近十年（2012—2021）国际中小学工程教育研究进展与趋势

宋悦 林长春

[摘要]选取Web of Science核心合集文献数据库中2012-2021年收录的250篇有关中小学工程教育领域的研究论文，借助CiteSpace5.8 R5软件绘制共现网络图谱，运用计量分析与内容分析相结合的方法对文献、图谱进行研究。研究发现，该领域关注度逐年提高，文献主要源于以美国为主的发达国家；研究热点多围绕协作学习、工程整合、种类划分、3d打印、化学、工程教育、计算思维、系统思维、生物、工程设计；研究前沿集中于协作学习、3d打印、系统思维、工程设计。

[关键词]工程教育；STEM教育；研究进展

[中图分类号]G424.74[文献标识码]A

[文章编号]1673—1654（2023）03—065—010

基金项目本文为重庆市教育科学“十三五”规划2020年度规划重点课题（编号：2020-GX-010）“科学教育专业本科生STEM课程整合能力及其培养研究”及教育部首批新文科研究与改革实践项目（编号：2021070064）“融合STEM教育理念的科學教育本科专业课程体系及教材建设研究与实践”的研究成果之一。

一、引言

在传统观念中，工程教育一直是高等学校或职业学校关注的话题，与基础教育阶段的中小学少有关系。但从工程人才成长的连续过程来看，必须超越仅在高等学校及职业学校开展工程技术教育的思维定势，将工程教育引入中小学校[1]。目前，中小学阶段主要是通过科学、信息科技、劳动教育等学科来开展工程教育。本文基于科学课程STEM教育中的工程教育板块展开论述。

不同于高等工程教育更多注重工程人才的实践能力培养，K-12工程教育更加注重中小学生对工程的基本认识、创造兴趣、对工程职业的向往及动手设计能力的培育[2]。但目前中小学阶段，学生由于缺乏工程类实践体验，往往难以对工科专业产生兴趣，学生高考报考选择的专业不能和自己的兴趣很好地匹配，导致进入大学后对所学专业知识不感兴趣，对未来从事的相关职业没有信心和愿望[3]，这在很大程度上影响了我国创新型工程技术人才的培养。目前，我国工程教育对广大民众的吸引力明显不足，中小学生对工程学科知之甚少；教育上的某些弊端，导致学生的学习目的仅仅是为了通过检测，将考试之外的知识视为多余；学生最关心的不是课程本身，而是他们获得的资格所具备的市场竞争力；功利主义导向过重，使学生的全面素质培养与基本技能训练不够[4]。教育主管部门目前努力从顶层设计层面来改善现状，在义务教育小学科学课程标准（2017年版）中，将技术与工程列为四大领域之一；在义务教育科学课程标准（2022年版）中，将与工程相关的“技术、工程与社会”“工程设计与物化”列为学科核心概念之一，以此来训练学生的工程实践能力，培养学生的核心素养，工程教育的重要程度由此可见一斑。

检索Web of Science数据库文献，并借助CiteSpace软件对近十年国际中小学工程教育领域的文献进行计量学分析，以可视化方式展示当前国际上在该领域的研究现状、研究热点与前沿，以期为我国在该领域的研究提供参考。

二、资料与研究方法

（一）文献检索

以Web of Science数据库中的“Web of Science核心合集”（以下简称WOS），引文索引设置为“Science Citation Index Expanded（SCI-EXPANDED）和Social Sciences Citation lndex（SSCI）”为数据来源；文献类型限定为“article”“review”及“Editorial Material”；检索式为TS=（K - 12 engineering education）OR TS=（K-12 education of engineer）；检索日期设置为2012-01-01至2021-12-31；通过阅读文献标题及摘要排除不相关文献，最终得到250篇文献。其中，期刊论文224篇，社论材料5篇，文献综述21篇。

（二）研究方法

将WOS检索纳入的文献导出为全记录与引用的参考文献的纯文本文件格式，导出信息包括作者、机构名、题名、发表年份、国家、关键词、摘要、期刊、卷次及起止页码；将全记录格式文件保存为“download_***.txt”格式，并导入CiteSpace 5.8 R5软件；应用CiteSpace 5.8 R5软件进行国家、关键词的可视化分析，绘制国家合作网络图谱、高频关键词共现网络图谱、突现词分布图以及关键词动态前沿演化图谱，以确定国际中小学工程教育的热点与前沿。相关参数设置如下：时间分区为2012年—2021年，时间切片设置为1。

三、数据处理与研究结果

（一）时间分布

WOS核心合集数据库中检索到的250篇文献，总体发表文章数量呈上升趋势。其中2017年增长趋势较为明显；2020年与2021年发文量更多，占整体数量的35.6%。具体年度分布情况与占比情况见表1。

（二）国家/地区分布

结合WOS功能与CiteSpace软件分析显示，近十年中小学工程教育相关研究的文章分布在30个国家和地区。其中，美国发文量最多，共181篇，远超其他国家和地区的发文数；我国（包含台湾地区）共计发文19篇，暂居第二；土耳其、西班牙、加拿大发文量分别为8篇、6篇、5篇。近十年中小学工程教育排名前10的国家和地区的排名、发文数及中心性的详细信息见表2。

（三）机构分布

排名前10位的研究机构大部分来自美国。居于首位的是美国普渡大学，共发文28篇。我国香港大学发文4篇。近十年中小学工程教育排名前10的机构的发文数、中心性及所属国家的详细信息见表3。

（四）作者分布

发文数≥3篇的作者共有19位，16位来自美国，3位来自中国。其中，美国普渡大学的Guzey SS发文量最多，共10篇；其后发表数量依次为美国普渡大学的Moore TJ（6篇）、密歇根州立大学的Cooper MM（5篇）、密苏里大学系统的Strobel J（5篇）；我国的2名作者（包括台湾地区1名）各发表4篇。近十年中小学工程教育排名前10作者的国家/地区、机构以及发文数的详细信息见表4。

（五）期刊分布

WOS分析检索结果显示，纳入研究的250篇文献共来源于82种学术期刊，根据WOS-JCR（Journal Citation Reports）的数据，发文量前10位的期刊共有4种位于Q1、Q2分区。近十年中小学工程教育的排名前10期刊的名称、影响因子、JCR分区（JCR分区：汤森路透公司以年度和学科为單位，对SCI和SSCI期刊进行了4个等级的划分，每个学科分类按照期刊当年的影响因子高低平均分为Q1、Q2、Q3和Q4四个区，Q1> Q2> Q3> Q4，以此区别不同学科期刊的影响力）及发文数的详细信息见表5。

（六）文献关键词共现知识图谱

1.高频关键词分析

关键词是文献内容的高度概括和文献主题凝练表达的核心词汇，高频关键词常被用于确定一个研究领域的热点问题[6]。运行CiteSpace软件生成近十年国际中小学工程教育领域的高频关键词共现网络图谱见图1，图中包括271个节点和1131条连线，密度为0.0309。每个年轮状节点代表一个关键词，节点面积和标签字号越大，说明该关键词共现频次越高。年轮厚度与该年份关键词词频成正比。关键词之间的连线代表2个关键词经常出现在同一篇文献，连线越粗表明共现频次越高、研究关系越密切[7]。在271个关键词中，“science”出现频率最高，出现46次，连线数量也较多，说明该关键词与其他关键词关系较密切。后9位依次为“education”“student”“engineering education”“knowledge”“mathematics”“classroom”“stem education”“impact”“design”，分别出现45次、41次、19次、18次、16次、16次、15次、15次、14次。

2.关键词聚类分析

聚类分析也多用于表现某学科领域的研究热点，是将共现的关键词出现的频次作为研究对象，通过聚类算法将密切相关的主题聚集到一起形成类团即研究领域的过程。Citespace提供的聚类视图功能可以将紧密相关的关键词形成不同的聚类，聚类的标签数字越小，表示该主题下包含的关键词越多。研究纳入的文献共得到10个聚类，分别为#0 collaborative learning（协作学习）、#1 engineering integration（工程整合）、#2 ethnicity（种类划分）、#3 3d printing（3d打印）、#4 chemistry（化学）、#5 engineering education（工程教育）、#6 computational thinking（计算思维）、#7 systems thinking（系统思维）、#8 biology（生物）、#9 engineering design（工程设计）。近十年中小学工程教育领域的关键词聚类知识图谱见图2。

3.突现词分析

CiteSpace软件中的Burstness功能可以显示突现词。突现词是指在短时间内使用频率突然增高的关键词或专业术语，代表某研究领域的研究前沿[8]。本研究中γ[0，1]设置为0.7（γ为Burstness面板中的调节参数，用于控制突现词数量，取值范围为[0，1]，γ越小，突现词数量越多；因本研究选取国际中小学工程教育领域的前八个突现词进行分析，故γ设置为0.7），生成的近十年中小学工程教育领域突现词分布图见图3。分布图显示：“engineering education（工程教育）”“model（建模）”“engineering design（工程设计）”是最早关注的研究方向，从2012年开始且持续时间较长；“k-12 engineering education（K-12工程教育）”于2016年开始突现；“perception（感知）”于2017年开始突显；“science education（科学教育）”“instruction（指导）”“curriculum（课程）”从2019年开始突显。突现词分析有利于研究者更好地把握学科发展趋势以及未来研究方向。

（七）文献共被引时间线图谱

利用CiteSpace软件中的Timeline View（时间线）聚类功能得到近十年中小学工程教育领域关键词动态前沿演化图谱见图4。以文献发表年份为X轴，聚类编号为Y轴，可展现各个聚类（即研究方向）发展演变的时间跨度和研究进程。聚类#0 collaborative learning所代表的研究方向为协作学习，时间跨度为2012～2020年，其中在2012年关注科学方面的协作学习，在2013年关注探究，且在之后有重要的成果；聚类#1 engineering integration所代表的研究方向为工程整合，时间跨度为2012～2021年，其中在2012年关注工程知识的整合；聚类#2 ethnicity所代表的研究方向为种类划分，时间跨度为2013～2020年，从最初关注STEM教育，到科学教育，后期关注技术；聚类#3 3d printing（3d打印）由学生到设计到3d建模、cad工具；聚类#7 systems thinking所代表的研究方向为系统思维，时间跨度为2012～ 2019年，其中在2012年关注K-12群体；聚类#9 engineering design所代表的研究方向为工程设计，时间跨度为2012～2020年，其中在2013年关注与数学相关的工程设计，后期关注K-12 STEM教育、AI人工智能。

通过时间线的终点可以看出研究方向的前沿程度，时间线延伸到近几年说明该研究方向为前沿趋势，如聚类#0 collaborative learning（协作学习）、聚类#3 3d printing（3d打印）、聚类#5 engineering education（工程教育）、聚类#7 systems thinking（系统思维）、聚类#9 engineering design（工程设计）。

四、研究结论

对国际中小学工程教育领域文献的计量学与可视化分析，呈现了该领域的研究现状：国际中小学工程教育领域的关注度逐年提高，且相关文献主要源于发达国家；协作学习、工程整合、种类划分、3d打印、化学、工程教育、计算思维、系统思维、生物、工程设计是该领域研究热点；协作学习、3d打印、工程教育、系统思维、工程设计为该领域研究前沿。此外，协作学习、工程教育、系统思维、工程设计既是研究热点，也是前沿研究领域。

（一）国际中小学工程教育领域关注度逐年提高，且相关文献主要源于以美国为首的发达国家

中小学工程教育领域文献发文量能在一定程度上反映研究人员对该领域的关注度。研究发现，2012～2022年文献大体呈增长趋势，根据时间分布，其发展可分为初步发展阶段（2012～2016年）和快速发展阶段（2017～2021年），尤其是近年来，该领域年发文量快速增加，说明研究者对中小学工程教育的关注度不断增加。从国家、机构和作者来看，以美国为首的发达国家及其机构、作者发文量较多，且合作较密切，说明其为主要研究阵地。我国发文量虽位居第二，但与美国在数量上还是有较大的差距，且与发达国家合作较少。

K-12工程教育与创造力培育之间存在高度的关联性，工程教育进入中小学，在创意设计、动手实践等方面丰富了学校课程的内涵与价值，为整合科学、数学和技术等的STEM教育有效实施提供了连接点[9]，使得世界各国特别是工业化水平走在世界前列的许多国家都开始重视K-12工程教育问题，这也是国际教育界通过反思之后特别重视STEM课程的重要原因。习近平总书记在2014年国际工程科技大会上发表主旨演讲时指出，工程科技进步和创新是推动人类社会发展的重要引擎，中国4200多万人的工程科技人才队伍是中国开创未来最可宝贵的资源[10]。走新型工业化道路、建设创新型国家的战略发展目标，迫切需要培养大批高素质劳动者和创新型人才，这正是工程教育的价值所在，也是中小学工程教育课程的价值所在。因此，我国学者应该加强在中小学工程教育领域的研究，加强与其他国家的学术交流和合作，同时还要积极关注该领域发文量较多的权威期刊，有针对性地学习和了解相关领域的知识与研究最新动态。

（二）国际中小学工程教育领域研究趋向于关注协作学习

从研究热点与研究前沿均可看出协作学习在国际中小学工程教育领域十分重要。在传统课堂中，协作学习是教师常用的教学方法之一。协作学习是一种主动的学习方法（Kalaian & Kasim，2014），特点是参与到协作学习活动的个体之间的互动，从不同的视角到共享的知识构建（Puntambekar，2006）。Johnson和Johnson（1991）认为，成功的协作学习包括五个主要因素：积极的相互依赖、面对面的促进性互动、个人责任、人际/小组社交技能、小组加工。虽然不同的学者对协作学习的定义不同，但是总的来说，传统课堂中的协作学习是一种学习方法，每个成员都可以提供自己的想法、信息、经验、技能和能力以实现共同的目标[11]。我国学者要积极关注协作学习专题，了解相关领域最新研究动态。

（三）国际中小学工程教育领域研究趋向于关注学生思维

从研究主题、热点来看，研究集中于工程整合、工程设计、计算思维、系统思维等方面。从初期关注工程知识的整合，到逐步关注工程设计、工程的相关工具，再演变到后期对思维的关注。可以看出，国际中小学工程教育研究从强调工程的相关知识，逐步发展到创意设计、动手实践，再到关注对学生的内在思维的影响。恩格斯把思维称为“地球上的最美的花朵”。思维能力的培养不是容易的事情。培养思维能力，必须正确认识、遵循和顺应思维能力培养的规律。不同的思维方式有不同的本性和特征，培养规律也不尽相同，而工程思维在本质上就是与造物实践密切联系在一起的、由目的导向的“造物思维”[12]。建议我国学者在借鉴国外相关研究成果基础上，根据我国当前背景开展研究，并加强国际间合作，以培养适应新时代的具有国际竞争力的高层次、实用型、复合型工程应用型人才。

随着我国科学教育蓬勃发展，STEM教育中的工程教育逐步受到重视，但关于中小学工程教育相关的发文量仍较少，研究者需及时掌握国际研究热点和前沿，结合我国教育背景，促进中小学工程教育研究的发展。

参考文献：

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[3]邢志强，王伟宾.新时代我国中小学工程教育的必要性与对策——基于高校与中小学教育融合的视角[J].首都师范大学学报（社会科学版），2021，（4）：160-168.

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[10]中央政府门户网站.习近平出席2014年国际工程科技大会并发表主旨演讲[EB/OL].（2014-06-03）.http：//www.gov.cn/xinwen/ 2014-06/03/content_2692602.htm.

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[12]李伯聪.工程思维的性质和认识史及其对工程教育改革的启示——工程教育哲学笔记之三[J].高等工程教育研究，2018，（04）：45-54.

Progress and Trend of Engineering Education Research in International Primary and Secondary Schools in Recent Ten Years（2012-2021）

Song Yue Lin Changchun

Research Center of Science and Technology Education and Communication，Chongqing Normal University，Chongqing，400700

Abstract：In this paper，250 research papers on engineering education in primary and secondary schools were selected from the Web of Science Core Collection literature database from 2012 to 2021. The co-presence network map was drawn by Citespace5.8 R5 software，and the literature and map were studied by using the method of econometric analysis and content analysis. The research showed that the attention in this field was increasing year by year，and the relevant literature mainly came from developed countries. The research focused on collaborative learning，engineering integration，ethnicity，3D printing，chemistry，computational thinking，systems thinking，biology，and engineering design. The research frontier focused on collaborative learning，3D printing，systems thinking and engineering design.

Key words：Engineering Education，STEM Education，Research Progress

（責任编辑：吴茳、陈畅）