1. 引言

当下，全球工业4.0和智能制造如火如荼，大量机械化工作都将被智能机器人取代，现代社会亟需具有科学探究能力、创新思维、批判意识的人才。STEM教育是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)四个学科的有机融合，倡导学生运用跨学科创新能力解决现实生活中的问题，是当今世界探索21世纪人才培养的重要教育理念之一[1]。目前缺乏系统的评估来研究STEM教育的发展历程。对此，梳理国内外STEM教育文献并进行计量研究，将研究热点和趋势进行比较分析，对STEM教育本土化具有重要启发意义。

2. 数据来源与研究设计

本文数据来源于Web of Science (WOS)核心合集以及CNKI (知网)核心数据库。数据采集时间为2024年4月1日。中文文献数据来源于CNKI学术期刊数据库，检索主题为“STEM教育或STEAM教育”，开始时间不限，来源类别为“北大核心、CSCD、CSSCI”，检索得到916篇文献，剔除征稿启事、会议通知等不相关文献后得到844篇文献的研究样本，并以Refworks格式进行导出，其中最早的相关文献出现在2009年。WOS选择核心合集中的SSCI，检索开始时间不限，检索策略采用主题检索，主题 = (STEM education or STEAM education not cell)，语言 = (English)，文献类型为论文(Article)，研究领域为教育(Education Educational Research)，剔除早期访问(Early Access)、会议论文(Proceeding Paper)、书籍章节(Book Chapters)、已撤销出版物(Retracted Publication)，经检索后获得3066篇文献，其中最早发表的文献出现在1992年。

本文主要采用由陈超美教授及其团队研发的CiteSpace6.2.2对STEM教育相关文献进行计量研究，主要运用了软件中作者和机构分析、关键词共现分析、聚类分析、突现检测等功能。主要设置参数如下：节点类型选择institution and author或keyword，时间切片选择1年，网络剪裁方式选择Pruning the Merged Network。CNKI数据库文献运行后得到440个节点，848条连线，WOS数据库文献运行后得到733个节点，5590条连线。具体实施框架见图1。

Figure 1.Implementation framework for STEM education metrological research

图1.STEM教育计量研究的实施框架

3. 国内外STEM教育的计量研究

3.1. 发文趋势分析

论文发文趋势可以反映出某个学科或研究领域在一段时间内的发展速度和水平[2]。通过对1992年到2024年国内外STEM教育研究发文量(SSCI、北大核心、CSSCI、CSCD收录)的统计，可以整体把握国内外STEM教育研究所处的发展阶段。

图2显示，国内最早的STEM教育研究文献是2008年陈超解读美国“国家综合策略”，指出该策略旨在改善学生的STEM教育，达到维持美国竞争力的目的，暂未对STEM教育的进行概念化建设[3]。2008~2013年，我国STEM教育研究进入借鉴学习阶段，每年论文发表数量不超过5篇，研究内容是梳理与解读国外STEM教育相关政策和发展脉络。2014~2019年，进入内化融合阶段，论文数量大幅增长，研究内容以创客教育、科学教育、课程涉及为核心。2020~2024年为波动瓶颈阶段。2020年发文量突然减少，侧面说明核心期刊对STEM教育相关论文需求已临近饱和状态，预示着理论研究逐渐成熟。经统计，同时间段在其他级别期刊发表的论文有1503篇，表明该研究还是我国学术界的热点。

32年来，国外STEM教育研究大致经历了三个阶段：1992~2008年为初创阶段，2001年，美国国家科学基金会(NSF)和拉莫雷(Judith Ramaley)首次使用首字母缩写词“STEM”来指代科学、技术、工程和数学课程[4]，STEM教育得到初步发展。2009~2021年为探索阶段，发文量呈现指数增长趋势，联邦立法者的密切关注发挥了指导性作用。一方面是在学校建立STEM学习的理念，例如，2009年，美国国家研究会(NCR)指出推进K-12科学教育可以帮助国家提高科学素养水平，并激励更多的学生从事科学和工程领域的职业[5]；2013年5月，美国政府颁布了《联邦政府STEM教育五年战略规划》，再次强调了STEM能力对美国年轻一代的重要性[6]。另一方面是加强STEM教育项目投资，例如联邦政府每年在STEM教育项目上的投资在30亿美元左右[7]。2022年后进入成熟阶段，论文的发文量出现小幅度的下滑趋势。

Figure2.Trend chart of STEM education research publications, 1992~2023

图2.1992~2023年STEM教育研究发文趋势图

3.2. 研究机构及作者分析

研究机构及作者的分布情况能够说明某一主题研究力量的分布状况[8]。由图3和后台相关数据的分析发现，2009~2024年间，有关STEM教育领域文献的研究机构和作者的中心性处于较低水平(<0.1)，表明各研究力量分散独立，尚未形成互帮互助的学术圈，但形成了几个联系相对稳定的团队，最典型的是以袁磊、宋乃庆、赵慧臣等各自为首的团队。相对而言，华南师范大学教育信息技术学院(20篇)、西南大学教育学部(17篇)等机构的发文量比较高。核心作者计算公式为 $N_{\min }=0.749\sqrt{N_{\max }}$，其中 $N_{\min }$为核心作者的最低发文量，N_max体中最高发文量[2]。根据数据统计，袁磊(16篇)为国内发文量最高作者，计算结果表明国内发文量3篇及以上作者为核心作者。国内高产核心作者代表有袁磊(16篇)、宋乃庆(11篇)等人。由图3来看，我国STEM教育的相关文献大多来源于师范院校，研究内容涉及概念化建设研究、教学实践研究等。这表明我国STEM教育研究重视理论和实践研究，缺少对学习者的学习成效和教育公平性的关注。

Figure3.Distribution of domestic STEM education research institutions and authors

图3.国内STEM教育研究机构及作者分布

由图4及图谱数据知，1992~2024年国外研究力量间相对独立。但相比国内机构，Purdue Univ (68篇)、Arizona State Univ (50篇)、Univ Wisconsin (45篇)、Michigan State Univ (40篇)、Texas A&M Univ (40篇)研究成果显著，研究时间早、范围大，有着较为权威的地位。就作者而言，国外高产核心作者(10篇及以上)有10位，例如Guzey，S. Selcen、So，Winnie Wing Mui、Dori，Yehudit Judy等人。国外有关STEM教育的文献来源各式各类机构，且研究内容涉及教育公平研究、学生学业研究等内容。这表明国外STEM教育研究重视学生学习情况和学生受教育的平等性。

Figure4.Foreign STEM education research institutions and author distribution

图4.国外STEM教育研究机构及作者分布

3.3. 国内外STEM教育研究热点分析

关键词是论文核心内容的精炼，共现图谱可以清晰呈现该研究领域的热点主题[9]。为保证热点分析的客观性，克服检索词在关键词共现中产生的高频次和高中心性问题，本文将与检索词重合的关键词看作核心热点不展开分析。

观察图5发现，我国STEM教育研究的热点是“美国”“创客教育”“STEM课程”“科学教育”“核心素养”，“美国”的频次排在首位，可见我国对STEM教育的研究大部分还在汲取美国优秀经验的阶段。“科学教育”“创客教育”“核心素养”的中心性依次减少但都不少于0.08，可见我国对STEM教育的研究虽仍在对比和学习美国，但也形成了立足科学学科、核心素养和创客教育的重要研究框架。

观察图6发现，国外STEM教育研究的热点是“Science”“Student”“Higher education”“Mathematics”“Achievement”“Science education”等，表明外国对STEM教育的应用程度较中国更为广泛。但关键词“science education”及“higher education”并未出现在同一篇文章中，表明两者各为研究重点，但没有形成相互影响的完整体系，即高等教育和科学教育尚未融合。

3.4. 国内外STEM教育研究主题

关键词聚类分析有助于更好地了解一个研究领域的研究热点结构和内容。为更好地认识国内外STEM教育研究主题的异同，深化关键词共现关系，基于LLR算法对STEM教育研究的关键词进行聚类并生成相关报告(表1和表2)。其中，LLR值越大的标签对聚类越具有代表性。

Figure5.Domestic keyword co-occurrence map

图5.国内关键词共现图谱

Figure6.Foreign keyword co-occurrence map

图6.国外关键词共现图谱

3.4.1. 国内STEM教育研究主题

从模块值看，Q = 0.5946 > 0.3，表明结构显著；从轮廓值看，S = 0.8987 > 0.7，表明聚类结果可信度高。STEM教育、STEAM教育、创客教育、美国、STEM教师、核心素养、科学教育、教学模式、人工智能、课程设计构成了国内STEM教育研究的整体框架。

聚类结果可以为研究者提供一个初步的研究视角和方向。但聚类标签是自动抽取、选择具体化的名词短语，过于具体化，导致自动抽取的标注不易被理解也不够全面。因此，结合人工整理和评估，从而明确研究的领域是必要的。仔细研读聚类内的关键词及其关系，将我国STEM教育研究的热点主题可归纳为概念化建设研究、学科整合研究、教学实践研究、思维养成研究等四个领域。

第一，STEM概念化建设研究。作为21世纪新出现的教育名词，对“STEM教育到底是什么”的追问成为STEM教育研究热点并不意外[10]。聚类#0 STEM教育、#1 STEAM教育、#教学模式所包含的“STEM教育”“STEAM教育”“教学创新”“STEM素养”等关键词很好的佐证了这一观点。STEM教育的提法源于美国等发达国家，我国STEM教育有必要借鉴他国优秀经验并根据我国国情开展本土化研究[9]。通过文献梳理，可总结出STEM教育概念化建设大致遵循了从分科走向整合的发展路径。范文翔等人指出STEM教育是在真实情境下多主体参与的跨学科探究教育，是做中学、依托工具与资源、基于项目或问题的教育[11]，具有跨学科性、趣味性、情境性等特征。

第二，学科整合研究。#2创客教育、#5核心素养、#6科学教育、#人工智能所包含的“创客”“跨学科整合”“创新型人才”“创造力”等关键词关注的是如何通过学科整合发掘STEM教育里各学科的价值作用，实现学生跨学科学习的目的。STEM教育包括科学、数学、技术、工程、艺术、物理、化学等多个学科，而且对科学学科的侧重表现得较为明显，涉及到许多分支学科，从中小学的科学课程延伸到研究生的微生物课程[12]。科学教育除了让学生掌握科学知识外，更高的目标是让学生学会用科学的思维和态度去思考。

第三，教学实践研究。STEM教育发展的前期主要进行理论的概念化构建，后期开始进行教学实践的研究，涉及到课程、教师、教学模式等方面。#4 STEM教师、#5核心素养、#7教学模式、#9课程设计所包含的“教师专业发展”“STEM课程”“STEM态度”“实施策略”等关键词关注的STEM课程的设计与开发、STEM教师培养与发展、教学模式的改革与创新。关于STEM课程，国内学者提出了整合设计思路。在理论领域，余胜泉教授分析了学科知识整合取向、生活经验整合取向、学习者中心整合取向三种跨学科整合的取向[13]。周东岱等人设计了STEAM教育理念下小学课程体系重构过程，并进行了案例应用研究[14]。董宏建等人完善理工科STEM教育融合课程体系[15]。实践领域也以社团课程、劳技课程为主。关于STEM教师，聚焦于提高教师专业素养，如孟祥云等提出从师生双视角构建“双链循环”的培养模式[16]。关于教学模式，大多以建构主义理论为理念，如余胜泉提出了跨学科整合的项目设计模式[13]。

第四，思维养成研究。#5核心素养、#8人工智能所包含的“计算思维”“设计思维”等关键词聚焦学生思维的养成。国内学者聚焦于思维的测评研究，如杨翊等人也基于布鲁姆教育目标认知理论，全面分析大学生高阶思维能力的概念、构成、评价框架等，构建了高阶思维测评框架[17]；首新等人通过数学建模确立面向STEM学习的高层次思维测评模型[18]。但思维养成是一个长期、系统的过程，需要开发设计优质连贯系统的STEM课程[12]。

从时间维度看，STEM教育研究的聚类主要集中在2016~2020年间一方面，STEM教育被纳入国家发展政策，如国家政策文件鼓励STEM教育、科学教育政策大力支持STEM教育、教育信息化政策指明STEM发展的必然[19]。另一方面，各地正在积极探索STEM教育的推进方式。如创建上海STEM运中心、中国STEM教育协作联盟等STEM教育机构，构建高中与高校协作的STEM主题实验室。

3.4.2. 国外STEM教育研究主题

由Q = 0.3343 > 0.3，S = 0.6726 > 0.5，意味着聚类较合理。professional development、higher education、STEM education、augmented reality、teacher education、first-year undergraduate/general、instructional change、education-medical-undergraduate-methods、attitude、student构成了国外STEM教育研究的整体框架。

Table 1.Domestic keyword clustering report

表1.国内关键词聚类报告

仔细研读聚类内的关键词及其关系，将国外STEM教育研究热点归纳为概念化建设研究、教育公平研究、学生学业成就研究、教学实践研究四个方面。

第一，STEM概念化建设研究。聚类#2 STEM education中“STEM education”“science education”等关键词呈现出这一研究。STEM教育一经出现，必然要对其进行深入理解和明确定义。通过阅读文献，可知STEM教育大多进行操作化定义，经历了缺乏综合方法的传统课程整合[4]、用于解决问题的学科整合[20]、杜威“做中学”思想的延续[21]三个层次，未来应着重研究每门学科的本质价值和对STEM教育的作用[10]。

第二，教育公平研究。聚类#9 student中“inclusive education”“quality”“disability”“deaf”等关键词体现了教育公平研究。美国女性拥有将近一半的就业岗位，但就业率不足25%，许多研究者开始研究女性在STEM教育中低代表性的原因，并提出合理化干预措施，比如通过增加女性学生与同性专家的合作机会来增强女性的科学身份认同[22]。除此之外，研究者还关注有色种族与低社会阶层学生的STEM学习[23]，提出建立全纳型STEM学校等有效措施[24]。

第三，学生学业成就研究。聚类#1 higher education、#2 STEM education、3 augmented reality、#5first-year undergraduate/general、#8 attitude中“persistence”“motivation”“student-centered learning”“critical thinking”“achievement”等关键词突现了研究者对学生学业成就研究的重视。通过文献研读发现，研究集中在对学生STEM学习意愿的唤起。如Kevin Eagan通过对大一新生进行4年的追踪研究，得出参与科研项目的学生更有可能继续就读STEM专业的研究生课程[25]，Hide E通过混合研究得出实施STEM活动对学生的21世纪技能(创造力、批判性思维等)、STEM职业兴趣和动机产生积极影响[26]。

第四，STEM教学实践。聚类#0 professional development、#4 teacher education、#6 instructional change中“pre-service teachers”“knowledge”“curriculum”“educational innovations”等关键词突现了STEM教学实践方面的变革。经过文献阅读发现，围绕主题统筹设计学段课程[27]、运用探究式教学手段及评估方式[28]、促进教师专业发展[29]成为三大重点研究主题。

Table2.Foreign keyword cluster report

表2.国外关键词聚类报告

3.5. STEM教育研究演进趋势分析

突现关键词是指在某段时间内出现急剧增长的关键词，其突现性数值越高，表明该关键词在该时间段内的出现频率变化率越大。研究前沿反映该领域的最新发展动向，并预测未来发展趋势。利用CiteSpace突现词检测功能探析学科前沿研究动态，生成关键词突现图谱(图7和图8)。

由图7可知，2009~2013年，“美国”为研究热点；2014~2019年，“创客教育”“创客”“科学教育”成为研究热点；2020~2023年，“深度学习”“STEM教师”“STEM课程”“STEM教育理念”成为该领域的研究热点。综上所述，中国STEM教育研究热点呈现以下特征：第一，研究内容逐渐聚焦于深度学习，关注学生思维的养成；第二，由STEM概念化建设转向STEM教学实践研究；第三，研究对象由中小学阶段转向大学阶段。

Figure7.Domestic keyword emergence map

图7.国内关键词突现图谱

由图8可知，2009~2021年，“student”“perception”“scientist”成为研究热点；2022~2024年，“computational thinking”“tool”“online learning”成为该领域的研究热点。综上所述，国外STEM教育研究热点呈现以下特征：第一，不断趋向整合的STEM教育概念化建设；第二，以提升低代表性群体的科学自我效能为手段，促进STEM教育公平；第三，突出价值唤起的STEM学生学业成就研究；第四，整体推进教学实践变革。

Figure8.Foreign keyword emergence map

图8.国外关键词突现图谱

4. 结论

本文针对国内外1992~2024年STEM教育研究状况进行了文献计量分析，研究发现：

第一，国内STEM教育研究大致可以划分为三个阶段：即2008~2013年的借鉴学习阶段；2014~2019年的内化融合阶段；2020~2024年的波动瓶颈阶段。在此过程中，“创客教育”“科学教育”“核心素养”“STEM课程”等成为研究热点。从未来研究趋势看，“深度学习”“STEM教育理念”将成为新的研究热点。国外可划分为：1992~2008年为初创阶段；2009到2021年为探索阶段；2022年后进入成熟阶段。在此过程中，“science”“student”“higher education”“mathematics”等成为研究热点。从未来研究趋势看，“computational thinking”将成为新的研究热点。

第二，国内外STEM教育的研究群体，多处于“各自为战”的状态。各个研究群体分布较为分散，没有形成明显的中心性较强的研究团队。针对这种情况，高校教育研究应该向多方合作的方向发展，尽量避免研究的“孤岛”状态。

第三，通过对STEM教育关键词词频和聚类分析，国内外STEM教育研究主题各有侧重。国内聚焦于概念化建设研究、学科整合研究、教学实践研究、思维养成研究等领域；国外聚焦于概念化建设研究、教育公平研究、学生学业成就研究、STEM教学实践等领域。

NOTES

^*通讯作者。

参考文献