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摘要：STEM教育是当今最具基础性、综合性、创造性和经济性的教育，是各国教育竞争力、改革力和发展力的劲爆点。国外STEM教育研究已产生了一些具有理论和实践价值的成果。国内对于STEM教育研究仍处于萌芽期，通过探讨国外STEM教育的发展现状和研究热点以及未来的发展趋势，为我国高起点研究和发展STEM教育提供可资借鉴的经验和蓝本。基于ERIC数据库，该文对国外近10年有关STEM Education的相关文献进行量化分析。通过对高频关键词的共现分析、因子分析、聚类分析、多维尺度分析，发现ESTEM教育研究的热点主题是STEM教育相关理论、STEM教育研究方法运用、STEM教育学校变革、STEM教育课程连贯性、STEM教育代表性不足的群体等。未来的STEM教育研究将聚焦课程整合一体化、学校伙伴化、对象低龄化和评价多面化。
关键词：STEM；ERIC；共词分析；知识图谱；发展趋势
中图分类号：G434 文献标识码：A
STEM（科学、技术、工程、数学）教育是当今最具基础性、综合性、创造性和经济性的教育，是各国教育竞争力、改革力和发展力的劲爆点，其“重要性和价值已成为当前教育改革和经济发展大会的主要部分”。STEM能力是所有学生在信息化、高度科技化的社会中取得成功必须发展的能力，而且发展这种能力要远远超出过去所认可的程度。STEM教育在国外已受到广泛关注，有一些成熟的研究与实践，产生了一定的、有价值的成果。然而，国内STEM教育尚属新兴领域，研究较为零星，也未形成具体的理论观点和有效的实践模式。鉴于此，本文以近10年ERIC（Educational Resources Information Center）数据库中的STEM教育文献作为研究样本，采用关键词分析法和共词分析法，可视化描述国外STEM教育的研究现状，聚焦国外STEM教育研究的热点，预判STEM教育发展的路向，为国内STEM教育研究和实践提供可资借鉴的经验，为STEM教育教学建立坚实的基础。
一、STEM教育管窥
STEM教育是一个广泛多样、变动不居的研究领域。这种变动不居可从STEM教育的各种理解中觉察。Sanders认为，STEM教育是指在科学、技术、工程、数学中任何两种或两种以上科目领域的课堂教学和学习。美国教育部提出，STEM教育是那些旨在提供支持或强化从小学、中学到研究生甚至包括成人的科学、技术、工程或数学的教育。
以上这些理解可认为是对STEM教育的分立性、离散化表述。但是，STEM教育是基于标准的元学科，它驻留在学校层面，STEM教师特别是科学、技术、工程、数学教师，需要采用一体化的教学和学习方法，不需要明确地区分出具体学科内容，在教学处理上形成动态的、连贯性的学习。Zollman认为，我们应该超越STEM教育定义的争议，更多地关注STEM素养是一个随着时间而不断变化的动态过程，而不是固定的构念（Construct），其整体目标应从STEM素养的学习转向运用STEM素养持续学习的能力。STEM思维是对STEM的概念、原理和实践怎样联系日常使用的产品和系统的有目的的思考。
尽管STEM的定义仍处于争议阶段，但对STEM教育多层面展开深入研究确有必要。因为学生接受STEM教育需要缜密的课程、教学和评估，技术和工程需要整合到科学和数学中形成一体化课程，科学探究和工程设计过程需要在实践上深度融合。学生需要发展STEM素养和能力，教师需要获得合适的STEM专业发展机会等等。
二、研究设计
（一）数据来源
本研究采用ERIC数据库中的STEM教育文献。ERIC是由美国教育部创立的题录文摘数据库，囊括了数千种教育专题，是世界上最大的教育信息数据库。以“STEM Education”为检索词，以“2005-2015”为检索时间，共检索出有效文献2430篇。
（二）方法和工具
将检索到的相关题录导入SATI（Statistical Analysis Toolkit for Informetrics）软件，旨在通过对期刊全文数据库题录信息字段的抽取，进而统计频次，最终构建关键词的共词矩阵、相似矩阵以及相异矩阵；再利用SPSS软件，将SATI得出的相似矩陣导入SPSS 20.0，生成聚类树，将相异矩阵导入，进行多维尺度分析了解STEM教育研究的全貌，总结STEM教育的研究现状、热点和趋势。
三、结果考察：STEM教育研究的可视分析
（一）2005-2015年论文数量与高频关键词的变化分析
1.论文数量的变化分析
从图1所示的论文数量走势图，能够直接观察到国外STEM教育10年来的研究趋势。在2005到2008年期间论文数量相对较少，处于平稳状态；2009年论文数量陡增，直至2013年论文数量达到顶峰；从2013年至2015年国外STEM教育研究呈下降趋势。2013年美国政府将STEM教育上升到了国家战略高度，出台了《联邦STEM教育五年战略计划》（国家科学技术委员会）等一系列报告，重新强调高等教育阶段的STEM教育，因而不难理解这一年的论文数量相对较多。2014年到2015年呈下降趋势，是因为STEM教育处于由理论研究向实践研究过渡阶段，论文数量相对减少。
2.高频关键词的变化分析
运用SATI软件对2430篇文章的关键词按年份进行统计，构建年份关键词统计表，更好地把握每年的研究热点。如图2所示，2005年至2007年，关注点在工程，连续三年该关键词的词频最高。在STEM教育起步阶段，工程教育是其研究热点。
关键词“Teaching Methods”的频次在初期为上升趋势，后期为平稳趋势，教育方法一直是教育领域关注的热点，教育方法直接影响教育效果，因此对教育方法的研究热度不会降低。关键词“Gender Differences”在STEM教育中是不可避免的一个话题，研究者通常假设女性在STEM学科中处于劣势，由此认为女性在STEM相关职业中同样处于劣势。相关研究表明学术部门致力于缓解性别差异化的战略关系。“Case Studies”“Educational Practices”“Technology Uses in Education”“Statistical Analysis”“Interdisciplinary Approach”以上5个高频关键词从变化趋势图可以观察到保持上升态势，进一步说明从2013年开始，STEM教育由理论研究逐渐转向实践研究，研究方法更多地选择案例研究、统计分析，用数据来展示STEM教育的实践有效性，更为关注技术在教育中的应用。 （二）高频关键词词频计量分析
高频关键词可以反映出国外STEM教育研究主要集中的范围。运用SATI软件词频统计功能，将2005-2015年间国外对STEM教育进行研究的所有关键词进行词频统计，得到2827个关键词，词频为40997次。运用高频关键词阈值计算公式，得到词频高于38的关键词为高频关键词。高频关键词分布表（部分）如表1所示。
由表1可知，前10位的高频关键词分别是STEM教育（2166次）、科学教育（427次）、工程教育（416次）、教学方法（363次）、学生态度（318次）、工程（289次）、高等教育（280次）、性别差异（277次）、项目有效性（276次）、学业成绩（255次）。由于以“STEM Education”为关键词进行检索，并且STEM是“Science、Technology、Engineering、Mathematics”的首字母缩写，故“STEM Education”的词频居于首位。位居第四的高频关键词是“教学方法”，可以看出在国外STEM教育领域对教学方法的关注度很高。
（三）高频关键词共现矩阵、相似矩阵和相异矩阵分析
将题录导入SATI，选择Zotero格式，将导人文件转换为后缀为.XML格式文件，选择所要提取的字段为“关键词”，然后统计词频，最后形成高频关键词的共现矩阵、相似矩阵与相异矩阵。如右表2所示为STEM教育研究的高频关键词共现矩阵，可通过分析两两高频关键词同时出现的频次，初步了解高频关键词之间的关系，频数越大，表示两个关键词之间的关系越紧密。如右表3所示为STEM教育研究的高频关键词相似矩阵，它是聚类分析的基础，数值越接近1，表示两个关键词的关系越紧密。如右表4所示为STEM教育研究的高频关键词相异矩阵，数值越接近0，两关键词之间的关系越疏远。通过相异矩阵能够用来进行多维尺度分析。
（四）高频关键词因子分析
因子分析是将相关性较为密切的几个关键词归为同一类，每类关键词为一个因子，将相似矩阵导入SPSS 20.0，进行因子分析。根据解释的方差，从关键词中提取符合条件的因子，获得因子数量较多，不利于对国外STEM教育研究领域热点与发展趋势的分析总结。如图3所示，通过观察STEM教育高频关键词碎石图可以看出，第四个因子处于最大拐点处且前4个因子类别较为清晰。
（五）高频关键词聚类分析
将相关数据导入SPSS 20.0中，采用“组之间链接”的聚类方法，对高频关键词进行系统聚类分析，可得到“STEM Eduction”关键词聚类树状图。本次聚类的所有关键词变量都参与了聚类过程。观察高频关键词聚类树状图，可得到当前国外STEM教育研究的主题共分为四类：（1）STEM教育自身相关理论，代表关键词有科学教育、数学教育、工程教育、技术教育、工程；（2）STEM教育研究方法运用，代表关键词有问卷调查、跨学科方法、访谈、案例研究、混合方法研究、质化研究、比较分析、统计分析、问题解决、性别差异、学生兴趣、职业发展等；（3）STEM教育发展变革，代表关键词有教育变革、教育实施、专业发展、模式、课程实施等；（4）STEM教育课程研究，代表关键词有课程评价、课程有效性、伙伴教育、学院一学校合作。
（六）多维尺度分析
本文采用多维尺度分析方法对国外STEM教育的研究结构进行分析。将高频关键词的相异矩阵导入SPSS 20.0中，得到STEM教育研究热点知识图谱。按照关键词的散点相对密集程度对STEM教育研究结构进行划分，结果如图4所示。
四、热题表征：STEM教育研究的当下方向
通过因子分析、聚类分析、多维尺度分析，可以得出“STEM Eduction”关键詞所代表的研究领域，因子分析结果与聚类分析结果相吻合。综合因子分析与聚类分析的结果，可以将国外关于STEM教育研究热点概括为以下几个方面：（1）自身相关理论主要表现为理论的多元性；（2）研究方法运用上主要表现为研究的混合性；（3）发展变革主要表现为学校类别的多样性；（4）STEM教育参与对象表现为关注不足群体的代表性；（5）课程研究主要表现为课程实施的连贯性。
（一）STEM教育的理论多元性
STEM教育的相关理论是推动STEM教育发展的不竭动力，但STEM教育是否有稳固的理论基础是学者们关注的重要焦点，也是STEM作为学科或科目立命的基础。在当前境遇下，STEM教育的支撑理论包括扎根理论、自我决定理论、社会职业认知理论、项目反应理论、成就动机理论、一体化（整合式）学习理论和目标理论等。
扎根理论出现频次最高，位居第二的是社会职业认知理论，表明研究者对STEM教育研究直接目的是为职业选择做准备。扎根理论作为一种定性研究，宗旨是在经验资料的基础上建立理论，并强调对已建立的理论进行证伪。教师培训项目中设计技术探究教师在STEM教育中的态度，在其研究的第二阶段扎根理论规划中从第一阶段对数据抽样，探讨了在纺织技术练习过程中，教师的认知与STEM相关的议程。社会职业认知理论由哈克特、莱特、布朗借鉴了班杜拉的自我效能理论，提供了一个职业发展框架，解释教育与职业兴趣之间的相互作用，与工作有关的选择和性能。运用社会职业认知理论与多层结构方程建模分析，探讨了学习者初人大学对STEM相关课程的兴趣，研究了刻板印象威胁对女性选择科学职业意图的影响。
（二）STEM教育研究的混合性
STEM教育作为跨学科的综合性教育，量性研究、质性研究等单一的方法已不具有充足的研究力，得出的研究结果也未必具有足够的说服力，因此混合多种研究方法成为主流。统计表明，目前关于STEM教育的研究方法主要是3种或3种以上方法的混合应用，具体包括：文献法、问卷调查、跨学科研究、访谈法、案例研究、行动研究、定性研究、定量研究、比较分析、统计分析、结构方程模型等。 一般来说，文献法是基本上都会采用的研究方法，主要在分析前人所做工作的基础上确立研究的锚点。在其他类型的研究方法上，则表现出差异性：工程教育和技术教育研究倾向于采用混合研究法，而数学教育研究则倾向于定量研究法。在教师专业发展研究中，整合性STEM以及技术教育的研究者，往往采用叙事研究法，而科学教育研究者则习惯采用大样本调查法；K-12主要采用行动研究法探查具体的实践，报告在课堂中尝试新方法或新活动的过程和结果。
（三）STEM教育学校类别的多样性
STEM教育实施的学校可被描述为独特的环境，包括高级课程、专家教师、实习和浸入。STEM学校可分为3种类型：STEM精英学校、全纳性STEM学校、以STEM教育为焦点的职业学校。研究表明，与传统学校相比，专门化学校的学生表现得更好。来自专门化学校的学生对STEM更感兴趣，更愿意上课，更可能通过州测试，更可能获得大学学位。对于专门化的学校，采用生态学隐喻可创建有效学习环境的概念框架，包括角色（学生、教师、社群领导人、榜样）、情境（学习环境、课程、教学策略、高级课程作业、技术使用）、行动（教学、学习、浸入、交流、结伴、指导、支持和评估）。
在美国、东南亚地区以及澳大利亚，STEM精英学校，作为一种新型的学校为具有天赋或学业优异的学生提供专门的STEM课程。通过积极的学校形象投射、教师质量控制、提供内容先进的教学课程向我们展示了STEM精英学校为什么重要，说明了概念化的问责制度需要更多地适应当前需求的多样性的学校选择。
（四）STEM教育课程实施的连贯性
STEM教育的最终结果是为社会培养更多的具有综合解决复杂现实问题的人，促进社会的发展。因此，在这一领域对学生发展的关注贯穿整个受教育过程。更为注重在每个过渡阶段STEM起到的作用，注重其每一次教育变革所带来的效益。期望STEM教育能够很好地起到承接的作用，学生在小学阶段缺乏社会实践活动，导致学生的操作实验能力没有得到较好的培养，甚至延伸至中学。为较好地解决这一问题，相关研究者提出小学阶段与中学阶段的进一步合作，以期缩小差距，同时研究表明，学生认知不能反映学生真实的操作技术能力。
（五）STEM教育方法的活动性
STEM教育非常强调学习活动，提升学生参与的信念和态度。若干文献分享了课堂使用的、适切教师和学生的活动，包括玩中学、基于问题的学习、基于项目的学习、探究性学习、工程设计、主动的同侪学习、同伴引领的团组学习、做中学等课堂学习活动。在课堂活动中，学生满意的教学特质包括教学风格、方法和策略；教师知识和准备；教师对教学、科目和学生的态度；实践工作量和期望。大多数学生发现STEM实践是有趣的和投入性的，特别是动手做的体验，正式的学校组织中整合真实的现场工作作为有效的方法能促进学生成就和STEM职业激励。在STEM学校中，比较典型的是校内的教学和学习是探究和基于问题的教学和学习环境，这样学生的动机、协作和社会交互比较强。
在STEM教育领域，课外/校外项目更为广泛地被接受，因而受到密切关注。校外活动项目可以概念化为两种方式：扩展性学习（Expanding Learning）和延伸性学习（Extended Learning）。扩展性学习提供了内容丰富的学习机会，包括暑期夏令营；比较典型的是OST（Out-of-school Time）项目，其假设是儿童能学习概念或发展能力和兴趣，这样会增强他们在日常和学术情境的参与。延伸性学习这种方式采用的比较多，它通常与学校课程紧密结合，使得许多社群寻求更多的时间来改进学生的学业成效，通过标准化的成绩测试。校外具体的活动包括基于博物馆的学习、创客、暑期研究项目、课外活动、邻伴指导（Near-peer Mentorship）、校外项目、教育电视、课外俱乐部、STEM工作室、服务学习、社区学习。一般来说，这些活动能够取得比较好的学习成效：参与STEM俱乐部的学生在学业方面的成功率和保持率较高，基于社区的项目创建了儿童和家庭成员的意识是激发学生STEM长期学术兴趣的重要部分，邻伴指导能够促进个人的、教育的、专业的成长，能增加学生学习STEM的兴趣和投入，STEM工作室的问题解决、新媒体、同伴交互等能增强学生深度学习的兴趣。
（六）STEM教育不足群体的代表性
美国大量的经济报告认为，高等教育机构必须培养充足的STEM工作者，确保美国的全球竞争力，因而搞清女性和有色人种的代表性不足的原因至关重要。有鉴于此，许多STEM研究选取了女性、少数种族如亚裔和具有障碍的学生等作为研究对象，希冀发现他们的STEM教育信念。与男性相比，女性在STEM职业和学术成就上存在着差距，获得STEM学位的比率也低的多。
对于这些群体的研究，主要采用职业结果预期构念展开分析，包括STEM兴趣、自我效能和职业结果预期等3个变量。结果表明，学生的STEM职业路径和学习很大程度上能被这些构念解释，教育者（指导、体验活动、关系发展、双方在个性和兴趣方面的匹配）、同伴、家庭（父母的支持度）、人口统计特征、学习成绩影响着学生的STEM兴趣，可据此预测他们的STEM自我效能和职业结果预期，而这些职业预期的结果反过来又会强化学生的职业取向和职业持续性。有学者运用科学和科学教育的女性主义批评（Feminist Critiques）考察潜在的性别假设，旨在为STEM教育和职业的招募、保持和性别平等模式提供帮助，减少性别差距事件。也有的学者提出，应依据女性的兴趣调整STEM教育的科目内容。还有学者研究发现，学习体验、父母支持、榜样是决定性的，运用榜样的力量和非正式学习活动策略，能激发女生对STEM教育的兴趣。
五、进路预判：STEM教育研究的未来指向
（一）STEM教育的一體化整合式发展
STEM教育的一体化整合式发展，涉及两条路径。一是STEM教育的内涵式整合，目前的STEM教育主要表现是数学和科学的整合，而工程、技术尚未真正融入其中，未能形成实质性一体化、整合式的STEAM教育，这是未来STEM教育研究的核心，必须强调使用创造和设计把STEM领域与真实世界问题解决能力关联起来，了解STEM的特质以及它们如何关联，促进创新。二是STEM教育的外延式扩张，在其发展过程中整合更多其他领域的内容，使越来越多的学科融入其中，如音乐、美术、计算机、语言艺术等学科也被吸纳到STEM教育中。艺术被认为是创新所必须的，科学专业的最优秀男生通常是那些创造性想象所培育的。STEM迷失了一个重要的、创造性相关的艺术成分，它能够维持、强化和推进创新性劳动力，而且那些技能的最佳传递是通过艺术。有学者提出要发挥ROOTs（Rhetoric，Orthography，Ontology，Teleology）整合在STEM中的作用，能让学生直接看到科学和人文课程之间的联系，因而获得学科方法和跨课程的知识和经验的整合。 STEM教育是被整合来解决真实问题的，而不是相关科目的集合。一体化的STEM教育意味着科学、数学与技术和工程教育的过程、内容和程序等有目的的整合。有目的嵌入鲜明特征的技术/工程教育方法到基于STEM的活动，展现出一种独特的教育整合方法，它扎根于方法、教学和策略，有助于学生投入和成功。
显然，STEM教育培养目标不仅仅是科学素养、技术素养、工程素养、数学素养，还应包含作为社会人应有的社会人文素养、艺术素养等的STEM-X。
（二）STEM教育伙伴化发展
政治家、经济学家、企业家、教育学家都认为STEM在当今社会具有重要性，实施伙伴关系，开展协作，可以夯实STEAM实践，因而倡议建立伙伴关系来强化学生的STEM兴趣。同样，多数学生也看到了数学和科学在他们生活中的重要性，但学校的科学和数学课程通常是不相关的。因而需要建立伙伴关系，连通校外，幫助学生理解课堂学习，建立21世纪技能，培养参与到当代科学世界中的意向。
伙伴关系的形成，能把学生与真实世界连接起来，获得高度的自治性和责任感，对STEM产生积极的学习意向。STEM教育伙伴化的发展，已经形成或未来可能的形式有：大学—学校、学院—学校、四年制本科学院—社区学院、学校—企业、研究机构—学校、专业技术人员—农村学校。例如大学老师和小学老师协作开发和实施基于工程设计的STEM教育资源，大学—学校伙伴关系提供教师专业发展的机会。扩展STEM专业人员和农村小学的协作，这样可用本地相关的科学问题丰富K-12课程，实践基于学校的STEM教育改革行动。
在STEM教育中，为了达成项目结果，涉及领导权的分配问题。领导权如何分配，主观能动性如何发挥，关联到项目结果的有效性。一般来说，领导可能是有目的或无目的的，领导权是分布的，分布在建立伙伴关系、规划和协作、项目实施、项目评估和未来行动等方面，可按擅长的知识领域和主观能动性来自动承担。
（三）STEM教育低龄化发展
美国学生修读STEM科目和学位的数量较少，而美国又大量需要有天赋的科学家和工程师。然而，许多STEM教育行动项目只在中学实施，导致小学老师和学生很少有机会接触。研究表明，尽早接触STEM行动或活动积极影响小学生的理解和意向，在小学低年级甚至儿童阶段就实施STEM整合式学习至关重要，越早接触STEM相关领域的活动，越有利于学习者综合能力的发展。通过捕获学生在早期阶段对STEM内容的兴趣，能确保他们主动地按照初中、高中的轨迹去完成所需的课业，为获得高级学习机构的STEM学位做好充分准备。
未来STEM项目和内容的实施行动会在小学优先实施，这样使小学儿童尽早接触，激发他们的STEM灵感，更好地保持STEM相关学科领域的学习。对小学儿童来说，比较适合采用STEAM，即STEM整合和使用艺术。在STEM课程中，艺术帮助儿童表达STEM概念。由于艺术天然是早期儿童教育的一部分，加上这个元素后，能帮助教师找到把STEM概念作用于课程的方法。因此，STEAM能帮助早期儿童教育者建立科学相关的知识基础，使用艺术鼓励儿童以多样化创造性方法表达他们的思想，促进体验学习和协作探究，发展21世纪的技能，从儿童时代就建立科学家身份感。
（四）STEM教育评价多面化发展
随着STEM教育的发展而逐渐形成特有的模式，同样需要有与之相匹配的评价方式的出现，不能依据原有的传统评价模式对其效果进行评价。STEM教育的跨学科性，提供给学生更多解决问题的思路，在解决问题的过程中相关技能的习得，也需要给与一定的评价肯定，激发学生继续探究挖掘问题，并解决问题。STEM教育作为一种跨学科教育的产物，对于实践结果的评价应该是多方面的。从课程教学角度出发，评价方式有过程性评价、结果性评价；从学生角度出发，评价方式有同伴评价、自我评价等。
由于涉及到学校结构、过程、元评价和能力评价等，整体教育效果的评价目前还没有统一的标准，目前大多数研究以具体的案例研究所产生的效果作为STEM教育成果的评价。例如，通过STEM教育使得更多的人对STEM相关学科产生兴趣，促使学习者在进人大学选择STEM相关专业，进而选择相关职业；抑或是通过STEM教育为社会带来的经济效益，侧面反映其有效性；再就是项目评价，通过观察和访谈获得数据并进行分析，来评估学校在STEM方面教育改革的有效性，最终得出的结论是能提高有效教学实践的意识，促进教育变革。
六、结语
本研究主要通过对STEM教育高频关键词的计量分析以及聚类分析和因子分析，分析总结目前国外STEM教育的研究取向，并对未来的发展做出预判。目前研究取向表现为理论多元性、研究混合性、学校类别多样性和实施连贯性。未来STEM教育研究的方向表现为课程整合式一体化、受众低龄化、发展实施伙伴化和评价多面化。
关键词：STEM；ERIC；共词分析；知识图谱；发展趋势
中图分类号：G434 文献标识码：A
STEM（科学、技术、工程、数学）教育是当今最具基础性、综合性、创造性和经济性的教育，是各国教育竞争力、改革力和发展力的劲爆点，其“重要性和价值已成为当前教育改革和经济发展大会的主要部分”。STEM能力是所有学生在信息化、高度科技化的社会中取得成功必须发展的能力，而且发展这种能力要远远超出过去所认可的程度。STEM教育在国外已受到广泛关注，有一些成熟的研究与实践，产生了一定的、有价值的成果。然而，国内STEM教育尚属新兴领域，研究较为零星，也未形成具体的理论观点和有效的实践模式。鉴于此，本文以近10年ERIC（Educational Resources Information Center）数据库中的STEM教育文献作为研究样本，采用关键词分析法和共词分析法，可视化描述国外STEM教育的研究现状，聚焦国外STEM教育研究的热点，预判STEM教育发展的路向，为国内STEM教育研究和实践提供可资借鉴的经验，为STEM教育教学建立坚实的基础。
一、STEM教育管窥
STEM教育是一个广泛多样、变动不居的研究领域。这种变动不居可从STEM教育的各种理解中觉察。Sanders认为，STEM教育是指在科学、技术、工程、数学中任何两种或两种以上科目领域的课堂教学和学习。美国教育部提出，STEM教育是那些旨在提供支持或强化从小学、中学到研究生甚至包括成人的科学、技术、工程或数学的教育。
以上这些理解可认为是对STEM教育的分立性、离散化表述。但是，STEM教育是基于标准的元学科，它驻留在学校层面，STEM教师特别是科学、技术、工程、数学教师，需要采用一体化的教学和学习方法，不需要明确地区分出具体学科内容，在教学处理上形成动态的、连贯性的学习。Zollman认为，我们应该超越STEM教育定义的争议，更多地关注STEM素养是一个随着时间而不断变化的动态过程，而不是固定的构念（Construct），其整体目标应从STEM素养的学习转向运用STEM素养持续学习的能力。STEM思维是对STEM的概念、原理和实践怎样联系日常使用的产品和系统的有目的的思考。
尽管STEM的定义仍处于争议阶段，但对STEM教育多层面展开深入研究确有必要。因为学生接受STEM教育需要缜密的课程、教学和评估，技术和工程需要整合到科学和数学中形成一体化课程，科学探究和工程设计过程需要在实践上深度融合。学生需要发展STEM素养和能力，教师需要获得合适的STEM专业发展机会等等。
二、研究设计
（一）数据来源
本研究采用ERIC数据库中的STEM教育文献。ERIC是由美国教育部创立的题录文摘数据库，囊括了数千种教育专题，是世界上最大的教育信息数据库。以“STEM Education”为检索词，以“2005-2015”为检索时间，共检索出有效文献2430篇。
（二）方法和工具
将检索到的相关题录导入SATI（Statistical Analysis Toolkit for Informetrics）软件，旨在通过对期刊全文数据库题录信息字段的抽取，进而统计频次，最终构建关键词的共词矩阵、相似矩阵以及相异矩阵；再利用SPSS软件，将SATI得出的相似矩陣导入SPSS 20.0，生成聚类树，将相异矩阵导入，进行多维尺度分析了解STEM教育研究的全貌，总结STEM教育的研究现状、热点和趋势。
三、结果考察：STEM教育研究的可视分析
（一）2005-2015年论文数量与高频关键词的变化分析
1.论文数量的变化分析
从图1所示的论文数量走势图，能够直接观察到国外STEM教育10年来的研究趋势。在2005到2008年期间论文数量相对较少，处于平稳状态；2009年论文数量陡增，直至2013年论文数量达到顶峰；从2013年至2015年国外STEM教育研究呈下降趋势。2013年美国政府将STEM教育上升到了国家战略高度，出台了《联邦STEM教育五年战略计划》（国家科学技术委员会）等一系列报告，重新强调高等教育阶段的STEM教育，因而不难理解这一年的论文数量相对较多。2014年到2015年呈下降趋势，是因为STEM教育处于由理论研究向实践研究过渡阶段，论文数量相对减少。
2.高频关键词的变化分析
运用SATI软件对2430篇文章的关键词按年份进行统计，构建年份关键词统计表，更好地把握每年的研究热点。如图2所示，2005年至2007年，关注点在工程，连续三年该关键词的词频最高。在STEM教育起步阶段，工程教育是其研究热点。
关键词“Teaching Methods”的频次在初期为上升趋势，后期为平稳趋势，教育方法一直是教育领域关注的热点，教育方法直接影响教育效果，因此对教育方法的研究热度不会降低。关键词“Gender Differences”在STEM教育中是不可避免的一个话题，研究者通常假设女性在STEM学科中处于劣势，由此认为女性在STEM相关职业中同样处于劣势。相关研究表明学术部门致力于缓解性别差异化的战略关系。“Case Studies”“Educational Practices”“Technology Uses in Education”“Statistical Analysis”“Interdisciplinary Approach”以上5个高频关键词从变化趋势图可以观察到保持上升态势，进一步说明从2013年开始，STEM教育由理论研究逐渐转向实践研究，研究方法更多地选择案例研究、统计分析，用数据来展示STEM教育的实践有效性，更为关注技术在教育中的应用。 （二）高频关键词词频计量分析
高频关键词可以反映出国外STEM教育研究主要集中的范围。运用SATI软件词频统计功能，将2005-2015年间国外对STEM教育进行研究的所有关键词进行词频统计，得到2827个关键词，词频为40997次。运用高频关键词阈值计算公式，得到词频高于38的关键词为高频关键词。高频关键词分布表（部分）如表1所示。
由表1可知，前10位的高频关键词分别是STEM教育（2166次）、科学教育（427次）、工程教育（416次）、教学方法（363次）、学生态度（318次）、工程（289次）、高等教育（280次）、性别差异（277次）、项目有效性（276次）、学业成绩（255次）。由于以“STEM Education”为关键词进行检索，并且STEM是“Science、Technology、Engineering、Mathematics”的首字母缩写，故“STEM Education”的词频居于首位。位居第四的高频关键词是“教学方法”，可以看出在国外STEM教育领域对教学方法的关注度很高。
（三）高频关键词共现矩阵、相似矩阵和相异矩阵分析
将题录导入SATI，选择Zotero格式，将导人文件转换为后缀为.XML格式文件，选择所要提取的字段为“关键词”，然后统计词频，最后形成高频关键词的共现矩阵、相似矩阵与相异矩阵。如右表2所示为STEM教育研究的高频关键词共现矩阵，可通过分析两两高频关键词同时出现的频次，初步了解高频关键词之间的关系，频数越大，表示两个关键词之间的关系越紧密。如右表3所示为STEM教育研究的高频关键词相似矩阵，它是聚类分析的基础，数值越接近1，表示两个关键词的关系越紧密。如右表4所示为STEM教育研究的高频关键词相异矩阵，数值越接近0，两关键词之间的关系越疏远。通过相异矩阵能够用来进行多维尺度分析。
（四）高频关键词因子分析
因子分析是将相关性较为密切的几个关键词归为同一类，每类关键词为一个因子，将相似矩阵导入SPSS 20.0，进行因子分析。根据解释的方差，从关键词中提取符合条件的因子，获得因子数量较多，不利于对国外STEM教育研究领域热点与发展趋势的分析总结。如图3所示，通过观察STEM教育高频关键词碎石图可以看出，第四个因子处于最大拐点处且前4个因子类别较为清晰。
（五）高频关键词聚类分析
将相关数据导入SPSS 20.0中，采用“组之间链接”的聚类方法，对高频关键词进行系统聚类分析，可得到“STEM Eduction”关键词聚类树状图。本次聚类的所有关键词变量都参与了聚类过程。观察高频关键词聚类树状图，可得到当前国外STEM教育研究的主题共分为四类：（1）STEM教育自身相关理论，代表关键词有科学教育、数学教育、工程教育、技术教育、工程；（2）STEM教育研究方法运用，代表关键词有问卷调查、跨学科方法、访谈、案例研究、混合方法研究、质化研究、比较分析、统计分析、问题解决、性别差异、学生兴趣、职业发展等；（3）STEM教育发展变革，代表关键词有教育变革、教育实施、专业发展、模式、课程实施等；（4）STEM教育课程研究，代表关键词有课程评价、课程有效性、伙伴教育、学院一学校合作。
（六）多维尺度分析
本文采用多维尺度分析方法对国外STEM教育的研究结构进行分析。将高频关键词的相异矩阵导入SPSS 20.0中，得到STEM教育研究热点知识图谱。按照关键词的散点相对密集程度对STEM教育研究结构进行划分，结果如图4所示。
四、热题表征：STEM教育研究的当下方向
通过因子分析、聚类分析、多维尺度分析，可以得出“STEM Eduction”关键詞所代表的研究领域，因子分析结果与聚类分析结果相吻合。综合因子分析与聚类分析的结果，可以将国外关于STEM教育研究热点概括为以下几个方面：（1）自身相关理论主要表现为理论的多元性；（2）研究方法运用上主要表现为研究的混合性；（3）发展变革主要表现为学校类别的多样性；（4）STEM教育参与对象表现为关注不足群体的代表性；（5）课程研究主要表现为课程实施的连贯性。
（一）STEM教育的理论多元性
STEM教育的相关理论是推动STEM教育发展的不竭动力，但STEM教育是否有稳固的理论基础是学者们关注的重要焦点，也是STEM作为学科或科目立命的基础。在当前境遇下，STEM教育的支撑理论包括扎根理论、自我决定理论、社会职业认知理论、项目反应理论、成就动机理论、一体化（整合式）学习理论和目标理论等。
扎根理论出现频次最高，位居第二的是社会职业认知理论，表明研究者对STEM教育研究直接目的是为职业选择做准备。扎根理论作为一种定性研究，宗旨是在经验资料的基础上建立理论，并强调对已建立的理论进行证伪。教师培训项目中设计技术探究教师在STEM教育中的态度，在其研究的第二阶段扎根理论规划中从第一阶段对数据抽样，探讨了在纺织技术练习过程中，教师的认知与STEM相关的议程。社会职业认知理论由哈克特、莱特、布朗借鉴了班杜拉的自我效能理论，提供了一个职业发展框架，解释教育与职业兴趣之间的相互作用，与工作有关的选择和性能。运用社会职业认知理论与多层结构方程建模分析，探讨了学习者初人大学对STEM相关课程的兴趣，研究了刻板印象威胁对女性选择科学职业意图的影响。
（二）STEM教育研究的混合性
STEM教育作为跨学科的综合性教育，量性研究、质性研究等单一的方法已不具有充足的研究力，得出的研究结果也未必具有足够的说服力，因此混合多种研究方法成为主流。统计表明，目前关于STEM教育的研究方法主要是3种或3种以上方法的混合应用，具体包括：文献法、问卷调查、跨学科研究、访谈法、案例研究、行动研究、定性研究、定量研究、比较分析、统计分析、结构方程模型等。 一般来说，文献法是基本上都会采用的研究方法，主要在分析前人所做工作的基础上确立研究的锚点。在其他类型的研究方法上，则表现出差异性：工程教育和技术教育研究倾向于采用混合研究法，而数学教育研究则倾向于定量研究法。在教师专业发展研究中，整合性STEM以及技术教育的研究者，往往采用叙事研究法，而科学教育研究者则习惯采用大样本调查法；K-12主要采用行动研究法探查具体的实践，报告在课堂中尝试新方法或新活动的过程和结果。
（三）STEM教育学校类别的多样性
STEM教育实施的学校可被描述为独特的环境，包括高级课程、专家教师、实习和浸入。STEM学校可分为3种类型：STEM精英学校、全纳性STEM学校、以STEM教育为焦点的职业学校。研究表明，与传统学校相比，专门化学校的学生表现得更好。来自专门化学校的学生对STEM更感兴趣，更愿意上课，更可能通过州测试，更可能获得大学学位。对于专门化的学校，采用生态学隐喻可创建有效学习环境的概念框架，包括角色（学生、教师、社群领导人、榜样）、情境（学习环境、课程、教学策略、高级课程作业、技术使用）、行动（教学、学习、浸入、交流、结伴、指导、支持和评估）。
在美国、东南亚地区以及澳大利亚，STEM精英学校，作为一种新型的学校为具有天赋或学业优异的学生提供专门的STEM课程。通过积极的学校形象投射、教师质量控制、提供内容先进的教学课程向我们展示了STEM精英学校为什么重要，说明了概念化的问责制度需要更多地适应当前需求的多样性的学校选择。
（四）STEM教育课程实施的连贯性
STEM教育的最终结果是为社会培养更多的具有综合解决复杂现实问题的人，促进社会的发展。因此，在这一领域对学生发展的关注贯穿整个受教育过程。更为注重在每个过渡阶段STEM起到的作用，注重其每一次教育变革所带来的效益。期望STEM教育能够很好地起到承接的作用，学生在小学阶段缺乏社会实践活动，导致学生的操作实验能力没有得到较好的培养，甚至延伸至中学。为较好地解决这一问题，相关研究者提出小学阶段与中学阶段的进一步合作，以期缩小差距，同时研究表明，学生认知不能反映学生真实的操作技术能力。
（五）STEM教育方法的活动性
STEM教育非常强调学习活动，提升学生参与的信念和态度。若干文献分享了课堂使用的、适切教师和学生的活动，包括玩中学、基于问题的学习、基于项目的学习、探究性学习、工程设计、主动的同侪学习、同伴引领的团组学习、做中学等课堂学习活动。在课堂活动中，学生满意的教学特质包括教学风格、方法和策略；教师知识和准备；教师对教学、科目和学生的态度；实践工作量和期望。大多数学生发现STEM实践是有趣的和投入性的，特别是动手做的体验，正式的学校组织中整合真实的现场工作作为有效的方法能促进学生成就和STEM职业激励。在STEM学校中，比较典型的是校内的教学和学习是探究和基于问题的教学和学习环境，这样学生的动机、协作和社会交互比较强。
在STEM教育领域，课外/校外项目更为广泛地被接受，因而受到密切关注。校外活动项目可以概念化为两种方式：扩展性学习（Expanding Learning）和延伸性学习（Extended Learning）。扩展性学习提供了内容丰富的学习机会，包括暑期夏令营；比较典型的是OST（Out-of-school Time）项目，其假设是儿童能学习概念或发展能力和兴趣，这样会增强他们在日常和学术情境的参与。延伸性学习这种方式采用的比较多，它通常与学校课程紧密结合，使得许多社群寻求更多的时间来改进学生的学业成效，通过标准化的成绩测试。校外具体的活动包括基于博物馆的学习、创客、暑期研究项目、课外活动、邻伴指导（Near-peer Mentorship）、校外项目、教育电视、课外俱乐部、STEM工作室、服务学习、社区学习。一般来说，这些活动能够取得比较好的学习成效：参与STEM俱乐部的学生在学业方面的成功率和保持率较高，基于社区的项目创建了儿童和家庭成员的意识是激发学生STEM长期学术兴趣的重要部分，邻伴指导能够促进个人的、教育的、专业的成长，能增加学生学习STEM的兴趣和投入，STEM工作室的问题解决、新媒体、同伴交互等能增强学生深度学习的兴趣。
（六）STEM教育不足群体的代表性
美国大量的经济报告认为，高等教育机构必须培养充足的STEM工作者，确保美国的全球竞争力，因而搞清女性和有色人种的代表性不足的原因至关重要。有鉴于此，许多STEM研究选取了女性、少数种族如亚裔和具有障碍的学生等作为研究对象，希冀发现他们的STEM教育信念。与男性相比，女性在STEM职业和学术成就上存在着差距，获得STEM学位的比率也低的多。
对于这些群体的研究，主要采用职业结果预期构念展开分析，包括STEM兴趣、自我效能和职业结果预期等3个变量。结果表明，学生的STEM职业路径和学习很大程度上能被这些构念解释，教育者（指导、体验活动、关系发展、双方在个性和兴趣方面的匹配）、同伴、家庭（父母的支持度）、人口统计特征、学习成绩影响着学生的STEM兴趣，可据此预测他们的STEM自我效能和职业结果预期，而这些职业预期的结果反过来又会强化学生的职业取向和职业持续性。有学者运用科学和科学教育的女性主义批评（Feminist Critiques）考察潜在的性别假设，旨在为STEM教育和职业的招募、保持和性别平等模式提供帮助，减少性别差距事件。也有的学者提出，应依据女性的兴趣调整STEM教育的科目内容。还有学者研究发现，学习体验、父母支持、榜样是决定性的，运用榜样的力量和非正式学习活动策略，能激发女生对STEM教育的兴趣。
五、进路预判：STEM教育研究的未来指向
（一）STEM教育的一體化整合式发展
STEM教育的一体化整合式发展，涉及两条路径。一是STEM教育的内涵式整合，目前的STEM教育主要表现是数学和科学的整合，而工程、技术尚未真正融入其中，未能形成实质性一体化、整合式的STEAM教育，这是未来STEM教育研究的核心，必须强调使用创造和设计把STEM领域与真实世界问题解决能力关联起来，了解STEM的特质以及它们如何关联，促进创新。二是STEM教育的外延式扩张，在其发展过程中整合更多其他领域的内容，使越来越多的学科融入其中，如音乐、美术、计算机、语言艺术等学科也被吸纳到STEM教育中。艺术被认为是创新所必须的，科学专业的最优秀男生通常是那些创造性想象所培育的。STEM迷失了一个重要的、创造性相关的艺术成分，它能够维持、强化和推进创新性劳动力，而且那些技能的最佳传递是通过艺术。有学者提出要发挥ROOTs（Rhetoric，Orthography，Ontology，Teleology）整合在STEM中的作用，能让学生直接看到科学和人文课程之间的联系，因而获得学科方法和跨课程的知识和经验的整合。 STEM教育是被整合来解决真实问题的，而不是相关科目的集合。一体化的STEM教育意味着科学、数学与技术和工程教育的过程、内容和程序等有目的的整合。有目的嵌入鲜明特征的技术/工程教育方法到基于STEM的活动，展现出一种独特的教育整合方法，它扎根于方法、教学和策略，有助于学生投入和成功。
显然，STEM教育培养目标不仅仅是科学素养、技术素养、工程素养、数学素养，还应包含作为社会人应有的社会人文素养、艺术素养等的STEM-X。
（二）STEM教育伙伴化发展
政治家、经济学家、企业家、教育学家都认为STEM在当今社会具有重要性，实施伙伴关系，开展协作，可以夯实STEAM实践，因而倡议建立伙伴关系来强化学生的STEM兴趣。同样，多数学生也看到了数学和科学在他们生活中的重要性，但学校的科学和数学课程通常是不相关的。因而需要建立伙伴关系，连通校外，幫助学生理解课堂学习，建立21世纪技能，培养参与到当代科学世界中的意向。
伙伴关系的形成，能把学生与真实世界连接起来，获得高度的自治性和责任感，对STEM产生积极的学习意向。STEM教育伙伴化的发展，已经形成或未来可能的形式有：大学—学校、学院—学校、四年制本科学院—社区学院、学校—企业、研究机构—学校、专业技术人员—农村学校。例如大学老师和小学老师协作开发和实施基于工程设计的STEM教育资源，大学—学校伙伴关系提供教师专业发展的机会。扩展STEM专业人员和农村小学的协作，这样可用本地相关的科学问题丰富K-12课程，实践基于学校的STEM教育改革行动。
在STEM教育中，为了达成项目结果，涉及领导权的分配问题。领导权如何分配，主观能动性如何发挥，关联到项目结果的有效性。一般来说，领导可能是有目的或无目的的，领导权是分布的，分布在建立伙伴关系、规划和协作、项目实施、项目评估和未来行动等方面，可按擅长的知识领域和主观能动性来自动承担。
（三）STEM教育低龄化发展
美国学生修读STEM科目和学位的数量较少，而美国又大量需要有天赋的科学家和工程师。然而，许多STEM教育行动项目只在中学实施，导致小学老师和学生很少有机会接触。研究表明，尽早接触STEM行动或活动积极影响小学生的理解和意向，在小学低年级甚至儿童阶段就实施STEM整合式学习至关重要，越早接触STEM相关领域的活动，越有利于学习者综合能力的发展。通过捕获学生在早期阶段对STEM内容的兴趣，能确保他们主动地按照初中、高中的轨迹去完成所需的课业，为获得高级学习机构的STEM学位做好充分准备。
未来STEM项目和内容的实施行动会在小学优先实施，这样使小学儿童尽早接触，激发他们的STEM灵感，更好地保持STEM相关学科领域的学习。对小学儿童来说，比较适合采用STEAM，即STEM整合和使用艺术。在STEM课程中，艺术帮助儿童表达STEM概念。由于艺术天然是早期儿童教育的一部分，加上这个元素后，能帮助教师找到把STEM概念作用于课程的方法。因此，STEAM能帮助早期儿童教育者建立科学相关的知识基础，使用艺术鼓励儿童以多样化创造性方法表达他们的思想，促进体验学习和协作探究，发展21世纪的技能，从儿童时代就建立科学家身份感。
（四）STEM教育评价多面化发展
随着STEM教育的发展而逐渐形成特有的模式，同样需要有与之相匹配的评价方式的出现，不能依据原有的传统评价模式对其效果进行评价。STEM教育的跨学科性，提供给学生更多解决问题的思路，在解决问题的过程中相关技能的习得，也需要给与一定的评价肯定，激发学生继续探究挖掘问题，并解决问题。STEM教育作为一种跨学科教育的产物，对于实践结果的评价应该是多方面的。从课程教学角度出发，评价方式有过程性评价、结果性评价；从学生角度出发，评价方式有同伴评价、自我评价等。
由于涉及到学校结构、过程、元评价和能力评价等，整体教育效果的评价目前还没有统一的标准，目前大多数研究以具体的案例研究所产生的效果作为STEM教育成果的评价。例如，通过STEM教育使得更多的人对STEM相关学科产生兴趣，促使学习者在进人大学选择STEM相关专业，进而选择相关职业；抑或是通过STEM教育为社会带来的经济效益，侧面反映其有效性；再就是项目评价，通过观察和访谈获得数据并进行分析，来评估学校在STEM方面教育改革的有效性，最终得出的结论是能提高有效教学实践的意识，促进教育变革。
六、结语
本研究主要通过对STEM教育高频关键词的计量分析以及聚类分析和因子分析，分析总结目前国外STEM教育的研究取向，并对未来的发展做出预判。目前研究取向表现为理论多元性、研究混合性、学校类别多样性和实施连贯性。未来STEM教育研究的方向表现为课程整合式一体化、受众低龄化、发展实施伙伴化和评价多面化。