袁亚娜，岳彦龙，张学军

（西北师范大学教育技术学院，甘肃兰州 730070）

为整合各学科知识，建立学科知识之间的内在联系，培养学生的科学探究和创新能力，STEM教育逐渐成为国内外研究的热点。STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）这四个词语的英文单词首字母的组合，结合了多学科和领域知识内容的一种跨学科教育。2017年教育部印发的《义务教育小学科学课程标准》认为STEM是一种以项目式学习、问题解决为导向的课程组织形式，它的目的是将科学、技术、工程、数学的相关内容有机地融为一体进而培养学生创新能力[1]。STEM教育该以何种样态恰当地融入中小学的教学实践中，已成为研究者和相关教师关注的焦点。但是，我国目前的STEM教育存在对研究热点和未来的发展趋势不明确的问题。因此，本研究使用可视化研究方法，梳理并阐释了我国STEM教育当前的研究现状、热点以及未来发展趋势，就未来发展提出了几点建议。

一、研究方法及数据来源

（一）数据来源

本研究以CNKI（中国知网）数据库作为文献来源，将主题设定为“‘STEM教育’OR‘STEAM教育’”进行检索，语言设置为中文，日期截止为2021年7月，共检索到2213篇期刊文献，排除会议通知以及无关文献，最终确定STEM教育有效文献共1670篇，其中，CSSCI共237篇，占论文总量的14.19%。将得到的有效文献保存为NoteFirst格式的文件，作为研究样本。

（二）研究方法与工具

本研究主要利用CiteSpace.5.8.R1对所选取的文献，使用关键词词频分析、关键词共现分析、关键词聚类分析等可视化研究方法对我国STEM教育当下的研究现状、热点以及它未来的发展趋势进行可视化分析。

二、我国STEM教育研究现状

（一）年发文量分析

2013年至今我国STEM教育的发文量统计（如图1），可知我国STEM教育研究兴起于2013年；2013-2019年有关该领域的文献发文量呈现逐渐递增的趋势，在2019年达到顶峰；2020年较2019年相比有所下降，说明对STEM教育的研究出现了瓶颈。由于时间节点的限制，2021年目前仅有126篇相关文献，预计要低于2020年。同时，CSSCI文献的数量也大致呈现出相似的增长趋势。因此，可以预测我国STEM教育的年发文量在2019年之后呈现下降的趋势，这就更加充分说明2019年之后我国STEM教育的研究进入高原期。表明我国在该领域的研究还存在尚未解决的问题，仍需要学者不断突破。

图1 2013—2021年STEM教育发文量统计

（二）文献来源分析

对1670篇文献的来源统计发现，共有332种期刊，其中，CSSCI有28种，占比8.43%。表1是前20名期刊载文量情况的统计。由表可知，在载文量前20的全部期刊中，CSSCI期刊有6种，依次是《中国电化教育》《现代教育技术》《电化教育研究》《开放教育研究》《远程教育杂志》和《现代远距离教育》，占比30%，其载文量占比23.56%。由此可知，具有参考价值和学术研究价值的CSSCI期刊文献数量较少，表明我国STEM教育领域的研究尚未达到饱和，STEM教育还不成熟，还有很大的进步空间。另外，从载文量前20的两类期刊来看，我国STEM教育的研究集中于教育领域，很少涉及其他领域，说明我国教育界对其的重视程度。

表1 前20名期刊载文量情况统计

（三）作者所属机构分析

表2是发文量前10的作者所属机构统计，由表可知，发表论文11篇及以上的机构共有10所，其中8所是师范类院校，因此可以推断出与STEM教育相关的研究大多数出现在各大师范类院校；其中，发文量最多的机构是陕西师范大学教育学院，共有23篇。不难发现，研究机构大多数是高等院校，中小学的数量少之又少。由此可知，高等学校教育学院是我国STEM教育的理论场，中小学是STEM教育的实践场。STEM教育的理论能够指导中小学STEM教学的开展，中小学的教学实践能够检验理论并给予反馈，使理论在实践中不断完善。尽管如此，但是从作者所属机构分析中发现，STEM教育研究以理论为主，实践不足，容易产生我国STEM教育的外表繁荣现象。

表2 发文量前10的作者所属机构统计

三、我国STEM教育研究热点

（一）关键词词频与共现分析

共现分析的基本原理就是对一组关键词两两统计它们在同一组文献中出现的次数，次数越多，则表明它们之间的联系越紧密。选择节点为“Key Words”，选择Pathfider进行网络裁剪，其他参数为默认值，运行软件得到关键词共现图谱。该图谱共有423个节点、509条连线，Density=0.0057。由此图可知，高频关键词出现于2013年，但是在2016年之后数量迅速增加。另外，发现创客教育、教学模式、创客空间和3D打印与STEM教育的联系最为紧密。

词频分析是指分析并统计所研究文献中关键词出现的次数[2]。词频分析方法就是提取文献中的关键词或主题词频数的高低分布，以此来研究该领域发展动向和研究热点的方法，即如果一个关键词出现的频次越高，那么该词就越能反映这一领域的研究热点和研究趋势。由于本研究对STEM和STEAM不做区分故将其合并处理，得到出现频次最高的前20个关键词，如表3所示。排在前10名的关键词里面，除了检索词STEM/STEAM相关关键词外，出现频次较高的依次是创客教育、核心素养、教学模式、教学设计、小学科学、跨学科。综合关键词共现和词频分析，说明创客教育是实施STEM教育的重要途径；核心素养是STEM教育的培养目标；教学模式和教学设计是STEM教育课堂实施的前提；小学科学和跨学科是STEM教育的本质属性；信息技术、人工智能是实施STEM教育的主要载体。

表3 我国STEM教育前20个高频关键词统计

（二）关键词聚类分析

对关键词进行聚类绘制与分析有助于进一步解析该领域的研究热点。软件操作上，依然选择关键词聚类操作，利用Pathfider进行网络裁剪，其他参数为默认值，运行软件得出聚类模块化评价指标Modularity Q=0.8756＞0.3，Silhouette S=0.9588＞0.7，表示该聚类网络结构显著，并且该聚类结果具有良好的可信度。得到我国STEM教育关键词6个聚类分布，由于本研究对STEM和STEAM不做区分，经整合得到4个聚类，分别为STEM教育、STEM、课程开发、教学改革。从聚类结果可以看出，2016年主要是STEM教育，强调学科之间的整合；而2017年为STEAM教育以及教学改革，主要原因在于部分学者提出也要将艺术（Art）融入到STEM教学中，因此，在2017年多数学者开始研究STEAM教育，在此基础上，探究适用于STEAM教学的教学设计，进行教学改革；2018年主要为课程开发，在上述教学改革的基础上进行课程的开发。

（三）我国STEM教育研究热点分析

综合上述关键词词频分析、关键词共现分析以及关键词聚类分析，得出以下我国STEM教育的研究热点。

1.创客教育

不难发现创客教育在关键词词频与共现中均名列前茅，这说明创客教育是目前研究STEM教育不可避免的一个领域。创客教育与STEM教育具有相同的价值旨趣，两者都是跨学科教育且都指向学生综合运用多学科知识与创新能力的培养，是创新教育的两种重要方式[3]。由于工程是STEM教育的一大软肋，将艺术（Art）加入，演化成STEAM教育，目的是更好地培养学生的创新能力。而创客教育是借助各种技术，如机器人、3D打印等技术，而不局限于传统信息技术中的多媒体软件等技术，在基于创造的过程中学习，正好能够弥补STEM教育中工程这一弱项：一方面，以创客式教育的理念实施STEM教育；另一方面，STEM教育是基于跨学科知识的整合而生成创新能力，为创客教育提供了知识和能力的基础，而创客教育为STEM教育提供实践空间[4]。那么，如何将创客教育和STEM教育有效结合并发挥各自的优势成为一大难点。因此，创客教育无疑成为发展STEM教育、培养学生的科学探究能力以及创新能力的一大研究热点。

2.课程开发

课程是实现教育目标及目的的手段或工具，是决定教育质量的一个重要环节。课程开发是一项关键且复杂的任务，需要考虑到课程目标、课程内容、课程类型、课程实施以及课程评价等各个方面[5]。STEM教育的实施以及目标的实现，需要开发一门适合STEM教学的课程，而课程开发是STEM教育研究急需解决的重要问题之一。一个合格的STEM课程不但以问题驱动、创中学、协作探究和设计制造为外部特征，而且还要满足目标—手段一致性、学生参与度、媒体多元性、教师自由度以及STEM整合度等指标要求。为此，不少专家学者投身此研究中，如赵蒙成等人提倡借鉴“U-G-S”教师教育模式来开发本土化的STEM课程[6]。杨开城等人应用LACID理论（即以学习活动为中心的教学设计理论）来开发STEM课程，并设计处理具有很大参考价值的案例[7]。从研究现状来看，目前STEM教育的研究主要集中在理论研究，关于STEM课程设计的研究较为匮乏，课程设计是将理论应用于实践的重要手段，也是检验教学效果的重要一环。

3.教学改革

教学是学校开展全面教育的一个重要途径，教学应随着教学理念的进步而变化。现行的课程教学关注的知识和能力的教育，即利用习得的知识解决现实的问题，这就使得学习活动以概念的理解、知识的习得为主，以实践为辅，这也就导致学生学习后不能够使各学科知识融会贯通并综合运用，且很难培养创新能力[8]。STEM强调跨学科知识的整合与综合运用、创新能力的培养、探究式学习、团队协作/合作、以学生为中心以及基于真实问题，这也就成为了STEM教育的理念，能够弥补我国现行的课程教学中的一些短板。另外，也有实证表明，基于STEM教育理念的教学活动对学科核心素养的培养具有显著的作用[9]。因此，基于STEM教育理念的教学改革是实现科技创新教育、创新人才培养的重要途径。

四、我国STEM教育研究趋势及发展建议

（一）我国STEM教育研究趋势

关键词突现是利用关键词突发性探测功能来检测关键词在短期内的变化情况，能够反映某一领域的研究热点及新兴趋势。按照上述聚类操作，运行CiteSpace得到前8个关键词的突现结果，如表4所示。其中，“创客空间”和“人工智能”持续时间最长，“创客教育”突现强度最强且突现于2015年，与共现分析的结果相吻合。“人工智能”于2019年开始突现且突现时间最晚，与2019年人工智能出现政府工作报告中，引起了一波人工智能热相吻合。因此，笔者认为人工智能与STEM教育的融合将成为未来的研究话题。

表4 引文突现率最高的8个关键词

基于文献阅读并结合关键词突现结果以及关键词聚类结果的分析，提出我国STEM教育研究的三大趋势。

1.基于创客空间的STEM教育各学科融合研究

创客空间具有多种多样的形式，在物理上是创新创业活动交流的场所；在功能上为创客者创意的产生提供了支持，其目的是将“头脑风暴”中产生的想法转换为作品[10]。研究发现，STEM教育目前存在的最大问题是多学科之间的分散，尽管在形式上看似是整合在了一起，但实质上STEM教育中各学科之间仍处于分散的状态[11]。因此，STEM教育需要一种融合学科的途径，而创客空间则是实现STEM教育结合创客理念促进各学科融合的最佳实践场所。基于创客空间的各学科融合研究还处在初级阶段，目前国内仅有梁小帆的一篇关于创客空间与STEM教育的研究[12]。笔者认为，基于创客空间的STEM教育各学科融合研究将成为未来的一大研究趋势。

2.“双减”政策下创新素养的培养研究

创新素养是中国学生发展核心素养的组成核心。STEM教育涉及到多学科、多领域，是培养创新素养的主要途径之一[13]。一个具有创新素养的个体，能够利用相关信息和资源，产生新颖且有价值的成果[14]，符合当今社会培养人才的目标。然而，近几年，校外培训机构兴起，学生校外培训内卷化日益严重，导致学生认知负荷过重，对学生创新素养的培养起到阻碍作用。今年相关部门针对这一现象印发《关于进一步减轻义务教育阶段学生作业负担和校外培训负担的意见》（简称“双减”政策），其目的是防止学生变成学习的机器，培养德智体美劳全面发展的人。在“双减”政策的支持下学生有更多的时间进行探究活动，有更多的时间思考并产生想法，创新素养才有机会得到培养。因此，在“双减”政策下STEM教育中如何有效培养学生的创新素养是教育者面临的一个急需解决的问题。

3.人工智能与STEM的融合研究

人工智能作为技术手段、思维方式和行为方式，能够提供优质的教育资源、改善学习环境与方式、培养良好的思维习惯和创新能力，并使学习范式发生转变[15]。将人工智能与STEM融合，二者能够相互促进与支持。一方面，人工智能教学中包含语音识别与合成、图像识别以及自然语言处理等应用领域[16]，能够扩充STEM教育的教学手段、创设更丰富的学习环境；另一方面，在人工智能与STEM融合的教学中，能够促进人工智能的教育应用，并为人工智能应用于教育教学提供反馈，同时，也有利于学生了解并学习人工智能方面的内容。因此，丁美荣等人通过构建“知识建构—STEM—创客”的教学模式以支持人工智能的教学[17]。唐烨伟等人提出了人工智能技术支持下的STEM跨学科融合模式[18]。尽管也有相关成果产生，但是人工智能与STEM教育的融合才刚刚开始。

（二）我国STEM教育的发展建议

根据上述对研究趋势的分析，为我国STEM教育的发展提出以下建议：（1）完善创客空间以实现资源和工具的整合。对于STEM教育创客空间的设计与完善，设计者必须清醒地认识到所设计的创客空间能支持哪些学习活动以及支持的程度如何；创客空间中应包含何种类型的以及多少数量资源与工具，并将其整合，在考虑成本的基础上发挥最大的价值；采用一贯设计，使创客空间各要素与教学目标精致协调、创客空间的使用方法与学生的认识论相一致。（2）设计有趣、可持续探究和融合各学科知识的学习活动。基于学生的兴趣选择驱动问题或任务，创设真实的学习情境；灵活运用教学策略，根据教学内容选择相应的教学策略，如开展项目式学习或探究性学习等；深入分析并挖掘知识之间隐含的某种联系，按照这种联系融合各学科知识。（3）培养具有专业素养的STEM教师以及应用新兴技术的能力。我国STEM教育的困境之一就是缺乏具有专业素养的STEM教师，因为具有专业素养的STEM教师是上好STEM课的一个先决条件。另外，由于人工智能等新兴技术逐渐应用到教学中，这将对教师的综合素质、跨学科的融合以及应用新兴技术的能力等提出了更高的要求[19]。