国际STEM教师教育研究的热点与趋势研析——基于Web of Science合辑的数据

杜丽静 杨晓露 陈 翠

(1.绍兴文理学院 教师教育学院，浙江 绍兴 312000；2.苏州科技大学 教育学院，江苏 苏州 215000)

引言

随着新一轮科技革命与产业变革的深入发展，高质量创新型人才培养成为世界各国提升综合国力的战略共识[1]，以美国为首的西方国家率先掀起一场STEM教育风潮。1986年，美国国家科学委员会发布了《本科的科学、数学和工程教育》报告，提出“科学、数学、工程和技术教育集成”(integration of science, mathematics, engineering and technology)的建议，这一建议被视为STEM教育(Science、Technology、Engineering、Mathematics)的开端[2]。此后，美国陆续出台了一系列STEM教育的相关政策，尤其是2015年10月，时任总统奥巴马签署的《STEM教育法》正式生效，标志着美国STEM教育改革政策完成了迈向法制化进程的转变[3]。经过几十年的发展，美国的STEM教育走向平稳，引领着世界各国STEM教育的探索与实践[4]。德国、英国、澳大利亚、日本、韩国、中国(大陆、香港地区、台湾地区)等相继结合自身国情，发布相关政策，有序推动STEM教育在各个教育阶段的实践。

发展STEM教育需要卓越的STEM教师[5]，他们必须具备丰富的相关教育素养，能够围绕一个情境中的核心问题，凝练科学、技术、工程概念和数学领域的知能，统整地解决复杂问题的思想、行动及能力[6]，细分包括STEM问题意识、新信息能力、STEM理念、处理问题和输送数据、做出选择的能力[7]。再完美的教育改革蓝图，若教师STEM素养不足，在实践中仍然会面临巨大的挑战，缘此，各国着力开展STEM教师的职前职后教育。譬如，美国奥巴马政府发布《联邦政府STEM教育五年战略计划》，不断培养K-12阶段的优秀STEM教师[8]。澳大利亚推行《2016-2026国家STEM学校教育战略》,提升教师STEM的知识、思维、教学能力和教育自信[9]。马来西亚与美国建立了合作关系，于2013年发布了《马来西亚教育蓝图》，提出通过加强教师的STEM训练推进STEM教育品质[10]。我国教育科学研究院于2018年也颁布了《STEM教师能力等级标准》，从STEM教育价值理解、STEM学科基础、STEM跨学科理解与实践、STEM课程开发与整合、STEM教学实施与评价五个层面加强STEM教师教育[11]。综上，伴随着近十年来各国STEM教师教育的大力推行，一些富有创见的相关研究喷涌而出，然而，这些研究的现实情况、热点分布以及前沿趋势并未得到系统梳理。

Web of Science(简称WOS)是全球最大、覆盖学科最多的综合性学术信息资源平台，收录了自然科学、工程技术、生物医学等各个领域最有影响力的高品质资料库，旨在支持全世界的科学和学术研究发展[12]。WOS核心合辑由五大引文索引资料库和2个化学资料库组成，包括教育领域、科技领域学者耳熟能详的Science Citation Index Expanded(SCIE)、Social Sciences Citation Index(SSCI)、Conference Proceedings Citation Index-Science(CPCI-S)等[12]。由于WOS在全球学术领域的影响力最大，收集的学术论文最全，本文选择WOS中STEM教师教育领域的学术论文进行文献计量学分析，具有一定的学术参考价值。

一、研究设计

(一)研究问题

近十年国际上STEM教师教育研究的现状，主要研究人员、机构、国家合作网络情况，以时间线性为参照的研究发展趋势，对未来STEM教师教育领域的学术研究的重要启示。

(二)数据获取

本研究以Web of Science 作为检索平台，选择核心合集数据库为主要文献来源，检索主题词设定为“STEM教师教育”，即“STEM teacher education”和“teacher education of STEM”，时间跨度选为 2011—2021年，精炼教育研究、教育学科两类，剔除会议记录、书评等非研究性文献，保留1 401篇STEM教师教育领域的期刊论文。

(三)分析工具与分析方法

本研究利用CiteSpace5.8软件进行可视化分析，研究现状的分析维度包括发文数量、作者和研究机构与地域的合作及贡献度，研究热点的分析维度包括共被引关键词的图谱分析与聚类分析，趋势分析的维度是时间线性分析和突现词图谱。

二、研究结果分析

(一)发文数量分析

自STEM教育思潮席卷全美乃至全球，STEM教师教育的学术研究相继涌现，每年的发文数量由少到多，呈现出逐渐上升的态势。2011年至2016年，STEM教师教育领域的发文数量不多，增长缓慢，每年增幅在20篇之内,只有2016年比上一年略增22篇。相较而言，2017—2020年的发文增幅较大，每年增幅20～40余篇，但2021年发文数量有所回落(见图1)。从趋势图可见，2021年STEM教师教育领域的发文量是2011年的9.2倍，增长态势格外明显，这也说明，随着时间的推移，尤其是从2016年开始，该领域受到更多学术研究者的青睐，是当下研究者迫切想深入探讨的领域。

图1 2011—2021年间STEM教师教育研究发文量趋势图

(二)作者、机构及国家合作网络分析

特定研究领域的作者群体分析，一方面可以了解“谁”是该领域贡献较大、影响较强的学者；另一方面，可以探析存在哪些合作群体，作者彼此之间的合作情况如何。从作者的可视化图谱分析，本领域核心作者的最低发文数为4.49篇，只有3位学者的论文贡献达到核心作者的发文数量，(Rushton)(6篇)、台湾学者林坤谊(6篇)、美国学者凯利(Kelly)(5篇)(见图2)。有7位学者十年各贡献了4篇，16位学者各贡献了3篇，90位学者各贡献了2篇，发表总数为273篇。依据普莱斯定律，同一主题中，半数的论文为一群高生产能力作者所撰写，作者集合的数量上约等于全部作者总数的平方根[13]。但本领域贡献度略高的作者集合发文量远远低于总量的50%，说明STEM教师教育领域尚未形成稳定的研究群体，需众多研究者集中精力深入探讨。从领域内被引频次看，凯利(2016)(F=53)、英格丽斯(English)(2016)(F=35)、玛戈特(Margot)(2019)(F=22)、巴顿(Patton)(2015)(F=21)的文章在行业内引用的频次相对较高，说明这些学者具有略高的学术传播力和影响力。所有文章中，托宾(Tobin)(2012)、瑞安(Ryan)(2014)、理查兹(Richards)(2014)、惠勒(Wheeler)(2017)的度中心性是14，这些文章在领域内影响力较高。

现有研究中以作者单独研究为多，少数作者形成相对稳定的合作关系(见图2)。如鲁什顿、法林(Fallin)、单(Shan)和雷(Ray)组成相对稳定的研究合作群，霍瑞根(Hourigan)和利维(Leavy)是长期的共同研究者。这些合作研究群彰显不同的特点，前者中作者学术领域各异，优势互补，形成彼此契合的研究团队；后者作者研究领域趋同，属于志同道合的研究伙伴。例如，鲁什顿擅长K-12 STEM教师的领导力研究，法林和雷具有统计与分析科学的专长，单精通化学，几位研究者经常合作，致力于STEM领域的教师教育研究。再如，霍瑞根长年深耕STEM教育和职前教师教育，利维也是STEM教育的资深研究者，同时兼任SSCI知名期刊《教师教育》(Teacher Education)期刊的编委。由图谱分析可见，该领域处于相对分散的研究状态，仅有小团体的合作形式，且合作关系多为两人合作，力量较弱。

图2 作者网络共现图

2.核心研究机构及其合作分析

研究机构可视化图谱显示，STEM教师教育领域的科研贡献大部分是由大学所做出的。306所机构中有296所大学，排名前五的分别是明尼苏达州大学(University of Minnesota)(25篇)、利默里克大学(University Limerick)(21篇)、普渡大学(Purdue University)(20篇)、德克萨斯理工大学(Texas Tech University)(19篇)、密歇根州立大学(Michigan State University)(19篇)，其他机构则是中学、科研机构、STEM中心，但数量极少，说明大学教育工作者对STEM领域中的教师教育议题更为投入。这一研究现况与大学的支持力度和科研平台紧密相关。普渡大学教育学院和科学学院联合成立了STEM教学与学习中心，该中心的使命就是致力于幼儿园到高中(K-12)的STEM的教学和学习，为全球STEM工作者提供有效的教学材料，开展STEM教师工作坊，传播STEM教学信息。密歇根州立大学获得国家科学基金会支持，成立了STEM机构，专门支持研究者开发开放性STEM教育资源，为教师提供相关知识，提升教师的STEM素养。需要强调的是，我国一些知名大学亦为世界STEM教师教育研究提供了重要的中国智慧，如北京师范大学(7篇)、华东师范大学(5篇)、台湾师范大学(18篇)、香港中文大学(9篇)、香港教育大学(7篇)等。

研究机构之间产生了纵横交错的合作网络，出现了典型的合作中心。如北卡罗来纳州立大学(North Carolina State University)、利默里克大学(University Limerick)、普渡大学(Purdue University)、德克萨斯理工大学(Texas Tech University)以及密歇根州立大学(Michigan State University)，这些具有影响力的大学和其他大学产生的合作多是单次，仅有肯塔基大学(University Kentucky)、科罗拉多大学(University Colorado)、波士顿大学(Boston University)与加利福尼亚州立大学(California State University)建立稳定的合作关系，产生交错的紧密合作(见图3)。

图3 机构网络共现图

3.国家合作网络分析

根据国家合作网络图谱分析，以美国为首的发达国家在本领域的学术贡献较大，中国研究智慧在西方云集的学术力量中做出独特贡献。80个国家中，美国发文量最多(493篇)，文献半衰期为6.5年，第二是澳大利亚(83篇)，发文篇数是美国的17%，与美国的差距较大，文献半衰期为7.5年，后续的第三名土耳其(48篇)、第四名英国(47篇)和第五名中国(42篇)差距不大，文献半衰期均为6.5年。

项目申请指南发布之前大约2年，美国国立卫生研究院各研究所开始提出意向性的研究计划建议，听取并综合各方意见建议，经各研究所顾问委员会等讨论通过后，编入美国国立卫生研究院预算计划和白宫总统预算，最后报国会批准。批准同意后，所有申请指南正式在美国国立卫生研究院、Grants.gov等网站发布，申请指南主要分为项目声明（Program Announcement，PA）、专项申请（Request for Applications，RFA）和自由申请指南（Parent Announcement）3类，其中涉及临床试验的申请要符合特别制定的申请指南要求。

从国际合作来看，当前的STEM教师教育领域的研究呈现出几个关键的合作中心，最突出的是美国，美国具有得天独厚的学术优势，与西班牙、澳大利亚、以色列、马来西亚、印度尼西亚等建立的合作关系网最为紧密和繁杂。澳大利亚、德国、土耳其、英国等均为比较明显的合作中心，与其他国家建立稳定的合作关系。我国亦与希腊、比利时、新加坡、巴基斯坦、南非、乌干达等建立稳定的合作关系(见图4)。

图4 国家网络共现图

(三)研究热点分析

经对所有文献进行关键词共线分析(见图5)，发现“文化相关教学法”“教师专业发展”“混合学习”“专业学习”“学科选择”“教学内容知识”等关键词不仅频率高，而且形成轮廓分明的聚类团(见图6)，也就是说，研究内容围绕核心关键词有效扩展(Modularity Q=0.7719，Weiguted Mean Silhouette S=0.888)，容量和紧密度均较高。

图5 高频关键词网络共现图

图6 关键词聚类分布图

1.STEM教师的专业发展

该子领域的研究侧重以下三个方面：第一，STEM教师专业发展的重要性。多数教师认同唯有持续整合STEM教育教学，才会为学生提供更有效的学习机会[14]，教师需要多学习STEM理念、知识、教学等，而且高学历、科学领域的、及青年教师认同度更高。第二，理解STEM教育中教与学的内容是教师专业发展的核心内容。研究表明制定STEM教育的概念框架需要深入理解人们如何学习的复杂性，特别是STEM领域涵括的教与学的具体内容，当教师拥有足够的内容知识和领域教学内容知识时，STEM教育教学才能得到加强[15]。第三，STEM教育教学方法的运用是STEM教师成长最亟需的内容，尤其是教师需要在真实问题情境中有足够机会练习以学生发展为导向的各种教学法[16]。

2.STEM教师身份认同

该领域的研究大致分为两个层面：一个是STEM教师角色是职业身份的关键内核。教师是STEM教育中的催化剂，绝非权威传授者或知识的搬运工，他们对学生在学习历程中提供鼓励、批判与启发[17]。更多研究着力于第二个层面，即STEM教师职业身份认同的演变。虽然一些实证研究发现传统教师向具有进步思维和以学生为中心的课堂实践积极进取，才会蜕变为STEM教师[18]。教师情绪情感关乎STEM教师职业身份认同的程度，多数教师存在感兴趣而困惑、热情但紧张、兴奋但不满意的情绪[19]。但一些综述研究表明教育变革，新的职业身份的创造，教师情感的生成可以互相交织，共同发展，STEM教师的身份认同过程是一个对话的、动态的、演进的历程[20]。

3.注重跨学科STEM教学

此领域的研究分为三类：首先，STEM教师应先形成跨学科学习的态度。多数研究谈及态度是引导行动的指南针和方向盘，唯有“心中有念”才会在真实教育教学中体现出跨学科STEM教学[21]。其次，STEM教师需要掌握跨领域学科知识。研究表明，教师需要通过不断汲取各类分支科目，在真实的“问题情境”中汇融学科知识，以问题为出发点调动知识，才有可能内化所学的跨领域知识，并进一步推广整合教育教学法[22]。第三，STEM教师需要加强跨学科的STEM教学设计与实施。比如，统合STEM知识、技能与具体的教学法、课程设计相结合[23]。制定教师专业发展计划，周全考虑跨学科的教学挑战和结构性挑战，设计微格教学[21]。

4.STEM教师的文化价值观

该子领域聚焦于两个层面的研究：首先，跨文化背景下STEM教师教育的重要性。研究表明，随着社会文化的多元化，多元复杂政治背景的迭代，STEM教育具有浓厚的跨文化性、跨民族性，STEM教师教育应该具有多元性，荟萃科学素养、人文素养于一体，以便更负责任地参与全球社区发展。若未能承认或故意忽视社会文化的首要地位，将不可避免地导致STEM教育步入缺陷的教育模式[24]。其次，教师可以积累文化回应教学的素养，尊重多元文化，提供回应学生母文化的STEM教育，这对学生未来融入多元文化的STEM职业具有重要意义[25]。

5.注重现实实践性的教学

由于STEM教育是基于学科之间的联系和现实世界问题的解决[26]，更具体地说，是受STEM约束在真实环境中的一种实践，目的就是将数学、科学、工程、技术联系起来加强学生的学习。现有研究的主要贡献在于，职前教师应积极体验跨学科的团队合作，通过体验跨学科、跨领域的团队合作而萌生当STEM教师的愿望[27]。职后教师需开设STEM 教师教育课程和讲习班(在职前和在职)，以解决教师在STEM教育教学中的实践问题。比如，在实践中要如何围绕一个问题统整多领域知识，如何引导学生形成团队合力解决问题，如何在实践中加强教师的课堂管理技能，如何鼓励学生有效应对失败并坚持不懈地解决问题[28]。

(四)研究趋势分析

研究者以时区视图和关键词突现强度排序图为参照(见图7和图8)，发现2011—2013年，多数研究探讨STEM教师教育专业发展的重要性，从2012年开始转向STEM教师教育的改革，尤其是知识内容统合导致需实施混合学习。与此同时，亦有研究关注STEM教师教育的教学内容和方法。2013年后，一类研究探讨STEM教师的信念，另一类研究探讨不同性别STEM教师的成就，侧重在数学领域的成就。2015年后，相关研究从三条脉络推演，一条脉络从STEM教师参加教师教育对学生学业成绩的影响而拓展，第二条脉络则在STEM教师的职业选择与职业坚持向度纵深，第三条则探讨不同种族、不同民族的STEM教师教育。2017年后的研究内容一方面延续前面的议题，另一方面增加了STEM教师专业身份的研究。2019-2021年，较多研究关注STEM教师的教育技巧。

图7 关键词Timeline趋势分析

图8 文献关键词突现强度排序图

三、结论与启示

(一)尚未形成稳定的研究群体，未来需要作者之间建立稳定而深度的合作

纵观近十年STEM教师教育领域的研究作者群体，已有一些知名学者在此领域做了相关深入探讨，但从普莱斯定律来看，做出突出贡献的作者数量不多，尚未形成稳定的核心研究群体，说明主要研究力量还远远不够，对国际STEM教师教育的影响处于发展期。此外，作者之间产生的合作不多，偶有一些作者以优势互补和专业弥合为原则建立合作关系，但合作密度和深度有待提升。未来的学术研究亟需打破作者之间的隔阂，拉近作者之间的距离，产生更多密度大深度强的对话，通过合作研究探索新议题，拓展新思路。

(二)具有良好研究平台的大学为主要贡献机构，未来需要增加不同层级机构的联动

研究发现各国大学是学术发展的重要参与者，尤以具有深厚研究背景，构建良好学术平台的大学独占鳌头，贡献巨大。这些大学专门成立了STEM教育教学中心，联合相关知识背景的大学教授深耕研究，仅有个别STEM机构、高中做出了独特的研究贡献。实际上，未来需要更多的STEM教育机构、各级学校(幼儿园、小学、中学)与大学充分联动，建立稳定的合作关系，发挥各自的积极作用，繁荣STEM教师教育领域的学术之光。

(三)发达国家的研究遥遥领先，未来更需彰显中国乃至亚洲国家的研究力量

研究发现贡献度最高的国家以发达国家为主，发展中国家积极参与。贡献度前三甲分别是美国、澳大利亚和土耳其，值得强调的是美国具有一骑绝尘之势，无论是发文数量，还是文献被引用频次，远远高于其他国家，说明美国政府切实在以师资素养提升敦促K-12的STEM教育深远发展。与此同时，中国在世界STEM教师教育领域占据重要地位，既联合新加坡、比利时等发达国家，也与巴基斯坦等发展中国家展开积极研究，但数量与影响力比西方发达国家略逊一筹。未来需要进一步发挥中国智慧，带动亚洲国家投入跨国STEM教师教育领域的研究。

(四)STEM教师信念与教学研究为主，未来需要与时俱进拓展相关议题

研究发现，STEM教师教育领域中的研究多是在教育改革的浪潮下进行的教师专业发展探讨，包括STEM内容知识、STEM教学方法、教师的信念与职业选择、教师的实践技巧等，也会探究教师教育对学生学业成就的影响。从关键词的突现强度来看，教师内在素养的养成是研究者关注的重点，也是STEM教育广泛优质推进的核心落脚点，但跨民族、跨文化、跨种族、跨知识边界的STEM教师教育研究还有待挖掘，伴随人工智能兴起的新STEM教师教育素养评价领域的研究亟待探发。

综上所述，基于citespace的STEM教师教育领域的可视化分析，较为客观地反映了该领域的研究现况与热点议题，给相关研究者展现了一幅系统而全面的研究图谱，帮助研究者一窥趋势，洞见未来研究议题。但技术也有其特定规律与局限，其测量系统的覆盖范围不一定非常完整，关键词的捕捉受到后端平台的设计约束，未来研究需要结合量化工具与人工分析，真正汲取两者精华，为本领域的可持续研究提供脉络清晰的线索。