基于知识图谱的国际STEM教育研究可视化分析

仲书缘 徐晓雄

摘 要：STEM教育作为培养创新型人才的有效方式，已成为世界各国教育改革过程中的热门话题。文章对收集到的国际STEM教育研究文献，采用知识图谱分析法进行可视化分析，发现热点主题为“整合路径探究”“低龄化渗透”“体验式教学”及“低代表性群体教育保障”，而未来的研究则会聚焦于“STEM工程设计教学”“多维度的STEM教育评价体系”“智能化的STEM学习情境”和“管道化的STEM人才输送机制”等方面，最后总结了国际STEM教育研究对我国该领域发展带来的四点启示，以期为我国STEM教育未来的发展提供理论和实践方面的借鉴。

关键词：STEM;知识图谱;可视化;热点;前沿趋势

中图分类号：G434         文献标志码： A          文章编号：1673-8454（2019）08-0031-07

当今时代，人类所面临的气候变暖、人口过剩、自然资源短缺、环境污染等诸多问题，需要有效的科技手段来解决。[1]进入21世纪后，科技创新更是成为一个国家能否在激烈的国际竞争中制胜的关键因素。基于此，被视为创新型人才培养有效方式的STEM教育，近年来倍受世界各国的高度关注。

STEM教育理念可溯源到美国国家科学委员会于20世纪80年代发表的《本科的科学、数学和工程教育》，报告创见性地提出将科学、数学、工程、技术四门学科融合为一体，进行集成化教学，用以培养具备跨学科知识的创新型人才。[2]自STEM教育理念传入国内以来，在理论和实践层面都有相当数量的成果，但就整体的发展情况来看仍处于起步阶段，尚缺少对STEM教育的独立命题和教育创新。

鉴于此，本文借助可视化知识图谱分析法对2008-2018年这十余年间的国际STEM教育研究进行文本挖掘，探寻其研究的热点主题与前沿趋势，进而总结国际STEM教育研究对我国的启示，以期为我国STEM教育未来的发展提供理论和实践方面的借鉴。

一、研究设计

1.样本获取

本文的文献样本以Web of ScienceTM（WOS）核心合集为来源。STEM教育是多个学科融合的领域，又指向教育系统，因此STEM在话语中可以代表STEM教育[3]，同时STEAM作为STEM的扩展概念，也有相当数量的研究文献。故本文将检索词定为“STEM”及“STEAM”，构造高级检索式“TS=（STEM* OR STEAM）”，语种限定为“English”，文献类型设定为“Article”，时间跨度为2008-2018年，最终得到695篇有效文献。

2.研究方法

近年兴起的科学知识图谱（Mapping Knowledge Domains）是以某个领域内的知识为研究对象，通过计量统计生成可视化的“图”与“谱”来显现知识在时空上的发展情况以及知识间的结构关系。[4]

本文根据研究需要，采用Bicomb2.0、自编JavaScript代码、SPSS21.0以及CiteSpce5.1生成可视化的科学知识图谱。其中Bicomb2.0统计历年发文量和来源期刊分布，并生成关键词词篇矩阵;自编JavaScript代码绘制国际STEM教育研究的空间分布图谱;SPSS21.0生成关键词多维尺度图谱;CiteSpace5.1生成高频关键词表、被引文献时间线视图和关键词突现表。最后，在解读知识图谱的基础上再对国际STEM教育研究进行定性分析。

二、国际STEM教育研究文献概貌

1.研究时间分布

无论哪个研究领域，论文的数量都是一个衡量该领域研究热度和发展趋势的重要指标，国际STEM教育研究的历年发文量如图1所示。可见文献数量整体呈现上升趋势，其中以2013年为分水岭，2013年之前文献量增长速度缓慢，说明该时间段国际上对STEM教育研究的关注度并不高，年均发文量介于5-20篇之间。

2013-2017年期间，以美国的《联邦政府关于科学、技术、工程和数学（STEM）教育战略规划（2013-2018年）》為代表，英国、澳大利亚、加拿大、德国等相继出台有关STEM教育的政策文件，吸引了众多研究者的目光，文献数量呈指数式增长，从27篇跃升到168篇。值得注意的是，2018年的文献数量未能延续之前的增长趋势，表明国际STEM教育研究已经进入常态化研究阶段。

2.研究空间分布

对文献产出的国家（地区）和研究机构进行统计，有助于了解STEM教育在国际上的研究成果分布情况，便于后期开展国际学术合作和资源引进。

笔者在对文献样本的国家（地区）和研究机构来源进行统计后，得到34个国家（地区）和121所研究机构发文量在2篇以上，再通过编写代码绘制成可视化交互知识图谱。

从国家（地区）层面看，国际STEM教育研究多集中于发达国家，美国作为STEM教育的发源地，仍是研究的中心，发文量高达472篇，占总数的67.9%，其次为澳大利亚（41篇，5.9%）和英国（36篇，5.2%），余下的国家发文量皆在30篇以下。

从研究机构层面看，排名前十的高产学术机构都为美国的高校，其中普渡大学、密歇根州立大学、威斯康辛大学三所高校发文较多，依次为28篇、16篇、15篇，其余如德克萨斯农工大学、佐治亚理工学院等理工科大学发文量较多，表明美国的研究型理工高校也在关注STEM教育。

3.来源期刊分布

通过分析文献来源期刊的分布情况，可以在一定程度上了解某个领域研究的主要群体以及该研究的学科转移和扩散趋势。[5]经统计，国际STEM教育研究文献共分布在98种期刊，表1中列举了载文量排名前八的期刊，它们所刊登的论文数量占总量的比例超过40%，具有较高的领域代表性。

通过期刊的名称可以看出科学、技术、工程和数学四门STEM学科教育类期刊都有相当数量的文献，其中科学教育是学界关注的重点。《科学与技术教育杂志》《欧亚大陆数学、科学和技术教育杂志》和《国际科学与数学教育杂志》作为多学科教育类期刊载文量较高，体现了STEM教育研究跨学科的特征。

三、国际STEM教育研究热点与趋势

1.國际STEM教育研究热点

多维尺度图可将多维空间中的样本数据降维至低维度，同时保留数据间的原始关系，有助于研究者以更简单的方式对数据进行定位、分析和归类。[6]根据关键词在多维尺度图谱（图2）四个象限内的分布状况，再结合高频关键词表（表2），可将近十年来国际STEM教育研究热点划分为以下四大主题：

（1）STEM教育的整合路径探究

按知识的本质特性进行分科教学，有助于学习者获得逻辑严密的文化知识以及方便教师的讲授，但因其脱离生活的实践性和缺乏内容的趣味性，为许多学者所诟病。[7]STEM教育的宗旨之一便是打破学科之间的壁垒，践行以真实问题为导向、整合多门学科知识于一体的教学。

在整合取向上，学界仍未达成共识，当下有多种STEM学科的整合方法。多学科方法如同传统课程一般，每门学科的具体知识和技能都是单独学习的，学生需要自主地将不同内容联系起来，而跨学科方法则是从一个真实世界中的问题为起点，调用跨学科的知识和思维来完成任务。[8]

Satchwell对跨学科方法做了更详细的解读，将其分为跨学科课程和整合课程，跨学科课程是以一门学科作为中心，同时以其他学科内容的隐形链接为支持。整合课程指明确地吸收来自一门以上的其他学科的内容，并且课程中所含的两门或更多的学科内容拥有同样的权重。[9]

类似的还有内容整合和上下文整合，内容整合关注将多个学科合并成一个课程活动或单元，用以强调“大思想（Big Ideas）”;上下文整合则专注于一门学科的内容，但可以通过加入其他学科的特定背景来增强该学科内容的上下文关联性。[10]

对于如何在STEM学科整合过程中体现各个学科的价值，学界已经达成相对统一的认识，即数学属于基础学科，发展学生的理性逻辑思维，科学帮助学生认识世界，二者共同促进技术和工程能力的发展，用以改造世界。[11]总体来看，国际上的STEM学科整合研究遵循由分科走向融合的路径，且构建了明晰的学科价值体系。

（2）STEM教育的低龄化渗透

STEM专业毕业生数量无法满足就业市场的需求是各国面临的最大挑战，如欧盟2012年STEM专业毕业生只占总数的22.8%，预测2025年STEM工作岗位缺口会高达700万。[12]因此，国际上开始反思过往专注于高等教育的STEM教育模式，多位学者发现相较于在高等教育中通过干预手段促使学生选择STEM专业，在K-12阶段让学生充分接触STEM教育，能够更有效地影响他们在未来选择STEM专业和职业。[13]

美国已在中小学阶段开设了专门的STEM学校，主要可以分为“特色STEM学校”（STEM精英学校）、“全纳STEM学校”以及“STEM职业技术学校”。[14]

三类学校有不同的人才培养目标：“特色STEM学校”（STEM精英学校）通过选拔录取有STEM学科天赋的学生，培养未来进入顶尖研究型大学的学生;“全纳STEM学校”面向大部分普通学生，学生无需通过学业测试即可被录取，培养进入普通高校学习的应用型人才;“STEM职业技术学校”通常依托于教育中心、综合学校或是职业学院开设，学生可在该类学校学习一项STEM领域的操作性技能。

德国、奥地利、瑞士等国受“混合天赋（MINT Talent）”理念的影响，联合在中小学开设300多所“校园实验室”，培养“工业4.0”需要的科学家和工程师。[15]日本则是另辟蹊径，重新修订课程大纲在中小学阶段增加STEM课程的比重。[16]由此可以看出，世界各国多是利用顶层力量推动STEM教育向中小学阶段渗透。

（3）STEM教育中的体验式教学

不同于以往讲授式的教学模式，STEM教育十分强调学习者的主动参与，在活动中体验发现问题、提出方案、解决问题的乐趣，进而促进自我效能感的提升，唤起学生的STEM学业兴趣。若干研究分享了如基于问题的学习、基于项目的学习、探究式学习、基于设计的学习、合作学习、玩中学等适合STEM教育的体验式教学模式。[17-19]

笔者将在STEM教育中实施体验式教学的要素总结为以下四点：①在学习过程中让学生感受到自身的能力;②在活动中让学生表现出他们的能力;③保证有充足的时间完成活动以及开展学生自主发起的活动;④灵活的学习环境。

当然教学过程中也应凸显教师的职责，一项在两个小学四年级班级中进行的对比研究发现：在一堂同样使用项目式学习的STEM课程中，一位教师对科学实践做了宽泛的定义，将学生称为“科学家”，该班的学生表现出更高的参与积极性;而另一位教师所定义的科学实践较为狭义，导致这个班的学生认为自己的活动不属于科学范畴，参与课堂活动的意愿降低。[20]这意味着，即使教师在STEM教育中致力于实施以学生为中心的体验式教学，如果未能做到有效引导，也很难达到良好的效果。

（4）低代表性群体的STEM教育机会保障

“不让一个孩子落队”是国际教育界一直秉持的理念，但因人种、性别等原因导致STEM教育中存在着由有色人种和女性等构成的低代表性群体。[21]国际上尝试以政策保障、STEM多元化发展、师资建设等措施弥补人种差异造成的STEM教育鸿沟。如美国的全选项科学系统（FOSS）项目通过训练有色人种科学教师为本族学生提供高水平的STEM课程，为学生未来进入STEM领域打下坚实的基础。[22]Ceci等人则从潜在的生物学差异和社会文化角度解释了女性为何在STEM领域代表性不足的原因，最后研究得出并非是因女性对于STEM领域的兴趣缺失或是天赋不足导致该现象，相反女性相较于男性拥有更高的认知优势，社会文化阻碍、性别刻板印象和工作可选余地有限是导致女性在STEM领域不断流失的主要原因。[23]可考虑从消除刻板的性别印象、增强男女平等意识、扩大职位可选项以及增强女性自我效能感等方面来提高女性在STEM领域的代表性。

2.国际STEM教育研究的前沿趋势

根据科学计量学中的普莱斯科学前沿理论，科学研究的前沿发展依赖于近期的研究成果，也就是说可以通过当前的科学文献来预判未来的研究趋势。[24]本文使用CiteSpce5.1对关键词进行突现词检测，得到如表3所示的历年突现关键词表，可以看到近年的突现关键词为“设计（Design）”“成果（Outcome）”“情境（Context）”和“选择（Choice）”等，再结合国际STEM教育研究的共被引文献时间线图谱（图3）中近年来的关键节点文献，预测未来国际STEM教育研究将呈现以下四个趋势：

（1）STEM工程设计教学

“设计（Design）”在STEM教育中并不是一个新鲜的概念，在STEM课程整合研究中便有大量有关课程设计的文献。近年来的“设计”多指学生在课堂中进行产品的工程设计过程，即Engineering Design Process（EDP）[25]，是体验式教学研究的最新进展。如上文所言，学习者以解决现实问题为导向，进行产品工程设计的过程中必然需要涉及到数学、科学以及技术学科的知识和思维方式。因此，工程设计教学被视为一种有效的STEM教学方式，但因其对学生的起点能力、教师的教学水平和配套资源都有较高的要求，目前仍处于探索阶段。

（2）多维度的STEM教育评价体系

STEM教育能够培养学习者的创新思维、协作能力、问题解决能力等综合能力，但如何制定客观的标准去衡量STEM教育的成果，即量化评价学习者“STEM素养”的提升，是当前国际STEM教育研究者共同面临的难题。现有的一些评价标准，如美国国家教育进步评价系统，尽管包含相关STEM学科的评价指标，但多以传统的纸笔评价方式进行，并不一定适用于思维与能力的测量，而STEM教育侧重在活动中学习，注重过程评价。因此，制定多维度、可量化的STEM教育评价体系是未来国际STEM教育研究的一大趋势。

（3）智能化的STEM学习情境

灵活的学习情境是有效实施STEM教育的关键因素之一，因STEM教育跨学科融合、基于真实问题、自主建构知识等特性，STEM学习情境不同于过往的学习空间，需要做到情境与学生的动态匹配，才能促进有效学习的发生。当前人工智能技术能针对不同特征的学习者进行个性化匹配，可以预测虚拟STEM实验室、STEM教学机器人、智能化STEM教室等智能化的STEM学习情境创设研究会成为下一阶段的研究热点。

（4）管道化的STEM人才输送机制

持續不断地吸引优秀人才进入STEM领域是实施STEM教育的一大目标。“选择（Choice）”成为最新的突现关键词，表明过往国际上实施的STEM人才培养模式仍存在一定问题。尽管如上文所提及的提升K-12阶段学生的STEM学业兴趣和保障低代表性群体的STEM教育机会已经成为国际STEM教育研究的两大热点，但现有研究所提的多为宏观层面的措施，究竟如何在具体层面上促使学习者选择STEM专业，进入STEM行业，做到K-12、高等教育及就业选择之间的有机衔接，即形成管道化的STEM人才输送机制是有待学界解决的一个迫切问题。

四、国际STEM教育研究对我国的启示

要想对国内的STEM教育发展提出建设性的意见，必然需要了解当前国内STEM教育研究的状况，本文根据发表在CNKI核心期刊上的STEM教育文献制作了互动知识图谱，如图4所示。发现国内的STEM教育研究主要集中于东部地区的师范类院校，且研究内容以STEM教育理论探讨、国外研究内容解读为主，尚未形成较为系统化的理论体系和可行的实践模式。结合上文的分析结果，笔者将国际STEM教育研究对我国的启示总结为以下四点：

1.建设双向推进、多方协同的STEM教育生态系统

一项重大的教育改革事项，需要教育主管部门的顶层规划、教育基层的积极响应以及社会相关部门的协同配合。尽管当前国内的STEM教育研究十分火热，但“自下而上”的推进路线对顶层设计的影响还相当有限，目前专门针对STEM教育的政策文件尚不多见，比较有代表性只有《中国STEM教育白皮书》。而改革分科式教学模式、创设单独的STEM学科，甚至是建立高考式的STEM人才选拔机制都需要相应的政策支持。

同样，科教与创新之间的壁垒也是我国长期存在的一个问题，这需要在STEM教育发展中加强社会协同机制，促进企业与高校间的产学研合作。当然也应搭建企业、高校、科研院所与中小学之间的“桥梁”，在真实的生产和科研环境中培养中小学生的STEM兴趣和创新能力。建设“自上而下”和“自下而上”双向推进以及多方协同的中国特色STEM教育生态系统，是助力我国STEM教育快速发展的一个重要路径。

2.构建STEM教育学术与实践共同体

推进STEM教育发展的关键因素之一在于把握跨学科融合这一核心特征，但当前国内的STEM教育研究学科扩散程度并不高，主要的研究力量为教育技术和科学教育学科群体。同时，在实践中教师因学科背景的限制，对其他STEM学科了解并不深入，在实施STEM教育时只做到了其他学科知识的简单叠加，距离学科边界消失、课程内容体现不同学科思维方式的跨学科融合模式仍有不小的差距。

STEM教育带有浓厚的巴斯德科研范式色彩——基础理论研究、开发设计研究与实践应用研究之间的界线几乎消散。[26]所以笔者认为可借鉴美国的项目引路（PLTW）理念，构建STEM教育学术与实践共同体，集STEM学科的专家、学者和一线教师之力，以跨学科融合为导向，编制配套的STEM教材，设计与实施“本土化”的STEM课程及教育资源。

在此基础上，可形成一个“STEM教育多利益联合体”，即STEM教师可直接获得专家指导，较过往的教师培训模式更具效率和针对性，STEM学科的专家和学者则可从实践中汲取“养分”，形成的理论具有更强的现实指导性。同时，学习者能享受优质的STEM教育资源，其所面对的问题或项目可能是学科最前沿的进展，所面对的授课教师可能是该领域的“领头人”，有助于提升他们的STEM学业兴趣。

3.优化STEM教育的生源结构

我国同样存在因经济发展失衡和性别差异而导致的STEM教育低代表性群体现象。例如，教育部发布的《中国教育概况——2016年全国教育事业发展情况》报告指出，农村学生在学生人均持有科学实验设备价值上，只相当于城市学生的65.7%。[27]在高等教育领域，女性人数已经超过男性，但进入STEM相关专业的女性明显少于男性。[28]

此外，新高考改革带来了新问题，2014年浙江省教育考试院面向全省23511名高三考生的调查结果显示：选择“物化生”的考生较改革前下降明显，只有57.18%的男生和26.93%的女生选择了物理;新增设的技术学科却被考生冷落;不同成绩水平的考生选科意向相距甚大，17.99%成绩较好的考生选择了“物化生”组合，而选择该组合的成绩中等和中下的考生只有10.59%、7.84%。[29]照此趋势发展，大学期间进入STEM专业的男女生人数都会下降，且在STEM产业中占多数的应用型人才也会出现劳动力短缺的问题。

以上问题关乎我国STEM教育的公平和质量。调整STEM教育的生源结构，让更多家庭经济情况不佳的学生、女性以及中下成绩水平的学生选择STEM学科，同样是保障我国STEM教育健康发展的关键因素之一。针对低代表性群体，可借鉴国际上有较好实施效果的政策文件、师资培训计划、奖学金激励机制等。针对高中阶段STEM科目生源流失的现象，可对学生进行选科指导和职业生涯规划，甚至可以建设特色STEM高中。

当然，最需要变革的是当前以纸笔测验成绩为主的评价方式，为STEM教育制定多维度的评价体系，纳入更多的过程性指标。例如，部分女生可能在逻辑思维上不具有优势，但其能够在STEM活动中设计出具有美感的产品，成绩中下的学生可能不擅长考试，但其拥有较强的实践操作能力，而“设计思维”“操作能力”都是“STEM素养”中的重要组成部分。通过多维度的STEM教育评价体系，此类学生的最终得分不会与传统意义上的“尖子生”形成巨大的差距，从而提升他们的自我效能感，促使他们选择STEM专业，达到优化STEM教育生源结构的目的。

4.实施“本土化”创新的STEM教育

在起步阶段充分借鉴和吸收国际STEM教育的理论、优秀案例、教学资源等，对于我国发展STEM教育具有极大的促进作用，但非长久之计。从国际STEM教育的发展历程可以看出，STEM教育是一个持续生长的理念，根植于一个国家的文化背景和教育传统，又受国家政策和意识形态的影响，并以国家利益为服务对象。

因此，我国在借鉴国际STEM教育经验的基础上需要做到“本土化”创新。STEM教育的理论基础是实用主义和建构主义[30]，进行STEM教育的“本土化”创新便需要从实用主义的角度思考“中国智造”背景下我国开展STEM教育的目的是什么，从建构主义的角度思考怎样的STEM教育才是适合中国学生的。

我国的STEM教育应与“中国学生发展核心素养”[31]对接，以培养社会主义现代化建设所需要的创新型人才、应用型人才和具有科学素养的公民为导向，同时在教学实践过程中充分考虑教师、学生、环境等多方面的因素。例如，农村地区的学校并非一定要效仿发达地区建设造价昂贵的STEM实验室或是虛拟实验室，教师也可因地制宜地开发自己的STEM校本课程，比如“农作物栽培技术”，通过带领学生种植西红柿、辣椒等农作物，领略育种知识，其中涉及生物学知识，搭建支架会涉及数学和工程知识，施肥涉及化学知识等，这便是一种“本土化”创新，既凸显了STEM教育跨学科融合、做中学的特点，又能够提升学生的STEM学业兴趣，为国家培养未来的科技人才。

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（编辑：李晓萍）