國際STEM教育研究現狀的可視化分析：前沿與趨勢

羅月池 王朋嬌 趙銘洋

摘? 要： 本研究基于Web of Science（WOS）數據庫收集STEM教育研究的文獻。運用CiteSpace 5.3.R4可視化軟件進行文獻計量及共被引分析，繪制了國際STEM教育研究領域的知識圖譜，對STEM教育研究現狀的熱點及前沿進行全方位的梳理。研究發現：自2015年以來，世界各國的教育學者對STEM教育的研究不斷深入，其中，歐美、澳大利亞等地的教育學者研究范圍廣、貢獻大;研究熱點包括課堂教學、學生學業表現、學習效能感、個性化學習以及注重STEM教學環境對學生與教師個體研究，研究重點結合教育公平與職業選擇進行深入開展。文章認為，STEM教育與人的高階發展密切相關，需引起高度重視，進行本土化研究，培養以問題導向和創新為目標的復合型人才。

關鍵詞： STEM教育;研究前沿;研究趨勢;科學計量;知識圖譜

中圖分類號： G434? ? 文獻標識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.051

本文著錄格式：羅月池，王朋嬌，趙銘洋. 國際STEM教育研究現狀的可視化分析：前沿與趨勢[J]. 軟件，2019，40（10）：217223

Visual Analysis of International STEM Education Research： Frontiers and Trends

LUO Yue-chi， WANG Peng-jiao， ZHAO Ming-yang

（School of Computer and Information Technology， Liaoning Normal University）

【Abstract】： This study collected STEM education research literature based on Web of Science （WOS） database. The CiteSpace 5.3.r4 visualization software was used to conduct literature measurement and co-citation analysis， draw the knowledge map of international STEM education research field， and comprehensively sort out the hot spots and frontiers of STEM education research. Research findings： since 2015， educational scholars around the world have been deepening their research on STEM education. Among them， educational scholars from Europe， the United States and Australia have a wide range of research and have made great contributions. Research hotspots include classroom teaching， students' academic performance， learning efficacy， personalized learning， and the focus on STEM teaching environment to study students and teachers. The research focuses on education equity and career choice. According to the article， STEM education is closely related to advanced human development， which needs to be paid great attention to， localized research， and cultivation of interdisciplinary talents with problem-oriented and innovation-oriented goals.

【Key words】： STEM education; Research front; Research trends; Scientific measurement; Knowledge map

0? 引言

近年來，STEM（Science， Technology， Engineering and Mathematics）已成為世界各國普遍認同的跨學科主題和關鍵發展領域，諸多國家將培養具有STEM素養的高素質人才作為主要教育目標之一[1]。部分國家（尤其是中美）和相關報告（如地平線報告）都強調了對STEM教育模式進行理論探索和實踐應用的重要性。自2006年開始，STEM教育日益受到研究者與實踐者們的廣泛重視和持續關注，相關研究成果亦逐年呈現大幅度增長。但該領域的核心議題與未來走向仍不甚清晰，為此有必要對國際STEM教育的研究現狀進行分析，把握該領域的研究前沿和演進趨勢，厘清其研究軌跡與取向，從而為日后STEM教育的研究提供參考與借鑒。

1? 研究方法與數據來源

本文應用科學計量學的研究方法，借助Excel 2010及CiteSpace Ⅴ軟件工具[2][3]，對2015年以來的有關STEM教育國際期刊及會議論文展開可視化分析，以期從時間、空間、文獻載體、研究機構及高產作者等方面揭示相關文獻的分布特征，同時繪制關鍵詞的共現知識圖譜和時序圖譜[4]，呈示STEM教育的國際研究前沿和演進歷程，從而在此基礎上探討其研究不足與趨勢。

為了充分挖掘國際STEM教育的研究信息，本研究將文獻來源確定為Web of Science數據庫的核心合集，檢索詞為“STEM”，檢索方式為主題檢索，時間跨度為2015年—2019年，檢索日期為2019年3月16日。初步檢索后，共得到8630篇英文文獻。通過學科精煉與逐篇瀏覽，最終篩選出有效文獻857篇。檢索式如圖1所示。

2? 研究結果與分析

2.1? 文獻分布特征

（1）時間特征分析

通過研究文獻數量年度分布，有利于了解國外STEM教育研究時間分布熱點和關注程度情況。如圖2所示，國外關于STEM教育近五年的研究趨勢。自2015年到2018年，論文的發文量承逐年增長的趨勢，雖然2015到2017年增長速度較快，但是2017到2018年增長有所減緩，然而2019年2月就已經有49篇文章發表在核心合集。經過大量的文獻查閱發現，國外很多國家自2013年起出臺了一系列促進STEM教育的相關政策和法案，例如：美國2013年發布了《聯邦STEM教育五年戰略計劃》等十余份正式報告、法國2013年發表了《文獻綜述——法國的STEM教育》、歐洲委員會發布2015年《科學教育塑造有責任的公民》等[5]。國外各國有關于STEM教育政策的出臺直接影響了STEM教育研究的熱潮，世界經濟的發展和對科學人才的訴求同樣使得STEM教育的研究呈穩定上升趨勢。

（2）空間特征分析

基于各國學者的發文數量及地域信息，本文繪制了國家間合作網絡圖譜。其中，圖譜中的節點大小代表了發文數量，節點越大[6]，表明某國學者的文章數量越多[7]。如圖3所示，美國節點最大，以499篇居于首位，文獻數量遠高于其他國家。其次是澳大利亞（59篇）和英國（52篇），中國和德國并列第四位（35篇），西班牙緊隨其后（28篇）。自1986年開始，美國便開始了STEM教育的研究，經過30余年的發展，美國STEM教育研究已從教育理論探索、教育目標制定、教育的師資培養發展到了教育的公平性。然而我國的STEM教育研究還處于教育政策的實施和教育目標制定的基礎階段，距離美國STEM教育研究的實踐階段還有一定的距離。

（3）高影響力期刊分析

期刊是重要的學術信息交流平臺，期刊質量和影響力受影響因子、載文量、被引頻次等諸多因素的影響[8]。一個期刊吸收和傳遞學術信息能力的高低取決于該期刊的載文量，影響因子、被引頻次等因素并不能代表期刊在某一領域傳遞信息的能力。如圖4所示，《科技教育》（Journal of Education and Technology）等五本期刊在國際STEM教育的研究領域影響力較高。其中，《科技教育》（Journal of Education and Technology）載文量最多，以311篇高居首位。其次是《科學教育》（Science Education）和《美國教育研究》（American Education Research Journal）等。

（4）高產學術機構分析

對高產學術機構的研究，有助于進一步揭示國外在STEM教育領域學術資源的分布情況，有針對性地展開機構間的合作以及學術資源的引進。如表1所示，目前STEM教育領域排名前十的研究機構全部來自美國，分別是威斯康星大學、德州農工大學、南加利福尼亞大學、密歇根大學、猶他州立大學、伊利諾伊大學、科羅拉多大學、北卡羅多萊納大學、密歇根州州立大學、德克薩斯大學奧斯汀分校。這些研究機構是STEM教育領域的主要研究陣地。

圖5顯示的是STEM教育研究領域機構的合作情況，可以看出，STEM教育研究領域機構之間的合作并不是十分廣泛。一方面形成了以某幾所大學為核心的凝聚子群，如以威斯康星大學為核心的凝聚子群、德州農工大學為核心的凝聚子群、以斯坦福大學為核心的凝聚子群、以密歇根大學為核心的凝聚子群、以猶他州州立大學為核心的凝聚子群等;另一方面，一些大學有其獨立的研究團隊，如華盛頓大學、賓夕法尼亞大學、悉尼大學等。

（5）高產學者分析

在一個學科的發展過程中，作者與論文數量分布具有不均衡性，表現為不同作者在一定時期內撰寫的論文數量不一致，即不同作者對學科的貢獻率不同，其中對學科發展貢獻率大的作者被認為是核心作者，核心作者集聚成群從而形成核心作者群。核心作者群是學科研究的中堅力量，既引領著學科未來的發展方向，又對非核心學術研究人員產生非常重要的指導性意義[9]。圖6呈現了STEM教育研究領域作者的合作關系，從圖中可以發現，合作比較密切的團隊有四個，分別是伊麗莎白.斯坦恩斯團隊，其主要研究內容是高中種族構成的作用和學生參與STEM大學學習的機會[10];杰西.L.史密斯團隊，其研究的主要內容是獲得高中咨詢服務、高等教育和stem職業的不同途徑[11];摩根.J.蓋納團隊，其主要研究內容是附加好處：支持STEM女性教師如何提高每個人的工作滿意度[12];杰妮特團隊，其主要研究內容是介紹六年級學生參加科學競賽項目日的有效性。在個人研究方面比較突出的是蓋爾.M，其主要研究的內容是與友好的男性教師一起縮小STEM領域的性別差距，教學互動中虛擬主體的和諧行為與性別的影響。

2.2? 關鍵詞共現圖譜

為詳細闡述STEM教育研究熱點及趨勢，現將高頻關鍵詞分析分為高頻關鍵詞統計、關鍵詞共現網絡圖譜、研究前沿關鍵詞時序圖譜三方面。

高頻關鍵詞及關鍵詞共現網絡圖譜分析。高頻關鍵詞可以反映一定時期某研究領域的研究熱點和前沿演變。研究熱點是某一段時間內有內在聯系且數量相對較多的一組論文所探討的科學問題，citespace Ⅴ通過對關鍵詞進行詞頻統計來確定某領域的研究熱點。關鍵詞共現分析可以反映與揭示某一領域不同時期的研究熱點[13]。利用citespace Ⅴ可視化軟件對857篇文獻進行關鍵詞共獻分析，如表2所示，可見國外STEM教育研究重要集中在science、stem、education、student、mathematics、gender、achievement、performance、school、technology等。這些關鍵詞在一定程度上表示2015年到2019年STEM教育領域的研究熱點。

在分析了所有關鍵詞的基礎上，選取排名前20的高頻關鍵詞，并設置頻次大于10的節點顯示，生成了關鍵詞共現圖譜。節點代表關鍵詞，邊描述關鍵詞共現情況。通過圖7可以看出，在STEM教育研究領域，除STEM、education、stem education、student、science、technology等眾所周知的關鍵詞外，性別差異（gender）、高等教育（higher education）等是國內研究中少有提及的研究內容。在性別差異（gender）方面，安妮·瑞尼克（Anni Reinking）等認為，自20世紀90年代初以來，即使在美國獲得STEM領域學士、碩士或博士學位的女性人數逐年增加，

女性在與STEM相關的測試或項目中表現得和男性同齡人一樣好或更好，女性也會對STEM失去興趣，是因為男性總是有比女性更好的就業機會。為此在STEM教育性別差異方面成為了國外STEM教育的研究重點與熱點。在高等教育方面（higher education），艾瑪·史密斯（Emma Smith）認為，STEM教育相關專業畢業生每年都有很多，但是很少的畢業生最后選擇從事STEM教育相關行業，同樣STEM教育單位也很少招聘對應專業的學生因為他們認為STEM專業畢業的學生沒有很好的技能應對相應的工作，公司要付出一定時間和精力去培養他們在學校中所沒有學習到的內容，為此高等教育下的STEM教育應該怎樣設置課程才能使學生更好的適應社會需求是急需解決的問題。

2.3? 關鍵詞時序圖譜

關鍵詞時序圖譜可以反映一定時期內某研究領域的研究熱點及演進趨勢。通過關鍵詞出現頻次數、中心度以及出現年代等指標數據，進一步利用Time Zone呈現高頻關鍵詞雖時間演變的知識圖譜。2006年至今， STEM教育研究演變大致分為三個時期：

在2006-2010年間，教育研究重點關注課堂教學、學生學業表現、學習效能感、個性化學習以及職業選擇[14];在2011-至今，國際上教育研究熱點逐漸開始關注課堂學生參與、教師指導、大學生專業選擇預計學業表現、注重STEM教學環境對學生與教師個體研究，近期熱點更是結合計算機模擬與人工智能進行深入研究[15]。

本文選取2015-2019年相關文獻的高頻關鍵詞進行詳細分析，在2015年STEM圍繞教育本身問題深入研究，如STEM 術語概念化研究 （Mathematics，Science，STEM，STEM Education）、教育對象研究（Student， Gender）以及學生學業成就（Performance， Achievement）等，并且具有一定的研究深度。在2016年信仰（belief）、身份（identify）、沖突（impact）、選擇（choice）等關鍵詞逐步顯現，這些關鍵詞的出現說明教育公平性研究是當時的研究熱點（引杜文彬）。在2017年職業（career）、大學（university）、參與度（engagement）、持久度（persistence）等關鍵詞是出現頻次最多的，這些關鍵詞的出現說明隨著STEM教育研究的深入，越來越多的專業學者開始關注大學生的就業問題。在2018年只有一個高頻關鍵詞自我效能感（self efficacy），自我效能感指個體對自己是否有能力完成某一行為所進行的推測與判斷。到2019年年初，出現了不同的性別（sex difference）、性別問題（gender difference）、預言者（predictor）等關鍵詞，由此我們可以預測在2019年STEM教育研究的熱點還是圍繞教育公平性、不同性別對STEM教育發展的影響等。

從2015年到2019年的關鍵詞演變，我們可以清晰地看出國外STEM教育首先進行了STEM教育概念化建設，然后提出STEM教育應具有教育公平性（女性教師培養問題）、接著呼吁學生以自我效能感為手段實現學業達到就業、最后在多元化背景下實現教育公平（學生學習）。

3? 結論與建議

本研究主要分析了STEM教育高產機構、高產學者、高頻關鍵詞等。通過以上幾個方面對國外STEM教育的研究熱點與重點進行統計分析：

在文獻研究年度、國外文獻發布國家以及高產學者與機構的分析中，國外對STEM逐年重視并將其研究成果從量向質進行轉變，研究論文發表年增長率數有所放緩，總體數量依舊處于上升趨勢，呈現蓬勃發展的趨勢。其中，美國在STEM教育研究數量上處于超級領先地位，占發文數量的一半以上，澳洲、中國以及歐洲緊隨其后，側面反映了美國在STEM教育研究在國際上的研究影響力，且與美國在STEM教育方面的政策引導與經濟投入有密切相關，因此，國內在進行相關研究時，應對其有相應的政策扶持與經濟投入，使其研究在國內更深入。在參與STEM教育研究的機構中，大部分屬于美國高等院校的科研團隊，表明美國在該方向上已經具有足夠影響力的科研機構，對其研究可進一步揭示國外在該研究領域學術資源的分布與資金投入情況。

通過對高頻關鍵詞的分析，當前研究的高頻關鍵詞共現網絡相對結構緊密，教育研究涵蓋多有學段，且國際上對STEM的研究注重各個學科的融合，涉及學生性別、專業選擇、教師指導、學習影響以及自我效能感等多個領域的主題。國內研究主要針對基礎研究階段、對高等教育階段的學生研究不足，在學科領域也僅僅只關注理工科與科學教育，對技術類課程關注度較低，且教育研究熱點大多借鑒國外翻譯經驗，存在盲目跟風的現象，應該結合我國實際教學情況，探索相關主題，讓STEM呈現本土化，從根本上推動STEM教育研究的持續、穩定、專注和高質量的發展。

此外，近五年國外STEM教育表現為，教育目標多元化、師資培養專業化、教育實施公平化、職業選擇多向化四方面。未來STEM教育的研究方向應更多的專注到女性教師的培養、STEM專業學生的就業方向等方面。我國相關學者要根據教改的深入與實際教學情況，進行本土化研究，利用技術手段，進行深層次、跨領域、跨學科的研究，培養以問題導向和創新為目標的復合型人才。

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