我国STEM教育研究现状及热点分析

2021-05-21杨乐刘丽丹

中国教育信息化·基础教育 2021年3期

杨乐刘丽丹

摘要：STEM教育作为国际上备受推崇的跨学科综合教育的有效形态，虽然引入我国时间相對较短，但关于STEM教育的研究成果已有很多。文章通过对CNKI核心期刊和CSSCI刊发的文献进行检索（截止到2020年12月底），筛选出465篇文章，利用CiteSpace等软件对其进行处理，探究STEM领域的研究现状及热点方向，有利于从整体上了解STEM的发展状况，构建科学的研究体系，为STEM教育的进一步研究和发展提供参考。

关键词：STEM教育;研究现状;分析;综述

中图分类号：G420 文献标志码：B

一、研究背景

为了培养高素质的科学技术人才，增强国家综合国力，在未来世界竞争中继续保持卓越地位，美国最先掀起了STEM教育的浪潮，从1986年的《本科的科学、数学和工程教育》到2015年的《STEM教育法》，再到近期的《STEM 2026》，一系列的政策、文件都对美国STEM教育培养提出了明确要求。经过几十年的研究和实践，目前美国全学段的STEM教育都开展得较好，并取得了一系列的成果。STEM教育对人才培养具有一定的促进作用，因此世界各国也陆续将目光移向了STEM教育，德国、日本、英国、澳大利亚、芬兰等都针对STEM教育开展了相关的项目实践研究。如今STEM教育发展的浪潮已经席卷全球，成为各国教育改革的一大关注点。

我国的STEM教育开展得相对较晚，但研究热度近年来不断攀升。2008年，陈超等人分析了美国联邦政府的“国家综合战略”，对《美国高等教育行动计划》《美国竞争力计划》等战略计划进行了研究，认识到STEM教育对于建设世界一流大学的重要意义，由此开启了我国STEM教育理论研究的先河[1]。之后乌云其其格[2]、卢春[3]等学者对STEM教育的研究不断深入，理论和实践成果也渐渐增多。2016年，《教育信息化“十三五”规划》中明确提出现阶段我国要大力发展STEM教育[4]。2018年，教育部直属的中国教育科学研究院专门成立了STEM教育研究中心，进行STEM教育本土化研究。经过十几年的发展，STEM教育在我国遍地开花，各地的学者、高校和社会机构通过不断深入研究，取得了一定的理论和实践成果。

尽管我国在STEM教育领域取得了一定的成绩，但是和发达国家相比，在各方面还有着不小的差距，例如STEM教育在学校课堂开展的实际情况[5]、STEM师资的培养[6]、相应社会机构的发展[7]等，因此了解我国STEM教育发展的现状，对现有成果进行整理分析，掌握近年来学者们普遍关注的方向，有助于更好地把握整个STEM发展脉络。

二、研究设计与过程

1.文献来源

本文所选取的数据样本来源于2021年之前收录的CNKI核心期刊和CSSCI刊发的文章。CNKI是国内影响力和利用率较高的综合性中文期刊数据库，在期刊库中进行高级检索，以“STEM”并含“教育”“STEAM”并含“教育”为主题进行检索，限定来源为“CNKI核心期刊”和“CSSCI”，截止到2020年12月底，经人工筛选剔除会议通知、资讯、重复等无关文章后，得到有效文献465篇。

2.方法和工具

本文主要采用文献计量法和内容分析法。文献计量法是图书馆学、情报学的特殊研究方法，主要是借助文献的各种特征数量，如主题词、关键词等，运用数学和统计学方法来对科学文献进行定量分析[8]。内容分析法是对明显的传播内容进行客观、系统的量化并加以描述的一种研究方法[9]，其目的在于揭示文献所含有的隐性信息，对事物发展作分析和预测。确定样本后，主要使用5.7.R2版CiteSpace软件、WPS软件和IBM公司22版的SPSS软件对数据进行处理。

三、研究结果与分析

1.发文时间与载文量

CNKI收录的与STEM教育相关的核心期刊和CSSCI的年载文量如图1所示。在2008—2012年间，关于STEM教育的文章只有零星的几篇，主要是对美国为主的STEM教育项目理念发展动态作一些分析，此时的STEM教育还没有引起国内学者们的关注。2013—2016年，这段时间是国内核心期刊刊发STEM教育相关文章的成倍增长期，主要原因是美国2013年发布了《联邦政府关于科学、技术、工程和数学（STEM）教育战略规划（2013—2018年）》等一系列国家政策，反复强调STEM教育的重要性，加强STEM教育理念在各个教育阶段的应用，这吸引了包括中国在内的许多国家的注意，也开始研究STEM教育在本国的发展。

2016年，STEM教育的CNKI核心期刊和CSSCI载文量有一个明显的拐点，这段时间“创客教育”引起了STEM研究者们的广泛关注，创客教育与STEM教育在内容和形式上十分相近，都鼓励跨学科、综合性的项目式学习，只是侧重点稍有不同，这为推进STEM教育提供了新的契机。2017—2019年，文章数量高速增长，尤其是2019年高达117篇，在这期间STEM教育在国内外的实施都取得了一定的成果。在国内，上海科技教育出版社出版了由赵中建主编的“中小学STEM教育丛书”，为我国中小学STEM发展提供了可供参考的国际经验。2018年，《中国STEM教师能力等级标准（试行）》等文件的发布，标志着我国对于STEM教育的研究开始形成初步的体系。2020年，CNKI核心期刊和CSSCI刊发的STEM教育主题文章数量有所下降，不排除受到疫情因素影响的可能。根据CNKI核心期刊和CSSCI中STEM文章的载文量和相关政策来看，近年来学者和研究人员对于STEM教育的关注度越来越高，预计接下来一段时间文章数量会有所回升。

2.核心作者和机构

利用CiteSpace和Microsoft Excel软件对题录信息进行处理，可以较为直观地看出在CNKI核心期刊和CSSCI等上发文较多的作者和机构（见表1）。

通过表1可知，东北师范大学的袁磊和河南大学的赵慧臣是在STEM研究领域发文较多的作者，袁磊2018年在《现代远距离教育》上发表的《幼小衔接阶段基于项目的STEAM课程教学模式研究》和《STEAM教育理念与小学“研究性学习”课程的深度融合研究》文章单篇被引分别为31、19次，这两篇文章主要分析了STEAM理念进入幼儿园和小学阶段时，课程融合设计与实施的具体思路过程，可见袁磊在STEM领域中主要关注初等教育，特别是小学的STEAM课程理念设计及具体实施中的现实问题。

赵慧臣在STEM领域主要关注的是STEM教育理念的发展和创新能力的培养，他单篇被引最高的文章是2016年在《开放教育研究》上发表的《开展STEAM教育，提高学生创新能力——访美国STEAM教育知名学者格雷特·亚克门教授》。文章中，赵慧臣等人就STEAM教育的理念发展、框架内涵、实践中的具体教学改革等相关问题与格雷特·亚克门教授对话，并且提问了格雷特·亚克门教授对中国实施STEAM教育的一些看法[10]。赵慧臣在探究美国STEM教育教学实践方面做了很多研究，并且基于此为我国STEM课程设计、培养策略提出新的启示。

华东师范大学的吴永和在STEM领域主要关注的是中等教育和计算机技术及其应用，尤其是能够应用于STEM和STEAM的新型技术，如3D打印、人工智能、电子书包等;南京师范大学的宋怡对国外STEM教育项目研究较多;东南大学的叶兆宁和杨元魁主要关注STEM领域中如何构建“集成式的STEM课程观”;华东师范大学的任友群主要关注STEM领域的数字化能力和创新意识的培养;华东师范大学的杜文彬主要关注STEM课程构建与开发，对国外尤其是美国和澳大利亚的STEM教育课程进行研究分析。美国德克萨斯A&M大学的李业平更关注STEM教育发展现状和美国STEM教育，发表文章多为综述类。

综上可知，对于STEM教育领域的研究方向主要集中在以下几个方面：一是理论研究类，对STEM教育理念本身进行深入研究，如何更好地本土化以及设计教育教学模式模型等，为后续实践研究做理论支持;二是实践创新类，结合STEM教育理念，利用新型科技的发展来促使实践教学领域发生变化，在实践中创新教学、发现不足并不断改进，以实践发展理论;三是比较分析，在顶层设计的角度对现有成果进行分析，包括对国内STEM教育发展脉络的梳理、单个国家的现状分析和国内外的比较研究，以综述形式居多，有利于把握研究重点和明晰方向。

表2中列出了到2020年发表文章超过8篇的研究机构，可以看出大部分机构分布在我国中东部地区，尤其是南京、上海和北京，说明现在国内对于STEM教育的研究，主要科研力量还是在发展程度较快的大城市，经济发展越迅速，科研能力和对于新理论、新技术的学习接受程度越快，而且主要集中在国内顶级师范类高校。华东师范大学、南京师范大学和北京师范大学关于STEM教育的研究是走在全国前列的，其科研能力毋庸置疑;而东北师范大学、陕西师范大学和华南师范大学在STEM领域的研究也很突出，应该是重点研究方向。同时可以看出，对于STEM教育的研究主要是教育学院、国际比较学院和信息技术学院，符合前文所说的三大研究方向。

3.高频关键词分析

（1）关键词

关键词是反映一篇文章最核心内容概括性的词或词组，而可视化统计图谱是最直观明了地能够看出数据情况的统计手段。这里使用CiteSpace软件对数据进行处理，得到按降序排列的关键词（见表3）。由表3可知，前四个关键词分别是“STEM教育”“STEAM教育”“STEM”和“创客教育”，由于前三项均为检索关键词，第四个高频关键词为“创客教育”，从中可以看出创客教育在STEM领域中有着极为重要的作用，表中序号为8、11的关键词“创客”“创客空间”也同样体现了这一点。

创客是指具有一定的創新思维和实践能力，能够将自己的创意变为现实的人。创客空间是提供给创客们，用以创造、聚会、社交或开展合作的社区化运营的工作空间。创客教育是基于传统的DIY运动和黑客文化，伴随着科技发展而提出的一种新型教育模式，旨在通过鼓励学生使用数字化工具进行造物并分享，来培养学生动手创造与问题解决等能力[11]。创客教育的第一驱动力就是将创意变成现实，倡导创意物化，这也是创客教育重要的“产出”性评价指标[12]。

STEM教育和创客教育都强调“以学生为中心”的学习活动[13]，但在活动本质上，STEM教育对以科学学科为基础的探究性活动更为侧重，创客教育则更倾向于以工程学科为基础的创造性活动。对于二者的联系，有很多学者进行了分析，王旭卿[14]提出STEM教育使创客教育的目标与过程更加清晰;傅骞[15]等人则认为创客教育为STEM教育提供了内容与实现路径。笔者认为创客教育和STEM教育之间的关系就像两个交叉圆，在内容和形式上基本一致，都是为了更好的教育，促进人的科学发展和提高解决问题的能力，只是在侧重点上稍有不同，二者相辅相成，互相占比极大，创客教育的发展必然会促进STEM教育的推进。

（2）STEM课程设计与模式构建

表3中序号1、2、3、6、12、13、14、15、17所代表的关键词体现了基于STEM和STEAM教育理念的课程设计与模式构建。“STEM教育”和“STEAM教育”是研究主题，所有的理论、技术、教育教学实践等都是围绕着STEM教育开展的，而STEAM是STEM教育的发展延续和进一步的研究，它在STEM教育原有的科学、技术、工程、数学的基础上加入了代表“人文或艺术”的“A”，将STEM教育的范围和意义做了新的延展，未来STEM教育的发展人文元素不可或缺[16]。“STEM课程”“教学模式”“跨学科”“教学设计”和“中小学”强调对于STEM教育的本土化研究，最重要的就是如何将跨学科的STEM教育理念合理地应用到具体的教育教学之中。

我国分科教学由来已久，已经形成了系统化的课堂结构和教学模式，在师生们十分熟悉和适应原有教学方法的情况下，融入跨学科的STEM教育理念很难，相当于打破常规去尝试新的方法，但基于我国高考等实际情况，这样的试验并不能贸然进行。在进行实践之前，对于教学模式和课程的具体设计十分重要，这是STEM教育理念具象化的关键。那么，如何在课堂上合理地设计每一个活动步骤，让师生能够适应课堂的变化，使其既能够让学生学到有效的内容，又能在学习的过程中融会贯通各学科的知识，培养创新意识，从而促进学科整合？其不单单是要建立适当的课上教学模式，还包括设计一系列的教学手段、方法、媒体和评价体系。目前有很多学者基于STEM理念设计了一些教学模式和模型，但现在仍处于一个探索试验阶段，没有形成较为权威有效的模式设计，这方面的研究不仅是近十年的主要内容，也将是未来的重点攻坚对象。

4.关键词聚类分析

采用关键词聚类的方法得到图2，结合图1可知CNKI核心期刊和CSSCI中收录的STEM教育领域的研究热点情况主要集中在以下几个方面：

（1）关于科学教育与STEM教育理论发展的思考

图2中序号0、1、2、3所代表的类团，强调了科学教育在STEM教育理论发展中的重要影响。20世纪以来，世界各国开始意识到科学的重要性[17]，五六十年代伴随着经济的重建和科学技术的发展，对于科学技术人才的需求大大提升，美国的科学教育思想开始深入人心。

关于科学教育的说法有很多，丁邦平认为科学教育包括数学教育、技术教育和社会科学教育[18]。中国科学院《2001科学发展报告》则指出，科学教育的目的是培养科技时代的现代人所必须的科学素养。[19]可见科学教育与STEM教育理念的发展目标是一致的，并且角度更为宏观，STEM教育理论相对科学教育而言，对实施者和参与者提出了更为具体的要求，并且顺应发展的需求经历了STEM、STEAM、STEAM+等不断的变化，在探索过程中从一开始侧重实用的理科倾向走向更加均衡合理的多元化发展。在STEM教育理念发展的过程当中，科学教育可以说是根本性的动力和要求，STEM理念的发展也为更好地实现科学教育提供了具体和可操作的方向。

（2）对于以美国为主的国际STEM教育项目的分析研究

图2中序号0、1、2、4、5所代表的类团，体现了对于以美国为主的国际STEM教育项目的分析研究。美国作为最先开始并大力推动STEM教育的国家，从1986年至今，陆续出台了很多政策来鼓励学校和社会发展STEM教育，尤其是2013年以后几乎每年都有针对STEM教育的新政策出台，如STEM（科学、技术、工程、数学）教育的五年战略计划——“北极星”计划等，范围基本覆盖全学段，重视程度可见一斑，其理论研究和项目水平确实走在全球前列。

我国和其他国家对于STEM教育的研究大多始于对美国相关项目政策的分析和梳理，并不断学习和适应国情来进行本土化，除美国外，英国、芬兰等国的STEM项目开展情况也引起了一些学者的关注。目前国际上关于STEM教育的浪潮汹涌，各国对人才培养的竞争尤为激烈，开展STEM项目作为落实和实践STEM教育的重要举措，在各个国家和地区遍地开花。在我国的STEM领域研究中，有相当一部分是对于以美国为主的各国STEM项目的分析和比较研究，如对美国的青少年课外STEM项目、澳大利亚的“澳大利亚早期学习STEM”等项目进行深度剖析，以此为国内STEM项目的开展带来启示，提供新的方法以避免走弯路。目前，国内比较大的STEM项目，像“浙江—印州中小学STEM课程平移项目”等，也是在自我探索的基础上，研究美国的STEM项目，甚至邀请国外的STEM教师来观摩实践，提出建议以适应国内教学。因此，以项目为抓手推动自主合作学习和实践探究必不可少，预测未来各个国家和地区的高校机构等将密切联系，不断加强STEM教育项目的研究。

（3）对STEM人才具体能力的培养

图2中序号0、1、2、6、7所代表的类团，体现了对STEM人才具体能力的培养，尤其是计算思维和技术素养的培养。由于时代的飞速发展，对于人才的要求也越来越高，世界各国都开始兴起超越知识的21世纪技能运动，其中最常提及的就是21世纪技能（能力）、关键能力（核心素养）、高阶思维能力或高阶技能[20]。

2018年，《中国STEM教育2029创新行动计划》提出要发展STEM教育，培养科学思维与创新能力[21]。2018年6月，第二届中国STEM教育发展大会再次明确指出：STEM 教育的核心是培养问题意识和创新精神，其主线是探究实践[22]。通过表3可以看出，将STEM领域研究的核心素养和关键技能具象化，最关注的就是计算思维、创新思维和对先进技术（如人工智能、3D打印等）的运用能力，即数字化时代的技术素养。这是当前各国都迫切需要培养的新世纪人才的必备素质，也是未来教育最重要的目标。

在信息爆炸的时代，科技日新月异，人类的学习模式不得不发生变化，机器学习的速度远超人类按部就班的常规学习，培养智能时代下对人工智能、3D打印等先进技术水平的研发运用能力与计算思维必不可少。同时作为适应社会发展的核心素养，要求学生具有独立思考、创新、能够解决真实问题的学习意识和能力，不局限于某一学科的发展，认识到交叉学科和团队合作的魅力，并且能够得心应手地使用，这不是几年、十几年可以做到的，而是需要几十年甚至更长的时间，但在此期间，各国都在互相追赶脚步，对人才的培养刻不容缓。

四、对我国STEM教育發展的启示和建议

1.加强STEM教育领域中学者间与机构间的关联性

通过上文对核心作者和机构的分析，可以看出在理论研究类、实践创新和比较分析这三个大的方向上，各个学者与各大高校机构都进行了深度探索，其中也包含技术带动、课程创新、模式突破等不同的侧重点，不可否认我国已经在STEM教育领域取得了一定的成果，但参看作者和机构的可视化图谱（见图3、图4）可以发现，学者和机构的分布较为分散，基本没有太大的相关性。即使是同样研究STEM教育理论的学者，对不同阶段教育和相同阶段教育，学者们的研究方向和看法都有较大的差异。如同样是STEAM理念在小学阶段的研究，袁磊和赵玉婷研究的是STEAM理念与小学“研究性学习”课程的深度融合，周东岱等人研究的则是基于STEAM教育理念的小学课程体系重构。机构方面，以北京师范大学为首的各学院STEM研究与陕西师范大学有一定的交叉，南京师范大学与南京晓庄学院、华东师范大学部分学院之间的联系也较为密切，但是大多数学校和学院机构的关联性还比较弱，很多高校内部不同学院对于STEM教育都有自己的研究，如果能够加强校内外跨学院、跨专业合作，可以创造出不一样的效果。

现在我国STEM教育仍处于探索本土化阶段，不同观点的争鸣容易启迪更好的思路，但自行摸索的难度会较大，也会有很多的困惑和歧路，加强机构和机构之间、学者和学者之间，或者是机构和学者之间的联系，使得较为相近的观点或方法互相促进来比较不足，或者持对立看法的机构和学者加强联系，共同进行课程试验，设立对照组等，能够更有利于STEM教育各个领域的本土化发展。参考21世纪国际工程教育研究机构合作网络，可见国际工程教育领域机构间合作较为密切，[23]因此早日形成密切的合作网络，有利于信息的沟通和调整，便于更快、更高效地培养大量人才。

2.完善顶层设计，建立STEM课程模式设计评价标准与体系

近年来我国对STEM教育日益重视，对于STEM和STEAM教育理念的课程设计与模式构建的关注度也持续走高，学者们纷纷提出具体的将STEAM理念融入到中小学各课程当中的设计，如STEAM理念与学前机器人课程相结合[24]、与初中信息技术课程相结合[25]等等，但对于STEM课程模式的设计与实施评价机制，目前还没有具体、明确、统一的标准。如今我国各地都在开展STEM教育理论实践的研究，方法方式新颖多样，侧重点各有不同，成果也比较分散，很难形成有目标针对性的体系。

推进STEM教育的发展和学科体系的构建是十分复杂的，前期可以遍地开花，寻求不同可能，但研究一段时间后就需要有明确的目标指向来进行深入探索，这个时候需要在国家层面设立统一的标准和评价体系，因此完善顶层设计是十分重要且必需的。要从国家层面的角度出发，对通过STEM教育培养出的人才需要具备的能力做出具体可量化的要求，并且根据我国的文化、国情和社会制度来设计一系列评价体系，明确相关部门的具体职能。在进行评价的过程中，也要考虑全面性和准确性，不能仅关注学生的一两个方面，要注意评价工具的多样和手段多元化。有了明确的方向和标准，才能够大范围地推动STEM教育。

3.以项目学习为“抓手”，培养学生的具体能力

在STEM教育活动开展的过程中，经常会提到“项目学习”，STEM教育和创客教育都是基于项目式的学习，以美国为主的国际STEM教育项目的分析也一直是STEM领域中的重要内容。基于项目的学习可以给学生更多的锻炼机会和更真实的体验感，如何设计出符合学生认知结构和发展需求的真实复杂项目，并且在项目过程中培养学生对于现代技术的掌握能力、跨学科的知识运用能力、计算思维能力、创造力和团队协作能力是目前亟待解决的问题。设计STEM项目，可以先对国际上较为成功的STEM项目加以研究，分析步骤和特点，结合创客教育和中华传统文化的特性进行整合，开发设计本土化的STEM项目，或者与其他国家合作开发STEM项目，取长补短、互相增益，进行类似“浙江—印州中小学STEM课程平移项目”的活动，在摸索中不断前进。

4.加强资源建设，确保STEM课程实施的连贯性和普适性

对于STEM课程的设计和实施，目前呈现出明显的分散和断层的情况，没有完善的STEM课程体系。我国发达地区的一些学校已经将STEM课程纳入学校计划中，但其与必修课程之间的联系并不密切，一般是与社团课程或校本课程相结合，实践方式不够灵活，多为模式化应用，在学校教育中处于边缘地位[26]。有些学者也进行了STEM理念和方法技术在高中化学等学科上的实践，如邹正等的“如何将STEM+理念创新性地融入中学课程”等，但是一般都是实践实验课程较多，特定性较强，不具备普适性，而且课程零散不连贯，不利于STEM能力的持续培养。

国际上也有一些嵌入在普通科学课程中的短期STEM课程项目，可以持续一周甚至一年的时间。但是从总体角度上看，STEM课程的资源建设还需加强，整体实施的连贯性和普适性都较弱，不同年级和年龄的学生学习STEM课程大多是跳跃式的，每一阶段课程较为独立，关联性差，而且很多课程都是针对特定学校和区域的学生设计，受到经济和城乡等因素的制约，我国基础教育建设存在一定的差异性，同样的STEM课程对于不同学校的学生并不一定能起到相同的效果，目前也没有较为权威的标准，因此完善基础教育设施，如学科实验室、电子白板等，创设开发出一系列不同学段和有针对性的成套STEM课程资源也是亟待解决的问题。

参考文献：

[1]陈超.美国的世界一流大学战略与启示[J].中国高教研究，2008（11）：48-50.

[2]乌云其其格.美国、日本、欧盟、澳大利亚科技人力资源建设动态与趋势[J].中国科技论坛，2010（6）：143-149.

[3]卢春.美国“科学、技术、工程和数学”（STEM）高中述评[J].外国教育研究，2011（12）：12-16.

[4]教技[2016]2号.教育部关于印发《教育信息化“十三五”规划》的通知[Z].

[5]高丹，顧卫.让STEM教育深入校园走进课堂[J].中国教育技术装备，2019（17）：78-79+94.

[6]巫雪琴.有效突破STEM教育师资缺乏的瓶颈[J].江苏教育，2020（1）：15-18.

[7]蔡苏，王沛文.美国STEM教育中社会组织的作用及对我国的启示[J].中国电化教育，2016（10）：74-78.

[8]郑文晖.文献计量法与内容分析法的比较研究[J].情报杂志，2006，（5）：31-33.

[9]李克东.教育技术学研究方法[M].北京：北京师范大学出版社，2003： 228-229.

[10]赵慧臣，陆晓婷.开展STEAM教育，提高学生创新能力——访美国STEAM教育知名学者格雷特·亚克门教授[J].开放教育研究，2016（5）：4-10.

[11]杨晓哲，任友群.数字化时代的STEM教育与创客教育[J].开放教育研究，2015（5）：35-40.