国外K-12工程教育研究热点、主题与发展趋势

占小红 周旦旦 符吉霞

摘要： 以Web of Science核心合集中的SCI-E、 SSCI引文数据库为文献样本来源，筛选出近30年来国外K-12工程教育研究领域共计263篇文献，采用文献计量分析方法梳理出国外K-12工程教育研究的发展脉络与热点问题。研究表明，国外K-12工程教育研究的发展可分为初步发展期、稳步发展期和缓慢发展期;形成了“整合视角下的K-12工程教育”“K-12工程教育的属性与形式”“K-12工程教育模式与教师专业发展”“K-12工程学习与学生素养发展”四个研究主题;据此对我国K-12工程教育发展提出建议。

关键词： 工程教育; K-12; 国外; 综述; 文献计量分析

文章编号： 1005-6629（2020）11-0019-09

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  研究背景

随着科学技术的飞速发展和人类文明的不断进步，对工程技术人才的需求日益扩大，工程教育的发展将为社会经济发展和工业创新提供人才支撑和储备。工程教育旨在培养工程领域专业人才，是学校和社会在特定情境中进行的创造性专业教育。K-12工程教育则是指从幼儿园到12年级教育阶段学生的工程意识、工程能力培育，其构成工程教育体系的底层架构，是高等工程教育的基础和前提[1]。1982年，美国理科教师协会（National Science Teachers Association）发表《科学、技术、社会： 20世纪80年代的科学教育》以及美国促进科学协会发表《普及科学——美国2061计划》，K-12工程教育的概念逐渐进入人们的视野。随后美国又陆续颁布了《美国K-12工程教育： 现状及未来》等文件[2]进一步推进了K-12工程教育。新世纪伊始，STEM教育的兴起和发展进一步深化了工程作为一门所有学生都应该学习的学科的认知（NRC， 2009）[3]。随着2012年美国《K-12科学教育： 实践、交叉概念和核心思想》[4]和2013年《下一代科学标准》[5]（NGSS）的相继颁布，明确提出通过在K-12阶段进行科学和工程实践的方式推进基础工程教育，这在全球范围内引起了强烈反响，部分国家或地区开始着手对其课程规划文本进行调整[6]，进行工程实验室设施建设，为教师提供相应的专业发展等等。

由于K-12工程教育本身的复杂性和特殊性，要追求其可持续性的健康发展与创新，需要以对K-12工程教育的研究为支撑。近年来，国外K-12工程教育的理论研究和实践探索逐步展开，但迄今为止并没有关于K-12工程教育研究的系统综述，未能全局性把握该领域研究的发展现状及趋势。为此，本文在Web of Science数据库中将近30年来国外有关于K-12工程教育的文献检索予以汇总，借助引文分析、共词分析等文献计量分析方法，形成知识谱图透视30年来国外K-12工程教育研究的体系结构和数量变化规律，进一步厘清K-12工程教育的研究发展与热点，并结合当前我国K-12工程教育的新要求，提出对未来我国K-12工程教育发展的重要启示。

2  研究方法和样本建立

2.1  研究方法

文献计量分析以各种文献为计量对象，通常运用数学和统计学的方法，将导入文献的作者、来源期刊、国家/地区、引文等进行量化统计，并且以量的形式输出，本研究主要采用了引文分析法、共词分析法以及社會网络分析法三种子类分析方法展开研究[7]。

2.2  文献样本的检索与选取

文献样本选取Web of Science数据库的核心合集中的《科学引文索引（扩展版）》（Science Citation Index Expanded， SCIEXPANDED）和《社会科学引文索引》（Social Sciences Citation Index， SSCI）两个引文数据库作为文献样本来源。“基础教育”检索关键词英文可以有多种表达形式，如“K-12”“Basic education”“elementary education”，对基础教育的研究可以细化到幼儿园与中小学的学段中去，因此关键词甚至可以是幼儿园“kindergarten”或“nursery”，小学“elementary school”或“primary school”，中学“middle school”，也可以将中学进一步细化为初中“junior high school”、高中“senior high school”等;而工程的表达形式为“engineering”。由于Web of Science数据库检索不区分大小写，因此使用字段标识、布尔运算符、括号和检索结果创建并确定检索式为“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”），文献类型选择“Article”，数据库来源勾选“SCI”和“SSCI”，检索的时间跨度自定义为1988～2018年，检索日期为2019年1月4日，最终得到符合条件的文献共1045篇。

考虑到文献关键词是由Web of Science的特定算法提取，可能与目标文献的主要研究有偏差，因此，对得到的1045篇研究文献进一步进行人工筛选，通过认真辨别每一篇文献的标题、摘要、关键词甚至是正文，去除与本研究无关的文献，共筛选出263篇K-12工程教育领域的研究文献。

根据表1可知，排在前三位的关键词本身是K-12工程教育研究的标志词，往后的关键词有“外展”，说明为了增强学生对于工程的兴趣以提高招生的质量与数量，高等教育热衷于与K-12教育合作开展一系列外展教育活动。再往后是“工程设计研究”，工程设计早已在全美各州的工程教育项目中得以体现，研究热度居高不下。“机器人与机器人教育”也是K-12工程教育中的一个热点，其中乐高公司的机器人在其中出现次数较多，它本身是一种玩具，极易引起K-12阶段学生的兴趣，同时有助于提高动手能力，锻炼孩子的空间和几何立体感知，培养学生的创造力，还能学习并应用数学、物理、机械、电子、编程、算法、传感器应用等多学科知识，是迈入高等工程教育前对学生进行工程启蒙的好选择，研究热度也很高。除此之外，包含了工程教育的STEM教育（Science， Technology， Engineering， Mathematics education）关注度也比较高。还有一些研究关注到工程教育中的性别差异，尤其是工程认同差异，形成了性别差异这一研究热点。除上所述，科学教育与教学、技术与技术教育的研究热度也比较高。但是高频关键词中却没有出现数学与数学教育，在一定程度上说明工程教育与数学教育相关度不高。

5.3  研究主题提炼

为了显示上述研究热点之间的联系，对得到的共词矩阵作进一步的聚类分析。将上述得到的词篇矩阵导入到SPSS 23.0软件中進行聚类分析输出聚类谱图，如图3所示[25]。

根据图3可将28个高频关键词分成4个不同研究主题类团，具体如下：

（1） 主题1“整合视角下的K-12工程教育”。以科学及其分支学科如化学、生物、物理等以及技术学科课程为基础融合工程内容与工程实践，是K-12工程教育的重要途径。该主题包含“实践”“化学”“实验室”“技术与技术教育”“科学与科学专业”“K-12教育”“工程与工程专业”等关键词，研究主要关注工程与科学、技术等整合的理论基础，探讨整合要素及模式，并开展整合课程的开发与实践研究，充分体现了K-12工程教育的跨学科性、综合性、实践性特征。如Georgieva等人通过工程实验项目“水质调查”，展示了化学在生产生活实际中的应用，使学生能够更好地理解化学与工程及其关系[26]。

（2） 主题2“K-12工程教育的性质与形式”。K-12工程教育的性质定位以及具体实施形式是K-12工程教育的核心内容。该主题包含“外展”“暑期项目”“STEM教育”“工程设计研究”“评价方式”“机器人与机器人教育”“非正式的教育与学习”等关键词，主要解决K-12工程教育定位于正式还是非正式教育、校内还是校外学习、常规时间学习还是延伸性学习等问题，致力于寻求K-12工程教育的内容革新以及形式上的

多样化。如Xu， Haozhi等人鼓励通过科学写作的方式穿插化学工程实践来提升学生的科学探究能力[27]。

（3） 主题3“K-12工程教育模式与教师专业发展”。K-12工程教育教学模式构建以及师资队伍建设是K-12工程教育的基础性条件。该主题涉及“工程教育与教学”“教师发展”“学习模式”“科学教育与教学”“教师教育”等关键词，从现有研究来看重点关注了工程教师的职前教育与职后教育，探讨了通过与高等教育与工程师的合作促进K-12工程教师专业发展的路径。有关K-12的工程教育教学模式与学习模式的探索，既涉及理论设计，又对模式的有效性进行了深入的实证检验。如Apedoe， XS等人将科学探究与工程设计相结合，利用工程设计教授学生抽象的化学概念，并为该教学模式提供了指南[28]。

（4） 主题4“K-12工程教育对学生素养发展的影响”。K-12工程教育的功能及价值讨论以及工程教育视域下发展学生素养的框架和教学影响，是K-12工程教育体系中聚焦学生要素的重要方面。该主题涉及“工程师”“阅读与写作”“工程身份及其发展”“留住学生”“多样性”等关键词，主要关注学生对工程师的身份认识及变化，以及学生在工程实践过程中对自身的身份感知及变化;关注如何激发学生对工程的兴趣，促使学生在工程领域的持续性学习进而在高等教育阶段选择工程方向等;关注工程教育过程中种族、性别、学习背景的多样性对学生工程相关素养发展的影响，关注学生工程学习的认知过程的差异性和原因多样性等。如Capobianco， BM等人研究了将学生暴露于基于工程设计的科学学习活动时，不同性别和年级的学生对工程的认同的差异程度[29]。

5.4  社会网络分析

将K-12工程教育研究领域28×28的高频关键词共词矩阵导入到Ucinet6.0软件中进行社会网络分析，得到28个高频关键词的社会网络图谱如图4。社会网络图谱中的节点表示关键词，而节点之间的连线表示两个关键词的关系，若图谱中的关键词之间距离越小，表示它们的联系越密切。本文将从整体属性、核心—边缘结构、中心性三个维度来分析社会网络图谱[30]。

5.4.1  基于整体属性的分析

共词网络的密度代表着网络中关键词之间的密切程度，数值越接近于1则联系越密切[31]。在Ucinet6.0中测算得到图4的密度值为1.4907，说明国外K-12工程教育研究的范围虽然偏窄，但研究程度较深入。

5.4.2  基于核心—边缘结构的分析

据图4可将其中的关键词分为三层，首先是处在社会网络图谱中间位置的核心层，此层的关键词是K-12工程教育研究社会网络的主题结构，也是该领域最受关注的研究热点，从里到外分别有“K-12教育”“外展”“工程教育与教学”“工程与工程专业”“机器人与机器人教育”“实践”“技术与技术教育”“性别问题”“工程设计研究”。核心层之外的拓展层在K-12工程教育研究社会网络中起着过渡的作用，表示该研究领域的趋势，包含的关键词有“STEM教育”“学习模式”“阅读与写作”“化学”“实验室”“科学与科学专业”“多样性”“非正式的教育与学习”“暑期项目”“评价方式”“科学教育与教学”。最靠近边缘的为外围层，表示该领域发展时间不长或者研究热度较小、是进一步深入研究的方向，外围层包含的关键词有“工程身份及其发展”“整合教育”“留住学生”“工程师”“能源与能源利用”“基于项目的教育”“教师教育”“教师发展”。

从以上分析可知，目前K-12工程教育与技术教育关系最为密切，内容上关注机器人、工程设计领域，同时注重与科学乃至STEM学科的整合;形式上外展活动最为活跃，同时暑期项目、非正式教育与学习等处于拓展层，也表明K-12工程教育活动越加丰富;但在关注K-12工程教育的内容和形式研究的同时，教师教育、学生的工程学习及相关素养发展的研究却进展缓慢，表明K-12工程教育研究还有很大的拓展空间。

5.4.3  基于中心性的分析

在Ucinet6.0中进行中心度的计算，导出高频关键词的度数中心度、中介中心度以及接近中心度，并对其进行降序排列（具体结果略）。

在社会网络分析中，三个中心度常用于度量节点在整个网络中的地位和关系，其中，度数中心度越高的关键词即代表着该领域的研究热点，而中介中心度越高、度数中心度及接近中心度却较低的关键词代表着该研究领域的新兴方向[32]。据三个中心度的排序结果可知，度数中心度较高的关键词有“K-12教育”“工程教育与教学”“工程与工程专业”“外展”“实践”“技术与技术教育”“机器人与机器人教育”等，即为当前研究的热点，而当前研究的新兴方向有“性别问题”“学习模式”等。

6  研究启示

我国的中小学工程教育起步较晚，并且主要出现在技术教育领域，渗透于通用技术与信息技术两个学科中[33]，但技术教育中的工程知识及知识的整合较少，也缺乏行之有效的教育模式或相關研究。近几年，我国在科学与工程整合领域也出现了一些卓有成效的研究工作及实践，但范围及影响还非常有限，研究初步形成的课程及模式还有待进一步探索。上述情况导致我国中小学生对工程与工程师以及工程实践知之甚少，进而对学生在高等教育阶段专业方向的选择产生直接影响[34]。针对上述问题，本文在对30年来国外K-12工程教育研究领域的发展以及热点进行文献计量研究的基础上，对我国的K-12工程教育及研究提出如下建议：

6.1  将工程教育作为我国基础教育教学的重要组成部分

将工程教育作为基础教育教学的重要组成部分，加强对基础教育阶段工程教育的认识普及和理论与实践研究。第一，从宏观政策层面进一步加强基础工程教育的宣传和普及，将工程教育领域的认知和素养发展要求放在基础教育教学的目标层次上，从目标导向的角度凸显工程教育的重要价值和地位。第二，从研究层面大力开展基础工程教育的专门研究，并引导政策制定。我国有关基础工程教育的理论研究和实践研究都还比较缺乏，需要将基础工程教育作为基础教育教学的专门领域和独立要素开展专门研究，尽快将对基础工程教育的重视转化为对该领域的系列研究，为基础教育政策的制定提供进一步的科学依据，从而促进基础工程教育目标的落实。

6.2  立足跨学科整合，渗透工程内容与实践

根据前面聚类分析的研究结果，工程与其他科目如科学、技术的整合是K-12工程教育研究的一大主题，跨学科性已经成为国外K-12工程教育的突出特点[35]。随着工程技术飞速发展，工程教育的内容也逐渐向更新兴、更前沿的方向演化，如“工程设计”“机器人与机器人教育”“能源与能源利用”“航天工程”“计算机集成制造”等领域。我国中小学的工程教育依托于信息技术课程，而信息技术课程内容相对落后，通用技术课程又属于劳动与技术相结合的课程，学习目的是培养学生的技术实践能力[36]，教材中的设计项目依旧以木工设计为主，内容上与工程知识接轨较少，无法起到普及基础工程知识和助推高等教育培养工程人才的作用。而工程与科学、数学等学科整合尚处于初步探索阶段。为此，一方面我国的技术教育要加强对工程内容的渗透，让技术教育这一工程教育的通道切实发挥作用，另一方面应重视在科学、数学等学科领域中整合工程知识与实践活动，加大该领域的研究和教学试验力度，促成适应于我国中小学现实基础的整合形态的高质量工程教育课程及教学模式加快涌现。

6.3  创设工程教育平台，强调形式多样性

早在2004年关键文献#17就对K-12工程教育的外展活动进行了研究，此后还有各种暑期项目以及其他非正式教育出现，K-12工程教育形式上的多样化成为该领域研究的重要组成部分。我国也应重视创设更丰富的K-12工程教育平台。例如可开展基础教育与高等教育的合作、外展活动、夏令营，让学生提前了解高等教育的工程领域有利于提高学生将来选择专业的自主性，也可以仿照国外的工程设计课程，进一步推进机器人、软件工程等方面的竞赛，鼓励学生主动参与，以巩固相关的学科知识，加深工程认知和对工程技术的了解与实践。

6.4  完善评价体系，保障工程教育切实推进

长时间以来我国中小学技术教育评价以学业成绩为依据，难以体现“立足实践，注重创造，体现科技与人文”的教育主旨[37]。此外，有关工程教育的活动，无论是渗透于技术教育过程中，还是与其他学科整合的途径，乃至学校课程以外的外展活动、夏令营等，其评价目标和标准都较为模糊，缺乏行之有效的评价手段和方式，并且评价结果相较于其他学科课程或教育教学活动评价的结果产生的作用有限，因此不受重视，这在很大程度上影响了我国中小学工程教育的持续和深入开展。现阶段仅美国NAEP构建了技术与工程素养评估框架，并进行了工具开发与测试活动，其他研究主要涉及工程态度、设计思维等素养的考察[38]。我国应结合中小学工程教育的形式及相应的定位，明确目标要求，探索制定评价标准及评价方式，并确定将评价结果纳入与升学相关的参考体系，促使中小学工程教育评价得以实施并通过评价保障其真正落地。

6.5  注重中小学工程教育师资培养

美国工程教育的职前师资培养较为严格，从要求修读几何、三角学等数学知识到要求加入工程设计、静力学、动力学等科学内容，如今的工程教师资格获取还要求修读环境、电子与计算机、机械工程等内容，学科专业知识与学科拓展知识并重的培养模式使其师资队伍素质普遍较高;此外，国外从2006年就有关于教师教育、教师发展的文献#29，工程教师研究成为K-12工程教育研究的组成部分。而我国开设工程技术教育相关专业的高校本就寥寥，许多中小学的劳动技术课程、通用技术课程，甚至是信息技术课程的教师都由其他学科的教师兼任，造成课程标准与课堂教学的落差明显[39]。因此打造优秀的工程技术方向的教师队伍尤为关键。为了满足需要，师范院校可增开此专业方向，也可尝试进行工程学院与教师教育学院学生的联合培养，此外，还可以组织各省市县在职工程技术教师培训，以期达到提高工程教育师资素质的目的。

參考文献：

[1]刘华， 张祥志. 我国K-12工程教育现状及对策分析——基于创造力维度的思考[J]. 教育发展研究， 2014， （4）： 67～71.

[2][3]National Academy of Engineering and National Research Council. Engineering in K-12 education： Understanding the status and improving the prospects [M]. Washington， DC： National Academies Press， 2009： 12， 34.

[4]National Research Council. A framework for K-12 science education： Practices， crosscutting concepts， and core ideas [M]. Washington， DC： The National Academies Press， 2012： 25.

[5]National Research Council. The Next Generation Science Standards： For State， By State [M]. Washington， DC： The National Academies Press， 2013： 6.

[6]中华人民共和国教育部制定. 小学科学课程标准[S]. 北京： 人民教育出版社， 2017： 20.

[7]梁国强. 国内文献计量学综述[J]. 科技文献信息管理， 2013， 27（4）： 58～59+62.

[8]李运景， 侯汉清， 裴新涌. 引文编年可视化软件HistCite介绍与评价[J]. 图书情报工作， 2006， （12）： 135～138.

[9]王辞晓， 郭欣悦， 吴峰. 企业数字化学习国际研究脉络与热点——基于WOS的文献计量分析[J]. 中国远程教育， 2018， （03）： 52～61+78.

[10]McCuen RH， Yohe B. Engineering Design for Secondary Education [J]. Journal of Professional Issues in Engineering Education and Practice. 1997， 123（4）： 135～8.

[11]Sadler PM， Coyle HP， Schwartz M. Engineering competitions in the middle school classroom： Key elements in developing effective design challenges [J]. Journal of the Learning Sciences， 2000， 9（3）： 299～327.

[12]Carlson LE， Sullivan JF. Exploiting design to inspire interest in engineering across the K-16 engineering curriculum [J]. International Journal of Engineering Education， 2004， 20（3）： 2～8.

[13]Jeffers AT， Safferman AG， Safferman TI. Understanding K-12 engineering outreach programs [J]. Journal of Professional Issues in Engineering Education and Practice， 2004， 130（2）： 95～108.

[14]Ya 瘙 塂 ar瘙 塁 ， Baker D， RobinsonKurpius S， Krause S， Roberts C. Development of a survey to assess K-12 teachers perceptions of engineers and familiarity with teaching design， engineering， and technology [J]. Journal of Engineering Education， 2006， 95（3）： 205～15.

[15]Cantrell P， Pekcan G， Itani A， VelasquezBryant N. The effects of engineering modules on student learning in middle school science classrooms [J]. Journal of Engineering Education， 2006， 95（4）： 301～309.

[16]Klahr D， Triona LM， Williams C. Hands on what？ The relative effectiveness of physical versus virtual materials in an engineering design project by middle school children [J]. Journal of Research in Science Teaching， 2007， 44（1）： 183～203.

[17]Fralick B， Kearn J， Thompson S， Lyons J. How Middle Schoolers Draw Engineers and Scientists [J]. Journal of Science Education and Technology， 2009， 18（1）： 60～73.

[18]Ashby Plant E， Baylor AL， Doerr CE， RosenbergKima RB. Changing middleschool students attitudes and performance regarding engineering with computerbased social models [J]. Computers & Education， 2009， 53（2）： 209～15.

[19]Capobianco BM， DiefesDux HA， Mena I， Weller J. What is an engineer？ Implications of elementary school student conceptions for engineering education [J]. Journal of Engineering Education， 2011， 100（2）： 304～28.

[20]Carr RL， Bennett LD， Strobel J. Engineering in the K-12 STEM Standards of the 50 U. S. States： An Analysis of Presence and Extent [J]. Journal of Engineering Education， 2012， 101（3）： 539～564.

[21]Capobianco BM， French BF， DiefesDux HA. Engineering Identity Development Among PreAdolescent Learners [J]. Journal of Engineering Education， 2012， 101（4）： 698～716.

[22]Wendell KB， Rogers C. Engineering DesignBased Science， Science Content Performance， and Science Attitudes in Elementary School [J]. Journal of Engineering Education， 2013， 102（4）： 513～540.

[23]Marulcu I， Barnett M. Fifth Graders Learning About Simple Machines Through Engineering DesignBased Instruction Using LEGO （TM） Materials [J]. Research in Science Education， 2013， 43（5）： 1825～1850.

[24][25][30][31][32]占小紅， 宋蕊， 徐冉冉. 基于共词分析的国内外中小学教材研究热点、 主题与发展趋势[J]. 全球教育展望， 2019， 48（1）： 113～128.

[26]Georgieva， Stela & Todorov， Petar & Genova， Zlatina & Peneva， Petia. Interdisciplinary project for enhancing students interest in chemistry [J]. Chemistry： Bulgarian Journal of Science Education， 2016， 26（1）： 122～136.

[27]Xu， Haozhi; Talanquer， Vincente. Effect of the Level of Inquiry of Lab Experiments on General Chemistry Students Written Reflections [J]. Journal of Chemical Education， 2013， 90（1）： 21～28.

[28]Apedoe XS， Reynolds B， Ellefson MR， Schunn CD. Bringing Engineering Design into High School Science Classrooms： The Heating/Cooling Unit [J]. Journal of Science Education and Technology， 2008： 17（5）： 454～465.

[29]Capobianco BM， Yu JH， French BF. Effects of Engineering DesignBased Science on Elementary School Science Students Engineering Identity Development across Gender and Grade [J]. Research in Science Education， 2015， 45（2）： 275～92.

[33]管光海， 盛群力. 美国K-12技术教育的工程转型： 缘起、 进展与启示[J]. 外国中小学教育， 2017， （2）： 19～27.

[34][36][37]田静静. 普通高中通用技术课程实施中的问题和解决方式探究[J]. 才智， 2015， （5）： 214.

[35][38]赵中建. 美国中小学工程教育及技术与工程素养评估[J]. 全球教育展望， 2016， 45（12）： 3～24.

[39]刘小政. 高中通用技术有效教学的起点——课程标准细化解读[J]. 新课程研究（基础教育）， 2010， （10）： 16～17.