我國STEM教育研究現狀及可視化分析

黎祥瓊 鄒霞 曹昌源

摘? 要 以中國知網（CNKI）收錄的388篇核心期刊論文為研究樣本，借助CiteSpace和Excel軟件，對年度發文量（2013—2020）、發文期刊分布、作者狀況、發文機構、關鍵詞等進行可視化分析。研究結果表明：2016年，STEM教育相關文獻激增，STEM教育進入快速發展階段；國內STEM教育研究主要集中在基于核心素養的STEAM教育、STEM教育師資培養、STEM課程設計、STEAM教育與創客教育深度融合、STEM教學模式構建及教學實踐五個方面；STEM教育與中國文化融合的教育實踐是STEM教育研究的新方向。

關鍵詞 STEM教育；STEAM教育；核心素養；創客教育

中圖分類號：G420? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）14-0009-06

0? 引言

STEM教育最初代表的是科學（Science）、技術（Tech-nology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）的整合教育，后來發展為STEAM教育，增加了藝術（Arts）。美國國家科學基金會發表的《大學的科學、數學和工程教育報告》首次提出“將科學、數學、工程和技術教育進行整合”，該報告提出的綱領性意見被視為STEM教育的開端[1]。STEM教育避免了分科教學導致知識分裂的弊端，強調跨學科，旨在培養能夠創造性解決真實情境問題的綜合型人才，受到多個國家青睞。2016年，《教育信息化“十三五”規劃》中提及在有條件的地區要將信息技術運用到眾創空間、跨學科學習、創客教育等新的教育模式中。2017年6月，中國教育科學研究院發布《中國STEM教育白皮書》。由此可以看出，我國非常重視STEM教育的發展。筆者以388篇核心期刊文獻為研究對象，對年度發文量、發文期刊分布、發文作者、機構及關鍵詞進行可視化分析，以期為國內STEM（STEAM）教育的深入研究提供參考。

1? 研究設計

1.1? 確定研究對象

在中國知網（CNKI）數據庫社會科學Ⅱ輯下，以主題詞“STEAM教育”或者“STEM教育”檢索CSSCI和核心期刊，截止時間為2020年，共檢索到文獻500篇。經過篩選，最終確定388篇文獻作為研究對象。

1.2? 研究方法

文獻計量分析方法采用數理統計學方法來定量描述、評價與預測學術現狀與發展趨勢[2]。從年度發文量、發文期刊分布、作者狀況、發文機構以及關鍵詞等方面對我國STEM教育研究文獻進行客觀描述，在此基礎上，結合可視化圖譜對其內容進行定性分析。

1.3? 研究過程及工具

利用Excel表格工具對文獻分布、來源期刊和作者年度發文情況進行統計，運用CiteSpace 5.7 R2繪制作者合作圖譜、機構合作圖譜、關鍵詞聚類圖譜以及時區視圖，將我國STEM教育研究的現狀直觀形象地展示出來，進而對該領域研究的熱點與趨勢進行分析。

2? 數據統計與結果分析

2.1? 文獻分布

文獻的年度發文量可以反映該領域的研究熱度。STEM教育相關文獻年度發文量如圖1所示。可以看出，2013年有4篇文獻，其中有3篇是關于美國STEM教育的，有1篇是第二屆STEM國際教育大會述評，這說明在2012年第二屆STEM國際教育大會后，我國學者開始關注STEM教育領域。從2013年起，年度發文量總體呈現上升趨勢，2019年的年度發文量突破100篇，這說明我國有越來越多的學者從事STEM教育領域的研究。2016年上升最明顯，原因是教育部于2015年發布的《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見（征求意見稿）》中明確指出：將信息技術應用于常規教學中，有利于推進“眾創空間”建設，探索STEAM教育、創客教育等新教育模式。該政策直接導致2016年相關文獻量激增，STEM教育進入快速發展階段。2020年受新冠疫情影響，文獻數量出現較大幅度下降。

2.2? 發文期刊分布

期刊是學術論文的重要載體，通過對期刊的分析，可以了解某一主題論文的空間分布。采用Excel表格對2013—2020年期刊刊載STEM教育主題相關的文獻數量進行統計，刊載量前十的期刊分布情況如表1所示。STEM教育起源于美國，最先刊載STEM教育主題的期刊是《外國中小學教育》《開放教育研究》，論文內容主要是美國STEM教育的目的、實施及存在的問題。2013年之后，《中國電化教育》《現代教育技術》《上海教育科研》相繼發文，表明STEM教育引起我國教育技術領域學者的關注，STEM教育跨學科培養理念克服了傳統分科帶來的知識分裂的弊端，為培養綜合型人才提供合理可行的途徑。2017年后，《電化教育研究》《教學與管理》《遠程教育雜志》《現代遠距離教育》等期刊開始刊載STEM教育相關論文，隨著研究不斷深入，我國學者開始積極探索STEM學科教學，比如生物、物理、化學、地理和數學等，以實現STEM教育的本土化發展。

2.3? 作者狀況

通過觀察作者合作圖譜，可以了解作者之間的合作關系以及高產作者。作者合作圖譜如圖2所示。對高產作者進行進一步分析，統計他們每年發表文獻的數量，統計結果如表2所示。由表2可知，河南大學的趙慧臣副教授以第一作者發表相關文獻12篇，占據發文量榜首。他主要研究美國的STEM教育以及STEM教育的開展，但都屬于宏觀層面，缺少具體的實現途徑。觀察圖2可知，與趙慧臣合作的作者有四位，分別是陸曉婷、馬佳雯、張藝葦和馬悅，其中前三位是河南大學的，最后一位是南京師大的，這說明作者之間的合作并不局限于同校，也存在跨學校的合作，有利于學術交流。排名第二的是南京曉莊學院的宋怡，她與馬宏佳有密切的合作關系，共合作5篇文章，主要研究的是美國STEAM教育項目的開發與實施。排名第三的葉兆寧副教授和排名第四的楊元魁博士均來自東南大學，他們合作5篇文章，主要研究內容是基礎教育階段STEAM教育的開展。南京外國語學校的許亮亮老師與鄒正老師主要研究的是基于STEAM教育理念的高中化學實驗教學。另外，來自廣西師范大學的袁磊教授主要研究STEAM教育課程的設計，來自美國得克薩斯A&M大學的李業平教授主要關注的是STEM教育的現狀與發展及STEM教師隊伍的建設。總的來說，隨著時間不斷推進，越來越多的學者開始開展STEAM教育的實證研究，探索STEAM教育模式，設計STEAM課程，努力實現STEAM教育本土化發展。

值得注意的是，圖2中的密度（Density）為0.015 7，說明作者較為分散，未形成研究合力，雖然有一些小團體的合作，但大多數局限于同學校的同事或師生。通過表2的作者年度發文量可知，有一部分作者持續關注STEAM教育領域，比如河南大學的趙慧臣、南京曉莊學院的宋怡等。

2.4? 發文機構分析

在CiteSpace軟件中，選擇時間切片為1年，節點類型為“institution”，Selection Criteria為“（c，cc，ccv）：2，2，20;2，2，20;2，2，20”，得到2013—2020年STEM教育研究機構合作知識圖譜，如圖3所示。南京師范大學教育科學學院發文11篇，位居發文量榜首。另外，東北師范大學信息科學與技術學院、陜西師范大學教育學院、南京曉莊學院環境科學學院、華南師范大學教育信息技術學院等機構對STEM教育的研究較多。從年輪上看，各個機構的顏色都比較單一，最多有三種顏色，這表明機構對STEM教育缺乏持續深入的研究。

2.5? 關鍵詞分析

文獻的關鍵詞是對文獻核心內容高度凝練的表達。在CiteSpace中，通過對關鍵詞詞頻統計以及關鍵詞聚類分析來確定研究熱點，在此基礎上結合閱讀相應文獻進行分析。

在CiteSpace中，選擇時間切片為1年，節點類型為Keywords，Selection Criteria為g-index，其中k值設置為20。采用Minimum Spanning Tree算法對圖譜進行修剪（其余參數保持默認值），生成關鍵詞共現網絡圖譜。基于此，選擇LLR算法生成以關鍵詞為提取標簽的聚類圖譜，如圖4所示。其中Q值為0.734 3，說明形成的類團結構是明顯的；S值為0.929，說明聚類的結果是令人信服的。

為了更好地了解每個類團包含的內容，選擇Cluster下的Cluster Explorer得到關鍵詞聚類表，每個聚類選擇前五個標簽詞，具體如表3所示。

在聚類的基礎上，結合文獻分析將我國STEM教育領域的研究熱點歸納為以下五點。

1）基于核心素養的STEAM教育研究。STEAM教育是在STEM教育的基礎上加入藝術（Art）角色形成的。有關研究表明，融入藝術的STEM教育會激發學生對科學、工程等學科的興趣和學習動機，讓他們獲得更高的學習成就，有利于培養綜合型創新人才。STEAM教育是以真實問題情境為基礎，采用跨學科整合手段，用以培養學生問題解決能力和創新能力的教育模式，滿足21世紀對人才培養的需要，為發展學生核心素養提供可行路徑。關于STEAM教育的研究主要包括政策解讀、內涵理解、實現路徑架構、課程體系構建、評價體系形成、師資培養和具體學科實踐等。其中具體學科實踐涉及核心素養發展、教學模式構建、創新能力和問題解決能力培養、教學設計等。STEAM教育演變成STREAM教育，其中R（Reading/Writing）指讀寫能力，目的是使高素質專業人士能夠滿足撰寫報告、實驗材料以及與人交流的需要[3]。可以看出，STEAM教育的內涵在不斷豐富，朝“STEAM+”發展。

2）STEM教育師資培養研究。STEM教師是開展STEM教育的關鍵，目前，各個國家都面臨STEM教育師資匱乏的問題。羅琪[4]將我國STEAM教師培養實踐中存在的問題總結為五個方面：培養總量不足、培養定位不準、培養主體單一、教師準入制度缺失和專業發展支持不夠。STEM教育在我國起步較晚，大多數STEM教師培養的文獻是分析以美國為主的STEM教師教育情況，再進一步得出對我國的建議或啟示。有的學者在分析美國教師教育政策演進及內容后，從國家政策導向、STEM教師培養模式以及各方力量支持的角度提出我國培養STEM教師的建議；有的學者在分析美國Uteach課程體系的基礎上，提出我國STEM教師教育課程建設的建議。每個國家的情況不同，別國的經驗可以借鑒但不能照搬，如何根據我國的國情擴大STEM教師隊伍、提高STEM教師水平，是我國STEM教育發展亟待解決的問題。

3）STEM課程設計研究。跨學科融合的STEM課程是學校開展STEM教育的基礎，它有別于傳統的分科課程，更加注重基于真實問題的情境創設，聚焦于某一個具體的項目或者任務，引導學生利用多學科知識協作完成任務，發展學生的STEM素養。我國對STEM課程的研究還處于探索階段。

一方面，借鑒國外STEM課程研究經驗，例如：有學者在深入分析坦福大學d.loft STEM項目課程的基礎上，提出于設計思維的跨學科STEM課程模型；有學者分析美國火星教育項目STEM課程，提出我國STEM課程建設發展的五條建議；某學者分析NASA“宇宙飛船安全”課程，提出更新STEM評價方式，加強科研機構與學校間的合作等建議。

另一方面，積極進行STEM課程本土化研究與實踐，例如：某學者在“建筑結構設計”STEM課程中創新性地采用6E設計型學習模式；某學者開發基于STEM理念的“天氣瓶制作”校本課程。

但總體來說，我國STEM課程的大多數課程案例以單次課為主，課程案例的設計、開發缺少系統性與連貫性，很少有一學期或一年的課程設計與實踐。同時，STEM課程存在課程標準不健全、課程目標不明確、課程資源匱乏、課程內容整合不深入和缺乏實踐等問題，需要諸多學者和一線教師進一步深入研究。

4）STEAM教育與創客教育深度融合研究。創客教育是一種鼓勵學生使用數字化工具進行造物并分享，培養學生動手創造與問題解決能力的新型教育模式[5]。創客教育強調創造，STEAM強調跨學科，基于跨學科的視角能夠更好地創造性地解決問題，創客教育造物過程能夠滿足學生成就感，更能激發學生的探索熱情，這讓STEAM教育與創客教育的深度融合成為一個研究熱點。目前，STEAM教育與創客教育融合的研究主要集中在三個方面。

①融合策略探討：有學者基于跨學科創新視角提出三條STEAM教育與創客教育融合的策略；有學者認為設計思維是STEAM教育與創客教育有效融合的契機。

②深度融合模式構建：有學者構建面向STEAM教育的創客教育模式；有學者構建創客-STEM教學模式。

③融合實踐：有學者進行“無輪小車”的融合實踐，發現創客教育可以有效降低STEAM教育起步階段的挑戰難度，豐富學生的學習內容。

縱觀STEAM教育與創客教育深度融合的研究可以發現：大多數研究處于理論探討狀態，真正進行實踐的研究較少。如何讓STEAM教育與創客教育深度融合仍需探究和實踐。

5）STEM教學模式構建及教學實踐研究。目前，構建有效的STEM教學模式是進一步推動STEM教育的關鍵，我國學者對STEM教學模式的構建進行較多嘗試。有學者構建證據導向的STEM教學模式；有學者構建面向STEM教育的設計型學習模式等。從STEM教育面向的對象來說，STEM教學模式構建涉及K12階段的所有學生。從模式本身來說，不同學者出發的角度不同，但所構建的模式都具有以下幾個相同點：

①以真實情境的問題為出發點；

②教學過程中學生主體與教師主導相結合；

③學習評價多元化，注重對學生能力的評價，將過程性評價與總結性評價相結合，評價主體除教師外，還有同伴與學生自己。

大多數學者對STEM教學模式構建都進行實證研究，但其推廣性還需進一步驗證。

我國STEM教育起步晚，有關教學實踐方面的探索較少，主要集中在近三年。目前我國仍然是分科教學，STEM教育的實踐一般是以某一個學科的知識為主、融合多個學科知識的形式。通過對所選388篇文獻進行統計，得到研究STEM教育與具體學科結合的文獻共有32篇，其中化學8篇、物理8篇、生物7篇、科學4篇、地理3篇、數學1篇、音樂1篇，可以看出STEM教育大多是在理科課程中實施。進一步閱讀文獻發現，STEM教育與化學學科的結合主要是在化學實驗上，其研究者以許亮亮為代表，共計發文4篇。雖然他基于STEM理念重新設計了化學實驗，但都未說明實施的效果。生物學科亦是如此，李小玲基于STEM教育理念對“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗進行改進，但并未實施實驗。物理學科一般以問題為中心開展STEM教學，存在一些問題，例如：時間不夠，導致學生無法深入探究；教師無法真正放手；注重知識本身，忽視對能力的培養；等等。STEM教育不能紙上談兵，設計好教學方案以后更重要的是實施修正。

2.6? 研究趨勢分析

為了進一步探究國內STEM教育研究熱點的發展進程，采用CiteSpace Timezone View功能繪制關鍵詞共現時區視圖，如圖5所示。我國學者最先對美國的STEM教育進行研究，包括對美國STEM教育政策的解讀、美國STEM教育的困境及對策、美國STEM教育實施分析等。在2015年左右，STEM教育研究領域出現創客教育。STEM教育強調跨學科，創客教育強調創造，創客教育過程中往往需要運用不同學科的知識[6]，這讓STEM教育與創客教育的深度融合成為研究熱點。隨著研究的深入，STEM教育中加入Art（藝術）角色，演變成STEAM教育。在《從STEM教育走向STEAM教育：藝術（Arts）的角色分析》中，國內學者李剛等[7]詳細剖析藝術的內容，解讀藝術的理念，審視藝術的價值，并提出STEAM教育中藝術整合的四種模式，即輔助式、平等式、情感式和社會式。近兩年，STEM教育研究的熱點主要集中在核心素養、教學模式、課程建設、教師培養等。可以看出，我國學者對STEM教育的研究并沒有停留在別國的STEM教育和概念的辨析上，而是積極探索適合我國發展的STEM教育模式，促進學生核心素養的提高。

值得關注的是圖5右上角出現的文化傳承。我國歷史悠久，傳統文化豐富，有學者提出以傳承中華優秀傳統文化為目標導向的學科融合教育（C-STEAM），并在此基礎上提出C-STEAM教育6C模式。實踐研究結果表明：該模式可以提升學生對STEM項目式學習的興趣，并且增加學生學習傳統文化的意向。這是STEM教育本土化的有益探索。

3? 反思與建議

通過對這388篇文獻相關信息的統計及內容分析發現：我國的STEM教育正處于探索發展階段，國家高度重視。從以前的跨學科整合到現在的跨學科融合，我國學者對STEM教育產生更深刻的理解，但仍然缺乏適合我國教育發展的STEM教學模式，同時存在缺少打通學齡段的STEM課程、STEM教師數量少且整體水平不高的問題。基于此，筆者提出以下建議。

3.1? 設計和實踐適合我國的STEM教學模式

教學由一系列活動組成，教學模式是指在一定教學思想或教學理論的指導下形成的較為穩定的活動程序，它為教師開展教學提供一定的支持，是教師開展教學的關鍵。多位學者已經提出一些STEM本土化教學模式，但STEM教育面向對象的年齡范圍較大，開展地區條件不盡相同，仍需要根據實際的情況探索不同的STEM教學模式以滿足不同的需求。

3.2? 系統設計STEM課程

我國大多數的STEM課程都是短期的，且課程的獨立性較強，整體來說缺少連貫性，不利于持續培養學生的STEM能力。研究人員應該加強對STEM課程開發的理論研究，形成操作性較強的STEM課程開發體系，以此來幫助教師或者社會機構開發系統性較強的STEM課程。

3.3? 加強STEM教育的師資培養

很多學校的STEM教師是由信息技術、科學、物理等教師兼任的，STEM教師隊伍需要進一步擴大，質量需要進一步提高。可以通過鼓勵高校開設STEM教育專業，吸納具有數學、科學、工程等學科背景的教師來擴大STEM教師隊伍，通過職前職后培訓、建立STEM教師資格考試等方式提高STEM教師的質量。

參考文獻

[1]丁杰，蔡蘇，江豐光，等.科學、技術、工程與數學教育創新與跨學科研究：第二屆STEM國際教育大會述評[J].開放教育研究，2013（2）：41-48.

[2]邱均平，王曰芬.文獻計量內容分析法[M].北京：國家圖書館出版社，2008：25.

[3]趙慧臣，陸曉婷.開展STEAM教育，提高學生創新能力：訪美國STEAM教育知名學者格雷特·亞克門教授[J].開放教育研究，2016（5）：4-10.

[4]羅琪.我國STEM教師培養中的問題及其應對策略[J].教學與管理，2018（24）：58-61.

[5]王佑鎂，郭靜，宛平，等.設計思維：促進STEM教育與創客教育的深度融合[J].電化教育研究，2019（3）：34-41.

[6]楊曉哲，任友群.數字化時代的STEM教育與創客教育[J].開放教育研究，2015（5）：35-40.

[7]李剛，呂立杰.從STEM教育走向STEAM教育：藝術（Arts）的角色分析[J].中國電化教育，2018（9）：31-39，47.