一、引言

STEM(Science, Technology, Engineer and Mathematics)教育源起于美国，发展到今天已经成为全球普遍认可的具有综合性、创造性的教育形式，成为沟通教育改革与经济发展的主要部分^[1]。李克强总理在2017年《政府工作报告》中提出“深入实施创新驱动发展战略”“提升科技创新能力”“持续推进大众创业、万众创新”等重点工作任务，这需要充分发挥科学、技术、工程、数学教育在促进科技创新和提高国家竞争力中的基础性和先导性作用，培养大批具备科技理工素养的复合型创新人才。因此，近年来国内越来越多的学者开始探究STEM教育的本土化发展，涌现出纷繁多样的教育实践形式，研究也呈现出逐渐繁荣的态势。鉴于此，文章从元研究视角出发，探讨与分析当前国内STEM教育研究的成果分布与探究热点，阐述中国STEM教育的研究现状，力图明确今后研究的发展方向，为相关研究与实践提供良好引导，以进一步促进STEM教育本土化建设与发展。

二、研究数据与方法 (一) 研究数据

本研究选取中国期刊全文数据库CNKI作为文献数据来源。以“STEM教育”为主题，在“跨库选择”中选择“期刊”“教育期刊”“特色期刊”进行搜索，检索到文献651篇(搜索时间为2017年12月14日)。考虑到中国STEM教育初期研究使用过翻译后的“科学、技术、工程和数学教育”，因此以其作为主题，搜索到文献614篇。通过辨别与统计，剔除重复文献、不相关研究及消息通讯类文章等，最后得到有效文献524篇。同时，以“STEM教育”为主题搜索到硕博论文51篇，鉴于研究内容及主要作者等信息已出现在筛选后的期刊文章中，故不予考虑。此外，以“STEM”为篇名在中国国家图书馆网站检索到国内相关专著5篇，其中《STEM项目学生研究手册》等3篇均为美国研究成果译本，另有赵中建著《美国STEM教育政策进展》及周迎春著《面向STEM的Scratch创新课程》。由于专著核心内容多发表为若干相关期刊论文，所以本研究对此不另做分析。

(二) 研究方法

文章基于知识图谱可视化分析技术视角，综合运用文献计量法、内容分析法等对文献数据进行定量研究，并在可视化分析基础上进一步定性分析，阐述分析已有研究产出的分布情况、热点主题等问题。首先，运用文献计量和内容分析法，对文献年度、学术期刊、学术机构、高产学者等方面进行统计与分析，初步探究中国STEM教育研究领域主要文献成果的整体分布状况、研究机构分布特征、来源期刊分类情况、高产学者及学术群体系特征。其次，借助可视化分析软件，揭示国内STEM教育研究领域的学术机构合作网络、热点主题及研究演变等向度。在选择可视化分析软件时，鉴于CNKI数据在导入分析软件时格式转化的限制，本研究选择由美国德雷塞尔大学、大连理工大学陈超美教授等设计开发的CiteSpace4.0.R5可视化软件工具，采用学术机构共现分析、作者共现分析、关键词共现与聚类分析等定量方法对文献数据进行聚类分析，从而形成中国STEM教育研究的研究机构共现图谱、作者共被引聚类图谱、关键词共现聚类图谱等系列知识图谱，探究国内STEM教育领域研究成果的主要分布情况，通过聚类视图和时区视图发掘国内STEM教育研究聚焦点，揭示其研究动向。

三、研究产出分布 (一) 研究文献的时空分布

1.时间与文献数量

从图 1中可以发现，国内关于STEM教育主题的研究始于2008年；十余年间，公开发表的相关文献数量呈明显上升趋势，特别是在2015年以后，国内对于STEM教育的研究势头猛烈，研究成果激增，仅2016年一年公开发表的文章数量就大于之前研究文献的总量。分析主要原因可能有三点：第一，自2014年起，政府层面着手深入推进以科技教育为代表的素质教育发展，部门地区相继出台相应计划，以加强学生文体科技艺术素养的培养，因而，以培养科学素养与综合能力为目的的STEM教育逐渐得到国内学者关注；第二，2015年发展“创客教育”被写入了政府工作报告，聚焦“创客教育”与STEM教育的比较研究成为越来越多学者深入研究“创客教育”或STEM教育的重要抓手；第三，教育部在2016年发布的《教育信息化“十三五”规划》中正式提出“积极探索信息技术在‘众创空间’、跨学科学习(STEAM教育)、‘创客教育’等新的教育模式中的应用”，这是中国首次在政策文件中提及发展STEM教育，指引了STEM教育发展的基本方向，激励了更多学者研究STEM教育的热情。随着2017年6月“第一届中国STEM教育发展大会”在成都召开，中国教育科学研究院发布了《中国STEM教育白皮书》，启动“中国STEM教育2029创新行动计划”，《STEM教师能力等级标准》呼之欲出，这将很有可能成为中国STEM教育研究发展的一个重要契机，推测近年内中国STEM教育研究的热浪会持续推进。

2.机构研究情况

关于STEM教育研究的524篇文献署名机构(按一级单位统计)总计154个，76%以上为学校教育机构，其中大学或学院约占总体46%，中小学占28%以上；其次是政府(约12%)、科研机构(约9%)、企业组织(约5%)等。发文量5篇以上的一级机构有10个，如表 1所示，这些机构发文总量146篇，占文章总量的28%左右；10个主要研究机构中，有8个机构为高校单位，说明国内关于STEM教育研究主要依托于大学。其中，北京师范大学教育技术学院、华东师范大学课程与教学研究所、东南大学学习科学研究中心等单位分别对教育技术与课程融合、学科课程教学及学生认知发展等STEM教育领域不同研究方向表现出热切关注。

借助CiteSpace4.0.R5分析研究机构合作情况，可以得到领域中的研究力量布局^[2]。如图 2所示，在研究初期，北京景山学校、教育部教学仪器研究所等研究单位有显著合作关系；近年来，北京师范大学、上海师范大学、东南大学等大学各内部学院间具有较显著的合作关系。但是通过研究机构合作图谱可以看到，真正跨学科、多视角的研究合作网络并未建立完全。

(二) 研究文献的来源分析

1.来源期刊分析

经统计，524篇论文分布在177种期刊当中，其中，刊发STEM教育主题文章8篇及以上的期刊共15种，详见表 2。这些期刊共发表相关论文248篇，占文献总数的47%左右。根据布拉福德定律，某一研究主题中，核心区、相关区、非核心区期刊载文数量相等情况下，三类期刊数量呈1：n：n²的数量关系。通过上述定律计算，基本可以将发文量在12篇及以上的期刊视为当前国内STEM教育研究领域内的核心区期刊，即国内刊发STEM教育研究成果的主要载文期刊有《上海教育》《中小学信息技术教育》《中国信息技术教育》《中国科技教育》《中国电化教育》《世界教育信息》《小学科学》。此外，除在《中国电化教育》《外国中小学教育》《全球教育展望》《开放教育研究》《现代教育技术》上已发表的59篇论文外，还有43篇文章来自其他24种CSSCI来源期刊；CSSCI来源期刊文献总数占据研究数据总数的20%左右，优质研究成果有待增加。

2.著者分析

根据普赖斯公式^①对核心作者进行测算，并通过CiteSpace4.0.R5后台数据分析，得出本研究核心作者为发文3篇及以上者，共26人，占作者总数10.7%左右，说明研究核心队伍初现规模；26名核心作者发文总数124篇，其中CSSCI来源期刊文献39篇，占其发文总数的31.2%，一定程度上表现出国内STEM教育研究整体水平有待进一步加强。按照核心作者发文量排序，得到前10名主要核心作者信息，如表 3所示。进一步分析主要核心作者的首发年份，赵中建、吴俊杰等是国内较早关注STEM教育研究的学者，他们的研究成果对奠定国内研究基础起到了重要作用；此外，可以看到近两年来涌现出更多学者关注STEM教育的研究。通过分析发现，吴俊杰、赵中建等核心作者的文章被引频次总数较高，说明这些作者在国内STEM教育研究领域中具有较高的影响力，对激励、启迪国内此研究领域学术交流有着重要意义；他们的研究也反映出国内关于STEM教育研究的焦点问题。

四、国内STEM教育研究热点

高频关键词可以反映出STEM教育研究领域涉及的主要研究内容。运行CiteSpace4.0.R5软件，得到研究文献中关键词词频信息。统计前15位的高频关键词(词频大于20)及高中心性关键词，得到表 4。可以发现，除STEM、STEM教育关键词外，学习过程、教育理念、创客教育、问题解决等关键词词频颇高；同时，软件统计得出高中心性关键词主要有STEM教育、创客教育、科学教育、工程教育等。一般来说，高频关键词与高中心性关键词可以反映出研究者在某一研究领域中普遍关注的问题。分析表 4不难看出，STEM研究频次较高的关键词与其中心性基本呈正相关，这说明国内STEM教育研究已经具备一定基础，重要研究内容基本明确、聚焦。

分析软件生成的关键词共现网络图谱，可以反映出某一领域当前研究热点及过去产生过哪些热点研究。运行知识可视化软件CiteSpace4.0.R5，对研究数据采用关键词共现分析功能，选择时间线视图(Timeline)，得到知识图谱图 3。其中，图谱分析模块值Q=0.721 8，说明划分的模块结构是非常显著的，具有较高信度^②；平均轮廓值S为0.619 8，在0.5以上，可以认为聚类合理。根据聚类规模大小，对不同算法下生产的主要类目标签进行筛选，选取前六项聚类中的权值相对大的标识词，结合高频关键词与高中心性关键词所在类目信息，对研究文献进行二次研读，可得出结论：中国对STEM教育的研究热点主要集中在以实践探索为主的教育教学研究、以创新人才培养为主的创新教育、以解读美国政策为主的政策及评价标准研究等方面，具体可概括为政策研究与理论探索、STEM教育教学实践研究、STEM教育与创新教育、STEM教育与现代信息技术应用四个方面。

(一) 政策研究与理论探索

2007年前后，美国政府制定了包括《美国竞争法案》在内的系列STEM战略规划，引起了各国对STEM教育的广泛关注。研究初期至今，中国学者对以美国为主的各国STEM教育政策规定的研究探索从不间断，不断尝试从新的视角切入。特别是美国启动世界一流大学战略后，围绕逻辑选择、政策架构与措施体现三个方面制定与展开STEM学科教育^[3]，在提升美国国民素质、拉动就业及收入分配均衡化、促进民族平等与性别平等、增强国家经济实力、驱动创新等方面作出特殊贡献，提高了国家竞争力^[4]。近年来，随着美国STEM教育质量标准体系、测评系统的开发与应用，国内学者对STEM教育评估的研究也不断深入。有学者采用内容分析法对国内外STEM教育评估案例设计进行整理，发现评估内容主要集中在学生学习成果评估上，且评估设计多元化^[5]；也有学者研究美国各地STEM教育质量评估体系建设的成功经验，如分析美国圣地亚哥郡权威报告和研究成果，探讨STEM质量的四项基本属性(学术内容综合性，STEM思潮和文化，学校、社区和产业的合作，大学与职业准备)的关联，以期借鉴国际经验形成满足本土需要的STEM教育质量标准指标体系^[6]。

STEM教育理念的提出与发展深深根植于美国教育改革政策与文化的土壤之中，在探究STEM教育内涵本质的过程中，还需不断追溯其演变历程，思考STEM教育的价值取向与概念内涵。从缘起来看，STEM教育主要因应于国际竞争、社会高科技的发展等对人才的需求，这就决定了其功利主义特点^[7]；而技术教育实践取向的课程模式及学科融合的变式发展，也可将STEM教育视为技术教育价值取向的转变与回归^[8]。同时，“创客教育”研究的热浪促使更多国内学者转向探析STEM教育与“创客教育”的关系与异同研究之上，通过比较研究的方法，以期界定STEM教育概念的内涵与外延。此外，随着STEM教育理论研究和实践探索成果的不断积累，有学者开始关注国外已有相关研究，探讨STEM教育研究的焦点问题^[9]。

(二) STEM教育教学实践研究

在STEM多学科教育研究的问题上，国内学者多持整合性观点。跨学科作为STEM教育的核心理念之一，根据不同的整合取向，选择相关课程、广域课程的模式或者跨学科项目设计的方式^[10]，培养综合运用多学科知识解决实际问题的复合型人才。相关课程模式在保留各学科独立性的同时，在教学内容安排上注重学科间的联系。国内对此类课程设计的实践探索比较多，主要集中在小学科学、中学化学、中学生物等学科教育领域上。这类研究多以教学设计或案例描述为主，部分文章没有涉及参考文献，研究成果质量有待进一步提升。广域课程模式消除了学科间的界限，强调学科内容整合后所形成的新的学习领域。因此，研究STEM教育与基础教育综合课程^[11]、研究性学习课程在教学理念、教学目标和学习过程等方面的契合点成为本土化实践探索的重要抓手^[12]。跨学科项目设计探索方面，不仅分析借鉴美国项目引路(Project Lead To the Way)与变革方程(Change the Equation)机构开发的诸如“技术之门”等项目课程案例^[13]，还逐步尝试构建项目式STEM学习活动模型^[14]，采用三角互证验证此模型对促进学生STEM技能的显著作用。不容忽视的是，国内学者在相关教材探索上也取得了一些成果。其中，有学者对美国FOSS版本K-5科学教材和中国的人教版小学五年级科学教材内容进行编码比较，发现国内科学课程知识点数量少，内容浅显，学科综合性弱，缺乏知识陈述与总结。

当然，在对国外建设STEM中小学成功实践经验的个案研究基础上，国内不断尝试STEM教育本土化实践探索，涌现出一批融入STEM教育理念、改革教育教学工作的中小学校，并尝试在幼儿园实施STEM教育。不过此类研究国内学者主要以个案介绍为主，缺乏科学严谨的实证分析，有待进一步深入探索。

(三) STEM教育与创新教育研究

STEM教育与创新教育研究主要聚焦在创客教育、STEAM教育及高等教育等研究内容上。

STEM教育、“创客教育”、STEAM教育都是推进创新教育实现的重要形式和基础。在探析STEM教育过程中，不乏国内学者分析创客教育与STEM教育内在的跨学科与实践导向等特质，探究二者的异同与联系。整体而言，STEM教育与“创客教育”的关系存在着“不用辩解”“包含关系论”“载体论”“整合论”四种学术解释^[16]。在STEM教育基础上演变而来的STEAM教育增加了艺术学科内容，对促进学生认知能力、表达能力等发展有积极作用，已经得到公众的认可。近年来，“创客教育”与STEAM教育的融合逐渐成为研究的热点，实施“创客教育”实践形式也可以优化STEAM教育效果，培养学生工程思维和创新思想^[17]。

创客运动的升温使得以创造、实践、分享等为特征的“创客教育”开始对高校已有人才培养理念与实践模式产生影响，美国部分高校通过实现在STEM教育中融入“创客教育”等路径来提升大学生对知识的理解与创新^[18]。反观中国高等教育现状，虽然学生在数学、物理和工程方面有良好的基础，具备一定的问题解决能力与学习策略^[19]，但在复杂性科学与当前高等工程教育的融合、学生期望以及人才培养方面仍存在明显欠缺。为解决理工科教育存在的现有问题，有学者提出了适合中国理工科STEM教育的三个发展取向，即设计基于认知学习理论的“项目等级学习塔”、借鉴相关课程融合模式和广域课程融合模式以及加强技术在STEM教育中的作用^[20]。对比美国而言，国内高等教育STEM领域生源数量并不是制约国内理工科发展的主要原因，相反，相关领域学科的融合及培养当代大学生以解决实际问题为主的工程思维与技术素养有待教育者进一步深入研究与探索。

(四) STEM教育与现代信息技术应用研究

有效实现STEM教育跨学科整合的关键是创新技术支持。中国学者在研究初期就着手探索引进新兴教育技术，推进STEM教育发展。这类文献多以案例研究为主，集中在Ledong Scratch互动教学平台、机器人教育、3D打印技术等实例开发与应用探索方面。

首先，Ledong Scratch互动教学平台将编程技术与相关学科课程结合到一起，在中小学教育实践中增加了工程教育与技术教育素质的培养，为中国基础教育STEM实践打下基础。针对Ledong Scratch互动教学平台的探索，作为国内较早探索新兴技术融合的学者，吴俊杰等介绍分析了一系列课程设计案例，旨在工程目标的完成中融入科学和数学的内容，让学生在一个综合的技术应用环境下提高整合STEM各个领域的能力^[21]。其次，教育部2003年颁布《普通高中新课程标准》，将“人工智能基础”及“简易机器人制作”列入信息技术课程的选修内容，之后融合多学科多领域知识与技能的机器人教育逐渐成为培养中小学生综合能力、信息素养的优秀平台。从技术层面来讲，国内中小学实现机器人教育主要以开发利用Arduino软硬件平台为主。有研究论述了Arduino软硬件平台的优势、硬件资源及软件开发环境，并提出Arduino实例开发的流程，阐述了完整的STEM教育教学开发案例^[22]。同时，3D打印技术也逐渐走进STEM教育中来。基于STEAM教育思想，国内已着手对小学生3D打印课程进行设计与实践探索^[23]，但仅限于介绍课程实施过程，没有对课程实施效果进行进一步评估分析。此外，国内学者也对其他一些技术工具与STEM教育融合上展开了探索与实践，比如智能手机、系列APP、Mathematica工具等。

五、思考与展望

与发达国家相比，中国STEM教育研究起步较晚，优质成果不多，研究网络尚未形成。研究热点涉及政策研究与理论探索、教育教学实践研究、STEM教育与创新教育、STEM教育与现代信息技术应用四个方面，多以质性研究及案例陈述为主，系统性不强。但可以看到，国内学者探索的热情持续升温，近年来STEM教育研究成果持续不断增长。为深化STEM教育研究、促进国内STEM教育本土化推进，在未来的相关研究中需要着重思考以下三方面问题：

首先，加快构建STEM研究领域学术共同体，促进交流与合作。STEM学科在当今社会发展的作用日益突出，要真正实现学生与真实世界的连结，培养学生综合素养和创新能力，单纯依靠学校教育难以做到，需要建立包含企业、政府、学术界等社会组织机构在内的学术共同体，开展联动的研究交流合作机制，逐渐改善国内研究机构合作力度不大、企业关注度不高、社会组织参与度低的现状；连通校内外，补充学校课程学习，强化学生STEM学习的兴趣。目前，美国STEM教育研究已经形成基础教育、高等教育、企业与教育管理部门协同发展的典型合作模式。当然，发动地方力量、学校和企业等共同开展STEM教育研究也不可照搬美国模式。根据中国国情，应做好顶层设计，由教育行政部门授权成立专家委员会，以已取得突出研究成果的学者、机构为中心，开展不同STEM教育主题的教育研讨会；围绕北京、上海、深圳等教育产业发达的一线城市，形成规模不一的学术研究共同体，逐步建立幼儿园、中小学、学院、大学、研究机构等沟通交流机制，加快学术研究成果与教育产业结合，吸引社会力量的参与与投入。同时，充分发挥科技馆、博物馆等对学生STEM学习的积极影响。馆内专业人员在探索STEM校外教育的实践中需要与幼儿园、中小学、科技局等学校、机构紧密合作，形成联动机制，利用好资源优势，探索STEM校外教育的优化路径。此外，从知识管理与分类的视角出发，要打破学科领域界限，需要包括且不仅包括STEM四大研究领域的学者、专家建立伙伴关系，开展协作，逐渐形成基于学科的STEM教育研究共同体^[24]，及时沟通、探讨学生教育与知识产出过程中的理论与实践问题。

其次，灵活选用研究方法，提高信度与效度。统计国内已有研究，发现质性分析占总量的49.3%以上，案例研究占文献总数的35.9%，访谈法、问卷调查法、比较研究法、行动研究等方法使用频率较低；且绝大多数研究缺少信度、效度等质量指标的检测，研究结果可靠性、准确性有待考量。STEM教育作为多学科融合的综合性教育，单一的定量研究或定性研究方法下所得到的结果并不具有充分的说服力，国外STEM教育的研究除采用文献法外，一般还采用2种或2种以上其他研究方法混合，混合多种研究方法成为主流^[9]。首先，选择研究方法要根据研究内容本身的性质。例如，研究工程教育与技术教育时，多采用问卷调查法、结构方程模型等混合研究方法；研究中小学具体教育实践时，可采用行动研究法、观察法等，但要特别注意信效度的检验。STEM教育具有跨学科的本质属性，特别是衍生出来的“STEM+”“STEAM”等变式尤为关注自然科学与人文社会科学的融合，因此在研究过程中要摆脱传统研究思维桎梏，灵活选用研究方法，重视研究结论的检验，力求科研成果科学、可靠，以期进一步指导STEM教育本土化理论与实践探索。

最重要的是，在研究内容的选择上要进一步深化国内研究热点，关注国际前沿发展。可以看到，国内STEM教育在理论内涵、教育实践、创新发展等研究探索方面已有一定的基础，研究热度继续升温。然而，整体来看，虽然中国学者逐渐探索从幼儿园、中小学、高等学校、研究中心到商业机构等多种类型的实践形式，形成了一些学科的课程设计与教学模式；但是相关研究多以评述国外理论、政策及经验总结为主，缺乏科学的效果评估与检测分析的研究，优质文献数量不多，热点研究内容有待进一步深化。在加深对热点内容探索的同时，要及时沟通国际研究前沿，强化国内研究的薄弱环节。如对STEM学习生态系统(STEM Learning Ecosystem)构建研究中，可立足人文主义的视角，深入探索学习环境优化路径，挖掘学生的学习兴趣与机会^[25]。在师资培养研究方面，不能局限于国外教师教育现状、政策和项目等介绍与评价，要多尝试探析适合国情发展的STEM教师培养方法和策略。在教育公平领域中，既要探究STEM学习中性别差异问题^[26]，更要关注在现有升学考试制度与资源配置环境下STEM教育定位与规划的探究等问题。此外，随着国内STEM教育创业逐渐兴起，涌现出不同形式的商业模式，STEM教育市场带来的消费前景是巨大的。中国STEM教育市场容量预估、国情经济体制下行业模式规划及其路径优化等问题，也都是较为空白的研究领域，有待国内学者开拓。

值得肯定的是，过去10年里，在不同教育层次中的实践探索已经取得一定的成绩，STEM教育研究也逐渐步入正轨。但对比国外较为成熟的研究机制与相对完备的教育体系而言，中国在STEM教育研究领域仍存在很大的发展空间。国内学者应把握STEM教育的本质，以创新技术应用为桥梁，以实现跨学科整合为目标，立足中国国情，基于国内中小学科学教育、高等工程教育、数学教育等领域的已有研究成果，科学设计研究方案，灵活选用研究方法，逐渐探究适于国情发展的STEM教育理论框架与价值取向，关注学生发展与教师培养，积极开展国内外合作研究，不断尝试在政策制度、体系构建、评估监测等方面深入探索，以期稳健构建契合本土发展的STEM教育体制机制。

注释：

① 在该公式中，N代表核心作者发文量，n_max代表最高产著者的发文量。

② Modularity Q一般在区间[0，1)之间，Q值越大，聚类效果越好。一般来说，Q值在0.5以上，认为聚类合理；Q值到0.7时，聚类高度令人信服。