国际STEM教育研究现状的可视化分析：前沿与趋势
罗月池，王朋娇，赵铭洋
（辽宁师范大学 计算机与信息技术学院，辽宁 大连 116081）
摘 要: 本研究基于Web of Science(WOS)数据库收集STEM教育研究的文献。运用CiteSpace 5.3.R4可视化软件进行文献计量及共被引分析，绘制了国际STEM教育研究领域的知识图谱，对STEM教育研究现状的热点及前沿进行全方位的梳理。研究发现：自2015年以来，世界各国的教育学者对STEM教育的研究不断深入，其中，欧美、澳大利亚等地的教育学者研究范围广、贡献大；研究热点包括课堂教学、学生学业表现、学习效能感、个性化学习以及注重STEM教学环境对学生与教师个体研究，研究重点结合教育公平与职业选择进行深入开展。文章认为，STEM教育与人的高阶发展密切相关，需引起高度重视，进行本土化研究，培养以问题导向和创新为目标的复合型人才。
关键词:STEM教育；研究前沿；研究趋势；科学计量；知识图谱
0 引言
近年来，STEM（Science, Technology, Engineering and Mathematics）已成为世界各国普遍认同的跨学科主题和关键发展领域，诸多国家将培养具有STEM素养的高素质人才作为主要教育目标之一[1]。部分国家（尤其是中美）和相关报告（如地平线报告）都强调了对STEM教育模式进行理论探索和实践应用的重要性。自2006年开始，STEM教育日益受到研究者与实践者们的广泛重视和持续关注，相关研究成果亦逐年呈现大幅度增长。但该领域的核心议题与未来走向仍不甚清晰，为此有必要对国际STEM教育的研究现状进行分析，把握该领域的研究前沿和演进趋势，厘清其研究轨迹与取向，从而为日后STEM教育的研究提供参考与借鉴。
1 研究方法与数据来源
本文应用科学计量学的研究方法，借助Excel 2010及CiteSpace Ⅴ软件工具[2][3]，对2015年以来的有关STEM教育国际期刊及会议论文展开可视化分析，以期从时间、空间、文献载体、研究机构及高产作者等方面揭示相关文献的分布特征，同时绘制关键词的共现知识图谱和时序图谱[4]，呈示STEM教育的国际研究前沿和演进历程，从而在此基础上探讨其研究不足与趋势。
为了充分挖掘国际STEM教育的研究信息，本研究将文献来源确定为Web of Science数据库的核心合集，检索词为“STEM”，检索方式为主题检索，时间跨度为2015年—2019年，检索日期为2019年3月16日。初步检索后，共得到8630篇英文文献。通过学科精炼与逐篇浏览，最终筛选出有效文献857篇。检索式如图1所示。
图1 检索式
Fig.1 Search
2 研究结果与分析
2.1 文献分布特征
（1）时间特征分析
在临床中,急性颅脑损伤诊断难度较大,在诊断的过程中应加强对以下三点的注意[2],其一,在分析颅骨骨折成像时,应加强对颅骨断裂程度的辨别。与此同时,区分间接征象。其二,在诊断硬膜下血肿和硬膜外血肿的过程中,同硬膜下血肿相比,硬膜外血肿范围相对较小,在影像资料显示过程中,通常形状为梭形,而且不在颅骨分析之间跨越,通常情况下,同骨折合并在一起,与暴力撞击有着密切关系;而硬膜下水肿在图像中以新月形呈现,能够在颅骨缝隙间跨越,而且其覆盖面积要比硬膜外血肿更为明显,对于其中的大部分不会与骨折合并的。其三,以不同MRI成像为依据,对血肿以及病变状况进行分析。
通过研究文献数量年度分布，有利于了解国外STEM教育研究时间分布热点和关注程度情况。如图2所示，国外关于STEM教育近五年的研究趋势。自2015年到2018年，论文的发文量承逐年增长的趋势，虽然2015到2017年增长速度较快，但是2017到2018年增长有所减缓，然而2019年2月就已经有49篇文章发表在核心合集。经过大量的文献查阅发现，国外很多国家自2013年起出台了一系列促进STEM教育的相关政策和法案，例如：美国2013年发布了《联邦STEM教育五年战略计划》等十余份正式报告、法国2013年发表了《文献综述——法国的STEM教育》、欧洲委员会发布2015年《科学教育塑造有责任的公民》等[5]。国外各国有关于STEM教育政策的出台直接影响了STEM教育研究的热潮，世界经济的发展和对科学人才的诉求同样使得STEM教育的研究呈稳定上升趋势。
图2 2015-2019文献年度分布图
Fig.2 2015-2019 document annual distribution map
（2）空间特征分析
对高产学术机构的研究，有助于进一步揭示国外在STEM教育领域学术资源的分布情况，有针对性地展开机构间的合作以及学术资源的引进。如表1所示，目前STEM教育领域排名前十的研究机构全部来自美国，分别是威斯康星大学、德州农工大学、南加利福尼亚大学、密歇根大学、犹他州立大学、伊利诺伊大学、科罗拉多大学、北卡罗多莱纳大学、密歇根州州立大学、德克萨斯大学奥斯汀分校。这些研究机构是STEM教育领域的主要研究阵地。
图3 国家分布图谱
Fig.3 National distribution map
在2006-2010年间，教育研究重点关注课堂教学、学生学业表现、学习效能感、个性化学习以及职业选择[14]；在2011-至今，国际上教育研究热点逐渐开始关注课堂学生参与、教师指导、大学生专业选择预计学业表现、注重STEM教学环境对学生与教师个体研究，近期热点更是结合计算机模拟与人工智能进行深入研究[15]。
我国作为农业大国，农作物的生长过程中需要消耗大量的养料，传统的灌溉技术也会造成水资源的严重浪费，而传统的施肥方法因为不规范往往导致施肥过量，不仅有害于农作物，对当地的土壤结构产生不良影响。就用水而言据测算我国每年农业用水占全国用水总量的60%左右。而我国水资源的短缺，也严重限制了农业的发展。水肥一体化技术对解决这类问题有着很大的帮助。蔬果种植在我国现代农业中占有一定的比重，本文将重点讨论其中葡萄果树种植中水肥一体化技术的推广与应用。
期刊是重要的学术信息交流平台，期刊质量和影响力受影响因子、载文量、被引频次等诸多因素的影响[8]。一个期刊吸收和传递学术信息能力的高低取决于该期刊的载文量，影响因子、被引频次等因素并不能代表期刊在某一领域传递信息的能力。如图4所示，《科技教育》（Journal of Education and Technology）等五本期刊在国际STEM教育的研究领域影响力较高。其中，《科技教育》（Journal of Education and Technology）载文量最多，以311篇高居首位。其次是《科学教育》（Science Education）和《美国教育研究》（American Education Research Journal）等。
（4）高产学术机构分析
基于各国学者的发文数量及地域信息，本文绘制了国家间合作网络图谱。其中，图谱中的节点大小代表了发文数量，节点越大[6]，表明某国学者的文章数量越多[7]。如图3所示，美国节点最大，以499篇居于首位，文献数量远高于其他国家。其次是澳大利亚（59篇）和英国（52篇），中国和德国并列第四位（35篇），西班牙紧随其后（28篇）。自1986年开始，美国便开始了STEM教育的研究，经过30余年的发展，美国STEM教育研究已从教育理论探索、教育目标制定、教育的师资培养发展到了教育的公平性。然而我国的STEM教育研究还处于教育政策的实施和教育目标制定的基础阶段，距离美国STEM教育研究的实践阶段还有一定的距离。
图4 高影响力期刊统计表
Fig.4 High impact journal statistics
表1 STEM教育主要研究机构
Tab.1 STEM Education Main Research Institute
图5显示的是STEM教育研究领域机构的合作情况，可以看出，STEM教育研究领域机构之间的合作并不是十分广泛。一方面形成了以某几所大学为核心的凝聚子群，如以威斯康星大学为核心的凝聚子群、德州农工大学为核心的凝聚子群、以斯坦福大学为核心的凝聚子群、以密歇根大学为核心的凝聚子群、以犹他州州立大学为核心的凝聚子群等；另一方面，一些大学有其独立的研究团队，如华盛顿大学、宾夕法尼亚大学、悉尼大学等。
关键词时序图谱可以反映一定时期内某研究领域的研究热点及演进趋势。通过关键词出现频次数、中心度以及出现年代等指标数据，进一步利用Time Zone呈现高频关键词虽时间演变的知识图谱。2006年至今， STEM教育研究演变大致分为三个时期：
别看原始人知识和实践经验的积累还少得可怜，但他们却总是想在认识领域攻克一些宇宙人生的大问题：世界是怎样来的？人是怎样形成的？天上的太阳月亮是怎么回事？……等等，目标很大，问题很难，又无科学资料，因而便求救于幻想。然而必须看到，这种想象和幻想，在他他们看来毫无意义是正确的，科学的，无可非议的。他们不是有意地乱搞浪漫的猜想，所以马克思说这是“不自觉的艺术加工方式”。如果这种艺术加工是自觉的，那就成为像现有的童话、科幻小说一类东西了。它的美学价值和认识价值也就会大大降低。
在一个学科的发展过程中，作者与论文数量分布具有不均衡性，表现为不同作者在一定时期内撰写的论文数量不一致，即不同作者对学科的贡献率不同，其中对学科发展贡献率大的作者被认为是核心作者，核心作者集聚成群从而形成核心作者群。核心作者群是学科研究的中坚力量，既引领着学科未来的发展方向，又对非核心学术研究人员产生非常重要的指导性意义[9]。图6呈现了STEM教育研究领域作者的合作关系，从图中可以发现，合作比较密切的团队有四个，分别是伊丽莎白.斯坦恩斯团队，其主要研究内容是高中种族构成的作用和学生参与STEM大学学习的机会[10]；杰西.L.史密斯团队，其研究的主要内容是获得高中咨询服务、高等教育和stem职业的不同途径[11]；摩根.J.盖纳团队，其主要研究内容是附加好处:支持STEM女性教师如何提高每个人的工作满意度[12]；杰妮特团队，其主要研究内容是介绍六年级学生参加科学竞赛项目日的有效性。在个人研究方面比较突出的是盖尔.M，其主要研究的内容是与友好的男性教师一起缩小STEM领域的性别差距，教学互动中虚拟主体的和谐行为与性别的影响。
图5 研究机构合作的知识图谱
Fig.5 Knowledge map of research institutions
图6 研究作者的合作关系图
Fig.6 Research author's partnership diagram
2.2 关键词共现图谱
为详细阐述STEM教育研究热点及趋势，现将高频关键词分析分为高频关键词统计、关键词共现网络图谱、研究前沿关键词时序图谱三方面。
(4)地热水是多方补给来源的水体混合后的结果，通过D同位素高程效应计算的补给区高程是一个多方补给高程的综合平均值，双顶山区域是该地热田的主要的补给源，而并非是唯一的补给源。
作者简介：江潇潇，女，河南洛阳人，上海工程技术大学电子电气工程学院，讲师，博士研究生，研究方向：统计信号处理、多源信息融合。
2016年山西省旅游发展大会上，山西提出要加快把文化旅游业培育成战略性支柱产业，把打造沿黄河旅游带作为加快山西文化旅游业发展的重要抓手[8]。
在分析了所有关键词的基础上，选取排名前20的高频关键词，并设置频次大于10的节点显示，生成了关键词共现图谱。节点代表关键词，边描述关键词共现情况。通过图7可以看出，在STEM教育研究领域，除STEM、education、stem education、student、science、technology等众所周知的关键词外，性别差异（gender）、高等教育（higher education）等是国内研究中少有提及的研究内容。在性别差异（gender）方面，安妮·瑞尼克(Anni Reinking)等认为,自20世纪90年代初以来，即使在美国获得STEM领域学士、硕士或博士学位的女性人数逐年增加，女性在与STEM相关的测试或项目中表现得和男性同龄人一样好或更好，女性也会对STEM失去兴趣，是因为男性总是有比女性更好的就业机会。为此在STEM教育性别差异方面成为了国外STEM教育的研究重点与热点。在高等教育方面（higher education），艾玛·史密斯（Emma Smith）认为，STEM教育相关专业毕业生每年都有很多，但是很少的毕业生最后选择从事STEM教育相关行业，同样STEM教育单位也很少招聘对应专业的学生因为他们认为STEM专业毕业的学生没有很好的技能应对相应的工作，公司要付出一定时间和精力去培养他们在学校中所没有学习到的内容，为此高等教育下的STEM教育应该怎样设置课程才能使学生更好的适应社会需求是急需解决的问题。
高频关键词及关键词共现网络图谱分析。高频关键词可以反映一定时期某研究领域的研究热点和前沿演变。研究热点是某一段时间内有内在联系且数量相对较多的一组论文所探讨的科学问题，citespace Ⅴ通过对关键词进行词频统计来确定某领域的研究热点。关键词共现分析可以反映与揭示某一领域不同时期的研究热点[13]。利用citespace Ⅴ可视化软件对857篇文献进行关键词共献分析，如表2所示，可见国外STEM教育研究重要集中在science、stem、education、student、mathematics、gender、achievement、performance、school、technology等。这些关键词在一定程度上表示2015年到2019年STEM教育领域的研究热点。
表2 高频关键词出现频次表
Tab.2 High frequency keyword appearance frequency table
图7 关键词共现图谱
Fig.7 Keyword co-occurrence map
2.3 关键词时序图谱
（5）高产学者分析
（3）高影响力期刊分析
本文选取2015-2019年相关文献的高频关键词进行详细分析，在2015年STEM围绕教育本身问题深入研究，如STEM 术语概念化研究 (Mathematics，Science，STEM，STEM Education）、教育对象研究（Student， Gender）以及学生学业成就（Performance， Achievement）等，并且具有一定的研究深度。在2016年信仰（belief）、身份（identify）、冲突（impact）、选择（choice）等关键词逐步显现，这些关键词的出现说明教育公平性研究是当时的研究热点（引杜文彬）。在2017年职业（career）、大学（university）、参与度（engagement）、持久度（persistence）等关键词是出现频次最多的，这些关键词的出现说明随着STEM教育研究的深入，越来越多的专业学者开始关注大学生的就业问题。在2018年只有一个高频关键词自我效能感（self efficacy），自我效能感指个体对自己是否有能力完成某一行为所进行的推测与判断。到2019年年初，出现了不同的性别（sex difference）、性别问题（gender difference）、预言者（predictor）等关键词，由此我们可以预测在2019年STEM教育研究的热点还是围绕教育公平性、不同性别对STEM教育发展的影响等。
从2015年到2019年的关键词演变，我们可以清晰地看出国外STEM教育首先进行了STEM教育概念化建设，然后提出STEM教育应具有教育公平性（女性教师培养问题）、接着呼吁学生以自我效能感为手段实现学业达到就业、最后在多元化背景下实现教育公平（学生学习）。
图8 关键词时序图谱
Fig.8 Keyword timing map
3 结论与建议
本研究主要分析了STEM教育高产机构、高产学者、高频关键词等。通过以上几个方面对国外STEM教育的研究热点与重点进行统计分析：
在文献研究年度、国外文献发布国家以及高产学者与机构的分析中，国外对STEM逐年重视并将其研究成果从量向质进行转变，研究论文发表年增长率数有所放缓，总体数量依旧处于上升趋势，呈现蓬勃发展的趋势。其中，美国在STEM教育研究数量上处于超级领先地位，占发文数量的一半以上，澳洲、中国以及欧洲紧随其后，侧面反映了美国在STEM教育研究在国际上的研究影响力，且与美国在STEM教育方面的政策引导与经济投入有密切相关，因此，国内在进行相关研究时，应对其有相应的政策扶持与经济投入，使其研究在国内更深入。在参与STEM教育研究的机构中，大部分属于美国高等院校的科研团队，表明美国在该方向上已经具有足够影响力的科研机构，对其研究可进一步揭示国外在该研究领域学术资源的分布与资金投入情况。
通过对高频关键词的分析，当前研究的高频关键词共现网络相对结构紧密，教育研究涵盖多有学段，且国际上对STEM的研究注重各个学科的融合，涉及学生性别、专业选择、教师指导、学习影响以及自我效能感等多个领域的主题。国内研究主要针对基础研究阶段、对高等教育阶段的学生研究不足，在学科领域也仅仅只关注理工科与科学教育，对技术类课程关注度较低，且教育研究热点大多借鉴国外翻译经验，存在盲目跟风的现象，应该结合我国实际教学情况，探索相关主题，让STEM呈现本土化，从根本上推动STEM教育研究的持续、稳定、专注和高质量的发展。
此外，近五年国外STEM教育表现为，教育目标多元化、师资培养专业化、教育实施公平化、职业选择多向化四方面。未来STEM教育的研究方向应更多的专注到女性教师的培养、STEM专业学生的就业方向等方面。我国相关学者要根据教改的深入与实际教学情况，进行本土化研究，利用技术手段，进行深层次、跨领域、跨学科的研究，培养以问题导向和创新为目标的复合型人才。
DW‐3000型小动物人工呼吸机，安徽正华生物仪器设备有限公司；ECG‐1350P型十二导联心电图机，日本光电工业株式会社；T10型组织电动匀浆机，德国IKA集团；UV‐2550型紫外/可见分光光度计，日本岛津公司。
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Visual Analysis of International STEM Education Research: Frontiers and Trends
LUO Yue-chi, WANG Peng-jiao, ZHAO Ming-yang
(School of Computer and Information Technology, Liaoning Normal University)
【Abstract】: This study collected STEM education research literature based on Web of Science (WOS) database. The CiteSpace 5.3.r4 visualization software was used to conduct literature measurement and co-citation analysis, draw the knowledge map of international STEM education research field, and comprehensively sort out the hot spots and frontiers of STEM education research. Research findings: since 2015, educational scholars around the world have been deepening their research on STEM education. Among them, educational scholars from Europe, the United States and Australia have a wide range of research and have made great contributions. Research hotspots include classroom teaching, students' academic performance, learning efficacy, personalized learning, and the focus on STEM teaching environment to study students and teachers. The research focuses on education equity and career choice. According to the article, STEM education is closely related to advanced human development, which needs to be paid great attention to, localized research, and cultivation of interdisciplinary talents with problem-oriented and innovation-oriented goals.
【Key words】: STEM education; Research front; Research trends; Scientific measurement; Knowledge map
中图分类号:G434
文献标识码:A
DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.051
作者简介:罗月池(1994–)，女，研究生，主要研究方向：信息化教学设计；王朋娇(1965–)，女，教授，主要研究方向：信息化教学设计；赵铭洋(1995–)，女，研究生，主要研究方向：信息化教学设计。
本文著录格式：罗月池，王朋娇，赵铭洋. 国际STEM教育研究现状的可视化分析：前沿与趋势[J]. 软件，2019，40（10）：217- 223
标签：stem教育论文; 研究前沿论文; 研究趋势论文; 科学计量论文; 知识图谱论文; 辽宁师范大学计算机与信息技术学院论文;