STEM教育國內外研究進展及走向

董彥

摘 ?要：作為全球教育教學改革研究的熱點領域，STEM教育在我國中小學學校教育和社會教育培訓廣泛開展。以定量與定性方法相結合，通過Citespace 軟件知識圖譜分析挖掘國外STEM教育研究歷程的知識結構、學科發展脈絡與研究熱點，以此歸納我國STEM教育的三大研究走向及發展趨勢，即STEM教育生態系統、STEM教育課程體系、STEM教育評估模式。未來應持續關注STEM教育的生態系統、課程體系、師資培養，加強STEM教育評估體系方面的研究。

關鍵詞：STEM教育;國內外研究文獻;CiteSpace;研究走向

中圖分類號：G711 ? ? 文獻標識碼：A ? ?文章編號：2096-3769（2020）06-070-06

STEM教育理念正在引領國際科學教育思潮，是當今全球范圍內課程與教學改革的發展趨向，也是深化我國中小學素質教育的實踐轉向。STEM教育是基于科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）的跨學科教育，美國國家科學技術委員會STEM教育委員會（CoSTEM，2011）定義STEM教育為“主要集中在物理和自然科學、技術、工程和數學學科、主題或問題（包括環境科學教育或環境管理）的正式或非正式的教育”[1]。對于這種“重實踐的跨學科教育理念和教育模式”，我國《教育信息化“十三五”規劃》強調，要“創新教育形式，探索STEM教育”。STEM教育提倡讓青少年和兒童動手完成他們感興趣的科學項目，在問題探索和解決過程中培養學生更多元化和更具創新性的探索精神。2017年中國教育科學研究院成立STEM教育研究中心，2018年“中國STEM教育2029創新行動計劃”全面啟動，這使STEM引入中國少兒啟蒙教育（如樂高編程）和中小學創新教育（如江蘇省青少年科技中心的STEM項目）進入快車道。

由于國外對STEM教育的關注比較早，我國對于STEM教育的研究始于2008年左右 ，因此本文對國內外研究文獻的起始年限定為2008年，為十二年的研究周期。國外研究文獻為Web of Science 核心合集，國內研究文獻為CNKI源數據庫的CSSCI。與歷時長久、持續保持研究熱點的國外WoS文獻相比，我國STEM教育研究的CSSCI文獻極為不足，起步較晚（2010年初只出現2篇），零星不穩且呈現斷線，明顯缺乏系統化。本文將全面梳理和深入挖掘國內研究文獻，并借鑒國外經典文獻和研究動態，探討我國STEM教育的研究趨勢。

一、國外STEM教育研究進展與熱點

（一）文獻來源與分析方法

國外STEM教育的研究文獻過于龐大，美國德雷塞爾大學陳超美教授開發的CiteSpace軟件能夠把研究主題的演進情況和最新趨勢進行可視化呈現，清晰直觀解讀學科的研究進展、熱點前沿與發展趨勢。因此，本研究使用新版本Citespace V軟件，繪制國外STEM教育的科學知識圖譜。為了準確掌握STEM教育的研究熱點與趨勢，本文以WoS核心合集中SCI、SSCI和A&HCI三大數據庫收錄的十年來STEM教育研究為文獻來源。以“TS=（STEM education）”為主題，檢索時間節為2008-2019年，共檢索出相關研究文獻4496篇（檢索時間：2020年1月24日）。

從文獻來源國別上看，載文量排名前十的國家依次為美國（2562）、英國（249）、澳大利亞（175）、加拿大（162）、西班牙（148）、德國（115）、土耳其（93）、中國（85）、荷蘭（59）和巴西（56），我國學者屬躋身國際STEM教育研究的學術主流之列。

（二）關鍵詞共引分析

本文通過關鍵詞共引分析來鑒別STEM教育的主要研究方向和研究熱點。為了對國外STEM教育研究的關鍵詞進行共引分析，筆者利用CiteSpace進行了以下數據處理：節點類型設定為關鍵詞，然后繪制出關鍵詞共引分析的知識圖譜，如圖1所示。其中共有251個關鍵詞圓形節點，有1175條連線，密度為0.037。

根據數據處理條件，結合STEM教育研究關鍵詞共引分析和關鍵詞頻數中心性數據表可以看出，根據關鍵詞的屬性和主題進行歸類與合并，發現主要熱點主題分布在STEM教育、科學教育、學生、性別等項目上。

（三）文獻共被引分析

在文獻綜述中，早期的奠基性文獻和共被引頻次和中心性都比較高的關鍵節點文獻形成STEM教育的研究脈絡，組成STEM教育的重要知識基礎，特別是對相關研究產生重大影響的種子論文。根據數據處理條件，輸出高被引文獻簡表，如表1所示。此類關鍵文獻構成有代表性的文獻，研讀下列高被引文獻有利于深入探討STEM教育研究的知識基礎。

借助Timezone視圖對研究趨勢進行分析，其中教育學、科學、工程、多學科、工程電氣和電子、計算機科學、心理學、工程學、商業和經濟學等學科都對STEM教育研究有涉獵，各學科之間又彼此聯系、相互交叉、有所滲透。結合軟件突現檢測算法選擇突現詞，并篩選突現關鍵詞運行分析，結果表明：2015年“機器人技術”受到關注，2014年“基于項目的學習”受到關注，2012年“環境”和“學業成績”受到關注，2010年“競賽”受到關注，2009年“健康”備受關注，“質量”和“課程”也成為關注點。

二、國內STEM教育的研究走向及發展趨勢

如上所述，西方發達國家均出臺各項政策措施加大STEM教育，而美國、英國、澳大利亞、加拿大等國STEM教育研究成為顯學熱門。2018年，澳大利亞啟動了堪培拉大學負責的“澳大利亞早期學習STEM”（ELSA）項目試點工作。結合以上國外STEM教育研究進展的圖譜分析，可以歸納我國STEM教育的三大研究走向及發展趨勢：STEM教育生態系統、STEM教育課程體系、STEM教育評估模式。

（一）STEM教育生態系統

當前，我國STEM 教育還剛起步，在進行規劃時可以借鑒其他國家的經驗進行頂層設計。除了學校STEM教育，從更為整體的視角出發，美國國家科學研究委員會（NRC）（2015）對校外STEM項目的全面評估，主要從個人、項目和社區等三個層面科學評估STEM學習生態系統[9]。借鑒歐美各國推進STEM政策的先進理念和實踐，重視STEM項目的交流平臺建設和非正式組織及多部門協同，打造一體化STEM教育創新生態系統。

1. 強化STEM 教育政策頂層設計

對于STEM教育的重大改革，國家政策層面上的頂層設計尤為關鍵。祝智庭和雷云鶴（2018）指出，“在中國，STEM教育剛剛受到關注，雖已進入國策視野，但尚未形成總體實施方案。”[10]我國雖然已在大力推動STEM教育，但尚缺乏支持STEM教育發展的國家戰略和專門政策，因此，目前亟待結合我國國情，強化STEM教育政策頂層設計，促進STEM教育的本土化發展。

從國家層面上我國也正在積極制定STEM教育的頂層設計與發展規劃。教育部發布了各種相關政策，提出要明確我國STEM 教育發展任務，探索我國STEM教育模式，完善我國STEM課程體系。需要強調的是，在進行STEM教育戰略的頂層設計時，應統籌考慮我國的產業發展、人才國情和教育現狀。

2. 打造STEM教育生態系統

在具體實踐上，我國STEM教育缺乏連續性和系統性，國家應統籌構建良好動態的STEM教育生態系統，涵蓋STEM教育的環境建設、平臺建設、師資建設、課程開發、跨學科教學實踐、模式成果等各部分及其體系，在國家層面制定戰略、標準規范、行動指南，地方政府層面上保障支持、示范推動、監測評估，高校與學術機構層面上進行科研引領、課程銜接、培訓指導，企業與社會機構層面上資源協同、課程服務、技術支持，中小學校層面上營造環境、引育師資、建設課程，系統推進我國STEM教育的跨越式發展。

近年來，在國際STEM項目實施和評估推動下，許多青少年宮、博物館、科學館以及一些專門性的STEM機構成為我國校外STEM教育的實施主體。然而，當前我國STEM教育缺乏必要的系統銜接，亟待各類STEM教育資源進行統籌，以協同機制與社會合力共同提高STEM教育的聯動。應設立促進STEM教育的專門管理機構，整合各類STEM教育力量，參與STEM教育規劃及其資源建設，并加強全媒體傳播，營造重塑全社會重視的STEM教育新環境，構建一體化的STEM教育生態系統。

（二）STEM教育課程體系

面對當前STEM教育熱點及發展趨勢，對STEM教育要加快其本土化，加強學科整合，構建科學有效的STEM 教育課程體系，開展職前職后的STEM專業師資培養。

1. 推進學科整合的STEM教育實踐應用

對于STEM教育來說，其核心特征是跨學科性。學生STEM素養提升一定要關注學科整合。Choi等（2016）認為基于項目的STEM教育可提升學生學習成就，有助于引導學生解決整合設計、技術和科學的綜合性問題[11]。STEM整合多學科領域的學科知識，通常源于真實問題和實際情境，依托適當的學科整合，將四門學科“構建成一個綜合性的課程體系”。

相比于MOOC（慕課）、微課、翻轉課堂，我國的STEM教育起步較晚，目前存在如何把STEM教育與信息技術深度融合、如何促進跨學科協作教學、如何將STEM教育有機融合于學校課程體系、如何以有效評價體系做科學全面評估等諸多挑戰。因此，推進學科整合的STEM教育實踐要注重以真實情境為切入點，如將創客教育理念與STEM教育進行融合，推動STEM教育的實踐改革與理論創新。

2.構建科學有效的STEM 教育課程體系

對于構建科學有效的STEM 教育課程體系，國際上已有STEM課程整合模式的探索和突破。國際技術與工程教育協會（ITEEA）聯合STEM教學中心，基于美國《共同核心州立教育標準》（CCSS）、《技術素養標準：技術學習的內容》（STL）、《下一代科學教育標準》（NGSS）、工程思維（EHoM）等四大全國性課程標準，組織STEM教師、課程管理員、教師培訓者開發了STEM整合教育模式（I-STEM模式），I-STEM全面貫徹K-12，參照STEM各類學科的課程標準，整合STEM教育的課程、教學及其評價。

STEM教育課程實施是一項系統工程，也是一個漸進發展的過程，周鵬琴等（2016）研究發現，與美國相比，我國各類STEM教育資源缺乏結構性和系統性，也缺乏課程、教學及其評價的整合一致性[12]。因此，必須全面厘清我國實施STEM教育課程面臨的系列問題，系統考量課程目標、課程內容、課程實施、課程功能、課程管理和課程評價等基本要素，構建科學有效的STEM教育課程體系。管光海（2017）基于STEM整合教育模式的背景、內容和特點，提出應持續注重STEM課程、教學和評價的系統設計，緊密圍繞跨學科核心概念整合STEM教育，特別是要建設融入STEM的學科課程標準，并建設STEM教育相關學科課程標準[13]。

3. 開展職前職后的STEM專業師資培養

為有效開展和系統推進STEM教育，STEM教育的師資培養首當其沖。美國頒布了一攬子報告、法案和政策，如《有效的STEM教學法案》《STEM優秀教師隊伍建設法案》《STEM教師的教育與指導支持法案》等，其他如美國教師教育院校聯盟（AACTE）2007年發布的報告《培養STEM教師：全球競爭力的關鍵》、2010年發布的《培養與激勵：為美國的未來實施K-12階段STEM教育》，舉辦基于實踐和課程的教師培訓項目，通過校內校際、同企業及專門機構合作等途徑，持續提升STEM專業師資質量。有鑒于此，為盡快解決當前我國STEM教育師資匱乏及教學質量參差不齊的急迫問題，有效提高STEM教育質量，必須加強STEM教師的職業能力和素質培養，開展職前職后的STEM專業師資培養。與傳統學科教學相比，STEM教育更重視以知識整合解決實際問題，所以對課程設計與STEM教師的要求層次更高。但因為缺乏對跨學科整合教學的深入領會，多數STEM教師并不了解跨學科STEM教學的影響和意義，因此STEM教師專業發展可能尚不足以支撐有效的STEM教學。為此，一方面要注重STEM教育職前教師的培養，對于新入職的STEM教師定期進行經驗交流;另一方面，Siew等（2015）研究表明，STEM專業發展研討會可為教師在其STEM教學中采用創新的、有效的、基于項目的STEM方法提供所需的智力支持[14]。應基于問題開展研究，組建跨學科研究團隊，豐富STEM專業發展培訓形式，將STEM教育理念與實踐經驗緊密結合。此外對STEM教育教師的職后培養需要打破分學科教師培養的傳統模式，協同學校、家庭、企業、社區和科研機構，共同探索綜合化和跨學科的師資聯合培養模式。

[7]Henderson， Charles; Beach， Andrea; Finkelstein， Noah Facilitating Change in Undergraduate STEM Instructional Practices： An Analytic Review of the Literature[J]. JOURNAL OF RESEARCH IN SCIENCE TEACHING，2011，48（8）：952-984.

[8]Grover， Shuchi; Pea， Roy Computational Thinking in K-12： A Review of the State of the Field[J]. EDUCATIONAL RESEARCHER，2013，42（1）： 38-43.

[9]National ?Research Council. Identifying and Supporting Productive STEM Programs in Out-of-School Settings[M]. The National Academies Press，2015：45.

[10]祝智庭，雷云鶴.STEM教育的國策分析與實踐模式[J].電化教育研究， 2018（1）：75-85.

[11]Choi， Y.， Yang， J. H.， & Hong， S. H. .The Effects of Smart Media Based STEAM Program of 'Chicken Life Cycle' on Academic Achievement， Scientific Process Skills and Affective Domain of Elementary School Students[J]. The Korean Society of Elementary Science Education，2016，35（2）：166-180.

[12]周鵬琴，徐唱，張韻，等.STEM視角下的美國科學課程教材分析——以FOSS K-5年級科學教材為例[J].中國電化教育，2016（5）：25-33.

[13]管光海.基于標準聚焦核心概念的STEM整合教育模式——美國I-STEM模式的特點及啟示[J].開放教育研究，2017，23（6）：87-93.

[14]Siew， N. M.， Amir， N. & Chong， C. L. The perceptions of pre-service and in-service teachers regarding a project-based STEM approach to teaching science[J]. Springer Plus，2015（4）：8.

[15]江豐光，蔡瑞衡.國內外STEM教育評估設計的內容分析[J].中國電化教育，2017（6）：59-66.

[16]MASSA N.&DONNELLY J. Problem-Based Learning：A Practical Approach for STEM Leanring[EB/OL].2009.http：//www.nebhe.org/wp-content/uploads/NSTA-2009-Presentation.pdf.

[17]（美）阿爾帕斯蘭·沙欣（I. Sahin）.基于實踐的STEM教學模式：STEM學生登臺秀（SOS）[M].侯奕杰 ，等，譯.上海：上海科技教育出版社，2016.

[18]（美）羅伯特·M·卡普拉羅（R. M. Capraro）等.基于項目的STEM學習——一種整合科學、技術、工程和數學的學習方式[M].王雪華，屈梅，譯.上海：上海科技教育出版社，2016：28.

[19]馬永雙，蔡敏.中美STEM教育研究的文獻計量學分析[J].比較教育研究，2018（2）：104-112.