國際STEM教師教育研究的熱點與趨勢研析
——基于Web of Science合輯的數據

杜麗靜 楊曉露 陳 翠

(1.紹興文理學院 教師教育學院，浙江 紹興 312000；2.蘇州科技大學 教育學院，江蘇 蘇州 215000)

引言

隨著新一輪科技革命與產業變革的深入發展，高質量創新型人才培養成為世界各國提升綜合國力的戰略共識[1]，以美國為首的西方國家率先掀起一場STEM教育風潮。1986年，美國國家科學委員會發布了《本科的科學、數學和工程教育》報告，提出“科學、數學、工程和技術教育集成”(integration of science, mathematics, engineering and technology)的建議，這一建議被視為STEM教育(Science、Technology、Engineering、Mathematics)的開端[2]。此后，美國陸續出臺了一系列STEM教育的相關政策，尤其是2015年10月，時任總統奧巴馬簽署的《STEM教育法》正式生效，標志著美國STEM教育改革政策完成了邁向法制化進程的轉變[3]。經過幾十年的發展，美國的STEM教育走向平穩，引領著世界各國STEM教育的探索與實踐[4]。德國、英國、澳大利亞、日本、韓國、中國(大陸、香港地區、臺灣地區)等相繼結合自身國情，發布相關政策，有序推動STEM教育在各個教育階段的實踐。

發展STEM教育需要卓越的STEM教師[5]，他們必須具備豐富的相關教育素養，能夠圍繞一個情境中的核心問題，凝練科學、技術、工程概念和數學領域的知能，統整地解決復雜問題的思想、行動及能力[6]，細分包括STEM問題意識、新信息能力、STEM理念、處理問題和輸送數據、做出選擇的能力[7]。再完美的教育改革藍圖，若教師STEM素養不足，在實踐中仍然會面臨巨大的挑戰，緣此，各國著力開展STEM教師的職前職后教育。譬如，美國奧巴馬政府發布《聯邦政府STEM教育五年戰略計劃》，不斷培養K-12階段的優秀STEM教師[8]。澳大利亞推行《2016-2026國家STEM學校教育戰略》,提升教師STEM的知識、思維、教學能力和教育自信[9]。馬來西亞與美國建立了合作關系，于2013年發布了《馬來西亞教育藍圖》，提出通過加強教師的STEM訓練推進STEM教育品質[10]。我國教育科學研究院于2018年也頒布了《STEM教師能力等級標準》，從STEM教育價值理解、STEM學科基礎、STEM跨學科理解與實踐、STEM課程開發與整合、STEM教學實施與評價五個層面加強STEM教師教育[11]。綜上，伴隨著近十年來各國STEM教師教育的大力推行，一些富有創見的相關研究噴涌而出，然而，這些研究的現實情況、熱點分布以及前沿趨勢并未得到系統梳理。

Web of Science(簡稱WOS)是全球最大、覆蓋學科最多的綜合性學術信息資源平臺，收錄了自然科學、工程技術、生物醫學等各個領域最有影響力的高品質資料庫，旨在支持全世界的科學和學術研究發展[12]。WOS核心合輯由五大引文索引資料庫和2個化學資料庫組成，包括教育領域、科技領域學者耳熟能詳的Science Citation Index Expanded(SCIE)、Social Sciences Citation Index(SSCI)、Conference Proceedings Citation Index-Science(CPCI-S)等[12]。由于WOS在全球學術領域的影響力最大，收集的學術論文最全，本文選擇WOS中STEM教師教育領域的學術論文進行文獻計量學分析，具有一定的學術參考價值。

一、研究設計

(一)研究問題

近十年國際上STEM教師教育研究的現狀，主要研究人員、機構、國家合作網絡情況，以時間線性為參照的研究發展趨勢，對未來STEM教師教育領域的學術研究的重要啟示。

(二)數據獲取

本研究以Web of Science 作為檢索平臺，選擇核心合集數據庫為主要文獻來源，檢索主題詞設定為“STEM教師教育”，即“STEM teacher education”和“teacher education of STEM”，時間跨度選為 2011—2021年，精煉教育研究、教育學科兩類，剔除會議記錄、書評等非研究性文獻，保留1 401篇STEM教師教育領域的期刊論文。

(三)分析工具與分析方法

本研究利用CiteSpace5.8軟件進行可視化分析，研究現狀的分析維度包括發文數量、作者和研究機構與地域的合作及貢獻度，研究熱點的分析維度包括共被引關鍵詞的圖譜分析與聚類分析，趨勢分析的維度是時間線性分析和突現詞圖譜。

二、研究結果分析

(一)發文數量分析

自STEM教育思潮席卷全美乃至全球，STEM教師教育的學術研究相繼涌現，每年的發文數量由少到多，呈現出逐漸上升的態勢。2011年至2016年，STEM教師教育領域的發文數量不多，增長緩慢，每年增幅在20篇之內,只有2016年比上一年略增22篇。相較而言，2017—2020年的發文增幅較大，每年增幅20～40余篇，但2021年發文數量有所回落(見圖1)。從趨勢圖可見，2021年STEM教師教育領域的發文量是2011年的9.2倍，增長態勢格外明顯，這也說明，隨著時間的推移，尤其是從2016年開始，該領域受到更多學術研究者的青睞，是當下研究者迫切想深入探討的領域。

圖1 2011—2021年間STEM教師教育研究發文量趨勢圖

(二)作者、機構及國家合作網絡分析

特定研究領域的作者群體分析，一方面可以了解“誰”是該領域貢獻較大、影響較強的學者；另一方面，可以探析存在哪些合作群體，作者彼此之間的合作情況如何。從作者的可視化圖譜分析，本領域核心作者的最低發文數為4.49篇，只有3位學者的論文貢獻達到核心作者的發文數量，(Rushton)(6篇)、臺灣學者林坤誼(6篇)、美國學者凱利(Kelly)(5篇)(見圖2)。有7位學者十年各貢獻了4篇，16位學者各貢獻了3篇，90位學者各貢獻了2篇，發表總數為273篇。依據普萊斯定律，同一主題中，半數的論文為一群高生產能力作者所撰寫，作者集合的數量上約等于全部作者總數的平方根[13]。但本領域貢獻度略高的作者集合發文量遠遠低于總量的50%，說明STEM教師教育領域尚未形成穩定的研究群體，需眾多研究者集中精力深入探討。從領域內被引頻次看，凱利(2016)(F=53)、英格麗斯(English)(2016)(F=35)、瑪戈特(Margot)(2019)(F=22)、巴頓(Patton)(2015)(F=21)的文章在行業內引用的頻次相對較高，說明這些學者具有略高的學術傳播力和影響力。所有文章中，托賓(Tobin)(2012)、瑞安(Ryan)(2014)、理查茲(Richards)(2014)、惠勒(Wheeler)(2017)的度中心性是14，這些文章在領域內影響力較高。

現有研究中以作者單獨研究為多，少數作者形成相對穩定的合作關系(見圖2)。如魯什頓、法林(Fallin)、單(Shan)和雷(Ray)組成相對穩定的研究合作群，霍瑞根(Hourigan)和利維(Leavy)是長期的共同研究者。這些合作研究群彰顯不同的特點，前者中作者學術領域各異，優勢互補，形成彼此契合的研究團隊；后者作者研究領域趨同，屬于志同道合的研究伙伴。例如，魯什頓擅長K-12 STEM教師的領導力研究，法林和雷具有統計與分析科學的專長，單精通化學，幾位研究者經常合作，致力于STEM領域的教師教育研究。再如，霍瑞根長年深耕STEM教育和職前教師教育，利維也是STEM教育的資深研究者，同時兼任SSCI知名期刊《教師教育》(Teacher Education)期刊的編委。由圖譜分析可見，該領域處于相對分散的研究狀態，僅有小團體的合作形式，且合作關系多為兩人合作，力量較弱。

圖2 作者網絡共現圖

2.核心研究機構及其合作分析

研究機構可視化圖譜顯示，STEM教師教育領域的科研貢獻大部分是由大學所做出的。306所機構中有296所大學，排名前五的分別是明尼蘇達州大學(University of Minnesota)(25篇)、利默里克大學(University Limerick)(21篇)、普渡大學(Purdue University)(20篇)、德克薩斯理工大學(Texas Tech University)(19篇)、密歇根州立大學(Michigan State University)(19篇)，其他機構則是中學、科研機構、STEM中心，但數量極少，說明大學教育工作者對STEM領域中的教師教育議題更為投入。這一研究現況與大學的支持力度和科研平臺緊密相關。普渡大學教育學院和科學學院聯合成立了STEM教學與學習中心，該中心的使命就是致力于幼兒園到高中(K-12)的STEM的教學和學習，為全球STEM工作者提供有效的教學材料，開展STEM教師工作坊，傳播STEM教學信息。密歇根州立大學獲得國家科學基金會支持，成立了STEM機構，專門支持研究者開發開放性STEM教育資源，為教師提供相關知識，提升教師的STEM素養。需要強調的是，我國一些知名大學亦為世界STEM教師教育研究提供了重要的中國智慧，如北京師范大學(7篇)、華東師范大學(5篇)、臺灣師范大學(18篇)、香港中文大學(9篇)、香港教育大學(7篇)等。

研究機構之間產生了縱橫交錯的合作網絡，出現了典型的合作中心。如北卡羅來納州立大學(North Carolina State University)、利默里克大學(University Limerick)、普渡大學(Purdue University)、德克薩斯理工大學(Texas Tech University)以及密歇根州立大學(Michigan State University)，這些具有影響力的大學和其他大學產生的合作多是單次，僅有肯塔基大學(University Kentucky)、科羅拉多大學(University Colorado)、波士頓大學(Boston University)與加利福尼亞州立大學(California State University)建立穩定的合作關系，產生交錯的緊密合作(見圖3)。

圖3 機構網絡共現圖

3.國家合作網絡分析

根據國家合作網絡圖譜分析，以美國為首的發達國家在本領域的學術貢獻較大，中國研究智慧在西方云集的學術力量中做出獨特貢獻。80個國家中，美國發文量最多(493篇)，文獻半衰期為6.5年，第二是澳大利亞(83篇)，發文篇數是美國的17%，與美國的差距較大，文獻半衰期為7.5年，后續的第三名土耳其(48篇)、第四名英國(47篇)和第五名中國(42篇)差距不大，文獻半衰期均為6.5年。

項目申請指南發布之前大約2年，美國國立衛生研究院各研究所開始提出意向性的研究計劃建議，聽取并綜合各方意見建議，經各研究所顧問委員會等討論通過后，編入美國國立衛生研究院預算計劃和白宮總統預算，最后報國會批準。批準同意后，所有申請指南正式在美國國立衛生研究院、Grants.gov等網站發布，申請指南主要分為項目聲明（Program Announcement，PA）、專項申請（Request for Applications，RFA）和自由申請指南（Parent Announcement）3類，其中涉及臨床試驗的申請要符合特別制定的申請指南要求。

從國際合作來看，當前的STEM教師教育領域的研究呈現出幾個關鍵的合作中心，最突出的是美國，美國具有得天獨厚的學術優勢，與西班牙、澳大利亞、以色列、馬來西亞、印度尼西亞等建立的合作關系網最為緊密和繁雜。澳大利亞、德國、土耳其、英國等均為比較明顯的合作中心，與其他國家建立穩定的合作關系。我國亦與希臘、比利時、新加坡、巴基斯坦、南非、烏干達等建立穩定的合作關系(見圖4)。

圖4 國家網絡共現圖

(三)研究熱點分析

經對所有文獻進行關鍵詞共線分析(見圖5)，發現“文化相關教學法”“教師專業發展”“混合學習”“專業學習”“學科選擇”“教學內容知識”等關鍵詞不僅頻率高，而且形成輪廓分明的聚類團(見圖6)，也就是說，研究內容圍繞核心關鍵詞有效擴展(Modularity Q=0.7719，Weiguted Mean Silhouette S=0.888)，容量和緊密度均較高。

圖5 高頻關鍵詞網絡共現圖

圖6 關鍵詞聚類分布圖

1.STEM教師的專業發展

該子領域的研究側重以下三個方面：第一，STEM教師專業發展的重要性。多數教師認同唯有持續整合STEM教育教學，才會為學生提供更有效的學習機會[14]，教師需要多學習STEM理念、知識、教學等，而且高學歷、科學領域的、及青年教師認同度更高。第二，理解STEM教育中教與學的內容是教師專業發展的核心內容。研究表明制定STEM教育的概念框架需要深入理解人們如何學習的復雜性，特別是STEM領域涵括的教與學的具體內容，當教師擁有足夠的內容知識和領域教學內容知識時，STEM教育教學才能得到加強[15]。第三，STEM教育教學方法的運用是STEM教師成長最亟需的內容，尤其是教師需要在真實問題情境中有足夠機會練習以學生發展為導向的各種教學法[16]。

2.STEM教師身份認同

該領域的研究大致分為兩個層面：一個是STEM教師角色是職業身份的關鍵內核。教師是STEM教育中的催化劑，絕非權威傳授者或知識的搬運工，他們對學生在學習歷程中提供鼓勵、批判與啟發[17]。更多研究著力于第二個層面，即STEM教師職業身份認同的演變。雖然一些實證研究發現傳統教師向具有進步思維和以學生為中心的課堂實踐積極進取，才會蛻變為STEM教師[18]。教師情緒情感關乎STEM教師職業身份認同的程度，多數教師存在感興趣而困惑、熱情但緊張、興奮但不滿意的情緒[19]。但一些綜述研究表明教育變革，新的職業身份的創造，教師情感的生成可以互相交織，共同發展，STEM教師的身份認同過程是一個對話的、動態的、演進的歷程[20]。

3.注重跨學科STEM教學

此領域的研究分為三類：首先，STEM教師應先形成跨學科學習的態度。多數研究談及態度是引導行動的指南針和方向盤，唯有“心中有念”才會在真實教育教學中體現出跨學科STEM教學[21]。其次，STEM教師需要掌握跨領域學科知識。研究表明，教師需要通過不斷汲取各類分支科目，在真實的“問題情境”中匯融學科知識，以問題為出發點調動知識，才有可能內化所學的跨領域知識，并進一步推廣整合教育教學法[22]。第三，STEM教師需要加強跨學科的STEM教學設計與實施。比如，統合STEM知識、技能與具體的教學法、課程設計相結合[23]。制定教師專業發展計劃，周全考慮跨學科的教學挑戰和結構性挑戰，設計微格教學[21]。

4.STEM教師的文化價值觀

該子領域聚焦于兩個層面的研究：首先，跨文化背景下STEM教師教育的重要性。研究表明，隨著社會文化的多元化，多元復雜政治背景的迭代，STEM教育具有濃厚的跨文化性、跨民族性，STEM教師教育應該具有多元性，薈萃科學素養、人文素養于一體，以便更負責任地參與全球社區發展。若未能承認或故意忽視社會文化的首要地位，將不可避免地導致STEM教育步入缺陷的教育模式[24]。其次，教師可以積累文化回應教學的素養，尊重多元文化，提供回應學生母文化的STEM教育，這對學生未來融入多元文化的STEM職業具有重要意義[25]。

5.注重現實實踐性的教學

由于STEM教育是基于學科之間的聯系和現實世界問題的解決[26]，更具體地說，是受STEM約束在真實環境中的一種實踐，目的就是將數學、科學、工程、技術聯系起來加強學生的學習?，F有研究的主要貢獻在于，職前教師應積極體驗跨學科的團隊合作，通過體驗跨學科、跨領域的團隊合作而萌生當STEM教師的愿望[27]。職后教師需開設STEM 教師教育課程和講習班(在職前和在職)，以解決教師在STEM教育教學中的實踐問題。比如，在實踐中要如何圍繞一個問題統整多領域知識，如何引導學生形成團隊合力解決問題，如何在實踐中加強教師的課堂管理技能，如何鼓勵學生有效應對失敗并堅持不懈地解決問題[28]。

(四)研究趨勢分析

研究者以時區視圖和關鍵詞突現強度排序圖為參照(見圖7和圖8)，發現2011—2013年，多數研究探討STEM教師教育專業發展的重要性，從2012年開始轉向STEM教師教育的改革，尤其是知識內容統合導致需實施混合學習。與此同時，亦有研究關注STEM教師教育的教學內容和方法。2013年后，一類研究探討STEM教師的信念，另一類研究探討不同性別STEM教師的成就，側重在數學領域的成就。2015年后，相關研究從三條脈絡推演，一條脈絡從STEM教師參加教師教育對學生學業成績的影響而拓展，第二條脈絡則在STEM教師的職業選擇與職業堅持向度縱深，第三條則探討不同種族、不同民族的STEM教師教育。2017年后的研究內容一方面延續前面的議題，另一方面增加了STEM教師專業身份的研究。2019-2021年，較多研究關注STEM教師的教育技巧。

圖7 關鍵詞Timeline趨勢分析

圖8 文獻關鍵詞突現強度排序圖

三、結論與啟示

(一)尚未形成穩定的研究群體，未來需要作者之間建立穩定而深度的合作

縱觀近十年STEM教師教育領域的研究作者群體，已有一些知名學者在此領域做了相關深入探討，但從普萊斯定律來看，做出突出貢獻的作者數量不多，尚未形成穩定的核心研究群體，說明主要研究力量還遠遠不夠，對國際STEM教師教育的影響處于發展期。此外，作者之間產生的合作不多，偶有一些作者以優勢互補和專業彌合為原則建立合作關系，但合作密度和深度有待提升。未來的學術研究亟需打破作者之間的隔閡，拉近作者之間的距離，產生更多密度大深度強的對話，通過合作研究探索新議題，拓展新思路。

(二)具有良好研究平臺的大學為主要貢獻機構，未來需要增加不同層級機構的聯動

研究發現各國大學是學術發展的重要參與者，尤以具有深厚研究背景，構建良好學術平臺的大學獨占鰲頭，貢獻巨大。這些大學專門成立了STEM教育教學中心，聯合相關知識背景的大學教授深耕研究，僅有個別STEM機構、高中做出了獨特的研究貢獻。實際上，未來需要更多的STEM教育機構、各級學校(幼兒園、小學、中學)與大學充分聯動，建立穩定的合作關系，發揮各自的積極作用，繁榮STEM教師教育領域的學術之光。

(三)發達國家的研究遙遙領先，未來更需彰顯中國乃至亞洲國家的研究力量

研究發現貢獻度最高的國家以發達國家為主，發展中國家積極參與。貢獻度前三甲分別是美國、澳大利亞和土耳其，值得強調的是美國具有一騎絕塵之勢，無論是發文數量，還是文獻被引用頻次，遠遠高于其他國家，說明美國政府切實在以師資素養提升敦促K-12的STEM教育深遠發展。與此同時，中國在世界STEM教師教育領域占據重要地位，既聯合新加坡、比利時等發達國家，也與巴基斯坦等發展中國家展開積極研究，但數量與影響力比西方發達國家略遜一籌。未來需要進一步發揮中國智慧，帶動亞洲國家投入跨國STEM教師教育領域的研究。

(四)STEM教師信念與教學研究為主，未來需要與時俱進拓展相關議題

研究發現，STEM教師教育領域中的研究多是在教育改革的浪潮下進行的教師專業發展探討，包括STEM內容知識、STEM教學方法、教師的信念與職業選擇、教師的實踐技巧等，也會探究教師教育對學生學業成就的影響。從關鍵詞的突現強度來看，教師內在素養的養成是研究者關注的重點，也是STEM教育廣泛優質推進的核心落腳點，但跨民族、跨文化、跨種族、跨知識邊界的STEM教師教育研究還有待挖掘，伴隨人工智能興起的新STEM教師教育素養評價領域的研究亟待探發。

綜上所述，基于citespace的STEM教師教育領域的可視化分析，較為客觀地反映了該領域的研究現況與熱點議題，給相關研究者展現了一幅系統而全面的研究圖譜，幫助研究者一窺趨勢，洞見未來研究議題。但技術也有其特定規律與局限，其測量系統的覆蓋范圍不一定非常完整，關鍵詞的捕捉受到后端平臺的設計約束，未來研究需要結合量化工具與人工分析，真正汲取兩者精華，為本領域的可持續研究提供脈絡清晰的線索。