國際科學教育研究熱點分析及啟示

李佳 劉久成

摘要： 運用citespace對國際科學教育領域八種SSCI期刊2000～2022年的數據進行研究，發現國際科學教育的研究熱點領域包括素養的多維度發展；注重科學探究和情境化教學實踐；重視教師專業化發展；關注教育主體內在差異。研究前沿經歷了從學生觀念到發展科學素養、STEM教育的演進，且始終關注師生的學習和發展。結果啟示須關注國際科學研究的前沿動態，基于跨學科學習彌補分科課程不足，變革傳統的教育方式。

關鍵詞： 科學教育； 可視化知識圖譜； 熱點； 前沿

文章編號： 1005-6629（2024）02-0014-07

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

21世紀以來各國都在努力變革科學教育。以美國為例，2000年發布《探究與國家科學教育標準指南：教與學指南》，詳細描述了科學探究，并將其作為科學學習的重要手段。2011年頒布《K-12科學教育框架》，提出從科學與工程實踐、貫穿各領域的核心概念以及各學科核心思想三個維度把握科學教育［1］。另外，庫恩的《科學革命的結構》對科學的范式發起了挑戰。這些變革和挑戰對國際科學教育的理念、教學方式等產生了深遠的影響，研究熱點、前沿也隨之發生變化。

國際科學教育的研究成果斐然的同時，研究內容愈來愈豐富和深化，探討國際科學教育研究的熱點和前沿可以啟示我國的科學教育發展的方向和著力點。目前，對科學教育研究文獻很多，但對國際研究現狀的把握較少。此外，研究視角多是微觀層面的局部研究領域分析，缺少宏觀透視國際科學教育的整體走勢及背后原因的分析。緣此，本研究以高質量的學術期刊和學術成果為研究基礎，借助citespace可視化分析軟件，把握21世紀以來國際科學教育熱點，以期為我國科學教育研究提供參考和借鑒。

1 數據來源及研究方法

1.1 數據來源

研究數據來源于SSCI數據庫中2021年“期刊引證報告”（JCR）中位于Q1區、Q2區的八種有關科學教育的期刊。分別是《International Journal of STEM Education》《Journal of Research in Science Teaching》《Science Education》《Studies in Science Education》《Journal of Science Education and Technology》《Science & Education》《International Journal of Science Education》《Research in Science Education》。

選擇這八本期刊，基于以下兩方面考慮：首先，JCR期刊分區的權威性，JCR中“影響因子”（IF）是衡量一本期刊質量的重要指標，期刊的影響因子在領域內前25%劃為Q1區，是該學科內的頂級期刊。期刊影響因子排在領域內25%到50%劃為Q2區。一般認為Q1區、Q2區的期刊均為領域內權威期刊。其次，根據布拉德福文獻離散規律，處于核心區的期刊最能刊載該學科領域的論文，反映學科的研究內容和知識基礎［2］。

時間段設置為2000～2022年，基于2000年美國頒布《探究與國家科學教育標準指南：教與學指南》，指南強調探究式學習是科學教育的核心。這對國際科學教育理念和內容產生了重要影響，2001年我國頒布的義務教育課程標準首次增加了科學探究內容。基于此，本研究關注自2000年以來的科學教育研究熱點、前沿。

研究所需要的樣本數據僅包括論文數據，剔除了書評、社論材料、綜述、簡報等，共得到有效記錄文獻7443篇。

1.2 研究方法

研究采用定量研究、定性分析相結合的方法。基于citespace5.7.R5軟件對樣本數據進行可視化處理和定量分析，在此基礎上對文獻進一步定性分析。基于關鍵詞詞頻高低（詞頻分析法）確定科學教育研究的熱點，利用關鍵詞聚類確定科學教育研究聚焦的領域，通過關鍵詞突現值分析，探測科學教育研究的前沿。

1.3 數據處理

將檢索到的7443篇文獻記錄使用citespace5.7.R5軟件分析，數據處理設置如下：時間切片設置為2000～2022年，1年為一個時區；術語來源為標題、摘要、作者關鍵詞、附加關鍵詞；節點類型選擇關鍵詞的選擇標準設定為topN=50，并利用尋徑算法修剪切片網絡，修剪合并網絡，裁剪可視化網絡。

2 研究熱點分析

2.1 基于關鍵詞共現圖譜的研究熱點分析

數據導入citespace5.7.R5后，得到如圖1所示的關鍵詞共現圖譜。圖譜中的節點代表關鍵詞，節點大小代表出現頻次的高低，連線的強弱代表關鍵詞共現的次數（或強度），節點的標簽字體大小代表了關鍵詞中心性的強度。根據關鍵詞的詞頻高低確定研究熱點，高頻關鍵詞（見表1）反映出科學教育領域研究的熱點話題。關鍵詞的中心性強弱體現了關鍵詞在整個共現網絡中的媒介能力，根據關鍵詞的中心性的強弱確定共現網絡中有影響力的節點。

由圖1、表1可知，從研究對象群體分析，學生出現的頻次多于教師，說明對學生群體的研究多于對教師群體的研究，科學教育更加重視育人，關注學生群體和學生學習。從學科分布上看，科學教育領域在物理、數學方面研究相對較多，其次是化學、生物學科。從關鍵詞學校、課堂出現的頻次可以看出，科學教育發生場所主要在學校課堂，還是以正式的學校教育為主，課堂是主要陣地。

從科學教育研究的內容看，最為熱點的關鍵詞是知識，雖然科學教育最終指向學生素養的發展，不再一味追求傳播科學知識，但并不意味著知識不重要。相反，科學教育仍然以知識學習為主，聚焦如何基于知識學習促進學生素養的發展。另一個熱點關鍵詞是探究，科學探究成為研究熱點緣于美國先后頒布的《科學教育標準》《探究與國家科學教育標準指南：教與學指南》明確將探究作為科學學習的重要手段，并且從標準、指南的被引頻次，可以看出對國際科學教育產生重要影響。其他高頻關鍵詞顯示科學教育逐漸與其他學科交叉融合，融入了學習心理學（信念、態度、動機等）、認知機制的研究（概念理解與轉變，基于模型認知），最終指向學生素養的發展。

從關鍵詞中心性上看，中心性最為突出的兩個關鍵詞是哲學和探究，中心性強，說明關鍵詞在整個共現網絡中具有很強的媒介能力，對科學教育的研究影響很大。科學探究作為熱點關鍵詞，作為學習科學的重要方式以及發展學生素養的重要手段，因此具有很強的中心性。需要關注的是關鍵詞哲學中心性最高，但頻次較低，二者的反差，說明科學哲學對科學教育產生了重要影響，但目前相關研究相對薄弱，在今后的研究中需要引起更多關注。

2.2 關鍵詞聚類分析

關鍵詞聚類分析將關系緊密的關鍵詞歸于同一聚類內，有助于識別和探測重要知識子群。本研究關鍵詞聚類得到的聚類模塊值Q（modularity）為0.7994，平均輪廓值S（silhouette）為0.9226，聚類結果合理可靠。聚類后選擇LLR算法生成聚類標簽（如圖2所示），#0性別、#1探究、#2觀念、#3專業發展、#4科學教育、#5重力、#6思維、#7化學、#8物理、#9科學、#10論證、#11技術、#12信念、#13框架、#15教學。

聚類結果可以為研究者提供一個初步的研究視角和方向。但聚類標簽是自動抽取、選擇具體化的名詞短語，過于具體化，導致自動抽取的標注不易被理解也不夠全面。因此，結合人工整理和評估，從而明確研究的領域是必要的。仔細研讀聚類內的關鍵詞及其關系，結合關鍵詞詞頻，研究表明#5、 #6、 #9、 #10、 #11、 #13聚類內涉及的內容主要有關概念理解、科學思維、模型的開發和使用、論證、科學決策、科學本質觀等素養層面的內容。#1、 #7、 #8、 #15、 #4涉及的關鍵詞有探究、翻轉課堂、情境、教學、文本、插圖、教學評估等教學實踐領域內容，既關注到教學方式的多樣化，又關注到教學材料和教學評估的研究。#0、 #2、 #12包含的主要關鍵詞有性別、動機、成就、態度、種族、興趣、信念、教師觀念、觀念等教學主體內在差異性的研究。#3關注到教師專業發展與教學實踐。故本研究從四個方面闡述科學教育研究的熱點領域。

2.2.1 學生素養的研究

素養（literacy）提出源于20世紀50年代美國確保在太空競賽取得優勢，開始關注公眾的“科學素養”。科學素養是一個漸進發展的、多維度的概念。從傳統的應用、理解科學知識，到形成科學觀念、培養科學思維等，隨著社會的發展和多學科的交叉滲透，素養的內涵在逐步豐富和完善。

#5、#13聚類關注到學生概念的轉變與觀念的形成，概念是人們通過將現實世界進行抽象、概括化思考來獲取知識和理解的結果［3］。學生的前概念、先入為主觀念、替代框架與所要學習概念之間有時會存在不符和出入，以概念轉變理論和知識建構理論作為理論指導，促進學生對所學習概念的理解。概念轉變是一個認知重構的過程，學生通過對世界運行方式的先前理解或信念干預、修正，以更接近專家領域的主導性概念［4］。越來越多的研究關注到概念轉變的策略、路徑。

#6聚類關注學生科學思維的發展，注意到專家型和新手型在科學思維上的差異。科學思維幫助學生在解決問題、分析數據和評估證據等方面具備獨立思考和判斷的能力，包括批判性思維、邏輯思維、創造性思維、系統性思維等多種類型。影響學生系統思維的根源是學生個體的認知能力和參與知識整合的程度［5］。系統思維作為高階思維技能，可以在小學得到一定程度的發展，并為未來更高階段的系統思維發展奠定基礎［6］。

#9聚類、#11聚類關注開發和使用模型以促進學生概念理解、科學本質觀發展。模型是對事物（包括實物、概念、理論、過程等）的表征，可以幫助解釋、預測現象。課堂中師生模仿科學家開發和使用模型，涵蓋了模型的構建、應用、評估和修正等各方面，有助于學生形成系統性的思維和分析能力［7］。在文本材料中呈現概念模型建構過程，可以幫助學生更好地應用科學信息構建概念知識，并幫助他們發展建模能力［8］。

#10聚類關注學生科學論證和科學決策之間的關系，論證是一種重要的科學話語，能夠推動學習者參與有關科學問題的公共話語，收集證據并評估證據的可靠性，基于證據推理并與他人進行有意義的交流和討論，成為發展學生科學素養的重要途徑。社會科學問題（SSI）為論證和科學決策提供了很好的平臺，SSI解決方案需要考量多方面（如科學理論、社會、政治、倫理等）且具有不確定性，在解決問題的過程中，可以發展學生對科學本質的理解［9］。

2.2.2 教學實踐的探索

首先關注多樣化教學方式、策略在教學實踐中的應用，如#1聚類研究探究式教學的應用。當前研究關注探究內涵的研究，探究模式的創新（如基于模型探究、解釋驅動探究），探究層次的深化，探究式教學實施策略和影響因素研究。影響新教師探究式教學實施的因素包括教師對科學和科學探究本質的理解、教學內容、教師的教學內容知識、教師的教學信念等［10］。#7聚類涉及翻轉課堂在化學、生物、STEM等學科的應用。#8聚類將情景融入物理、地球等學科教學。研究關注到情境教學對科學概念理解、科學本質觀形成以及科學認知發展的影響。

其次關注教學材料的研究分析，#15聚類將教學、教學文本、課程相關聯，考察教學材料的文本、插圖、直觀性、可讀性等。教學中最常使用的教學文本材料是教科書，相關研究從不同維度構建評估教科書內容的框架。

最后關注教學實踐評估，#4聚類專注于科學教育的評估理論和實踐，包括對評估的公平性、影響因子、統計方法與多變量分析的研究，同時還涉及課堂觀察協議。評估內容不僅包含學生的知識掌握情況，還延伸到探究能力、跨學科能力、素養等評估。對科學探究的評估，既有對科學探究活動本身質量，又有測量學生的科學探究能力等方面評價工具的開發。

2.2.3 教學主體的內在差異研究

教師和學生是教學主要參與者，也是教和學的主體。本領域分別研究了學生、教師的內在差異對教育實踐和學業成就的影響。#0聚類關注到STEM課程中，性別、動機、態度、種族、興趣等內在因素之間的關系及對學業成就的影響，#12聚類關注到信念、先驗知識對科學教學的影響。相關研究表明性別的偏好對學習興趣、動機、態度的影響小于教學環境、學科的內容對象。影響興趣、動機、態度的因素有很多，如自我效能感、良好的情境化、協作工作、新奇事物等［11］。對待科學的態度影響學生的科學觀、未來職業意識和課堂參與［12］。

#2聚類關注到教師的內在差異性，研究教師觀念、經驗、經歷、認識論信仰和世界觀等對教學實踐的影響。曼蘇爾（Mansour）調查了教師信念與教學實踐之間的關系，發現教師信念和教學實踐并不總是一致的［13］。

2.2.4 教師的專業化發展

此領域涉及到的聚類為#3，該聚類關注到教師專業發展與教育改革、教學實踐、教學策略、教學質量等關系。教師專業發展的質量影響著教育改革理念落地。目前各個國家、地區和組織都在尋求更符合本地發展需求的教師專業發展培養路徑，包括基于實證調查，研究教師專業發展計劃的必要性。基于多種技術、方法對教學實踐進行分析，如羅斯等學者構建了基于視頻實踐分析教學實踐的維度，幫助教師提高科學內容知識和分析科學教學能力［14］。同時，科學教育改革背景下的教師專業發展，政策的制定和執行不能盲目自上而下，應重視教師的經驗［15］，還要調查教師的實踐知識，基于網絡學習、同伴幫助等多種方式實現教師實踐知識的提升［16］。

3 基于關鍵詞突現的研究前沿分析

研究前沿代表該研究在某一段時間內突然爆發，可能成為未來科學教育研究熱點。研究前沿可以通過關鍵詞的突現強度進行判斷，以下梳理出2000年來突現強度較高的關鍵詞（見表2）。

從改革的視角，科學教育研究前沿經歷了從學生觀念、科學素養到STEM的演進。隨著社會發展對人才需求和培養模式的重新定位，改革的發生是必然。初期對學生觀念的調查研究，多局限于具體學科知識內容，關注學生觀念與書本概念之間的關系。學生觀念更多地側重于學生個體對知識的感知和看法構建，注重概念轉變的發生，這一階段仍以確保學生掌握科學知識作為教學核心。

隨著對教育的反思，逐漸認識到僅掌握科學知識是不夠的，基于學科知識發展學生的科學思維、問題解決能力、科學態度價值觀等科學素養是必要的。美國出臺《把科學帶到學校：K-8年級的學與教科學》《下一代課程標準》等政策文件明確要求發展學生科學素養，PISA和TIMSS等對學生科學素養從不同維度的評估，科學素養的內涵也在愈加豐富和深化。隨著社會發展對人才的需求，越來越重視和需要培養具備跨學科素養的人才，由此，STEM教育成為科學教育研究的前沿。美國政府連續出臺了《白宮：聯邦STEM教育五年戰略計劃》《2015年STEM教育法案》等政策文件，從政策上支持和保障STEM教育。當前STEM教育研究聚焦于STEM課程設計與整合，STEM課程的教學策略、影響因素及評估。

從研究的視角看，始終關注學生、教師的學習和發展，只是不同階段側重點有所差異。最初，關注心智模型，心智模型作為個體對某一概念的內在表示或認知結構，對學生心智模型的探討和調整，旨在幫助學生建立更準確、更完整的知識結構。隨后，為解決美國K-12教育片面追求學習內容的廣度而忽視深度，整個教育過程缺乏系統性的問題，美國提出了學習進階。2011年頒布的K-12教育框架提供了不同學段學習進階模式，學習內容上“少而精”，不同學段深度進階上要求連貫性和可操作性，隨后幾年對學習進階的實踐研究更加深入和細致。當前，科學教育關注師生的自我效能感和教學內容知識（PCK），大量的研究證實了自我效能感在學生的參與、堅持、學業成績、動機等方面有促進作用［17］。不同階段側重點不同，從注重知識學習的準確性、完備性，到關注學習內容的深度，學習內容“少而精”，繼而到基于學習內容提升學生內在的滿足感、獲得感，這種演進反映了對教育目標和方法的深入思考，科學教育所承擔的育人功能愈加豐富、育人價值得以彰顯。同時對教師專業發展也趨于具體化，教學內容知識（PCK）作為教師專業知識的重要組成部分，關注教師如何將自身的內容知識轉化成對學生有意義且易于理解的知識［18］。對PCK的關注反映出科學教育需要根據實際教學場景、學生的需求和背景來及時調整教學方法，以更有效地滿足學生的學習需求。另外，21世紀國際教育改革，課程和教學方法也在進行調整，也需要教育界重視PCK。

4 思考與啟示

研究熱點和前沿反映了社會和人的發展對科學教育的訴求，為教育改革和發展提供了方向，對我國當下及未來的科學教育予以啟示。

4.1 關注國際科學教育研究的前沿動態

國際上的經驗和理念為我國科學教育的發展打開了新思路，需要關注國際科學教育研究的新動態，尤其是近幾年的國際科學教育研究的前沿話題，從而啟示我國未來科學教育發展。目前，國際科學教育研究的熱點、前沿主題很多已在我國科學教育研究中得到重視，如科學素養、教師PCK等，STEM教育雖然在我國起步較遲，但近幾年有關STEM研究的文獻明顯激增，得到研究者們的重視。但少數前沿主題的研究略顯不足，如自我效能感作為影響學生學習動機和成就、影響教師教學實踐的關鍵因素，在國際上近幾年突現值較高，但在我國當前的科學教育研究發文量上略顯薄弱。

4.2 基于跨學科學習彌補分科課程不足

國際有關STEM跨學科研究日趨豐富和完善，我國跨學科學習起步較遲，尚處于探索階段。目前我國中學階段，大部分地區長期實行分科課程，這在一定程度上確保了各學科的內容深度和知識的系統性。但隨著社會和技術的快速發展，跨學科能力成為新的需求，現行的應試教育模式在很大程度上限制了學生的跨學科思考能力。因此，2022年版義務教育新課標增加了跨學科實踐活動，以化學課程標準為例，強調將化學、技術、工程進行融合，這是對國際科學教育前沿的本土化嘗試，在一定程度上彌補當下分科課程的缺失。不過，這對當下的理科教育是巨大挑戰，很多教師只在某一學科領域接受專業訓練，跨學科的教學內容知識、學生的跨學科能力評價等存在欠缺。另外，在我國分科課程背景下，需要加強跨學科學習研究，開發更多的跨學科學習案例和實踐來指導教學實踐。

4.3 變革傳統教學方式

首先，變革傳授結論式的課堂教學方式，關注學生概念轉變和觀念發展的過程。國際科學教育關注學生概念的轉變，區別于傳統灌輸式教學，概念轉變需要重視學生已有的觀念、迷思概念，學生的已有觀念可能與結論式的概念存在出入，這就需要創設能夠激發學生認知沖突的情境，促進學生主動探究、認知重組，關注到知識的建構性。

其次，創設能使學生深度參與、互動交流的教學環境。改變傳統教學中教師一言堂，或教師提問-學生回憶回答的淺層參與模式。國際科學教育倡導的科學思維的發展、模型的開發和使用，都需要學生深度參與到學習活動中并調動認知能動性。另外，模型開發和使用并不都是完美的，需要評估模型并修正，這個過程中需要師生、生生之間進行有意義的互動，需要基于證據來推理論證自己或他人的模型產品，需要調動高階思維能力和批判性思維，這些都需要關注教學過程中教學環境的創設。

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