“做中学”为建构途径，构建了创客-STEM教学模型，将STEM教育跨学科的过程理念与创客教育创新的结果理念有机融合来促进过程学习与成品制作协调发展。何丽丹等通过整合STEM教学模式构成要素和创造过程阶段说，借鉴克罗多纳（Kolodner， 2003）基于设计的科学探究学习循环模型和美国国家工程院使用的工程设计流程，构建了面向创造力培养的STEM教学模式，包括教学目标、学习活动、教学环境和教学评价四个方面。黄雪娇等基于知识建构理念构建了包括“知识共享协商、知识建构、知识集成”三个层面的STEM教学模式，在教学目标上有别于项目式STEM教学，更加注重深层次知识建构。余胜泉等构建了证据导向的STEM教学模式，强调关注学生的学习过程，在设计问题或项目时注重知识的内在逻辑以及跨学科整合性。研究者站在不同的研究视角各自对STEM教学模式进行了探索，且应用到实践中检验模式的合理性，为教学模式的研究提供了可操作性的成果与思路。
五、展望
通过对近10年STEM教育研究文献的发表数量、主要研究机构分布、研究内容等进行分析，发现我国STEM教育研究正处于百花齐放的快速发展期，研究成果大幅增长，研究机构逐渐增多，研究内容越来越丰富。但也发现目前的研究还存在一些不足，如实证研究弱化、研究内容发散、跨地域研究团体尚未形成、研究生态不够健全等问题。基于以上分析与思考，笔者对今后我国今后STEM教育研究提出以下建议：
（一）政策支持与教育实践相辅相成
一门学科的发展离不开学科标准、教学设备、师资、课程资源的确定与完善，而当前我国STEM教育缺乏统一的学科标准。首先，对于教师资质认证没有明确规定，导致教师培养缺少参照。其次，课程标准和评价指标的缺乏使得课程开发与设计存在导向迷失问题。当前学校和机构均处于摸着石头过河的自我探索阶段。因此，未来STEM教育向前发展需要国家在教学资源、标准建立及教育决策等方面提供政策支持，着手解决STEM优秀教师紧缺及其后续的专业发展问题，提升STEM教师基于设计的行动力。同时，研究者也应尝试积极解决STEM教学目标、教学模式、课程建设、教学评价等现实问题，为顶层决策提供参考方案。
（二）STEM教育生态发展一体化
当前研究者的研究团队主要集中在本校，很少与其他高校或研究机构进行合作，表现出明显的地域特色。高校之间的差异性恰恰应该成为合作起点，做到优势互补。STEM教育研究的未来形态将是高校STEM教育研究与校外机构的STEM教育实践并行发展。首先，政府层面的顶层设计与规划，相关标准的制定是推动实践探索的有效指引。其次，高校、中小学、科研院所、社会教育机构及事业型公共场馆（如科学中心、博物馆和天文馆等）之间应加强合作，一方面可以弥补高校研究样本获取难题，另一方面对中小学和企业的教学实践可以提供科学有效的指导。最终形成校企协同、政企聯合、校内外互通、资源共享的STEM教育发展生态。未来政府、中小学、高校、场馆、教育机构将共同发力，为STEM教育研究和实践发展注入新的能量，为我国培养出更多适应未来社会的创新型人才而持续努力。
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