透视当代国际科学教育研究动向

张宁 马勇军

摘要：以2022年NARST年会中学术报告题目及摘要为研究样本，以定性和定量相结合的内容分析法对会议内容做深入挖掘与分析，透视国际科学教育研究热点与趋势。统计结果显示，目前国际科学教育研究聚焦于科学学习、科学文化与社会问题、科学教学、教师教育和教育革新五大话题领域。研究热点涉及基于STEM的科学学习情境研究、科学思维与认知、理解能力的培养研究、科学探究与实践能力的培养研究以及日渐丰富的科学教学研究四个方面。基于上述研究，提出对我国科学教育研究的启示。

关键词：NARST；国际科学教育；研究热点；研究趋势

文章编号：10056629（2023）06000306中图分类号：G633.8文献标识码：B

在全球化的时代背景下，科学技术在国际竞争、世界经济发展、文化进步等方面的作用日益凸显，公民科学素养的提升以及科技创新人才的培养成为世界各国各地区关注的焦点。科学教育作为创新型国家建设、创新性科技人才培养、前沿性科技持续更新的根本路径和关键环节，已被许多国家提升到战略高度。本文对2022年NARST国际学术年会报告题目及摘要进行统计分析，以期透视科学教育领域动向，聚焦国际科学教育研究的热点主题，加深理解面向未来的科学教育改革趋势，对推动我国科学教育改革、科学教学实践创新以及科学教育研究具有积极意义。

1 研究对象和方法

1.1 研究对象

美国科学教学研究会（National Association for Research in Science Teaching，简称NARST）致力于促进科学教育研究领域的发展并将研究成果运用于改进教学实践^［１］，自1928年成立起，其每年举办的学术会议是全球科学教育领域专家和科学教育研究者开展学术交流合作的重要平台，会议论文反映了国际科学教育研究的最新成果和发展趋势，预示未来科学教育研究方向。2022年第95届NARST年会主题为“团结包容共同促进全球科学素养（Unity and Inclusion for Global Scientific Literacy）”，聚焦科学素养培育与提升，关注全球化背景下科学教育的包容性与深度融合，通过对大会报告的深度挖掘能够在一定程度上透视国际科学教育研究的最新动向。本研究样本来源于NARST官网发布的2022年会议议程和会议摘要电子版^［2］，会议议程包括大会日程安排、研讨会主题、报告题目、作者和委员会成员信息，会议摘要包括报告题目、作者及摘要。报告题目和摘要能清晰地反映出论文主要内容和核心要义，因此本研究以2022年NARST年会中698篇报告的题目和摘要为研究对象，提炼国际科学教育研究的主要话题领域和热点主题。

1.2 研究方法及步骤

Python语言是一种功能强大的开源、跨平台语言，有丰富的第三方标准库，在提高代码开发效率的同时，对数据有更多的操作空间，使用其对应的工具进行数据分析，能够输出数据特征并用一定的结构形式表现出来。本研究采用定性和定量相结合的文本分析法，运用Python语言中开源文本分析包对报告主题、题目及摘要进行统计分析。研究步骤如下：

（1） 研读并整理年会会议议程，对每一议题的报告作数量统计，并将议题按照研究领域分类，以明晰当前国际科学教育研究的主要话题领域。

（2） 对会议摘要作预处理，包括删除报告作者、去除标点符号、将全部文本转为小写以便分析程序可识别。

（3） 关键词或主题词往往是一篇文献核心内容的精炼，反复出现的关键词或主题词可以用来判断文献的研究主题^［3］，因此通过对高频词的深度分析能够管窥国际科学教育研究的热点。调用Python内置collections库对报告题目及摘要进行词频统计，同时使用wordcloud库生成高频词云图，以直观地呈现研究热点。

命令撰写遵循以下规则：①统一词义相近、词根相同的词语，如practical、 practice、 practiced、 practices均代表与实践有关的研究，将其统一为practice。②设置禁用词，与研究无关以及无法为研究提供有效信息的词语不进行分析。包括非科学教育领域的词汇，如英语中的连词、介词、定冠词等；涵盖范围过广的科学教育相关词汇，如教育、教学、学校、课堂等；用于展示和说明研究样本信息而非研究主题的词语，如化学、职前、中学等。

2 把握国际科学教育研究动向

NARST年会共15个议题（表1），尽管每届年会议题是固定的，但每一议题的投稿数量能够反映出当前国际科学教育研究者对不同研究领域的关注程度，从而把握科学教育研究的动向及每一領域所关注的主要内容。根据议题类别与方向，本研究将年会的研究内容分为科学学习、科学文化与社会问题、科学教学、教师教育和教育革新五个话题领域。

科学学习类报告共154篇，包括“科学学习：学生理解的发展”“科学学习：背景、特征和相互作用”和“非正式环境中的科学学习”，报告数量表明当前国际科学教育研究对学生的科学学习的重视。这一话题主要围绕两个子维度展开，一是学生科学素养（包括学生的科学概念发展、推理能力、理解能力等）的发展及其评估，如通过学生对工件的使用来测量其问题定义能力。二是科学学习的影响因素研究，从宏观层次来看，主要有国家、社会、宗教以及时代背景，如基于《新一代科学教育标准》（NGSS）的科学学习、新冠肺炎背景下的科学学习等；在中观层次上，体现为不同学段科学学习的特征、正式环境和非正式环境中的科学学习以及科学课程的变革；在微观层次上主要体现为教学法的探索、新兴手段与技术发展以及学生的经验，其中建模与模型教学受到较多关注。

科学文化与社会问题是当前国际科学教育领域较为关注的内容，包括“文化、社会和性别问题”“环境教育和可持续发展”和“历史、哲学和科学社会学”三个议题共146篇报告，涵盖了宗教、种族、性别、环境科学、STEM身份认知、科学伦理等国际上引起广泛关注的社会及文化问题，以及科学史、科学本质、科学教育学等相关主题的研究，从理论背景、文化历史背景以及现实背景等方面入手开展研究，以期为科学教育开辟路径。其中公平与包容是涉及最多的内容，旨在寻求超越人种、性别、种族等差异的包容性科学教育和科学态度。此外，社会性科学议题（socioscientific issues，SSI）也备受关注，因其注重政治、经济、社会、价值、道德、伦理和情感等方面，能发展学生的思维与做决策的能力，已被国际科学教育界认为是科学教育的重要目标之一^［４］，相关研究主要涉及SSI教学实践和SSI教育的价值。

科学教学类报告共140篇，涵盖小学、中学和大学三个学段的科学教学。小学阶段侧重于科学教师的专业发展和科学教学策略，比较有代表性的是密歇根州立大学等三所学校的研究团队提出的适应设计原则，基于此原则构建教师专业学习框架，促进科学教师的专业发展。中学阶段更为关注如何培养学生的科学能力和倾向，通过设计教学法、课堂组织形式的革新与课堂整合等来发展学生的科学学习动机与创造力，如CTCA（culturo-techno-contextual approach）教学法在科学课堂中的有效性研究、设计女性友好型创新STEM课程以克服性别差异。大学阶段重点在于学生科学素养的深层挖掘，如学生的批判性思维、科学认同、科学实践与归属感、毅力与幸福感、21世纪技能等。

教师教育有关的报告共128篇，包括“职前科学教师教育”和“在职科学教师教育”，探讨科学教师的专业化发展。一方面，注重教师的专业学习与发展，通过为教师创造学习空间和资源、加强教师的科学实践、培养教师的跨学科整合能力等途径，实现教师教学内容知识（PCK）、科學教学素养及自我效能感的提升。另一方面，对影响科学教师专业化发展的影响因素以及如何评估教师的科学素养等问题也做了深入讨论，如针对职前科学教师开发的学习与情感自我反思问卷和STEM整合的自我效能感调查量表、对课堂视频中教师的面部管理进行多模态分析等多种方式考察科学教师的专业发展。

教育革新类报告共108篇，反映教育领域内的革新与发展，从宏观政策、中观课程以及微观技术三个层次展开。“政策、改革和进步”既包含教育政策制定与实施，也涉及到教育领导者对科学教育发展的作用以及STEM教育的发展与进步。“课程、评价和评估”主要关注的是课程的开发、实施与评价，如课程基础设施及教学材料的开发、疫情期间的协作课程设计、三维科学评估等研究，同时对教学效果和教师绩效的评估也是关注的重点之一。“教育技术”主要涉及数字多媒体技术在教学与研究中的使用和师生的计算思维与建模能力的发展，反映出信息化社会中数字技术的进步和对未来人才信息素养的要求。教育新技术取得了较多的进展，如开发眼睛追踪系统和触觉科学模拟等技术获取学生科学感知和认知的反馈，再如澳大利亚和中国台湾的研究团队设计了第三空间学习——沉浸式虚拟现实（IVR），学生能够在其中体验、互动和学习。

3 聚焦国际科学教育研究热点

对年会报告题目及摘要进行词频统计，选取前40个高频词生成热点词词云图（图1）。这些高频词散落在各个议题中，反映出科学教育不同研究领域共同关注的研究热点，通过对高频词深入分析把握国际科学教育研究的脉络。

3.1 基于STEM的科学学习情境研究

当代科学教育关注学科知识与现实世界的有机联系，注重在真实情景中引导学生运用知识解决实际问题。Science-Technology-Engineering-mathematics（STEM）倡导以一种跨学科的方式解决现实生活情境中的问题，其本身具有融合性和情境性的特点，旨在培养学生将所学知识进行情境化应用的能力，是实现科学教育目标的重要方式，因此基于STEM的科学学习情境（表2）成为国际科学教育研究的热点。

科学学习中问题情境的设置一般要考虑两个方面，一是注重科学知识的运用，二是贴近学生的现实生活，从而将科学概念与情境建立联系，促使学生构建起科学知识体系。学生所处的环境必然受到多种因素的影响，其中环境（Environment）、文化（Culture）、社会（Society）、社区/共同体（Community）对学习情境的影响尤为关键。一方面，科学学习要基于学生赖以生存的文化、社会以及生态环境等背景来开展，让学生设身处地思考并进行决策，相关的研究主题涉及环境的可持续发展、社会性科学议题、多元文化与文化差异下的科学教育、学生的社会身份及认同、科学教育的社会政治历史背景等，如美国国家教育实验中心一项为期五年的研究项目，研究美国土著如何通过基于社区和文化的STEM计划来保持身份，以及属于其遗产文化的认同感和归属感。另一方面，学生的周边环境对其科学学习产生直接的影响，包括教学环境、社区和共同体，相关研究主题涉及正式与非正式学习环境、跨学科教学情境、实践社区（cop）、生活社区、学习共同体等。

3.2 科学思维与认知、理解能力的培养研究

科学教育愈发强调更深层次的教学内容与教学目标，注重培养学生的高阶思维，科学论证、科学推理、创造性思维等科学思维能力以及认知、理解能力的培养在国际科学教育领域受到广泛关注（表3）。

科学思维由内容、方法和品质组成三维立体结构，是在研究和解决科学问题以及学习科学知识过程中顺利地进行思维所应有的个性心理特征^［５］。科学思维（Thinking）研究包括计算思维、认知思维、跨学科思维、系统思维、批判性思维、创造性思维能力等。模型（Model）和概念（Concept）是科学知识结构的一部分，属于科学思维的内容层面，研究涉及STEM模型、概念化模型、跨学科概念、工程概念、科学概念图等主题。科学思维方法是学生在学习科学知识和运用科学知识解决问题的过程中的思维方式，主要包括分析（Analysis）、论证（Argument）、推理（Reasoning）和意义建构（Sensemaking），研究主题涉及反思性分析、分析论证、探究与论证、社会科学论证、非形式推理、空间思维建构等。科学思维品质是科学学习与运用过程中逐渐形成的一种智力特征，由深刻性、灵活性、独创性、批判性与敏捷性5个方面构成^［６］。其中批判性（Critical）思维品质是最受关注的方面，涉及批判性思维、批判意识、批判性思考与反思、社会科学问题的批判性理解等研究主题，强调学生的探索意识和辩证能力，不断重构自己的思想与观点。

科学素养是科学教育的基本目标，也是国际科学教育研究与改革的基石，本届年会中科学素养（Literacy）相关的研究涉及全球素养、工程素养、STEM素养、信息素养、计算思维素养、学科素养等主题。科学素养包含对科学原理和方法的理解、对科学术语和科学概念的理解以及认识并了解科学和技术对社会生活的影响等^［７］，认知、理解能力是形成正确的科学态度、养成科学兴趣进而提升学生整体科学素养的基础。认识的（Epistemic）和认知的（Cognitive）是认知能力相关的高频词，研究主题涵盖了认识论信念、元认知意识、认知思维、认知策略、认知参与、工程学认知等方面，主要关注学生在学习科学知识和规律时信息提取与加工的能力。理解能力是学生基于已有的经验积累和思维特征对客观世界所做出的判断，与其相关的高频词有理解（Understanding）、观点（View）和想法（Idea），涉及概念性理解、对科学现象和本质的理解、可理解性、观点的提出、学生观点和想法的形成与转变、表达看法的多样性等主题。

3.3 科学探究与实践能力的培养研究

科学教育的一个重要理念就是教学过程注重实践，科学探究与实践是科学学习的主要方式，科学探究与实践能力也是科学素养的重要组成部分，加强学生的探究实践已成为国际科学教育改革的共识（表4）。

实践（Practice）是本次年会频次最高的热点词，反映出科学教育的实践导向。科学探究与实践的内容和具体方式包括设计（Design）、工程（Engineering）、应用（Implementation）以及探究（Inquiry），研究主题涉及基于真实情境的工程实践、科学与工程设计、科学建模、计算思维实践、应用课程材料或论据、科学探究、科学探究教室、学科探究等。学生的体验是科学探究与实践的一个重要目标，也是学生产生探究兴趣并持续开展科学探究活动的前提，经历（Experience）和参与（Engagement）均强调学生的体验，如科学课堂学习经历、STEM教育经历、认知与情感经历、公民参与、社会参与、课堂参与度评估等方面。科学探究与实践能力（Skill）包括问题解决能力、跨学科技能、自我调节学习能力、计算思维技能、科学推理技能、建模能力、实验室技能等，这些能力既是实践的基础，同时也能够在实践活动中不断深化发展，最终养成实践品质。

3.4 日渐丰富的科学教学研究

国际科学教学研究除教学模式和教学设计的研究以外，对教学的影响因素研究逐渐增多，作为科学教学过程中不可或缺的构成要素之一，科学教师的“教”及其专业发展也受到了科学教育研究者的关注^［８］，见表5。

科学教学模式与教学设计主要围绕教学模式与课程的设计、开发与实施过程展开研究，更加凸显教学的整体性与课程的整合性（Integrate），如课程整合、知识整合、教学技术整合、课堂模块整合、思维整合、教学资源整合。其中STEM课程、项目式学习（Project-based learning，PBL）受到较多关注，这两类课程模式都是基于特定主题（Content）或案例（Case）开展教学活动，具有跨学科性和整合性的特征，是学生提升综合能力和深化科学素养的有效教学实践形态。如多元文化项目式学习（Multiple Literacies in Project-Based Learning，MLPBL）课程体系，通过学生在协作学习空间中的感官讨论和社会融合，促进学生的科学感知和社会情感学习。

教学的影响因素是多方面的，而不同因素对教学的影响方式也呈现多样化的特点，可以分为直接影响和间接影响两大类，相关的高频词有影响（Influence、 Impact）和意义/影响（Implications）。直接影响是指直接对教学实践产生影响，相关研究包括在线教学对教学效果的影响、学校环境与教学资源对科学教学的影响、教育技术对教学方式的改变、教学内容变化与教育政策对教学的影响等。间接影响是指通过对教师和学生的影响最终对教学效果产生作用，其中与教师相关的研究涉及培训对职前教师专业发展的影响、教师教学信念发展、社会观念下教师的职业认同等主题，与学生相关的研究涉及学生课堂体验、教学法对学生学习内部动机的影响、学生STEM身份认知等主题。

科学教师的专业化水平是有效实施科学课程的关键，对教学效果起着至关重要的作用，与之相关的热点词有知识（Knowledge）、专业化（Professional）和方式/途径（Approach）。知识是教师教学的根基也是教师专业发展的基础，相关研究包括科学教师的专业知识如教学法知识、学科知识、教学内容知识，以及教师知识研究如知识整合、知识再生产、建模元知识等。教师专业化的表现形式和实现途径相关的研究涉及教学管理方式、教学资源使用与整合、教师专业发展计划/课程、协作专业学习社区等主题。教师对自我身份的认知及其自我效能感与教学质量密切相关，教育研究者普遍认为自我效能感是教师专业性的一个重要方面，并将其纳入教师专业发展计划^［９］。身份（Identity）、作用/角色（Role）、自我效能感（Self-efficacy）是科学教师自我认知和自我效能感相关的高频词，研究主要涉及教师专业身份、科学身份的建构、教师职业认同、教师在科学课堂中的角色定位、自我效能感的作用、科学教学自我效能感等主题。

4 启示

4.1 加强科学教育研究国际化与本土化的交融

统计我国研究者在本届年会中的参与情况发现，大陆学者参与的报告仅有7篇，台湾学者参与的报告也只有13篇，这说明我国研究者对国际科学教育研究领域的热点关注较少，也显露出我国科学教育相关的研究成果在科学教育研究国际话语体系中声量不足的问题。因此，我国科学教育研究者应拓展国际视野，积极参加相关领域国际权威会议开展国际交流，主动关注并跟进国际科学教育研究领域的主要方向和热点议题，借鉴国外先进的研究工具和方法深化本土研究，基于我國国情进行扎实的实践研究，提出本土化教育实践研究案例，实现科学教育研究的本土化，不断提高我国科学教育研究的水平和国际影响力。

4.2 由学科研究向科学教育研究演进

科学教育本质上是各学科深度融合渗透而形成的综合性教育体系，将科学知识、科学精神、科学品质、过程与方法、社会建制等涵盖其中，追求人文价值与科学价值的和谐统一。而我国科学教育的总体态势是基于学科的，科学教育相关的研究也多为分学科研究，既导致科学知识体系的割裂也忽略了其中蕴含的人文价值，无法触及科学以及科学教育的本质。因此我国应借鉴国际科学教育研究的经验，推进由学科研究向科学教育研究演进，注重科学教育研究的整体性与融合性，开展跨学科合作研究，将人文成分蕴含其中，实现学科之间的深度融合以及人文与科学的有机统一。

4.3 勾画以科学素养为核心的科学教育研究图景

科学素养是科学教育的基本目标和根本价值追求，科学学习研究、科学教学研究、教师发展研究等归根结底都是为了发展学生的科学素养，当前国际科学教育研究的话题领域和热点共同勾画出以科学素养为核心的科学教育研究图景，值得我国科学教育研究者重点关注。

随着时代变迁和科技发展科学素养的内涵不断被重构，实践性、跨学科性、批判性、创新性、信息化等特征日益凸显，其核心成分包括科学探究、科学思维、科学认知与理解以及科学态度与责任，深刻反映出科学后备人才培养的要求与趋势。对此，我国应在理论研究和实践研究上共同发力，深化科学素养相关的研究。一方面基于国际发展态势和我国战略需求构建科学素养内涵与结构体系，如与理科新课标中核心素养相结合，明晰人才培养的核心与重点。另一方面要推进科学教学研究与实践，积极探索科学素养的培养路径，科学课程开发、教学模式建构、教学策略选择、教育技术革新和教师专业发展等方面的研究均要以学生科学素养培养为出发点，突出学生的主体地位，为切实提高学生科学素养奠定研究基础。

参考文献：

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［9］Holzberger D，Philipp A，Kunter M. How Teachers' Self-Efficacy is Related to Instructional Quality： A Longitudinal Analysis ［J］. Journal of Educational Psychology，2013，105（3）： 774～786.