引言

作为一种培养创新人才的教育范式，STEM教育逐渐成为世界教育发展的新型趋势与核心议题。STEM由科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering) 和数学(Mathematics)组成，是一种包容性更强的跨学科综合教育。20余年来，伴随着STEM在全球范围内的发展壮大，无论是在理论与政策层面，还是在实践与技术层面，STEM教育皆取得了丰硕的成果，成为培养21世纪创新应用型人才的有效模式。当前关于STEM教育研究的资料非常丰富，涵盖了教育理论与实践研究的诸多方面。虽然也有部分关于STEM教育研究的综述文献，但从这些研究中未能清晰地看到国际STEM教育的研究热点与发展趋势。为此，本研究运用文献计量分析法对全球STEM教育研究的期刊文献数据进行知识图谱分析，从整体把握STEM教育的研究热点与前沿，以期获得更为清晰的STEM教育发展路径和趋势。

一、研究设计

（一）数据来源

在Web of Science核心合集数据库检索主题为“STEM education”OR “STEAM education”OR “integrated STEM education” OR “STEM integration”、时间段为2002年1月-2022年5月的英文文献，获得3583篇研究文献，其中不含会议摘要、新闻、书评等非学术性研究文本。经过数据清洗和降重后最终收集到1939篇有效文献。

（二）研究方法

本研究运用文献计量分析方法对STEM教育研究的相关文献进行梳理与剖析。研究使用的数据统计和分析工具为CiteSpace5.8.R3软件。该软件能够通过对特定领域文献进行计量并绘制可视化图谱，实现对该领域研究概况、热点与进展的分析。^[]首先，通过发文量分析、合作网络分析和期刊共被引分析，反映国际STEM教育研究的整体概貌和发展脉络。其次，通过关键词共现分析了解国际STEM教育的主要内容和研究热点。再次，通过文献共被引分析揭示国际STEM教育的研究前沿。

二、国际STEM教育研究概况

（一）发文量分析

文献数量的发展趋势显示了在一定时间范围内学术界对研究课题关注的变化趋势。本研究对2002年至2022年间发表的文献数量进行了统计，以便深入了解国际STEM教育的研究成果。如图1所示，近十年来，国际STEM教育研究成果总体呈增长态势，具体可分为3个阶段：2002年-2012年的缓慢发展期、2013年-2016年的加速发展期以及2017年至今的蓬勃发展期。在第一阶段，STEM教育研究处于起步阶段，学术界对其关注度普遍较低，导致研究成果数量有限。从2013年开始，STEM教育研究成果显著提升，到2016年发文量已达到2012年的4倍之多，但每年发文量总数仍然不足。但2017年以后的每年文献数量均呈大幅稳定增长态势，到2021年已高达500余篇。因2022年只统计到5月23日，故文章数量较少。由此可见，这种逐年递增的趋势意味着STEM教育正在吸引越来越多学者的关注，逐渐成为教育研究的热点与重点。

图1 文献发表情况

（二）合作网络分析

合作网络分析能够及时了解领域核心带头人的研究主题，进而促进后来研究人员对本领域研究成果的整体理解与把握，为进一步研究提供借鉴。它主要涉及微观-作者合作网络、中观-机构合作网络与宏观-国家合作网络三个层面。

首先，图2显示了开展STEM教育研究的重要学者之间的学术合作关系，说明不同学者之间学术联系较强，并在此过程中形成了多个小型STEM教育研究团队。其中，影响力最大的团体是来自美国明尼苏达双城大学的Gillian Roehrig团队，其年度发文量为17篇。影响较大的还有来自密歇根州立大学的Charles R Henderson团队、来自香港中文大学的Morris Jong团队、来自国立台湾师范大学的Chunyen Chang团队等。

图2 作者合作网络

其次，从机构合作网络图谱来看，图3所示的机构发文量均在十篇以上，是STEM教育领域具有代表性的研究机构。由图谱可知各机构之间的连线错综复杂，形成了较为清晰的合作丛，不存在一个完全独立的合作网络。这说明研究机构之间的合作与交流愈发密切，不断注重STEM教育跨部门、跨领域、跨国的合作研究。此外，从图中可以看出研究机构的类型较为单一，研究成果主要集中在高等学校和科研机构，缺乏中小学等STEM教育实践的前沿阵地。究其原因主要是前者集聚了资金、人才、时间等大量资源。

图3 机构合作网络

再次，图4展示了STEM教育研究在国家/地区之间的合作网络。从总体来看，国家/地区的合作网络形态与机构的合作网络形态基本一致，节点之间互相连接、错综交织。这说明各国积极迎合全球交流与合作的主流趋势，致力于实现STEM教育研究的深化发展。结合国家、机构发文情况（表1）可以看出，美国在STEM教育领域不仅是最早开展STEM教育研究的国家，同时发文量也处于断层第一的位置。作为开拓者的研究地位，美国丰富的STEM研究成果有许多可供其它国家借鉴的地方。此外，澳大利亚、中国、土耳其、加拿大等国的节点也较大，处于加速发展阶段。值得注意的是，世界三大经济体都处于排名前列，由此可以推断各个国家的STEM教育研究情况与其经济实力也有一定关联。

图4 国家合作网络

表1 国家、机构发文量

（三）期刊共被引分析

对期刊共被引的分析有助于厘清在该领域频繁被引用的期刊有哪些，这些期刊往往承载最新的高质量研究成果，反映领域的研究动向。期刊共被引网络（图5）显示，《科学教学研究杂志》、《科学教育》、《国际科学教育杂志》与《科学》期刊的节点最大，证明这些期刊影响力最大，拥有最高被引率。节点与节点之间连线错综复杂，紧密缠绕，表明高共被引期刊之间存在复杂又紧密的联系，研究者往往会同时引用这些期刊收录的文献。   

图5 期刊共被引网络分析

根据表2可知，高共被引期刊包括《Journal of Research in Science Teaching》《Science Education》《International Journal of Science Education》《Science》《Journal of Science Education and Technology》等，这些期刊均是涵盖STEM教育研究领域内容的重要期刊，初入STEM教育研究领域的研究者可通过研读刊物内容，熟悉领域内的知识基础、研究热点与研究前沿，为确定研究选题提供方向。

表2 高共被引期刊

三、国际STEM教育研究热点

关键词承载着文献的主要信息，对高频关键词进行分析能够了解文章的核心内容进而透析领域内的研究热点。排名前30位的高频关键词如表3所示。

表3 高频关键词

利用CiteSpace5.8.R3进一步对高频关键词进行聚类分析，共得到9个聚类（图6）。模块值（Q值）和平均轮廓值（S值）是反映网络结构和清晰度的指标，通常作为评判图谱绘制效果的依据。^[]在图6中，Q值为0.5502，S值为0.7733，表明具有较为良好的聚类效果。根据高频关键词及聚类图谱，总结出当前国际STEM教育研究热点。

图6 高频关键词聚类图谱

（一）教师STEM教学信念与实践研究

高频关键词教师（teacher）、专业发展（professional development）、基于问题的学习（problem-based learning）、课程（curriculum）、信念（belief）、课堂（classroom）、探究式（inquiry）、教学（instruction）等反映了当前STEM领域的研究热点之一是教师的STEM教学信念与实践问题。依据纳入分析的文献可知，当前教师对STEM教育的看法褒贬不一，而且大部分教师不具备较好的STEM教学胜任力。一般而言，对STEM持积极态度的教师往往愿意主动寻求STEM教学提升服务。例如，Margot对2000-2016年发表的主题均为preK-12教师对STEM教育看法的实证研究进行综述发现，教师认为STEM教育很有价值，并且希望通过同行合作、高质量的培训课程、地区支持、先前经验和有效的专业发展来改善他们的STEM教学实施状况。^[]Breiner等以两个开放式问题：（1）什么是STEM？和（2）STEM是如何影响和/或影响你的生活的？调查了STEM教师对STEM的态度和观念。结果表明STEM教师对STEM教育持中立或积极的态度，而非STEM教师经常对STEM教育持有消极的感觉。^[]David等人的研究也表明教师对整合式STEM教育方法充满兴趣，但他们并没有做好充分的准备胜任STEM教学，作者指出要想优化STEM教学实施还需要对职前和在职STEM教师做大量培训工作。

（二）学生STEM专业与职业意向的影响因素研究

从青少年（adolescent）、能力（ability）、参与（engagement）、自我效能感（self efficacy）、大学生（college student）、经历（experience）、态度（attitude）等高频关键词的显现得出，学生选择STEM专业乃至从事STEM职业的影响研究是近年来STEM教育领域的研究热点。STEM教育兴起的现实基础在于美国社会经济发展亟需STEM创新型劳动力，然而当时教育方式和理念未能培养出足够的STEM科技工作者。因此，提升学生STEM价值认同、鼓励更多的学生选择STEM专业并最终步入STEM行业，成为STEM教育研究的基本话题。

Wang探索了高中毕业生选择攻读STEM专业的影响因素，结果发现STEM专业选择意向、数学成绩和最初的教育经历发挥直接作用，而STEM专业的选择意向直接受到学生高三年级数学学业表现、数学和科学课程学习以及数学学习效能感的影响。^[]然而，也有研究证明学业成绩有时对STEM专业选择未必起到正向作用，Maltese的研究论证了美国学生获得STEM学位与教育经历之间的相关性，结果发现大多数选择STEM专业的高中生是出于对科学和数学的兴趣而非招生政策和学业成就。^[]研究结果表明，学生在本科阶段参与有关科学研究的学术课题对其未来选择STEM专业继续深造以及STEM身份认同都具有明显作用。^[]为了提高学生STEM学业表现、引导更多学生选择STEM专业与职业，可以尝试在本科期间提升学生参与科学研究的程度。^[]此外，凯文（Kevin）对大学新生进行的追踪研究，也证明了本科生参与科研课题能够增加其继续攻读STEM专业研究生学位的信心^[]。

（三）运用量化方法监测STEM学生学业表现

    元分析（Meta analysis）、表现（performance）、成就（achievement）、学生（student）等高频关键词彰显了研究者对学生STEM学业表现的关注，且在研究过程中呈现将量化研究方法作为主要手段开展研究的特点。

调节效应检验是量化研究方法中的一种常见方法，它的定义是自变量X对因变量Y的作用受到调节变量Z的影响，它能够用于研究自变量影响结果变量背后的机制问题，即澄清某一变量是否影响了自变量与因变量之间的关系，这一过程是为了论证该变量的异质性是否显著，常见诸于结构方程模型、元分析等实证分析中。例如，Freeman^[]等人为了检验大学STEM课程采用讲授法与主动学习法的学习效果差异，对225项研究进行元分析，发现主动学习更能促进学生在科学、工程和数学课程中取得优异表现。

此外，Lorelle运用广义多层线性模型，一种能够精准识别预测变量的实证研究方法探究学生大学前特征（高中学业成绩）、大学经历以及机构设置对有色STEM专业本科生女性活跃在STEM领域的持久性。^[]Fan等检验了整合STEM方法在台湾高中技术教育的工程设计实践中的应用的有效性。采用准实验研究的方法，对比分析参与STEM工程模块的学生与学习技术教育模块的学生的表现，发现学习STEM工程模块的参与者在概念知识、高阶思维和工程设计项目等活动中的表现优于学习技术教育模块的参与者。

（四）以性别为切入点关注STEM教育公平研究

从性别（Gender）、女性（women）、性别差异（gender difference）等高频关键词可知，STEM教育公平研究是当前STEM教育领域的一大研究热点。根据已有的资料，STEM教育的公平性研究主要集中在女性，并且主要探讨了导致女性群体代表性不足的根源和解决策略。

Amanda认为当代女性在STEM领域中代表性仍不足。原因之一是女性在求职时更倾向追求具有公共目标（即亲密关系、隶属关系、利他主义等）属性的职业，而对公共目标的信念反向预测了对STEM职业的兴趣。但是，STEM领域的工作大多是助人性质的，却被认为与公共目标对立或无关。为了培养女性参与STEM职业的动机，作者认为第一步便是增强对这种信念及其后果的认识，其次是将科学或工程职业描绘成更利他的职业。事实上，妇女涌入最多的科学相关领域也确是那些参与帮助他人的领域，如心理科学和生物医学科学，而且心理科学可以解释人们选择或放弃STEM职业道路的原因。比如，如果女性参与STEM职业的一个阻碍是STEM和公共目标之间的失调，那么借助心理科学可以解决这种失调。^[]此外，康奈尔大学塞西教授（Stephen Ceci）指出由于基础教育阶段的科学课程设置更有利于男生造成了女生对于数学相关专业的低倾向性与低自我效能，进而阻碍了女生未来的STEM职业参与。在改善措施方面，斯托特（Jane Stout）通过对比研究发现，女性与STEM领域同性专家（专业人士、教授等）社交能够显著提高女性的STEM身份认同与STEM职业意向，因此想要提升女性STEM认同，或可增加女性学生与同性专家的交往与合作机会。

四、结语

本文运用文献计量学方法、借助Citespace软件对2002-2022年国际STEM教育研究的相关文献进行处理与分析，在此基础上对STEM教育研究现状与热点主题进行了探索，以期能为我国深化STEM教育研究以及推进STEM教育落地提供借鉴。整体而言，STEM教育研究仍处于加速发展时期，当前研究热点涉及教师STEM教学信念与实践研究、学生STEM专业与职业意向的影响因素研究、运用量化方法监测STEM学生学业表现研究、以性别为切入点关注STEM教育公平研究四个主题。

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课题名称：天津市教育科学研究院院级青年课题“情境化问题驱动的小学STEM课程设计与应用研究”，项目编号：TJJKY2024-QN-36