国际职前科学教师研究的知识图谱分析

林佳依 陈凯 陈博

摘   要：文章借助CiteSpace软件针对Web of Science数据库中2000年以来的相关文献，聚焦职前科学教师的研究文献制作知识图谱。发现相关研究关注职前科学教师科学素养，包括学科知识、认知层面，也关注课程开发对职前科学教师发展的促进。大多文献注重课程落实效果的证据挖掘，多篇应用实验法论证教师教育领域教学方法或教学策略的有效性;处理数据方法并不追求新颖、复杂的数理统计技术，而更加看重研究问题的实践意义;此外，国外对科学教师教育的关注点不再是表面的教学技能训练，而是学科知识和科学思维的提升。围绕职前科学教师主题的研究以实证研究为主，其中质性研究方法居多。

关键词：职前科学教师 知识图谱 研究热点 CiteSpace

一、研究背景

科学是人类认识世界的途径，科学素养水平决定着公民的思维方式和行为方式，是实施创新驱动发展战略的基础，是国家综合国力的体现，直接关系着一个国家和民族未来的发展。对中学生科学、技术、工程和数学（STEM）教育学习态度调查研究发现，中国中学生对未来可能从事理工科领域职业的意愿不强烈，对学科教师的喜爱会影响学习者学习态度甚至职业趋向[1]，科学教育的质量很大程度上与科学教师的水平相关，科学教师的专业发展既需要政策的支持，也需要学术界研究的推动。

科学教育起源于西方，我国的科学教师教育可汲取国际研究成果，促进我国相关学者对科学教师发展和职前培养的深层思考;也可以借鉴外国的研究范式和研究工具，开展基于证据的本土化研究活动。

笔者收录的我国职前科学教师研究的中文文献进行统计，发现近20年以来，我国研究职前科学教师的中文期刊论文201篇、学位论文353篇。此外，借助知网文献计量工具快速分析，发现我国近年研究职前科学教师的视角大多关注学校或院系层面的教学实践经验总结或改革愿景、职前教育的课程设置、师范生教育实习、职前科学教师课堂教学策略。实证研究成果主要集中在学科教学知识（PCK）的水平探究。

虽然已有多篇综述系统呈现国外科学教师教育研究进展，但是没有专门聚焦职前科学教师的研究。本文旨在对职前科学教师相关研究的主要机构、代表人物、代表作品、研究热点与前沿进行定量考查和可视化分析，通过关键词聚类确定职前科学教师研究的热点领域，探究目前研究焦点，以便国内学者借鉴。

二、概念界定

职前教师主要有以下三类：一是师范院校为主培养的中小学学科教育专业的在校生;二是有意愿从事教师职业并且正在参加职前培训的大学毕业生;三是尚未成为教师但已经获得教师资格证的社会人士。本文关注的职前科学教师主要指第一类，涉及专业领域包括物理、化学、生物、地理、科学教育等学科的职前教师。

科学知识图谱分析是科学计量学重要的研究方法之一，该方法以科学知识为计量研究对象、研究显示科学知识的发展进程与结构关系并以图形呈现。[2]本文基于Web of Science（WOS）检索平台收录的职前科学教师研究文献进行计量和可视化分析，绘制该领域的知识图谱，呈现2000年以来国际职前科学教师研究的主要热点、趋势与走向。

三、研究设计

（一）数据来源

本研究选择WOS的核心集合作为文献检索的来源，设定检索表达式如下：TI=（pre-service science teacher OR prospective science teacher） or TI=（pre-service chemistry teacher OR prospective chemistry teacher） or TI=（pre-service physics teacher OR prospective physics teacher） or TI=（pre-service biology teacher OR prospective biology teacher） or TI=（pre-service geography teacher OR prospective geography teacher），時间跨度为2000—2021年，截至2022年4月14日，共检索到1134篇文献。设定文献类型为文章（article）后，共检索到723篇。其中，部分文章的文献类型既被认定为文章，也被认定为其他形式，包括30篇书籍章节（book chapters）、18篇网络首发（early access）、7篇会议论文（proceeding papers）。本研究将723篇文献TXT格式的完整书目作为分析数据的来源，包括标题、作者、摘要、关键词、参考文献和来源出版物等。

（二）分析工具

本研究采用文献计量法，选用的可视化分析工具为CiteSpaceⅤ。CiteSpace是陈超美博士开发的引文网络可视化工具，通过Java语言对共现网络进行可视化，绘制本研究的合作作者可视图、关键词共现图、关键词聚类图。其次，对于知识图谱上的重要节点进行文献追踪，分析节点背后隐藏的信息。此外，结合WOS提供的数据绘制图表，进行年度发文量趋势分析，对相关领域的期刊刊登量和核心作者、机构、国家或地区排序并分析。

四、研究结果与讨论

（一）文献年度数量分析

统计2000—2021年的WOS核心合集数据所检索的相关文献数量，得到图1所示的逐年变化趋势，可以看出职前科学教师文献总体产出量情况，反映职前科学教师研究变化的趋势。

职前科学教师研究发展趋势可分为三个阶段，第一阶段（2000—2008年）为起步期，每年的发文量不超过11篇;第二阶段（2009—2016年）平均年刊载量约34篇，可见职前科学教师研究在该阶段受到了国际学者的关注;第三阶段（2016—2021年）进入爆发期，2017年国际期刊相关领域研究的发文量达77篇，2020年刊文达到99篇，可见针对职前科学教师主题的研究受到更多关注。572BD1D9-CF2D-4DE5-9C2A-EEF9CB69BCE3

（二）期刊刊载分析

期刊刊载分布能够反映一定主题研究领域的主要学术阵地。[3]统计发现，2000年以来，职前科学教师文献主要分布在205种权威期刊上，表1列出了载文量排名前5位的SSCI收录期刊。

除了表1列举的期刊之外，《科学教育》（Science Education）、《国际科学与数学教育》（International Journal of Science and Mathemtics Education）等期刊也刊登了较多关于职前科学教师研究的文章。

JBSE以波罗的海冠名，主要刊发爱沙尼亚、拉脱维亚、立陶宛三个国家的科学教育研究，每年出版6期。期刊较多关注学习概念、教学、学习环境和目标的主题[4]，强调实证范式。英国科学教育学术期刊IJSE每年出版18期，关注学前、中小学到高等教育的教与学，常常针对理论研究与教学实践之间的差距提供基于实证的意见，也提倡科学教育与多学科融合[5][6]。英国的CERP是国际上化学教育研究领域唯一被SSCI数据库收录的期刊，每年出版4期。该期刊多基于证据研究职前化学教师教育。澳大利亚的RSE主要关注与科学教育相关的学前教育、中小学教育和高等教育，也涉及工作场所和生活中的非正式学习。EJMSTE是在2005年创办的月刊，关注科学、数学、工程、技术教育。

（三）核心作者分析

對文献作者及其发布文献数量关系进行分析，既可以发现一定主题的高产作者，也可以作为判断研究共同体形成状况的重要依据[7]。在CiteSpace中对作者进行可视化分析，节点为作者名称，其大小代表发文数量，标签文字大小代表中心性，节点之间的结则表示作者合作关系[8]。通过图2，可以看出节点分散，节点之间的关联性不强，可见该领域研究缺少广泛的合作关系。

对WOS收录的期刊中发文量最高的五位作者（见表2）的研究成果进行分析，可以了解研究的前沿主题。埃尔杜兰是牛津大学教授，发表的8篇关于职前科学教师的论文主要集中在近三年。她的研究兴趣包括职前科学教师的科学本质（Nature of Science）[9][10]、认知和信念[11][12]。艾迪尼兹教授是土耳其田纳西大学的教授，关注职前化学教师对科学知识理解、教学技能的发展、 PCK和整合技术的学科教学知识（TPACK）发展。土耳其大学的博兹教授和艾迪尼兹教授合作密切[13][14]，研究兴趣涉及职前化学教师的TPACK发展[15]以及教学信念[16][17][18]。德国莱布尼兹科学与数学教育研究所的克雷尔教授关注职前科学教师的科学推理能力评估[19][20]，并注重他们的科学本质观教育[21]。

（四）国家或地区发文量统计

关注发文作者所属的国家或地区可以衡量国家或地区的科研产出绩效情况，反映科研产出的地区分布。表3为职前科学教师研究发文量较多的国家和地区的统计。

由表3可以发现，土耳其、美国、西班牙、澳大利亚、印度尼西亚、韩国是在本领域发文量35篇及以上的国家。除了学者个人研究兴趣，成果的集中产出离不开国家对科学教育的重视。本文以排名前2位的国家和亚洲排名最高的国家之一为例，介绍其促进科学教育与科学教师教育的举措。土耳其在本主题领域研究成果丰硕和其重视职前教师培养密不可分，近年来土耳其对科学教师教育进行改革，提高教师教育工作的质量，倡导师范生主动学习，深刻理解科学概念、教育概念，强化教学技能[22]。2000年经济、教育都比较落后的土耳其在世界银行、国际货币基金组织、经济合作与发展组织等国际机构指导下，积极改善正规教育;为了更好融入欧盟延长了义务教育的年限，倡导以核心素养作为终身学习的基础[23]。2012年土耳其立法决定将义务教育年限从8个增加到12个，努力提高教育质量和参与率[24]，提倡年青人应该接受完整的中等教育——对科学教师的需求量有所提升[25]，在一定程度上促进了职前科学教师教育的变革与研究。此外，土耳其专门设立了《欧亚数学、科学与技术教育》（Eurasia Journal of Mathematics， Science and Technology Education）（SSCI来源期刊）、《土耳其科学教育》（Journal of Turkish Science Education）、《土耳其教师教育》（Turkish Journal of Teacher Education）期刊，为科学教育研究、科学教师专业发展提供较高的学术平台。重视科学教育和科学教师教育，使土耳其学生在国际学生评价项目（PISA）和国际数学与科学学习趋势项目（TIMSS）测试中的科学成绩保持稳定。此外，2021年世界知识产权组织（WIPO）公布的全球创新指数（GII）排行显示，土耳其在西亚和北非地区排名第四，排名大幅度上升。

美国科学教育一直走在国际前列，不遗余力地改革使其科学教育研究充满生命力。近年来陆续出台的重要政策，为科技发展做保障。2012年的《K-12科学教育框架：实践、通用概念与核心概念》和2013年《下一代科学教育标准》，对国际科学教育改革影响巨大。此外，2020年国家科学教师协会（NSTA）后修订的《科学教师培养标准》更加关注职前科学教师的学科内容知识，补充对科学本质和科学文化的要求，强化对工程和技术、交叉概念、学科观念的理解，突出学习进阶规律在职前科学教师培养中的应用。此外，该版《标准》在学科教学法、学习环境、安全、对学生学习的影响等维度都做出相应的改动，以学术研究支持科学教师培养。[26]

在有关国际科学测试（PISA，TIMSS）中，韩国学生取得了较好的成绩[27]。1949 年，《韩国教育法》颁布，明确规定了科学教育的内容，提出要“培养学生的探究精神和科学思考力”，特别规定要重视“科学教育、实业教育和师范教育”。1973 年，韩国提出科学立国政策，提倡“全民科学化”，强调科学教育振兴国家[28]。1991 年，韩国政府又实施 G7 计划，通过培养青少年的科学探究能力来实现“科技立国”。自此，加强科学技术教育成为韩国的重要战略。1999 年韩国教育部门制定了科学教育国家标准，标准包括 6 个部分：教育目标、学校课程、科学教学、教师、教育环境和评价。科学教育在韩国经济发展中发挥了巨大作用，以立法的形式为中小学科学教育提供政策保障，在培养体制、课程设置、培养目标、职后培训等多方面采取措施确保科学教师的素质，对职前科学教师的研究也给予了强有力的支持。[29]572BD1D9-CF2D-4DE5-9C2A-EEF9CB69BCE3

近年来我国内地（祖国大陆）与港澳台地区学者在国际期刊频频发声，发表的职前科学教师研究领域国际论文数量排在第八位，彰显我国学者在本领域的国际影响力。

（五）关键词分析

关键词概括了文献的核心，可用于确定职前科学教师研究的热点领域。利用CiteSpcae软件进行关键词共现分析，共得到444个节点，1585条连线（见图3）。

从文献计量学角度看，可以从文献共被引网络的聚类结构来分析某研究领域的热点和研究方向[30]。将文献共被引关系通过自动抽取施引文献的关键词或名词短语产生聚类（cluster）标识，用以归结研究聚焦点，每一个聚类可以被认为是一个聯系相对紧密的独立研究领域[31]。本研究图谱共自动识别出10大聚类，得出2000—2021年职前科学教师研究的热点（见图4）。

1.职前科学教师的学科知识

科学素养普遍被概括为三个方面：了解科学知识，了解科学的研究过程和方法，了解科学技术对社会和个人所产生的影响。其中，职前科学教师的学科知识是近20年来的研究热点。通过关键词聚类图可以发现，最大的聚类是迷思概念（#0 misconception），即由于对科学概念或现象错误的思考和理解而产生不正确的观点或意见。结合相关文献分析，该聚类主要通过问卷调查、测试诊断、实验研究、访谈等实证性的研究方式探究职前科学教师在教学和学习中遇到的迷思概念，并提出特定的培训和教学干预等途径来帮助职前科学教师深刻理解相关概念，从学科理解的层面强化教师的科学素养。

第二大聚类是学科内容知识（#1 subject matter knowledge），归属该类的高频关键词有“教学内容知识”“成就”“专业发展”“技巧”等。通过对相关文献的阅读和整理发现，职前科学教师的学科知识与其职业发展有关，且促进其科学论证思维的培养。

教师的专业知识是检验教师教学质量的重要指标之一，美国颁布的《科学教师培养标准（2020年版）》第一条准则就是学科内容知识。科学学科更具有独特的知识性特征，其追求对物质、生命科学及宇宙空间世界的探索和认知，并且科学知识会随着科技前沿的发展而更新。[32]因此，对科学教师的知识要求通常高于一般学科。但事实上，职前科学教师由于生活经验、学习经历的影响，本身就存在很多对概念的误解，因此研究这个特殊群体的迷思概念、学科基础，发现其可能对中小学生的影响从而调节教学着力点至关重要。

2.职前科学教师认知结构

认知层面（#2 perception），相关研究关注较多的是职前科学教师的自我效能，对科学课程的看法和适应性。此外，职前科学教师作为未来的科学教师，对于“科学”和“科学家”的看法体现了个人的价值观，隐性地影响着学生的科学信仰和能力。

自我效能指的是衡量个体对自身完成某项任务和达成目标能力的信念的程度或强度，职前科学教师的自我效能与教学信念相关，且受多种因素的影响，对职前教师的自我效能水平的测试有助于理解他们的教学和学习行为。针对科学教师的自我效能感测评的量表已经被开发出来：适用于在职教师的科学教学效能信念工具表 A（STEBI-A）和适用于职前教师的科学教学效能信念工具表 B（STEBI-B）[33]。阿巴奥米（Abayomi）和丹尼尔（Daniel）利用STEBI-B表测试了尼日利亚的初中和高中职前科学教师，发现不同学段的职前科学教师的自我效能感没有差异[34]。职前小学科学教师对生物和地理有着积极的情绪，对物理和化学主要持消极情绪，但高的自我效能感能减少这些职前教师的消极情绪[35]。因此，在教师教育阶段要将提高师范生的自我效能感列入教学目标，尤其是对于学科知识较为困难的物理和化学师范生，以避免他们因为认知困难而产生情绪低落。

除了职前科学教师自我效能感研究，职前教师个人对课程的看法、对“科学”和“科学家”的看法也是研究的重点。例如，对温室效应课程的态度[36]、应用三元教学法的科学—技术—社会的课程对职前科学教师态度的影响[37]。

科学课程改革不断推进，但科学学科和科学发展的本质万变不离其宗。科学是个体终身受益的学科，科学家是从事科学工作的人。职前科学教师对“科学”和“科学家”的看法，在一定程度上决定他们创新教学设计的取向，也能间接影响未来学生对两者的观念。[38][39]启发职前科学教师教育不仅要关注学习者对课程改革的接受程度，还要从科学发展史中汲取养分，发现知识的来龙去脉和社会意义，从而树立正确的科学价值观和信仰。

科学教育的目标之一是培养学生的科学本质观，实现这一目标的前提是教师应具有科学本质观。因此，职前科学教师对科学本质（#3 nature of science）的认知也是教师教育者和学者感兴趣的话题。一是学者们热衷开发独特的课程，通过个案研究和实验研究证实教学干预对职前教师对科学本质的理解和认识产生的积极影响。[40][41]二是职前科学教师对科学本质的看法受其他因素的影响。例如，亚尔钦（Yalcin）在调查过程中发现不同年级的职前科学教师对科学本质的看法存在无规律的差异。[42]三是信念会影响个体对科学本质的理解，科西奥格鲁（Koseoglu） 调查发现信念（先天的学习能力和学习时间）对科学定义和客观性的理解产生负作用，而对科学知识的理解产生正向作用。[43]

3.项目式学习模型

项目式学习（problem based learning，PBL）是一种基于项目的学习方法，学生通过长时间的工作来调查和回应真实、引人入胜和复杂的问题或挑战，从而获得知识和技能。它强调学生在真实情境下学习，基于开放的驱动性问题，研究真实的、有学科价值的社会问题，培养学生的社会参与意识，最终达到促进学生核心素养形成与发展的目的。[44]塞诺卡克（Senocak）等人开设了PBL课程，通过设计PBL课程与传统课程实验的对照发现，PBL课程促使职前化学教师对化学学习的态度更加积极，提升自主学习、合作学习和批判性思维等技能。[45]572BD1D9-CF2D-4DE5-9C2A-EEF9CB69BCE3

科技和技术的道德伦理是科学素养讨论的一部分，基于 PBL 的科学技术伦理教育的科学课堂环境创设十分必要。通过周期性课程实施，李和崔（Rhee & Choi）认为教师教育者应该有计划地、有效地提高职前科学教师对科学技术伦理和教育的认知，从而引导学生树立正确的道德观。[46]

（六）高频被引文献分析

表4列出了排名前10位的高被引文献，并呈现被引频次最高文献篇名、年份、频次、研究内容、研究方法。这些文献内容涉及职前科学教师的信念、概念建模、备课与教学反思、PCK、科学探究、“做中学”、科学本质、社会性科学议题等，近年来也越来越为国内学者关注。

值得借鉴的是，这10篇文献全部为实证研究，有8篇为定性研究，多采用访谈、课堂观察或视频分析、文本分析等方法收集数据，基于证据分析职前科学教师部分问题的历程或机理，相较于采集样本数较多的定量研究来说，虽然未必具有普适意义，但是深入的个案探讨有助于后续研究者的借鉴，也有利于教师教育工作者对职前科学教师的深度理解。10篇中唯一的一篇定量研究通过调查韩国的职前科学教师对社会科学问题（SSI）的看法，此类研究一改传统的教学和学习研究视角，围绕社会性科学议题探索职前科学教师的生态观、世界观、社会责任和伦理道德观念展开讨论。其中另外一篇为混合研究，通过设计教师技能培训课的对照组调查职前教师关注、分析和回应学生思维的能力， 结合参与者的书面课程计划、教学视频分析，发现参与培训的职前教师更能关注到学生想法。

五、小结

首先，针对职前科学教师的研究关注度逐渐上升，从刊载量上看，关注职前科学教师研究的核心学术期刊达205种，其中JBSE刊载最多。从作者和国家上看，土耳其与美国高校成为本领域研究的主要阵地，中国学者虽然发文不多，但经开始在国际学术领域发声。

其次，通過关键词聚类分析发现职前科学教师研究围绕科学素养的培养开展，包括职前科学教师学科内容知识的探讨，尤其是迷思概念产生原因和理解方法;职前科学教师的认知结构、自我效能感、对课程的看法、科学本质观等都是倍受关注的焦点。同时，面向职前科学教师的项目式学习课程开发和实施，有助于促进职前科学教师科学学习态度的转变，培养批判性思维。

最后，通过近年来高被引文献的内容分析，可以发现值得本土化研究的借鉴之处：在研究范式上，国际研究热衷采用实证研究范式，其中高被引文献从定性研究居多，相较于我国以思辨总结的研究范式，运用更权威的数据使研究结果更有说服力。国外学者尤其注重教学干预下的实验研究，不限于了解现状和分析问题，注重干预行动影响效果的评测。在研究内容上，既有我国学者已经关注的职前科学教师PCK和教学信念问题，也有非常独到的研究视角，如社会性科学议题与职前科学教师的科学伦理问题。

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編辑 王亭亭   校对 朱婷婷

作者简介：林佳依，澳门大学教育学院硕士研究生;陈凯（通讯作者），南京晓庄学院环境科学学院副教授;陈博，南通大学化学化工学院副教授

基金项目：江苏省高校哲学社会科学研究一般项目“基于数据挖掘的科学教师专业成长历程研究”（编号：2021SJA0465）572BD1D9-CF2D-4DE5-9C2A-EEF9CB69BCE3