國外K-12工程教育研究熱點、主題與發展趨勢

占小紅 周旦旦 符吉霞

摘要： 以Web of Science核心合集中的SCI-E、 SSCI引文數據庫為文獻樣本來源，篩選出近30年來國外K-12工程教育研究領域共計263篇文獻，采用文獻計量分析方法梳理出國外K-12工程教育研究的發展脈絡與熱點問題。研究表明，國外K-12工程教育研究的發展可分為初步發展期、穩步發展期和緩慢發展期;形成了“整合視角下的K-12工程教育”“K-12工程教育的屬性與形式”“K-12工程教育模式與教師專業發展”“K-12工程學習與學生素養發展”四個研究主題;據此對我國K-12工程教育發展提出建議。

關鍵詞： 工程教育; K-12; 國外; 綜述; 文獻計量分析

文章編號： 1005-6629（2020）11-0019-09

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 研究背景

隨著科學技術的飛速發展和人類文明的不斷進步，對工程技術人才的需求日益擴大，工程教育的發展將為社會經濟發展和工業創新提供人才支撐和儲備。工程教育旨在培養工程領域專業人才，是學校和社會在特定情境中進行的創造性專業教育。K-12工程教育則是指從幼兒園到12年級教育階段學生的工程意識、工程能力培育，其構成工程教育體系的底層架構，是高等工程教育的基礎和前提[1]。1982年，美國理科教師協會（National Science Teachers Association）發表《科學、技術、社會： 20世紀80年代的科學教育》以及美國促進科學協會發表《普及科學——美國2061計劃》，K-12工程教育的概念逐漸進入人們的視野。隨后美國又陸續頒布了《美國K-12工程教育： 現狀及未來》等文件[2]進一步推進了K-12工程教育。新世紀伊始，STEM教育的興起和發展進一步深化了工程作為一門所有學生都應該學習的學科的認知（NRC， 2009）[3]。隨著2012年美國《K-12科學教育： 實踐、交叉概念和核心思想》[4]和2013年《下一代科學標準》[5]（NGSS）的相繼頒布，明確提出通過在K-12階段進行科學和工程實踐的方式推進基礎工程教育，這在全球范圍內引起了強烈反響，部分國家或地區開始著手對其課程規劃文本進行調整[6]，進行工程實驗室設施建設，為教師提供相應的專業發展等等。

由于K-12工程教育本身的復雜性和特殊性，要追求其可持續性的健康發展與創新，需要以對K-12工程教育的研究為支撐。近年來，國外K-12工程教育的理論研究和實踐探索逐步展開，但迄今為止并沒有關于K-12工程教育研究的系統綜述，未能全局性把握該領域研究的發展現狀及趨勢。為此，本文在Web of Science數據庫中將近30年來國外有關于K-12工程教育的文獻檢索予以匯總，借助引文分析、共詞分析等文獻計量分析方法，形成知識譜圖透視30年來國外K-12工程教育研究的體系結構和數量變化規律，進一步厘清K-12工程教育的研究發展與熱點，并結合當前我國K-12工程教育的新要求，提出對未來我國K-12工程教育發展的重要啟示。

2? 研究方法和樣本建立

2.1? 研究方法

文獻計量分析以各種文獻為計量對象，通常運用數學和統計學的方法，將導入文獻的作者、來源期刊、國家/地區、引文等進行量化統計，并且以量的形式輸出，本研究主要采用了引文分析法、共詞分析法以及社會網絡分析法三種子類分析方法展開研究[7]。

2.2? 文獻樣本的檢索與選取

文獻樣本選取Web of Science數據庫的核心合集中的《科學引文索引（擴展版）》（Science Citation Index Expanded， SCIEXPANDED）和《社會科學引文索引》（Social Sciences Citation Index， SSCI）兩個引文數據庫作為文獻樣本來源。“基礎教育”檢索關鍵詞英文可以有多種表達形式，如“K-12”“Basic education”“elementary education”，對基礎教育的研究可以細化到幼兒園與中小學的學段中去，因此關鍵詞甚至可以是幼兒園“kindergarten”或“nursery”，小學“elementary school”或“primary school”，中學“middle school”，也可以將中學進一步細化為初中“junior high school”、高中“senior high school”等;而工程的表達形式為“engineering”。由于Web of Science數據庫檢索不區分大小寫，因此使用字段標識、布爾運算符、括號和檢索結果創建并確定檢索式為“TI=（engineering）AND TS=（kindergarten OR nursery OR K-12 OR basic education OR fundamental education OR elementary school OR primary school OR middle school OR high school OR junior high OR junior school OR senior high OR senior school”），文獻類型選擇“Article”，數據庫來源勾選“SCI”和“SSCI”，檢索的時間跨度自定義為1988～2018年，檢索日期為2019年1月4日，最終得到符合條件的文獻共1045篇。

考慮到文獻關鍵詞是由Web of Science的特定算法提取，可能與目標文獻的主要研究有偏差，因此，對得到的1045篇研究文獻進一步進行人工篩選，通過認真辨別每一篇文獻的標題、摘要、關鍵詞甚至是正文，去除與本研究無關的文獻，共篩選出263篇K-12工程教育領域的研究文獻。

根據表1可知，排在前三位的關鍵詞本身是K-12工程教育研究的標志詞，往后的關鍵詞有“外展”，說明為了增強學生對于工程的興趣以提高招生的質量與數量，高等教育熱衷于與K-12教育合作開展一系列外展教育活動。再往后是“工程設計研究”，工程設計早已在全美各州的工程教育項目中得以體現，研究熱度居高不下。“機器人與機器人教育”也是K-12工程教育中的一個熱點，其中樂高公司的機器人在其中出現次數較多，它本身是一種玩具，極易引起K-12階段學生的興趣，同時有助于提高動手能力，鍛煉孩子的空間和幾何立體感知，培養學生的創造力，還能學習并應用數學、物理、機械、電子、編程、算法、傳感器應用等多學科知識，是邁入高等工程教育前對學生進行工程啟蒙的好選擇，研究熱度也很高。除此之外，包含了工程教育的STEM教育（Science， Technology， Engineering， Mathematics education）關注度也比較高。還有一些研究關注到工程教育中的性別差異，尤其是工程認同差異，形成了性別差異這一研究熱點。除上所述，科學教育與教學、技術與技術教育的研究熱度也比較高。但是高頻關鍵詞中卻沒有出現數學與數學教育，在一定程度上說明工程教育與數學教育相關度不高。

5.3? 研究主題提煉

為了顯示上述研究熱點之間的聯系，對得到的共詞矩陣作進一步的聚類分析。將上述得到的詞篇矩陣導入到SPSS 23.0軟件中進行聚類分析輸出聚類譜圖，如圖3所示[25]。

根據圖3可將28個高頻關鍵詞分成4個不同研究主題類團，具體如下：

（1） 主題1“整合視角下的K-12工程教育”。以科學及其分支學科如化學、生物、物理等以及技術學科課程為基礎融合工程內容與工程實踐，是K-12工程教育的重要途徑。該主題包含“實踐”“化學”“實驗室”“技術與技術教育”“科學與科學專業”“K-12教育”“工程與工程專業”等關鍵詞，研究主要關注工程與科學、技術等整合的理論基礎，探討整合要素及模式，并開展整合課程的開發與實踐研究，充分體現了K-12工程教育的跨學科性、綜合性、實踐性特征。如Georgieva等人通過工程實驗項目“水質調查”，展示了化學在生產生活實際中的應用，使學生能夠更好地理解化學與工程及其關系[26]。

（2） 主題2“K-12工程教育的性質與形式”。K-12工程教育的性質定位以及具體實施形式是K-12工程教育的核心內容。該主題包含“外展”“暑期項目”“STEM教育”“工程設計研究”“評價方式”“機器人與機器人教育”“非正式的教育與學習”等關鍵詞，主要解決K-12工程教育定位于正式還是非正式教育、校內還是校外學習、常規時間學習還是延伸性學習等問題，致力于尋求K-12工程教育的內容革新以及形式上的

多樣化。如Xu， Haozhi等人鼓勵通過科學寫作的方式穿插化學工程實踐來提升學生的科學探究能力[27]。

（3） 主題3“K-12工程教育模式與教師專業發展”。K-12工程教育教學模式構建以及師資隊伍建設是K-12工程教育的基礎性條件。該主題涉及“工程教育與教學”“教師發展”“學習模式”“科學教育與教學”“教師教育”等關鍵詞，從現有研究來看重點關注了工程教師的職前教育與職后教育，探討了通過與高等教育與工程師的合作促進K-12工程教師專業發展的路徑。有關K-12的工程教育教學模式與學習模式的探索，既涉及理論設計，又對模式的有效性進行了深入的實證檢驗。如Apedoe， XS等人將科學探究與工程設計相結合，利用工程設計教授學生抽象的化學概念，并為該教學模式提供了指南[28]。

（4） 主題4“K-12工程教育對學生素養發展的影響”。K-12工程教育的功能及價值討論以及工程教育視域下發展學生素養的框架和教學影響，是K-12工程教育體系中聚焦學生要素的重要方面。該主題涉及“工程師”“閱讀與寫作”“工程身份及其發展”“留住學生”“多樣性”等關鍵詞，主要關注學生對工程師的身份認識及變化，以及學生在工程實踐過程中對自身的身份感知及變化;關注如何激發學生對工程的興趣，促使學生在工程領域的持續性學習進而在高等教育階段選擇工程方向等;關注工程教育過程中種族、性別、學習背景的多樣性對學生工程相關素養發展的影響，關注學生工程學習的認知過程的差異性和原因多樣性等。如Capobianco， BM等人研究了將學生暴露于基于工程設計的科學學習活動時，不同性別和年級的學生對工程的認同的差異程度[29]。

5.4? 社會網絡分析

將K-12工程教育研究領域28×28的高頻關鍵詞共詞矩陣導入到Ucinet6.0軟件中進行社會網絡分析，得到28個高頻關鍵詞的社會網絡圖譜如圖4。社會網絡圖譜中的節點表示關鍵詞，而節點之間的連線表示兩個關鍵詞的關系，若圖譜中的關鍵詞之間距離越小，表示它們的聯系越密切。本文將從整體屬性、核心—邊緣結構、中心性三個維度來分析社會網絡圖譜[30]。

5.4.1? 基于整體屬性的分析

共詞網絡的密度代表著網絡中關鍵詞之間的密切程度，數值越接近于1則聯系越密切[31]。在Ucinet6.0中測算得到圖4的密度值為1.4907，說明國外K-12工程教育研究的范圍雖然偏窄，但研究程度較深入。

5.4.2? 基于核心—邊緣結構的分析

據圖4可將其中的關鍵詞分為三層，首先是處在社會網絡圖譜中間位置的核心層，此層的關鍵詞是K-12工程教育研究社會網絡的主題結構，也是該領域最受關注的研究熱點，從里到外分別有“K-12教育”“外展”“工程教育與教學”“工程與工程專業”“機器人與機器人教育”“實踐”“技術與技術教育”“性別問題”“工程設計研究”。核心層之外的拓展層在K-12工程教育研究社會網絡中起著過渡的作用，表示該研究領域的趨勢，包含的關鍵詞有“STEM教育”“學習模式”“閱讀與寫作”“化學”“實驗室”“科學與科學專業”“多樣性”“非正式的教育與學習”“暑期項目”“評價方式”“科學教育與教學”。最靠近邊緣的為外圍層，表示該領域發展時間不長或者研究熱度較小、是進一步深入研究的方向，外圍層包含的關鍵詞有“工程身份及其發展”“整合教育”“留住學生”“工程師”“能源與能源利用”“基于項目的教育”“教師教育”“教師發展”。

從以上分析可知，目前K-12工程教育與技術教育關系最為密切，內容上關注機器人、工程設計領域，同時注重與科學乃至STEM學科的整合;形式上外展活動最為活躍，同時暑期項目、非正式教育與學習等處于拓展層，也表明K-12工程教育活動越加豐富;但在關注K-12工程教育的內容和形式研究的同時，教師教育、學生的工程學習及相關素養發展的研究卻進展緩慢，表明K-12工程教育研究還有很大的拓展空間。

5.4.3? 基于中心性的分析

在Ucinet6.0中進行中心度的計算，導出高頻關鍵詞的度數中心度、中介中心度以及接近中心度，并對其進行降序排列（具體結果略）。

在社會網絡分析中，三個中心度常用于度量節點在整個網絡中的地位和關系，其中，度數中心度越高的關鍵詞即代表著該領域的研究熱點，而中介中心度越高、度數中心度及接近中心度卻較低的關鍵詞代表著該研究領域的新興方向[32]。據三個中心度的排序結果可知，度數中心度較高的關鍵詞有“K-12教育”“工程教育與教學”“工程與工程專業”“外展”“實踐”“技術與技術教育”“機器人與機器人教育”等，即為當前研究的熱點，而當前研究的新興方向有“性別問題”“學習模式”等。

6? 研究啟示

我國的中小學工程教育起步較晚，并且主要出現在技術教育領域，滲透于通用技術與信息技術兩個學科中[33]，但技術教育中的工程知識及知識的整合較少，也缺乏行之有效的教育模式或相關研究。近幾年，我國在科學與工程整合領域也出現了一些卓有成效的研究工作及實踐，但范圍及影響還非常有限，研究初步形成的課程及模式還有待進一步探索。上述情況導致我國中小學生對工程與工程師以及工程實踐知之甚少，進而對學生在高等教育階段專業方向的選擇產生直接影響[34]。針對上述問題，本文在對30年來國外K-12工程教育研究領域的發展以及熱點進行文獻計量研究的基礎上，對我國的K-12工程教育及研究提出如下建議：

6.1? 將工程教育作為我國基礎教育教學的重要組成部分

將工程教育作為基礎教育教學的重要組成部分，加強對基礎教育階段工程教育的認識普及和理論與實踐研究。第一，從宏觀政策層面進一步加強基礎工程教育的宣傳和普及，將工程教育領域的認知和素養發展要求放在基礎教育教學的目標層次上，從目標導向的角度凸顯工程教育的重要價值和地位。第二，從研究層面大力開展基礎工程教育的專門研究，并引導政策制定。我國有關基礎工程教育的理論研究和實踐研究都還比較缺乏，需要將基礎工程教育作為基礎教育教學的專門領域和獨立要素開展專門研究，盡快將對基礎工程教育的重視轉化為對該領域的系列研究，為基礎教育政策的制定提供進一步的科學依據，從而促進基礎工程教育目標的落實。

6.2? 立足跨學科整合，滲透工程內容與實踐

根據前面聚類分析的研究結果，工程與其他科目如科學、技術的整合是K-12工程教育研究的一大主題，跨學科性已經成為國外K-12工程教育的突出特點[35]。隨著工程技術飛速發展，工程教育的內容也逐漸向更新興、更前沿的方向演化，如“工程設計”“機器人與機器人教育”“能源與能源利用”“航天工程”“計算機集成制造”等領域。我國中小學的工程教育依托于信息技術課程，而信息技術課程內容相對落后，通用技術課程又屬于勞動與技術相結合的課程，學習目的是培養學生的技術實踐能力[36]，教材中的設計項目依舊以木工設計為主，內容上與工程知識接軌較少，無法起到普及基礎工程知識和助推高等教育培養工程人才的作用。而工程與科學、數學等學科整合尚處于初步探索階段。為此，一方面我國的技術教育要加強對工程內容的滲透，讓技術教育這一工程教育的通道切實發揮作用，另一方面應重視在科學、數學等學科領域中整合工程知識與實踐活動，加大該領域的研究和教學試驗力度，促成適應于我國中小學現實基礎的整合形態的高質量工程教育課程及教學模式加快涌現。

6.3? 創設工程教育平臺，強調形式多樣性

早在2004年關鍵文獻#17就對K-12工程教育的外展活動進行了研究，此后還有各種暑期項目以及其他非正式教育出現，K-12工程教育形式上的多樣化成為該領域研究的重要組成部分。我國也應重視創設更豐富的K-12工程教育平臺。例如可開展基礎教育與高等教育的合作、外展活動、夏令營，讓學生提前了解高等教育的工程領域有利于提高學生將來選擇專業的自主性，也可以仿照國外的工程設計課程，進一步推進機器人、軟件工程等方面的競賽，鼓勵學生主動參與，以鞏固相關的學科知識，加深工程認知和對工程技術的了解與實踐。

6.4? 完善評價體系，保障工程教育切實推進

長時間以來我國中小學技術教育評價以學業成績為依據，難以體現“立足實踐，注重創造，體現科技與人文”的教育主旨[37]。此外，有關工程教育的活動，無論是滲透于技術教育過程中，還是與其他學科整合的途徑，乃至學校課程以外的外展活動、夏令營等，其評價目標和標準都較為模糊，缺乏行之有效的評價手段和方式，并且評價結果相較于其他學科課程或教育教學活動評價的結果產生的作用有限，因此不受重視，這在很大程度上影響了我國中小學工程教育的持續和深入開展。現階段僅美國NAEP構建了技術與工程素養評估框架，并進行了工具開發與測試活動，其他研究主要涉及工程態度、設計思維等素養的考察[38]。我國應結合中小學工程教育的形式及相應的定位，明確目標要求，探索制定評價標準及評價方式，并確定將評價結果納入與升學相關的參考體系，促使中小學工程教育評價得以實施并通過評價保障其真正落地。

6.5? 注重中小學工程教育師資培養

美國工程教育的職前師資培養較為嚴格，從要求修讀幾何、三角學等數學知識到要求加入工程設計、靜力學、動力學等科學內容，如今的工程教師資格獲取還要求修讀環境、電子與計算機、機械工程等內容，學科專業知識與學科拓展知識并重的培養模式使其師資隊伍素質普遍較高;此外，國外從2006年就有關于教師教育、教師發展的文獻#29，工程教師研究成為K-12工程教育研究的組成部分。而我國開設工程技術教育相關專業的高校本就寥寥，許多中小學的勞動技術課程、通用技術課程，甚至是信息技術課程的教師都由其他學科的教師兼任，造成課程標準與課堂教學的落差明顯[39]。因此打造優秀的工程技術方向的教師隊伍尤為關鍵。為了滿足需要，師范院校可增開此專業方向，也可嘗試進行工程學院與教師教育學院學生的聯合培養，此外，還可以組織各省市縣在職工程技術教師培訓，以期達到提高工程教育師資素質的目的。

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