STEM教育研究：热点、分布及趋势

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STEM教育研究：热点、分布及趋势

摘 要： 本文采用文献计量方法，以科学知识图谱为工具，对“Web of Science核心合集”（2007-2017）中与STEM教育研究相关的1016篇文献进行回顾总结。结果显示：时间分布上，STEM教育经历了初步探索期、快速发展期和深化研究期三个阶段；空间分布上，美国是STEM教育的发源地且引领该领域的发展热潮，有关此领域的研究机构多集中在大学，研究作者集中在教育领域；研究热点上，基于学业表现、人才培养、课程设计等领域的研究热度始终不减。未来，STEM教育研究体现出更加重视构建完善的STEM教育体系及学习生态系统，重视整合学习和不断扩大STEM教育的学科融合等发展趋势。
关键词： STEM教育；知识图谱；热点；分布；趋势
近年来，作为科教强国的重要举措，STEM（科学-技术-工程-数学） 教育受到越来越多国家的关注和重视，具有中国特色的STEM教育也正快速兴起，体系逐渐显露。[1]为深入了解世界STEM教育研究的现状并为发展我国STEM教育提供借鉴和参考，本文采用文献计量学的方法，对世界各国STEM教育的研究文献进行分析，以揭示STEM教育研究的热点、分布及发展趋势。
一、研究方法及数据说明
本文以科学计量学为定量研究方法，运用Citespace软件作为数据分析工具，对STEM教育研究的热点、分布和未来趋势进行梳理和分析。[2]该软件是美国德雷克塞尔大学陈超美教授基于JAVA语言开发的可视化图谱分析工具，能对作者、机构、国家合作情况、关键词共现和文献共被引以及作者共被引情况进行分析，使学者快速了解该领域的基本发展现状。
本研究所需数据来源于“Web of Science核心合集”中2007-2017年公开发表的关于“STEM(或STEAM)教育”①的文章。搜索时间为2018年5月14日，具体搜索式为：关键词=“STEM Education”OR“STEAM Education”OR“STEM Field” OR“STEAM Field”；检索条件=主题；其他选择默认值进行检索。在剔除无关结果且去重后得到符合条件的文献1016篇。
二、时空知识图谱及分析
(一)STEM教育研究的时间分布图谱
某一领域文献发表量与科研人员投入量的年度增减变化在一定程度上可以反映学者对该领域关注度的强弱。[3]基于此，本文将2007-2017年关于“STEM教育”的1016篇文章按年份进行统计，得到发文量和科研人员数量年度分布图（图1，见下页）。
由图1可以看出，从2007年到2017年，“STEM教育”研究的发文量与研究人员数量的年度分布高度契合。其中，2007-2009年发文36篇，占总数的3.5%；2010-2013年发文295篇，占总数的29%；2014-2017年发文685篇，占总数的67.4%。据此，我们可以把 “STEM教育”研究大致划分为三个阶段。第一阶段，初步探索期。2007-2009年间，发文量和科研人员相对较少，研究处于起步状态，且研究内容多为STEM教育的现状分析。这表明对该领域的研究尚处于初步探索期。第二阶段，快速发展期。2010-2013年间，以霍塔林（Hotaling）、亨德森（Henderson）为代表的学者围绕“科学教育”、“计算机科学”、“工程学”等主题作了大量研究，论文和科研人员数量迅速上升，步入快速发展期。第三阶段，深化研究期。2014-2017年，发文量和科研人员数量大幅波动上升，研究主题不断深化，研究领域日益扩展，实践模式更加丰富，国际交流日益增多，相关研究逐渐受到各国政府的重视。

图1 发文量及科研人员数量年度分布图（2007-2017年）
（二）STEM教育研究的空间分布图谱
1.STEM教育研究国家分布图谱
为探析不同国家对STEM教育研究的关注度及贡献度，本文借助Citespace软件编制出STEM教育研究的国家分布图表（表1、图2）。在图2中，一个节点代表一个国家；国家间的连线表示其合作关系；内层圆圈代表具有较高中心度②（大于0.1）的国家，圆圈外围线条越粗，表明该组织在STEM教育研究领域的中心度越高；圆圈大小代表发文量多少。[4]通常来讲，一个国家在某领域的重要地位由中间中心度和发文数量共同影响，即当某个国家的中心度和发文数量都较高时，则意味着该国在该领域的地位突出，贡献较大。[5]
表1中，STEM教育研究国家分布“中心度”排名前三的国家依次是美国、英国和德国。英国（22）与韩国（20）相比，虽发文量基本持平，但英国在中心度上遥遥领先。原因有二，第一，通过整理发文来源期刊发现，英国在其发表的24篇期刊中，有三篇作为第一作者发表在SCI一区，占比12.5%，而韩国至今为止，尚未发表一篇。英国较之韩国，其发文量高且质优。第二，英国为摆脱全球金融危机与欧洲债务危机的双重影响，在2004年发布了《2004-2014科学和创新投资框架》，将目光投向人才培养，并提供雄厚资金支持STEM教育发展，[6]而韩国STEM教育起步晚，既没有质量高的文章也没有操作力强的实践模式，基本处于不断摸索的表层试验阶段。[7]因而，在该研究领域，英国比之韩国，地位更高，代表性更强。
从图2中可以看出，整个STEM教育研究国家分布图谱中的节点少而散，这在一定程度说明，STEM教育研究未能引起世界各国的普遍重视，且各国之间缺少联系合作，研究的广度和深度有待加强。以发文数量看，美国近十年来有关STEM教育的发文量高居首位，达726篇，在该领域处引领地位，而澳大利亚（26）、英国（22）、中国（18）等国家发文量相差不大，且总体较少。由此可见，除美国外的其他各国STEM教育研究尚处于初期探索阶段，研究较为零散，尚未形成一套成熟的理论体系和可供操作的实践模式。
表1 STEM教育研究国家分布表


图2 STEM教育研究国家分布图谱
2.STEM教育研究机构分布图谱
考察不同机构及其之间的合作情况，能够直观展示该领域研究的空间分布特点，使学者快速明确该领域的研究群体，把握其研究视角。[8]为考察STEM教育研究的核心学术团体，本文将经过处理后的数据导入Citespace Ⅱ中并生成STEM教育研究机构分布图谱（图3），后将发文量在10篇及以上的机构进行汇总（表2）与图3进行对照。图3中，每个节点代表一个机构；节点大小代表机构发文量多少；节点之间的连线代表机构之间的合作关系。
首先，在样本所涉及的研究机构中（表2），排名前四的分别是：普渡大学（33）、亚利桑那州立大学（19）、西北大学（15）和德克萨斯州农工大学（15）。这说明上述四个研究单位在本领域具有较强的科研实力和影响力。由图3结合表2可知，国内外有关STEM教育的研究机构单一，且多集中在高校。这表明大学是STEM教育领域研究的中坚力量，学术机构是STEM教育发展的核心载体。
其次，图3中节点最大的机构是美国的普渡大学，这再次印证了上文对美国在该领域重要地位的探讨。[9]据表1所得：英国的位置中心度（0.94）排名第2，处于STEM教育研究领域的次核心地位，但表2中没有一家机构来自英国。究其原因，英国的机构节点小且分布稀疏，而美国则相反。这表明英国在该领域的研究团体分散、研究机构发文量少、不同机构间鲜有合作。同时，由图2和表3可知，日本、中国和马来西亚等国，位置中心度和机构间合作网络密度几乎为零。这也表明，对于亚洲大多数国家而言，欧美等发达国家的STEM教育具有明显的示范带动作用。[10]
表2 STEM教育研究机构分布表


图3 STEM教育研究机构分布图谱
3.STEM教育研究作者分布图谱
文献核心研究作者的研究成果在某种程度上代表着该领域的关注热点和研究前沿。[11]基于此，本文对样本文献的作者发文频次进行统计（表3）。从发文频次看，有8位作者发文量不少于6，106位作者发文量不少于3，而绝大多数（2435）作者的姓名只出现了一次。其中，发文量居于首位的是霍塔林（Hotaling），他的大部分文章属于会议类且以第一作者发布。[12]其次是亨德森（Henderson），一位来自美国的学者，其研究领域为物理教育。紧接着是卡普拉罗（Capraro）等人。最后，我们发现这些学者中的大多数都有计算机科学、工程学、心理学等专业背景。
表3 作者发文频次统计

为了更直观地呈现不同作者之间的合作及发文量情况，本文构建了作者合作知识图谱（图4）。其中，一个节点代表一个作者，节点大小代表作者发文量的多少；节点间的连线表明作者间合作关系，线条的多少代表作者间合作的强弱度。由图谱中作者的整体分布情况可知，国内外有关STEM教育的研究者呈现出局部集中，整体分散的局面，尚未形成极具凝聚力和向心力的科研团体。同时，基于图4也可看出STEM教育研究的核心研究团队已初见雏形，代表人物分别是：梅维斯（Mervis）、亨德森（Henderson）、洛斯（Lowes）和卡普拉罗（Capraro）。但由于图4中核心作者的所属学科存在差异，因而彼此间相互联系不够紧密。从合作强度看，以亨德森（Henderson）和洛斯（Lowes）二人为例，前者研究领域为物理学教育，后者则为生物学、化学工程学，研究学科几乎没有关联度。因此，他们虽有内部合作，但彼此之间仍然处于相互独立的研究阶段，从长远来看这种现象似乎并不利于STEM教育研究的可持续发展。

图4 STEM教育研究作者分布图谱
三、研究内容知识图谱及分析
（一）STEM教育研究热点：共词分析
关键词作为文献检索的重要依据，是对文章内容的精炼概括。[13]本文首先将STEM教育的研究方向进行梳理汇总，得到近十年来STEM教育研究方向频次分布表（表4）。
表4中，目前STEM教育所涉及的研究方向频次居于前四位的依次是：教育研究（624）、工程学（437）、计算机科学（156）和心理学（61），其中，从事教育研究方向的频次最高。一方面，在进行作者合作图谱分析时就发现大多数研究STEM教育的作者基本上从事教育研究或者拥有与教育研究方面相关的知识背景；另一方面，从STEM教育的定义上来看，有学者曾指出“STEM教育主要是指科学、技术、工程与数学领域的教育”，[14]总体上属于基础教育和应用教育的范畴，所以此领域在教育研究方向上较为集中也符合情理。与此同时，随着各国学者对STEM教育研究的不断深入，研究者更加强调用跨学科方法面对“大挑战”的教育经验。[15]因而，诸如心理学和科学技术等领域的研究也如雨后春笋般涌现，STEM教育研究呈现出跨学科研究趋势。
为了更清楚地把握该领域研究热点，本文在明确其研究方向后，又绘制出高频关键词知识图谱（图5）。一个节点代表一个关键词；节点之间的连线代表这两个关键词之间的共现关系；节点大小决定了关键词累计出现的频次高低。同时，将出现频次在20次以上的高频关键词共现信息列于表5。图5显示，整个网络图谱结构松散，密度不高。这表明相关学者对该领域的特定主题缺乏持续关注和深入研究。综合图5和表4，从节点重要性来看，“STEM教育”节点最大、频次最高；从高频关键词上看，“STEM教育”、“科学教育”和“性别差异”等话题近年来饱受学者青睐；从中心度上看，目前“学习环境”（1.16）、“人才培养”（1.13）、“课程设计”（1.08）“学业表现”（1.07）、“自我效能感”（1.05）、“学习兴趣”（1.04）和“教师教学知识”（1.02）具有高度中心度（大于1）。这表明：在排名靠前的14个高频共现关键词中，这7个研究主题较之其他话题更能代表当前的研究热点和研究态势，他们在整个网络图谱中起着重要枢纽的作用，连接着不同的研究方向。
表4 STEM教育领域研究方向频次分布表（前8位）


图5 STEM教育研究领域高频关键词知识图谱（2007-2017）
表5 STEM教育研究高频关键词

（二）STEM教育研究的知识基础分析
分析研究领域的知识基础有利于明晰该领域的研究前沿、把握其研究动向，而对知识基础参考来源的挖掘通常来自于文献的引用轨迹。[13]表6显示了所收集数据中排名前8的高被引文献。其中，排名第一的是由全美研究理事会、行为社会科学教育司等机构共同编著的《成功实施从幼儿园到高中STEM教育的有效方法》。[16]该书指出了STEM教育学习的必要性以及美国STEM教育的目标；明确了成功的STEM教育学校所具备的3个标准；对K-12学校和地区如何实施STEM教育，国家和国际政策制定者如何决策做出了清晰的责任划分。排名第二的是马克·桑德斯（Mark Sanders）发表的关于Stem,Stem Education, Stemmania的研究。[17]该文提出了一体化式的STEM教育的概念，通过对比传统教育突出其注重科学精神的特点，进而鼓励各国积极改革走符合时代精神的教育创新之路。排名第三的是美国国会在《公法》上发表的有关美国竞争法案的研究。[18]值得一提的是弗里曼（Freeman）所做的有关“主动学习”的研究，[19]他利用“调查+实验”的研究方法，将学生在传统教育方式下的学习成绩与STEM教育下的学习成绩进行对比，最终得出结论：积极主动的学习可以提高学生在科学、工程和数学等学科上的表现力。
在上述基础上，为更好把握研究前沿，本文对STEM教育研究知识基础图谱进行分析（图6）。每个节点代表一篇引文文献，引文文献之间的连线代表共引用关系；节点越大，代表引文频率越高。从图中可以发现引文频率最高的全美研究理事会发表的关于美国竞争法案的文章，其次是桑德斯（Sanders）的文章，这与上文分析结果一致。

图6 STEM教育研究知识基础图谱
表6 高被引重要参考文献

（三）知识基础引文突现分析
为了进一步了解STEM教育领域研究热点的兴起、发展及消退过程，本文在共被引文献分析的基础上进行了引文突变检测。[20]该检测既关注高频共被引文献又不忽视低频次、高变化率的文献（图7）。[21]
1.突变频率最高且持续时间最长的突现引文
由图7可知，本研究中突变率最高、持续时间最长的突现引文是由国家科学院出版社印发的《美国国家科学基金会材料研究科学与工程中心项目：回顾与展望》。[22]该引文突现开始于2011年，在2014年呈下降趋势。这与表5中关键词“科学教育”和“工程教育”集中出现的年份一致。该书着重介绍了材料研究科学与工程中心对STEM教育与推广效果的评估，其主要内容涵盖了K-12阶段不同主体STEM教育的各项活动。其中明确强调了材料研究科学与工程中心项目的最终目标是提高公众对科学的态度，通过公众、政策制定者和K-12学校的活动提高非科学工作者的科学知识含量。
2.出现时间最晚的突现引文
本研究中出现时间最晚的突现引文也是由国家科学院出版社出版的《在非正式环境中学习科学：学习者、学习场所和学习目标》一书（图7）。该引文的研究主题与表6中的高频关键词“学习兴趣”和“学习表现”相吻合。分析发现，该引文阐述的观点主要有以下两点：（1）学生的学习兴趣受STEM教育环境的影响；（2）非正式化的学习环境有利于提高学生的学习成绩和学业表现力。由此可见，非正式学习环境下的STEM教育受到人们的普遍重视。

图7 STEM教育引文突变图谱
四、结论及未来发展方向
本文从文献计量学的角度出发，对STEM教育（2007-2017年）样本期刊文献进行分析，得出以下结论：
从时空分布图谱看，STEM教育历经了初步探索期、快速发展期和深化研究期三个阶段；美国是STEM教育的发源地，至今保持着STEM教育研究的中心地位；发文量最多的机构是美国普渡大学；发文机构之间合作关系较弱；发文作者多来自教育领域，其中霍塔林（Hotaling）和亨德森（Henderson）是该领域研究的主要代表。
从共词分析来看，当前STEM教育研究领域主要集中在教育研究、工程学、计算机科学等，研究热点主要集中在“学业表现”、“课程设计”和“人才培养”等话题。
从共被引和引文突现分析来看，当前STEM教育领域多关注构建完善的STEM教育体系及学习生态系统，重视整合学习和不断扩大STEM教育的学科融合等。
基于此，本文认为以下几个方面将会成为该领域未来的研究方向：
第一，重视完善的STEM教育体系及学习生态系统的构建。开展STEM教育，既要重视校内正规的教育，又要重视校外非正规的教育，并通过STEM学校与企业、高校以及社会组织广泛深入的合作，构建起正规与非正规教育、课内与课外教育于一体的跨部门合作的STEM教育生态体系。需要特别指出，本文引文突现分析发现，创造非正式化的学习环境对STEM教育至关重要，目前以教室、教师为中心的学习环境不利于STEM教育的有效实施。
第二，重视整合学习。STEM教育在课堂和教学中十分重视项目学习、探究式学习、基于问题/设计的学习、研究性学习以及与真实情境的联系，强调所学知识的应用性和实践性。为此，STEM学校教师要不断更新自身专业知识，多层次、宽领域地涉猎相关学科内容，加强不同学科教师的交流与协作。
第三，STEM教育的学科融合不断扩大。近年来，STEM教育的学科内涵不断丰富和扩展，出现了“STEAM教育”、“STEMx教育”等新的“STEM教育”课程构成模式，艺术、调查研究、全球沟通、信息技术、计算机思维等21世纪所需的知识和技能不断融入STEM教育课程体系，形成了STEM+教育的多学科融合模式。[23]
当然，本文也存在一定局限性，主要表现为：样本单一，研究结论与样本的选取息息相关，而本文仅选取了近年来部分具有代表性的STEM教育研究的期刊，一些未被作为研究对象的期刊也可能发表了相关成果；数据库滞后，“Web of Science核心合集”数据库随时间变化不断更新，不同学者虽以同样方式检索，但结果可能有所不同；阶段划分标准模糊，对STEM教育研究阶段进行划分仅仅是为了呈现不同时期的研究内容、代表作者、研究热点，但并未形成统一标准；方法欠妥，提取关键词、绘制网络图谱的方法虽能在一定程度上探寻最新研究热点、展现核心研究内容，但对内容的深度挖掘不足。
注释：
① 近年来，STEM（科学-技术-工程-数学）教育的多学科融合不断发展，STEM教育向STEAM（科学-技术-工程-艺术-数学）教育发展的趋势逐渐显现，本文对两者不作区分。
② 本文中心度指中间中心度，是指经过某节点并与之相连的两节点最短路径数目与这两个节点之间所有最短路径数目之比，是衡量节点在网络中资源控制及信息交流“媒介”能力强弱的重要指标。原图链接：https://pan.baidu.com/s/1xX0EbnPOVyUjk99heQqymA 密码：yy7n。
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