近十年我国STEM教育研究热点与趋势分析

刘丽 李兴保

摘 要：经济全球化的背景下，科技创新成为驱动经济发展的关键动力，作为培养创新思维的STEM教育应运而生。本文以中国知网（CNKI）数据库收录的245篇文献为研究对象，运用词频分析、知识图谱分析、聚类分析等方法，揭示了我国STEM教育的研究热点及发展趋势。通过分析，本文得出我国STEM教育的研究热点为：国外STEM教育状况研究、与创客教育关系探讨、跨学科视角下的我国科学教育、STEM教育学科整合与应用以及STEM素养的内涵解析五大方面。根据关键词突显时区图谱，尝试总结出促进顶层设计与社区或企业合作、培养参与度高的STEM实践社区、与信息技术深度融合、开发可操作的学习评价体系等发展趋势，以期为我国深入研究STEM教育提供参考。

关键词：STEM教育；热点；发展趋势；聚类分析

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2018）09-0014-05

一、引言

世界多极化、经济全球化的背景下，科技创新成为驱动经济发展的关键动力，培养科技人才、提升学生创新能力成为各国教育的重要内容。2016年教育部印发的《教育信息化“十三五”规划》中明确提出“要积极探索信息技术在‘众创空间、跨学科学习（STEAM教育）、创客教育等新的教育模式中的应用。”[1]这就需要各级学校充分发挥信息技术的引领作用，促进学生养成数字化学习习惯，全面培养学生的信息素养和创新意识。STEAM教育缘起于STEM教育，STEM指的是与科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）学科相关的教育。[2]旨在将科学、技术、工程和数学四门独立学科知识紧密关联，通过真实情境的活动，培养学生的跨学科创新探索思维。STEM早在20世纪80年代由美国国家科学委员会（NSF）首次提出，经过几十年的发展，美国STEM教育发展成熟，已形成一项由政府、学校、社会团体等多领域共同参与和共同努力的一体化生态系统。中国学者朱学彦早在2008年就发表了一篇有关STEM教育的文章《科技人力资源开发探究——美国 STEM 学科集成战略解读》，梳理美国 STEM 战略的发展脉络， 并解读该战略的组织保障与投入机制的具体实施。[3]十年过去了，本研究试图运用相关数据分析软件对2008-2017年检索到的STEM教育数据文献进行系统梳理、多层次挖掘，以期对我国STEM教育的现状、热点与趋势进行分析，并为其深入研究提供新起点，同时为STEM教育的实践探索提供参考。

二、研究设计

1.数据来源

本研究样本来源于中国知网（CNKI）全文数据库，采用高级检索方式，以主题为“STEM教育”或含“STEAM教育”进行检索，时间限定为2008-2017年，选定全部期刊来源，共检索到与STEM教育相关的论文330篇；通过初步筛选，删除会议综述、报纸、文件讲话、访谈等文献，共计245篇有效文献；涵盖字段：作者、摘要、标题、关键词、作者单位和期刊名等。

2.方法与工具

本研究采用的研究方法主要有词频分析、知识图谱分析、聚类分析和多维尺度分析等。研究工具采用Bicomb2.0、Spss20.0、CiteSpace III进行数据处理。词频分析软件Bicomb2.0是文献计量研究和文本挖掘研究的重要分析工具，基本原理是通过抽取特定字段、统计出现频次、按照一定的阈值截取高频条目、最后形成并输出共现矩阵。[4]运用Spss20.0进行聚类分析和多维尺度分析是一种将全部数据实例以追求较高类内相似度、较低类间相似度为原则，寻找数据之间内在结构关系的数据分析方法。[5]知识图谱分析软件CiteSpace也被称为科学知识图谱，基于CiteSpace软件，把复杂知识领域的数据挖掘、量化、处理、分析并以图形可视化的形式展现出来，揭示知识领域的动态发展规律，为学科研究提供切实、有价值的参考。[6]

3.内容与过程

高频关键词能客观反映研究领域的聚焦点，也能进一步体现学科研究的发展动向。因此，本研究采用Bicomb2.0软件从245篇有效文献中提取高频关键词，并以此为研究对象展开讨论，具体研究框架如图1所示。

三、研究结果

1.高频关键词词频统计

关键词是一篇文章的核心，是文献研究内容、研究方法的概括与凝练。[7]本研究中，高频关键词的确定根据高频关键被引频次阈值，由赖普斯计算公式M=0.749√Nmax决定。其中M是高频关键词阈值，Nmax表示区间学术论文被引频次最高值。为了确定高频关键词的阈值，在中国知网上检索与STEM教育主题相关的被引频次最高的论文《面向STEM教育的创课教育模式研究》一文。根据赖普斯的计算公式，设置频数≥5，通过Bicomb2.0软件从245篇文献中提取关键词共786个，得到我国STEM教育的高频关键词词频统计如表1所示。

由表1可以看出，排在前10位的高頻关键词主要包括“STEM教育”、“创客教育”、“美国中小学”、“科学教育”和“教育政策”等方面，可见我国STEM教育的研究热衷于和创客教育比较，且对美国中小学STEM教育及相关教育政策关注度较高，与科学教育的联系密切。

2.共现矩阵和相异矩阵构建

关键词共现矩阵的构建主要是计算两个关键词共同出现在同一文献的次数，通常意义的词频数作为矩阵元素的度量，数值越大，关系越密切。通过Bicomb2.0软件对高频关键词进行统计，得到高频关键词的共现矩阵，部分如表2所示。同时，将共现矩阵导入Spss20.0软件进行分析，得到Ochiai系数相似矩阵，在Excel中用“1”与全部矩阵相减，得到高频关键词相异矩阵，部分相异矩阵如表3所示。相异矩阵中两个关键词之间的数值越接近“1”，表明关键词之间的距离越大，相似度越小；反之，相似度越大。

3.高频关键词聚类分析

聚类分析是一种将研究对象分组为由多个类似对象组成的许多类的分析过程。将相邻关系的高频关键词组成相对独立的类团，能更好地反映我国STEM教育的研究热点和主题。将相异矩阵导入Spss20.0，运用组间联通的方法得到聚类树状图，如图2所示。

四、我国STEM教育的研究热点

根据高频关键词得到的聚类树状图和基于CiteSpace III得到的关键词聚类图谱，结合最近我国STEM教育的发展情况，得出我国STEM教育的研究热点分为如下5大主题：

1.国外STEM教育状况研究

“国外STEM教育状况研究”主要包括“教育政策、美国中小学、大学本科、教育研究、科学教育”等关键词，主要研究美国STEM教育的政策解读。STEM教育的宗旨在于以跨学科思维借助基于项目的活动或基于问题的活动来培养学生的创新能力和动手实践能力。美国为提升国家竞争力首先提出STEM，作为STEM教育的源起国家，纵观几十年的发展，为支持和推动STEM教育的发展，美国政府通过制定教育政策法规来提供保障。美国STEM教育已从最初的大学本科阶段已逐步覆盖中小学，开始形成有政策指导、相对完善的学科体系，尤其是在2013年，随着《联邦STEM教育五年战略计划》等一系列报告的出台，美国政府已将STEM教育提升到国家战略地位。[8]在尝试将STEM理念引入我国教育的初期，研究者更多地聚焦于美国教育政策的解读、STEM教育的实施以及如何从STEM教育的根学科——科学教育，逐渐延伸到技术、工程和数学学科。在对美国STEM教育政策研究的同时，结合我国发展土壤，取其精华，去其糟粕，积极探索STEM教育的理论内涵和应用模式，以期为我国高起点发展STEM教育打下坚实理论基础。

2.与创客教育关系探讨

“与创客教育关系探讨”涵盖关键词“创客教育、创客空间、创新能力、STEM课程”。知识经济信息化时代，国际竞争的核心是人才竞争，作为皆具有跨学科探究思维的创客教育和STEM教育是培养创新人才的有效途径，具有紧密的联系。北京师范大学的傅骞在2014年发表论文《当创客遇上STEAM教育》，首次提出创客教育与STEAM教育的关系。我国在STEM教育发展初期，研究者对这两个概念的关系基本呈现三种观点：第一，“相得益彰”。不论是STEM教育还是创客教育都有跨学科整合性、问题解决情境性、学生主体性等要素，两者相互配合，能够更好地培养学生的创新素养和探究精神，从而达到双赢；第二，“相异论”。有研究学者指出在教学目标、教学内容和教学过程中两种教育存在的不同，其中STEM教育侧重跨学科思维和真实情境问题，而创客教育强调创造能力和学生的动手操作以及作品的产出；[9]第三，“不用辩解”。对于两个实践概念来说，不用过多地去辩解两者的异同，而应更多关注在创客空间、STEM课程上两种教育如何激发学生兴趣、变革学习方法、提高学生的发散和创新素养，这也是大多数研究者的观点。

3.跨学科视角下的我国科学教育

“跨学科视角下的我国科学教育”主要涵盖“科学教育、启示、STEM教育、科技馆、STEM素养”等关键词。美国提出的STEM概念中，其S维度（Science）科学教育注重运用科学知识来理解和解释自然界或自然现象。在我国教育部2017年印发的《义务教育小学科学课程标准》中，建议教师尝试STEM教育，在教学实践中倡导学生跨学科学习思维。在促进美国STEM教育本土化的同时，张韵对中美两国科学教材在STEM结构框架下进行比较分析，得出中国需重视跨学科融合、横向拓宽知识面、活动内容更贴近生活等结论。[10]国内对STEM教育的研究还处于初探阶段，试图通过参观青少年宫、科技馆、博物馆等方式来提高学生的STEM科学素养，联动企业界、学术界和教育界，密切关注STEM的发展方向。北京、上海等一线城市已经率先成立了STEM实践社区，与学校形成优势互补，积极促进STEM课程在基础教育中的体系建设，共同推动注重思维方式整合而非具体科目简单叠加的STEM教育可持续发展。

4.STEM教育學科整合与应用

“STEM教育学科整合与应用”指“课程设计、人才培养、教育应用、信息技术、教育计划”等关键词。素质教育改革发展的大背景下，STEM教育的多样化教学和多维度思维，凭借培养学生问题解决能力和创新素养的优势在我国学科教育中广泛应用。将STEM理念融入课程设计，主要集中在物理、化学等理工科目的整合上，同时北京师范大学率先成立STEM创新教学研究中心，与北京的部分中小学校联盟，开发了诸如乐高教育、SCRATCH课程开发等相关的创意设计工具。STEM思维的融入，打破了传统教师主动、学生被动的教学模式，突出T维度（Technology）的作用，将技术引入课堂，在真实、复杂的问题中深度理解学科知识，调动学生动手操作、主动参与的积极性，充分体现教学活动中学生的主体性，进一步激活学生的创新和探究能力。

5.STEM素养的内涵解析

“STEM素养的内涵解析”主要包括关键词“STEM素养、学习力培养、核心素养、创新素养”。核心素养在教育实践和研究领域中被认为是学生适应未来生活和社会的必备品格和关键能力，随着STEM理念应用于教育实践和研究，其发展过程中衍生出的STEM素养备受关注。在“大众创业、万众创新”的时代背景下，教育界培养创新型人才显得任重道远。创新素养和学习力培养对传统学校教育提出变革，要求学校教育能“有效学习”。STEM教育致力于培养学生深入探究和发散思维的能力，与创新人才目标不谋而合。师保国等[11]研究者首先肯定STEM教育是提升学生创新素养的有效途径，进而分析其对培养学生创新素养的影响，从跨学科、跨领域的角度开展实践，从促进专长发展和真实情境中的问题解决角度提出实施策略。华东师范大学的蒋志辉等[12]在STEM教育背景下以STEM课程为核心、以课外活动为延伸、以教师素养为保障，构建了学生学习力培养策略模型，并给出具体实例。

五、我国STEM教育的发展趋势分析

突现词指在较短时间内出现较多或使用频次较高的词，根据突现词的词频变化可以判断研究领域的前沿与趋势。[13]如图3所示。“教育政策”、“STEM课程”、“信息技术”、“教育計划”、“课程设计”等关键词出现较多。在聚类图谱基础上，按照时间顺序统计出STEM教育的关键词突显时区图谱，如图4所示，结果显示分为三个阶段：第一阶段，萌芽期（2008-2010年）。主要讨论STEM教育在其维持美国高等教育的世界卓越地位中所发挥的作用，并对各国的世界一流大学建设有借鉴意义。第二阶段，起步期（2010-2014年）。主要关键词有教育应用、人才培养、中小学。主要研究将STEM理念应用到教育中，跨学科思维培养学生的发散和创新素养，并首先在基础教育中建设STEM课程。第三阶段，发展期（2014-2017年）。关键词有教育政策、创客教育、信息技术、课程教学设计等。此阶段STEM教育的研究得到蓬勃发展，随着创客教育的兴起，研究者开始聚焦于两种教育的异同并试图探讨如何更好地服务于教学、提升学生的综合素养。STEM理念逐渐在一些具体理工学科中应用。北京、上海等地陆续开展STEM实践基地，进一步延伸探讨如何充分发挥T维度（Technology）技术的作用，更好地与信息技术课程深度融合。

1.促进STEM教育顶层设计与社区或企业合作

美国STEM教育的繁荣持续发展，离不开相关教育政策保障以及国家科学基金会、教育部、企业等社会多方的通力合作。我国STEM教育的发展在借鉴美国教育的基础上，也需在国家层面制定相应法律政策来提供保障与指导，将STEM教育纳入国家教育战略发展计划；整合社会资源，加强与社区或企业的合作，吸纳社会力量的支持（一方面，企业为学校提供实践平台、有效学习资源，相关领域的企业专家走进课堂，与老师和学生一起实施STEM教学活动；另一方面，根据企业所需的STEM职业技能标准，学校为其培养输送相关专业人才）；做好与基础教育、高等教育的合作交流，不断优化STEM教育政策，以此来共同推动STEM教育政策的实施和落实。

2.培养参与度高的STEM实践社区

美国STEM教育的理论研究和实践研究都日臻完善，课程的设置主要有数学、科学、信息技术等核心课程，此外辅助以形式多样的选修课程来促进STEM课程的一体化。我国在将STEM教育应用在中小学课程的基础上，需培养参与度高且网络化的STEM实践社区。“编写STEM教学大纲及教材、设计STEM课程、开展STEM实践社区”是有效开展STEM教育的三部曲：首先，以学生为主体的教学理念，通过与现实生活或社会需求相对应的主题编写STEM教学大纲和教材。其次，创新教学方法，运用PBL（基于问题、基于项目）教学活动，以激发学生热情为动力设计STEM课程。最后，大量开展实证性研究，建设一些主题网站或专门平台，让学生自由、开放地获得教学资源，例如清华大学高云峰[11]教授所指出的“群体创新空间”（Group Innovation Space，简称GIS），为学生提供成功案例参考，激发探索兴趣，培养学生的探究和创新能力。

3.与信息技术深度融合

《教育信息化“十三五”规划》中明确提出要积极探索信息技术在STEM教育中的应用，提升学生的创新素养。STEM教育具有趣味性、协作性、项目性等价值取向，运用过程体验式教学将学生的知识向能力转换。首先，通过在真实情境中解决问题，自主建构、深层理解知识，形成合作性和批判性思维，“身临其境”感有助于学生积极参与和投入，提升学习者的STEM技术素养。其次，充分发挥信息技术的优势，运用现代教育技术手段和理念，调整教学内容，通过开展丰富的教学主题活动，帮助学生确定自己的兴趣方向，对学习产生一种沉浸感。借鉴国外的先进教学理念和经验，结合本国国情，在不断的实践摸索中逐步发展。

4.开发创新且可操作的学习评价体系

随着STEM教育的发展，其特有的发展模式需要出现匹配的评价体系，推动其更好地持续发展。现阶段我国STEM教育标准或是评价方式仍处于空白，急需制定可控、可实施、可持续的评价方式。作为跨学科教育的STEM教育，评价方式应体现多维度、多元化。实践结果方面的评价从教学维度评价，包括课程的过程性评价和结果性评价，侧重真实的过程性评价来随时了解教学效果，及时改进调整教学活动；学生维度的评价要开设一些全国性考试，制定如美国的教育进步评估类全国性教育评估平台，同时针对学生对STEM课程的兴趣，构建相应指标评价其参与度，在最后的实践结果中进行自我评价或同伴评价。

六、总结

STEM教育不仅仅有科学素养、技术素养、工程素养和数学素养的培养目标，还需加入包含现代社会标签的艺术素养、阅读素养等新面孔。要进一步加强技术在STEM教育中的应用，适应多元化、多机遇的社会环境，不断追求理论和实践创新，同时保持对研究主题、研究方向的深度挖掘和持续关注，从而促进我国STEM教育的健康持续发展。

参考文献：

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（编辑：王晓明）