STEM教育国内外研究进展及走向

董彦

摘  要：作为全球教育教学改革研究的热点领域，STEM教育在我国中小学学校教育和社会教育培训广泛开展。以定量与定性方法相结合，通过Citespace 软件知识图谱分析挖掘国外STEM教育研究历程的知识结构、学科发展脉络与研究热点，以此归纳我国STEM教育的三大研究走向及发展趋势，即STEM教育生态系统、STEM教育课程体系、STEM教育评估模式。未来应持续关注STEM教育的生态系统、课程体系、师资培养，加强STEM教育评估体系方面的研究。

关键词：STEM教育;国内外研究文献;CiteSpace;研究走向

中图分类号：G711     文献标识码：A    文章编号：2096-3769（2020）06-070-06

STEM教育理念正在引领国际科学教育思潮，是当今全球范围内课程与教学改革的发展趋向，也是深化我国中小学素质教育的实践转向。STEM教育是基于科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的跨学科教育，美国国家科学技术委员会STEM教育委员会（CoSTEM，2011）定义STEM教育为“主要集中在物理和自然科学、技术、工程和数学学科、主题或问题（包括环境科学教育或环境管理）的正式或非正式的教育”[1]。对于这种“重实践的跨学科教育理念和教育模式”，我国《教育信息化“十三五”规划》强调，要“创新教育形式，探索STEM教育”。STEM教育提倡让青少年和儿童动手完成他们感兴趣的科学项目，在问题探索和解决过程中培养学生更多元化和更具创新性的探索精神。2017年中国教育科学研究院成立STEM教育研究中心，2018年“中国STEM教育2029创新行动计划”全面启动，这使STEM引入中国少儿启蒙教育（如乐高编程）和中小学创新教育（如江苏省青少年科技中心的STEM项目）进入快车道。

由于国外对STEM教育的关注比较早，我国对于STEM教育的研究始于2008年左右 ，因此本文对国内外研究文献的起始年限定为2008年，为十二年的研究周期。国外研究文献为Web of Science 核心合集，国内研究文献为CNKI源数据库的CSSCI。与历时长久、持续保持研究热点的国外WoS文献相比，我国STEM教育研究的CSSCI文献极为不足，起步较晚（2010年初只出现2篇），零星不稳且呈现断线，明显缺乏系统化。本文将全面梳理和深入挖掘国内研究文献，并借鉴国外经典文献和研究动态，探讨我国STEM教育的研究趋势。

一、国外STEM教育研究进展与热点

（一）文献来源与分析方法

国外STEM教育的研究文献过于庞大，美国德雷塞尔大学陈超美教授开发的CiteSpace软件能够把研究主题的演进情况和最新趋势进行可视化呈現，清晰直观解读学科的研究进展、热点前沿与发展趋势。因此，本研究使用新版本Citespace V软件，绘制国外STEM教育的科学知识图谱。为了准确掌握STEM教育的研究热点与趋势，本文以WoS核心合集中SCI、SSCI和A&HCI三大数据库收录的十年来STEM教育研究为文献来源。以“TS=（STEM education）”为主题，检索时间节为2008-2019年，共检索出相关研究文献4496篇（检索时间：2020年1月24日）。

从文献来源国别上看，载文量排名前十的国家依次为美国（2562）、英国（249）、澳大利亚（175）、加拿大（162）、西班牙（148）、德国（115）、土耳其（93）、中国（85）、荷兰（59）和巴西（56），我国学者属跻身国际STEM教育研究的学术主流之列。

（二）关键词共引分析

本文通过关键词共引分析来鉴别STEM教育的主要研究方向和研究热点。为了对国外STEM教育研究的关键词进行共引分析，笔者利用CiteSpace进行了以下数据处理：节点类型设定为关键词，然后绘制出关键词共引分析的知识图谱，如图1所示。其中共有251个关键词圆形节点，有1175条连线，密度为0.037。

根据数据处理条件，结合STEM教育研究关键词共引分析和关键词频数中心性数据表可以看出，根据关键词的属性和主题进行归类与合并，发现主要热点主题分布在STEM教育、科学教育、学生、性别等项目上。

（三）文献共被引分析

在文献综述中，早期的奠基性文献和共被引频次和中心性都比较高的关键节点文献形成STEM教育的研究脉络，组成STEM教育的重要知识基础，特别是对相关研究产生重大影响的种子论文。根据数据处理条件，输出高被引文献简表，如表1所示。此类关键文献构成有代表性的文献，研读下列高被引文献有利于深入探讨STEM教育研究的知识基础。

借助Timezone视图对研究趋势进行分析，其中教育学、科学、工程、多学科、工程电气和电子、计算机科学、心理学、工程学、商业和经济学等学科都对STEM教育研究有涉猎，各学科之间又彼此联系、相互交叉、有所渗透。结合软件突现检测算法选择突现词，并筛选突现关键词运行分析，结果表明：2015年“机器人技术”受到关注，2014年“基于项目的学习”受到关注，2012年“环境”和“学业成绩”受到关注，2010年“竞赛”受到关注，2009年“健康”备受关注，“质量”和“课程”也成为关注点。

二、国内STEM教育的研究走向及发展趋势

如上所述，西方发达国家均出台各项政策措施加大STEM教育，而美国、英国、澳大利亚、加拿大等国STEM教育研究成为显学热门。2018年，澳大利亚启动了堪培拉大学负责的“澳大利亚早期学习STEM”（ELSA）项目试点工作。结合以上国外STEM教育研究进展的图谱分析，可以归纳我国STEM教育的三大研究走向及发展趋势：STEM教育生态系统、STEM教育课程体系、STEM教育评估模式。

（一）STEM教育生态系统

当前，我国STEM 教育还刚起步，在进行规划时可以借鉴其他国家的经验进行顶层设计。除了学校STEM教育，从更为整体的视角出发，美国国家科学研究委员会（NRC）（2015）对校外STEM项目的全面评估，主要从个人、项目和社区等三个层面科学评估STEM学习生态系统[9]。借鉴欧美各国推进STEM政策的先进理念和实践，重视STEM项目的交流平台建设和非正式组织及多部门协同，打造一体化STEM教育创新生态系统。

1. 强化STEM 教育政策顶层设计

对于STEM教育的重大改革，国家政策层面上的顶层设计尤为关键。祝智庭和雷云鹤（2018）指出，“在中国，STEM教育刚刚受到关注，虽已进入国策视野，但尚未形成总体实施方案。”[10]我国虽然已在大力推动STEM教育，但尚缺乏支持STEM教育发展的国家战略和专门政策，因此，目前亟待结合我国国情，强化STEM教育政策顶层设计，促进STEM教育的本土化发展。

从国家层面上我国也正在积极制定STEM教育的顶层设计与发展规划。教育部发布了各种相关政策，提出要明确我国STEM 教育发展任务，探索我国STEM教育模式，完善我国STEM课程体系。需要强调的是，在进行STEM教育战略的顶层设计时，应统筹考虑我国的产业发展、人才国情和教育现状。

2. 打造STEM教育生态系统

在具体实践上，我国STEM教育缺乏连续性和系统性，国家应统筹构建良好动态的STEM教育生态系统，涵盖STEM教育的环境建设、平台建设、师资建设、课程开发、跨学科教学实践、模式成果等各部分及其体系，在国家层面制定战略、标准规范、行动指南，地方政府层面上保障支持、示范推动、监测评估，高校与学术机构层面上进行科研引领、课程衔接、培训指导，企业与社会机构层面上资源协同、课程服务、技术支持，中小学校层面上营造环境、引育师资、建设课程，系统推进我国STEM教育的跨越式发展。

近年来，在国际STEM项目实施和评估推动下，许多青少年宫、博物馆、科学馆以及一些专门性的STEM机构成为我国校外STEM教育的实施主体。然而，当前我国STEM教育缺乏必要的系统衔接，亟待各类STEM教育资源进行统筹，以协同机制与社会合力共同提高STEM教育的联动。应设立促进STEM教育的专门管理机构，整合各类STEM教育力量，参与STEM教育规划及其资源建设，并加强全媒体传播，营造重塑全社会重视的STEM教育新环境，构建一体化的STEM教育生态系统。

（二）STEM教育课程体系

面对当前STEM教育热点及发展趋势，对STEM教育要加快其本土化，加强学科整合，构建科学有效的STEM 教育课程体系，开展职前职后的STEM专业师资培养。

1. 推进学科整合的STEM教育实践应用

对于STEM教育来说，其核心特征是跨学科性。学生STEM素养提升一定要关注学科整合。Choi等（2016）认为基于项目的STEM教育可提升学生学习成就，有助于引导学生解决整合设计、技术和科学的综合性问题[11]。STEM整合多学科领域的学科知识，通常源于真实问题和实际情境，依托适当的学科整合，将四门学科“构建成一个综合性的课程体系”。

相比于MOOC（慕课）、微课、翻转课堂，我国的STEM教育起步较晚，目前存在如何把STEM教育与信息技术深度融合、如何促进跨学科协作教学、如何将STEM教育有机融合于学校课程体系、如何以有效评价体系做科学全面评估等诸多挑战。因此，推进学科整合的STEM教育实践要注重以真实情境为切入点，如将创客教育理念与STEM教育进行融合，推动STEM教育的实践改革与理论创新。

2.构建科学有效的STEM 教育课程体系

对于构建科学有效的STEM 教育课程体系，国际上已有STEM课程整合模式的探索和突破。国际技术与工程教育协会（ITEEA）联合STEM教学中心，基于美国《共同核心州立教育标准》（CCSS）、《技术素养标准：技术学习的内容》（STL）、《下一代科学教育标准》（NGSS）、工程思维（EHoM）等四大全国性课程标准，组织STEM教师、课程管理员、教师培训者开发了STEM整合教育模式（I-STEM模式），I-STEM全面贯彻K-12，参照STEM各类学科的课程标准，整合STEM教育的课程、教学及其评价。

STEM教育课程实施是一项系统工程，也是一个渐进发展的过程，周鹏琴等（2016）研究发现，与美国相比，我国各类STEM教育资源缺乏结构性和系统性，也缺乏课程、教学及其评价的整合一致性[12]。因此，必须全面厘清我國实施STEM教育课程面临的系列问题，系统考量课程目标、课程内容、课程实施、课程功能、课程管理和课程评价等基本要素，构建科学有效的STEM教育课程体系。管光海（2017）基于STEM整合教育模式的背景、内容和特点，提出应持续注重STEM课程、教学和评价的系统设计，紧密围绕跨学科核心概念整合STEM教育，特别是要建设融入STEM的学科课程标准，并建设STEM教育相关学科课程标准[13]。

3. 开展职前职后的STEM专业师资培养

为有效开展和系统推进STEM教育，STEM教育的师资培养首当其冲。美国颁布了一揽子报告、法案和政策，如《有效的STEM教学法案》《STEM优秀教师队伍建设法案》《STEM教师的教育与指导支持法案》等，其他如美国教师教育院校联盟（AACTE）2007年发布的报告《培养STEM教师：全球竞争力的关键》、2010年发布的《培养与激励：为美国的未来实施K-12阶段STEM教育》，举办基于实践和课程的教师培训项目，通过校内校际、同企业及专门机构合作等途径，持续提升STEM专业师资质量。有鉴于此，为尽快解决当前我国STEM教育师资匮乏及教学质量参差不齐的急迫问题，有效提高STEM教育质量，必须加强STEM教师的职业能力和素质培养，开展职前职后的STEM专业师资培养。与传统学科教学相比，STEM教育更重视以知识整合解决实际问题，所以对课程设计与STEM教师的要求层次更高。但因为缺乏对跨学科整合教学的深入领会，多数STEM教师并不了解跨学科STEM教学的影响和意义，因此STEM教师专业发展可能尚不足以支撑有效的STEM教学。为此，一方面要注重STEM教育职前教师的培养，对于新入职的STEM教师定期进行经验交流;另一方面，Siew等（2015）研究表明，STEM专业发展研讨会可为教师在其STEM教学中采用创新的、有效的、基于项目的STEM方法提供所需的智力支持[14]。应基于问题开展研究，组建跨学科研究团队，丰富STEM专业发展培训形式，将STEM教育理念与实践经验紧密结合。此外对STEM教育教师的职后培养需要打破分学科教师培养的传统模式，协同学校、家庭、企业、社区和科研机构，共同探索综合化和跨学科的师资联合培养模式。

[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，雷云鹤.STEM教育的国策分析与实践模式[J].电化教育研究， 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]周鹏琴，徐唱，张韵，等.STEM视角下的美国科学课程教材分析——以FOSS K-5年级科学教材为例[J].中国电化教育，2016（5）：25-33.

[13]管光海.基于标准聚焦核心概念的STEM整合教育模式——美国I-STEM模式的特点及启示[J].开放教育研究，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]江丰光，蔡瑞衡.国内外STEM教育评估设计的内容分析[J].中国电化教育，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）阿爾帕斯兰·沙欣（I. Sahin）.基于实践的STEM教学模式：STEM学生登台秀（SOS）[M].侯奕杰 ，等，译.上海：上海科技教育出版社，2016.

[18]（美）罗伯特·M·卡普拉罗（R. M. Capraro）等.基于项目的STEM学习——一种整合科学、技术、工程和数学的学习方式[M].王雪华，屈梅，译.上海：上海科技教育出版社，2016：28.

[19]马永双，蔡敏.中美STEM教育研究的文献计量学分析[J].比较教育研究，2018（2）：104-112.