基于KH Coder文本數據挖掘的中日STEM教育研究模式對比

王卓玉　袁磊　張文超

摘要：STEM教育由于強調跨學科融合和創新人才培養的理念而受到世界各國的廣泛關注。我國學者的國際視野主要集中于歐美國家，而對日本的STEM教育研究甚少。造成這一現象的主要原因在于當前主流文獻數據庫并不支持對日語文獻的檢索，因此有必要借助KH Coder這一支持日語文獻分析的文本數據挖掘軟件來探索日本STEM教育研究的特色，以期為我國的STEM教育研究提供借鑒。通過對中日兩國STEM教育研究主題高頻詞表與主題詞共現關系網絡的分析發現，日本的STEM教育研究更偏向于實踐，且注重進行實證研究;實踐指向下的開發主要關注教材開發，且非常注重與地方特色產業相結合;同時倡導和重視國際間合作開展STEM實踐，不斷輸出和引進可貴經驗。反觀我國的STEM教育研究，則偏向于介紹國外特別是美國的STEM教育經驗，課程內容偏向于STEM教育的理念及其設計等理論層面問題，非常缺乏融入本地境脈的實踐和實證研究。為了更好地推進我國STEM教育的實踐發展，我國學者應該借鑒日本STEM教育研究模式的特色，從實踐與實證相結合、建立國際合作、融入地方境脈三方面探求STEM教育研究模式的轉變。

關鍵詞：日本STEM教育;研究模式;比較研究;文本數據挖掘;KH Coder

中圖分類號：G434? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：1009-5195（2020）02-0056-08? doi10.3969/j.issn.1009-5195.2020.02.007

*基金項目：廣西高等教育本科教學改革工程一般項目“卓越信息技術教師的職前培養模式研究”（2019JGB134）。

作者簡介：王卓玉，博士，副教授，碩士生導師，廣西師范大學文學院（廣西桂林 541004）;袁磊，博士，教授，博士生導師，廣西師范大學教育學部（廣西桂林 541004）;張文超（通訊作者），博士，講師，廣西師范大學教育學部（廣西桂林 541004）。

一、研究緣起與問題提出

STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）的英文單詞首字母的縮寫，是在1980年后起源于美國的一種課程整合教育，旨在為國家培養更多的工程技術人才，提高國家的競爭力（袁磊等，2017）。進入21世紀后，英國、法國、德國、日本等國紛紛發布相關計劃并開展STEM教育。其中，日本早在2002年便建立了STEM教育研究中心，即埼玉大學STEM教育研究中心，至今為止該中心共舉辦了35期名為機器人與未來研究會的活動。同時，日本政府于2002年也開創了與STEM教育相關的名為SSH（Super Science Highschool）的科學技術人才培養專項，至今該項目已實行17年。該項目由日本文部科學省主導，旨在培養具備國際性的科學技術人才。2018年日本文部科學省發布的《中小學學習指導要領改訂》指出，要增加20%～30%中小學理科數學教育的課時。同年發布的《高等學校學習指導要領改訂》指出，日本將改革高中的信息科目，將以編程、網絡（包括信息安全）和數據庫（包括數據應用）等為基礎內容的信息課程改為高中的必修課程。筆者在日本科研項目數據庫KAKEN中初步檢索后發現，截至2019年4月，日本政府支持的有關STEM教育的科研項目總量為90項。由此可見，日本政府對STEM教育的重視程度不容小覷。

然而我國學者對國外STEM教育的研究主要集中在歐美發達國家，對日本STEM教育的研究則是一大盲區。最可能的原因在于文獻數據庫的語言限制，日本的STEM教育研究論文多以日語形式收錄在日本國內的論文文獻數據庫（CiNii）中。另外，綜觀我國學者（如王卓玉等，2018;呂文潔，2019;王巍，2019;李業平等，2019）對國外STEM教育研究的整體情況，主要存在以下兩方面不足。一是該類研究只從宏觀上分析了國外STEM教育研究的熱點，并未分析其具體的研究模式及特點。二是該類研究最終的落腳點仍是如何開展STEM教育，并非如何進行STEM教育研究，也沒有對我國應如何借鑒國外STEM教育研究模式進行深入探討。

隨著我國STEM教育如火如荼地開展，作為其支持力量的STEM教育研究需要從研究模式單一向研究模式多樣轉變。為此，筆者將著眼于先行研究中尚未涉及的日本STEM教育研究，采用比較研究的分析方式，先從宏觀上對比中日STEM教育研究的區別，然后具體分析日本STEM教育研究模式的特點，最后通過比較和借鑒提出我國STEM研究模式由單一性向多樣化轉變的策略。

二、研究設計與實施

1.研究工具

當前國內學者在做文獻計量研究時，主流使用陳超美博士開發的引文可視化分析軟件Citespace。該軟件能夠對所搜集的主題文獻進行高頻關鍵詞、關鍵詞共現圖譜、作者、研究機構等方面的分析。但是，Citespace所支持的文獻數據庫具有一定的局限性。它雖然涵蓋了WoS（Web of Science）以及CNKI（中國知網）等大型文獻數據庫，但卻不支持日語文獻數據庫（CiNii）。CiNii是日本國立情報研究所運營的文獻數據庫，其中收錄了所有發表于日本學術期刊的日語論文資料。日本學者所發表的STEM教育論文基本以日文的形式收錄于該數據庫中。因此，該數據庫為研究日本本土化的STEM研究提供了重要的文獻來源，也有助于彌補國內學者對日本STEM教育研究的空白。同時由于Citespace無法分析日語文獻，因此筆者使用由日本學者樋口耕一（2014）開發的一款名為KH Coder的文本數據挖掘（Text Mining）軟件①。該軟件具備強大的文本數據挖掘功能，在日本的社會學、經濟學、語言學、教育學等多個研究領域得到廣泛應用。KH Coder軟件具有詞頻統計、詞性分析、上下文關鍵詞、關鍵詞檢索、相似度計算、自動分類、自動聚類、摘要生產和可視化（如柱狀圖、折線圖、網狀圖、散點圖、氣泡圖、聚類分析樹狀圖）等功能（程慧榮等，2015）。經多次版本更新后，目前該軟件能支持日語、漢語、英語、法語、德語、西班牙語、葡萄牙語、意大利語和俄語等多國語言的文本數據挖掘。與Citespace只能分析論文的主題文本有所不同，KH Coder可以分析其系統支持語言下的所有文本信息，即只要是Text格式的電子文本信息，KH Coder都可以進行文本數據挖掘。其次，KH Coder支持的語言種類比Citespace要多?；贙H Coder的文本數據挖掘的一般流程包括：（1）收集整理文本信息;（2）將文本載入軟件并進行詞語取舍選擇與前處理，以保證抽取的數據準確性;（3）通過軟件的抽出語一覽表功能，概觀文本中的高頻詞匯;（4）再通過關鍵詞檢索功能，觀察高頻關鍵詞所在的文脈信息;（5）最后通過軟件生成關鍵詞共現關系圖等，分析其中主要要素的分布與聯系。

2.研究設計

文本數據挖掘的方法不同于假設驗證型（即先假設后驗證）的研究方法，是通過分析具體的文本信息來尋找隱藏其中的問題與假設，它更趨向于是一種問題與假設生成型的研究方法。本文的研究設計主要分為以下兩步：

第一步，使用KH Coder對從中日兩國文獻數據庫中收集到的有關STEM教育的論文主題進行高頻詞匯和主題詞共現關系對比，以期了解日本STEM教育研究模式的整體特點。

第二步，以第一步所得結果為基礎結合具體文獻案例，深入分析日本STEM教育研究模式的具體特點。

日本的研究文獻數據來源為CiNii（ci.nii.ac.jp），中國的研究文獻數據來源為CNKI（www.cnki.net）中收集的核心期刊。具體的檢索條件設定見表1。

經過檢索后，總共收集到日本STEM教育研究文獻250條和中國STEM教育研究文獻359條，分別將其載入Text格式文檔，以便用于KH Coder分析。經KH Coder初步文本處理后得到，日本STEM教育研究文獻的Text文檔中的總詞數為6020個，異詞數為1107個;中國STEM教育研究文獻的Text文檔中的總詞數為4093個，異詞數為980個。兩個文檔都具備一定的文字量，可用KH Coder進行文本數據挖掘。

三、研究結果與分析

1.中日STEM教育研究差異

運用KH Coder中的高頻詞匯統計功能后發現，中日兩國STEM教育研究主題中出現的高頻主題詞有較大差異。由表2可知，中日兩國STEM教育研究的高頻詞中共同出現了“科學”一詞，可見兩國都關注STEM在科學教育方面的內容?！懊绹币辉~也共同出現在高頻詞中，但其在中國的高頻詞排序中位居第一，而在日本的高頻詞排序中位居第十。此外，對比中日兩國STEM教育研究主題高頻詞的前三位可以發現，日本STEM教育研究關注“科學”“實踐”和“學習”，而我國STEM教育研究關注“美國”“啟示”和“課程”。這反映出中日STEM教育研究的重要區別：即日本注重STEM在科學教育中的實踐以及學生的學習;而我國大部分研究則著眼于美國的STEM教育，向國外的STEM教育尋求啟示，同時注重課程的設計。由此可以認為，日本的STEM教育研究更偏向于實踐，而我國的STEM教育研究則更偏向于介紹國外特別是美國的STEM教育經驗。

KH Coder和Citespace都可實現主題詞共現圖譜的生成，但是KH Coder比Citespce生成的網絡圖更加清晰直觀。KH Coder的主題詞共現網絡圖中，以圓與線的形式展現各主題詞之間的關聯，圓的面積越大表明該詞在源文本中出現的頻率越高，連接兩個圓之間的線越粗表明這兩個主題詞之間的關系越緊密。

通過KH Coder中共現網絡的功能（最低詞頻數值設置為15）可得到如圖1和圖2所示的中日兩國的STEM教育研究主題詞共現網絡圖。從圖中可以看出，圍繞日本STEM教育距離較近的主題詞是“科學”“技術”和“實踐”（見圖1），圍繞中國STEM教育距離較近的主題詞是“啟示”“美國”和“課程”（見圖2）。這再次佐證了日本STEM教育研究偏向于實踐的結論。從圖1還可以發現，“實踐”不僅與“STEM教育”相連，還與“開發（開発）”相連，而“開發”又與“教材”相連，且“開發”與“教材”兩詞之間的連線較粗。由此可以推測，在日本的STEM教育研究中，STEM實踐與開發相關，而開發的對象主要是STEM教材。

從圖2中可以看出，“美國”與“啟示”兩詞之間的連線較粗，說明我國學者主要是從美國獲得STEM教育的經驗啟示。因為美國是STEM教育的發源地，且其發展歷史較其他國家要長，因此出現這一結果也不難理解。其次，“課程”一詞雖然與多個詞相連，但與“理念”“設計”距離較近，且與“理念”之間的連線較粗。這表明我國STEM教育研究中有關課程的研究內容主要是STEM教育的理念及其設計，也從側面反映出我國STEM教育研究偏重理論與設計、缺乏實踐與實證的問題。

筆者認為，中日STEM教育研究體現出上述差異的原因主要有以下三點：

第一，中日STEM教育的發展歷史差異。與日本相比，我國對STEM教育的認識相對較晚，無論是校內還是校外的STEM教育實踐都相對匱乏。學者們對STEM教育的研究長期處于基于借鑒國外經驗與實例的理論層面，以及對STEM如何本土化問題的探討。

第二，中日STEM課程體系的差異。我國的STEM課程并沒有和必修課密切地結合起來，也沒有成為一門必修課，主要以社團課程、勞技課或校本課的形式存在。而日本政府較早就發布相關文件（如《中小學學習指導要領改訂》和《高等學校學習指導要領改訂》）將STEM相關課程設為中小學必修課。而要保證STEM相關必修課的順利開展，就必須要有一套合適的教學實踐體系，而教學實踐體系建立的過程又必然要求有實證研究的支撐。因此，日本的STEM課程體系形成了一套完整、嚴謹的實踐開發流程。

第三，中日STEM教育研究的支持力量差異。STEM研究的主體是研究者，但不應當只是研究者，而應是社會各界的通力合作。日本STEM教育研究不僅有國家政府的支持，還有與大學、中小學、社會組織以及企業的合作，這為研究者極大地拓寬了研究的空間和范圍。相比之下，我國STEM教育研究的支持力量欠缺，從而導致研究者的研究范圍難以拓寬。

2.日本STEM教育研究模式特點

既然日本的STEM教育研究非常注重教育實踐，那么它是通過什么樣的形式開展教育實踐的？具體有哪些特點？通過閱讀與“實踐”相關的STEM研究文獻后，筆者梳理、總結出以下三點日本STEM研究模式的特點。

（1）注重實踐與實證相結合

日本學者在開展STEM教育“實踐”時并非單純介紹具體的教育實踐，而是會通過相關調查檢驗該實踐的具體效果，體現出實踐與實證相結合的典型特征。例如，小林道夫（2012）將機器人教材與STEM教育相結合，在中學與高中進行了如下表3所示的教育實踐，并在實踐后通過網絡調查工具以及采訪手段，對66名學生的課程滿意度以及職業觀的變化進行了調查。其結果表明，在教育實踐過程中學生對機器人和編程的興趣雖然逐漸下降，但64%的學生對該課程感到滿足。日本STEM教育實踐研究既有像小林道夫通過量化調查進行研究的，也有如保坂惠通過質性調查方法進行研究的。保坂惠（2018）的研究不僅介紹了面向小學生的編程教材的開發理念、課程計劃和教學實踐，還具體分析了學生在學習過程中填寫的反饋表的內容，全方位展示了學生的學習情況。

[（1）中學技術家庭科目——技術分野的實踐案例＼&使用LEGOMindstormsNXT，制作感應機器人以及程序，進行競技會，旨在培養學生的信息處理能力。＼&（2）高中信息科目——信息B的實踐案例＼&使用LEGOMindstormsNXT，制作感應機器人以及程序，進行競技會，并請學生對自己所制作的機器人以及程序進行口頭表達。該課程旨在通過PDCA（Plan→Do→Check→Act）循環培養學生的問題發現和問題解決能力。＼&]

反觀我國的STEM教育實踐，雖然也有學者采用實踐與實證相結合的模式進行研究（張屹等，2017;常詠梅等，2018;吳永和等，2018），但大部分研究仍以案例介紹或課程設計為主，缺乏具體的實證內容（秦瑾若等，2018;陸衛兵，2019;陳希等，2019）。有學者指出，我國STEM研究文獻中有一半以上是非實證類研究，大部分研究仍停留在理論闡述層面（曾寧等，2018）。日本STEM教育研究中將實踐與實證相結合的研究模式值得我國學者借鑒。

（2）重視國際間合作

科學技術的發展特別是近年來人工智能的快速發展，改變了傳統的知識學習體系，給人類社會的知識創新帶來了巨大沖擊。鼓勵和倡導合作與創新是人類應對當前和未來挑戰的重要途徑。因此，通過國際間合作來培養符合新世紀需要的科學技術人才，也理應受到STEM教育研究重視。在日本的STEM教育研究中，野村泰朗團隊的研究展現了STEM教育研究的國際合作新模式。

野村泰朗等（2014）為了驗證STEM-Robotics相關課程的實用性，不僅在日本國內進行研究，還在印度南部班加羅爾市（Bengaluru）的2所公立小學進行了為期3個月的調查，研究對象為小學5、6年級的學生。其結果表明，學生在學習STEM-Robotics相關課程后他們的自我效能感有了明顯提高?？傊?，為印證所提出的STEM教育相關概念是否正確，檢驗所開發的STEM課程是否有效，日本學者積極向國外擴展試驗。這一方式不僅有利于獲得更廣泛、更有效的數據，還可以間接推廣本國的STEM教育理念及其文化。與此同時，該方式還有助于加強區域間合作，改善區域間教育發展不平衡問題，以及提高教育欠發達地區的教育質量。

筆者將野村泰朗團隊的STEM教育研究模式總結為國際合作下的STEM教育研究“雙贏”模式（見圖3）。闡釋如下：A國提出有關STEM教育理念與假設，之后其應用范圍可分為國內與國外（B國或其他更多國家）兩部分。在其他國家開展研究所得的結果，不僅可促進其他國家的STEM教育發展，也可以作為補充豐富A國的STEM教育經驗，最終促進A國STEM教育的發展。同時，A國的STEM教育理念與假設也得到B國的實證支持，從而促進STEM教育在國際間的普及。

同時，日本為推進國際間合作，還加大力度培養具有國際素養的高等理科人才。例如，京都產業大學于2014年將理學部、計算機理工學部和綜合生命科學部的學科進行融合，開設了名為Global Science Course（簡稱GSC）的新課程計劃（足立薰等，2015）。該課程還獲得日本文部科學省國際人才培養推進項目的支持。此外，日本在培養STEM相關的科學技術人才時，還加入了國際元素，這不僅有利于拓展學生的視野，也有利于他們今后進行國際間的合作研究。

（3）密切融入地方產業

前文指出，除“實踐”一詞之外，“開發”一詞在日本STEM教育研究主題中的出現頻次也較高，且兩者之間聯系密切。與國內STEM教育的開發研究有所不同，日本STEM教育的開發研究注重與社會的聯結，強調將地方產業要素融入到開發過程中。例如，珠山信昭等（2016）著眼于日本愛媛縣自古一直流傳下來的制鹽產業，以其為題材開發了STEM教材，并以該教材為基礎進行了教育實踐。在設計制作教材之前，該研究團隊親自考察了位于愛媛縣今治市的制鹽工廠。在分析和總結制鹽工序后，該研究團隊認為制鹽過程中與科學、技術、工程、數學關系最為密切的工序為海水過濾、能量計算和鹽的結晶化。因此該團隊著眼于這三點進行教材開發，并開展了以下兩種教學實踐（表4）。

由表4可知，實踐1可以作為教師培養的項目加以利用，實踐2中雖然涉及一部分中學理科的內容，但是也可為小學生所接受。由此可見，該研究團隊以地方產業中的制鹽產業為教材開發基礎，進行了教師培養和實際教學的應用。他們將STEM教育與地方產業、教材開發、教師培養以及教學應用有機結合，從而形成一個以STEM教育為核心，基于地方產業的教材開發、教師培養和教學應用的模式（見圖4）。該模式不僅有利于挖掘地方產業的精髓，將STEM教育的科學理念融入其中，更重要的是其教學應用還有助于培養地方產業人才，促進地方產業發展。

四、研究結論與啟示

1.研究結論

筆者通過KH Coder這一文本數據挖掘軟件，獲得了中日兩國STEM教育研究主題中的高頻詞表與主題詞共現關系網絡。結果發現，中日兩國在STEM教育研究模式上存在明顯差異。日本STEM教育研究中有關實踐的文獻數量較多，注重進行STEM實踐以及實證研究。通過主題詞共現網絡圖還發現，實踐與開發之間存在一定聯系，日本STEM教育研究的開發主要是教材開發。相比之下，我國STEM教育研究的重心則偏向于對國外特別是美國STEM教育經驗的借鑒。雖然我國STEM教育研究也關注STEM課程，但是從主題詞共現網絡圖可知，有關課程的研究內容主要是STEM教育的理念及其設計。總之，本文的研究結果反映出我國STEM教育研究整體偏重理論與設計，而缺乏實踐與實證。

筆者通過KH Coder對中日兩國STEM教育研究模式進行宏觀對比后，還結合案例具體分析了主題中出現“實踐”的日文文獻，最終總結出日本STEM教育研究體現出實踐與實證相結合、注重國際間合作、強調融入地方產業三大特點。這三點恰好是我國STEM教育研究中所缺少的，無疑為我國今后更好地開展STEM教育研究提供了可資借鑒的模式。

2.研究啟示

（1）倡導實踐與實證相結合的研究模式

我國絕大多數STEM教育研究存在缺少信度和效度等質量指標檢測的問題，其研究結果的可靠性和準確性有待考量（張春海等，2019）。因此如何加強STEM教育的實證研究將是我國學者面臨的一大挑戰。日本STEM教育研究強調的實踐與實證相結合的研究模式為我國學者提供了借鑒。筆者認為，開展實踐與實證相結合的STEM教育研究（見圖5），既要避免陷入實證研究結果與實踐內容脫軌的問題，也要避免因教育實踐過程設計的簡單化而導致研究結果缺乏實證數據支持的問題。STEM教育實踐涉及課程設計、教材開發與教學實踐，為STEM教育實證研究提供基礎數據，而通過量化或質性研究方法得到的實證結果又可以為STEM教育實踐的質量和效果提升提供科學依據。此外，以學習者為中心是STEM教育的核心理念之一，因此，STEM教育實踐和實證研究都應以學習者為出發點，圍繞STEM教育實踐對學習者的學習興趣、學習成果、職業觀、課程滿意度等方面的變化開展量化或質性研究。

（2）構建國際合作的STEM教育研究模式

STEM教育雖然逐漸在世界范圍內普及，但其研究模式多以本國研究為主，鮮有國際合作研究。盡管各國的STEM教育通過培養符合本國國情的科技人才以服務本國利益的目的無可厚非，但缺乏國際合作勢必阻礙STEM教育的普及進程，也不利于各國STEM教育理念的推廣與交流。

概觀當今中國的國情，“一帶一路”方針與政策的提出，切實體現了我國在加強國際間合作的決心。在“一帶一路”推進過程中，教育合作也是其中重要的組成部分。2019年的《共建“一帶一路”倡議：進展、貢獻與展望》中指出，共建“一帶一路”推動沿線國家在教育、科技、文化、衛生、體育、媒體、旅游等領域開展廣泛合作（推進“一帶一路”建設工作領導小組辦公室，2019）。未來以“一帶一路”為背景的STEM教育推廣與國際合作研究將成為新的研究突破點。日本的國際合作STEM教育研究模式（參見圖3）為我國在“一帶一路”沿線國家中開展STEM教育合作研究提供了參考。我國學者在提出STEM教育相關理論或課程方案后，可同時在國內和“一帶一路”沿線國家開展合作研究，通過在不同國家開展各具特色的實證研究，最終可匯聚成豐富且具有國際借鑒價值的高質量研究成果。此模式也為我國的STEM研究提供了更廣泛的試驗范圍，有助于驗證所提理論與假設的合理性與一般性。同時該模式不僅可以引進其他國家先進的教育思想，還有利于傳播我國的教育理念與經驗，進而促進國際間的文化交流。

（3）重視融入地方境脈的STEM教育研究模式

STEM教育通過將科學、技術、工程和數學相結合，旨在培養學生發現問題和解決問題的能力。這種能力的培養與社會生活境脈緊密地聯系在一起，也對教師設計和利用STEM課程資源提出了更高的要求。地方境脈（Local Context）是教師可以挖掘和利用的資源，也是教師設計真實問題情境與體驗情境的最佳選擇。地方境脈與學習者的生活最為貼近，以其為背景設計問題最能被學習者所接受，也能將其快速代入探究情境。珠山信昭團隊開發的在STEM課程中融入地方產業就是地方境脈的要素。他們巧妙地將地方產業中涉及的科學知識融入STEM教材開發以及教學實踐當中，從而形成一個以STEM教育為中心，以地方境脈的挖掘、教材編寫、教師培養和具體教學實踐為外圍的統一研究模式（參見圖4）。這一模式值得我國學者參考借鑒。

STEM教育雖然在科技人才培養中起著重要作用，但源于美國的STEM教育的目的與理念卻并不一定適合我國。STEM也并不能解決科技人才培養過程中出現的所有問題。隨著STEM在世界各國的普及和推進，其弊端也逐漸顯露出來，例如其教學目標帶有強烈的社會功利性（袁磊等，2017）。合理恰當地融入地方境脈，可以讓STEM教育的教學目標從社會功利性轉為社會福利性。融入地方境脈的STEM課程可以讓學習者有機會了解自己所處的環境，并思考自己如何能解決周邊環境中的問題。然而當前我國的STEM教育實踐更注重STEM教育理念在課堂中的體現，卻忽略了地方境脈在教學實踐中的作用，也缺乏對如何挖掘和使用地方境脈的探討。

我國地域廣闊，既有沿海城市也有內陸城市，各地的地方產業各有差異，所能挖掘和利用的地方境脈也各不相同。如果我們繼續在全國范圍內開展單一模式的STEM教育，勢必會出現STEM教育理念與當地地方產業以及人才培養目標不接軌的現象。為此，我們應較早開展如本文所述的基于地方產業的STEM教育研究，充分挖掘我國地方產業中的科學知識，并將其作為地方境脈要素融入到STEM教育的教材開發、教師培養和教學實踐中去。

備注：

① KH Coder官方網站是http：//khcoder.net/。

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收稿日期 2019-12-01 責任編輯 劉選