近十年（2012—2021）國際中小學工程教育研究進展與趨勢

宋悅 林長春

[摘要]選取Web of Science核心合集文獻數(shù)據(jù)庫中2012-2021年收錄的250篇有關中小學工程教育領域的研究論文，借助CiteSpace5.8 R5軟件繪制共現(xiàn)網(wǎng)絡圖譜，運用計量分析與內(nèi)容分析相結合的方法對文獻、圖譜進行研究。研究發(fā)現(xiàn)，該領域關注度逐年提高，文獻主要源于以美國為主的發(fā)達國家；研究熱點多圍繞協(xié)作學習、工程整合、種類劃分、3d打印、化學、工程教育、計算思維、系統(tǒng)思維、生物、工程設計；研究前沿集中于協(xié)作學習、3d打印、系統(tǒng)思維、工程設計。

[關鍵詞]工程教育；STEM教育；研究進展

[中圖分類號]G424.74[文獻標識碼]A

[文章編號]1673—1654（2023）03—065—010

基金項目本文為重慶市教育科學“十三五”規(guī)劃2020年度規(guī)劃重點課題（編號：2020-GX-010）“科學教育專業(yè)本科生STEM課程整合能力及其培養(yǎng)研究”及教育部首批新文科研究與改革實踐項目（編號：2021070064）“融合STEM教育理念的科學教育本科專業(yè)課程體系及教材建設研究與實踐”的研究成果之一。

一、引言

在傳統(tǒng)觀念中，工程教育一直是高等學?；蚵殬I(yè)學校關注的話題，與基礎教育階段的中小學少有關系。但從工程人才成長的連續(xù)過程來看，必須超越僅在高等學校及職業(yè)學校開展工程技術教育的思維定勢，將工程教育引入中小學校[1]。目前，中小學階段主要是通過科學、信息科技、勞動教育等學科來開展工程教育。本文基于科學課程STEM教育中的工程教育板塊展開論述。

不同于高等工程教育更多注重工程人才的實踐能力培養(yǎng)，K-12工程教育更加注重中小學生對工程的基本認識、創(chuàng)造興趣、對工程職業(yè)的向往及動手設計能力的培育[2]。但目前中小學階段，學生由于缺乏工程類實踐體驗，往往難以對工科專業(yè)產(chǎn)生興趣，學生高考報考選擇的專業(yè)不能和自己的興趣很好地匹配，導致進入大學后對所學專業(yè)知識不感興趣，對未來從事的相關職業(yè)沒有信心和愿望[3]，這在很大程度上影響了我國創(chuàng)新型工程技術人才的培養(yǎng)。目前，我國工程教育對廣大民眾的吸引力明顯不足，中小學生對工程學科知之甚少；教育上的某些弊端，導致學生的學習目的僅僅是為了通過檢測，將考試之外的知識視為多余；學生最關心的不是課程本身，而是他們獲得的資格所具備的市場競爭力；功利主義導向過重，使學生的全面素質(zhì)培養(yǎng)與基本技能訓練不夠[4]。教育主管部門目前努力從頂層設計層面來改善現(xiàn)狀，在義務教育小學科學課程標準（2017年版）中，將技術與工程列為四大領域之一；在義務教育科學課程標準（2022年版）中，將與工程相關的“技術、工程與社會”“工程設計與物化”列為學科核心概念之一，以此來訓練學生的工程實踐能力，培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，工程教育的重要程度由此可見一斑。

檢索Web of Science數(shù)據(jù)庫文獻，并借助CiteSpace軟件對近十年國際中小學工程教育領域的文獻進行計量學分析，以可視化方式展示當前國際上在該領域的研究現(xiàn)狀、研究熱點與前沿，以期為我國在該領域的研究提供參考。

二、資料與研究方法

（一）文獻檢索

以Web of Science數(shù)據(jù)庫中的“Web of Science核心合集”（以下簡稱WOS），引文索引設置為“Science Citation Index Expanded（SCI-EXPANDED）和Social Sciences Citation lndex（SSCI）”為數(shù)據(jù)來源；文獻類型限定為“article”“review”及“Editorial Material”；檢索式為TS=（K - 12 engineering education）OR TS=（K-12 education of engineer）；檢索日期設置為2012-01-01至2021-12-31；通過閱讀文獻標題及摘要排除不相關文獻，最終得到250篇文獻。其中，期刊論文224篇，社論材料5篇，文獻綜述21篇。

（二）研究方法

將WOS檢索納入的文獻導出為全記錄與引用的參考文獻的純文本文件格式，導出信息包括作者、機構名、題名、發(fā)表年份、國家、關鍵詞、摘要、期刊、卷次及起止頁碼；將全記錄格式文件保存為“download_***.txt”格式，并導入CiteSpace 5.8 R5軟件；應用CiteSpace 5.8 R5軟件進行國家、關鍵詞的可視化分析，繪制國家合作網(wǎng)絡圖譜、高頻關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡圖譜、突現(xiàn)詞分布圖以及關鍵詞動態(tài)前沿演化圖譜，以確定國際中小學工程教育的熱點與前沿。相關參數(shù)設置如下：時間分區(qū)為2012年—2021年，時間切片設置為1。

三、數(shù)據(jù)處理與研究結果

（一）時間分布

WOS核心合集數(shù)據(jù)庫中檢索到的250篇文獻，總體發(fā)表文章數(shù)量呈上升趨勢。其中2017年增長趨勢較為明顯；2020年與2021年發(fā)文量更多，占整體數(shù)量的35.6%。具體年度分布情況與占比情況見表1。

（二）國家/地區(qū)分布

結合WOS功能與CiteSpace軟件分析顯示，近十年中小學工程教育相關研究的文章分布在30個國家和地區(qū)。其中，美國發(fā)文量最多，共181篇，遠超其他國家和地區(qū)的發(fā)文數(shù)；我國（包含臺灣地區(qū)）共計發(fā)文19篇，暫居第二；土耳其、西班牙、加拿大發(fā)文量分別為8篇、6篇、5篇。近十年中小學工程教育排名前10的國家和地區(qū)的排名、發(fā)文數(shù)及中心性的詳細信息見表2。

（三）機構分布

排名前10位的研究機構大部分來自美國。居于首位的是美國普渡大學，共發(fā)文28篇。我國香港大學發(fā)文4篇。近十年中小學工程教育排名前10的機構的發(fā)文數(shù)、中心性及所屬國家的詳細信息見表3。

（四）作者分布

發(fā)文數(shù)≥3篇的作者共有19位，16位來自美國，3位來自中國。其中，美國普渡大學的Guzey SS發(fā)文量最多，共10篇；其后發(fā)表數(shù)量依次為美國普渡大學的Moore TJ（6篇）、密歇根州立大學的Cooper MM（5篇）、密蘇里大學系統(tǒng)的Strobel J（5篇）；我國的2名作者（包括臺灣地區(qū)1名）各發(fā)表4篇。近十年中小學工程教育排名前10作者的國家/地區(qū)、機構以及發(fā)文數(shù)的詳細信息見表4。

（五）期刊分布

WOS分析檢索結果顯示，納入研究的250篇文獻共來源于82種學術期刊，根據(jù)WOS-JCR（Journal Citation Reports）的數(shù)據(jù)，發(fā)文量前10位的期刊共有4種位于Q1、Q2分區(qū)。近十年中小學工程教育的排名前10期刊的名稱、影響因子、JCR分區(qū)（JCR分區(qū)：湯森路透公司以年度和學科為單位，對SCI和SSCI期刊進行了4個等級的劃分，每個學科分類按照期刊當年的影響因子高低平均分為Q1、Q2、Q3和Q4四個區(qū)，Q1> Q2> Q3> Q4，以此區(qū)別不同學科期刊的影響力）及發(fā)文數(shù)的詳細信息見表5。

（六）文獻關鍵詞共現(xiàn)知識圖譜

1.高頻關鍵詞分析

關鍵詞是文獻內(nèi)容的高度概括和文獻主題凝練表達的核心詞匯，高頻關鍵詞常被用于確定一個研究領域的熱點問題[6]。運行CiteSpace軟件生成近十年國際中小學工程教育領域的高頻關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡圖譜見圖1，圖中包括271個節(jié)點和1131條連線，密度為0.0309。每個年輪狀節(jié)點代表一個關鍵詞，節(jié)點面積和標簽字號越大，說明該關鍵詞共現(xiàn)頻次越高。年輪厚度與該年份關鍵詞詞頻成正比。關鍵詞之間的連線代表2個關鍵詞經(jīng)常出現(xiàn)在同一篇文獻，連線越粗表明共現(xiàn)頻次越高、研究關系越密切[7]。在271個關鍵詞中，“science”出現(xiàn)頻率最高，出現(xiàn)46次，連線數(shù)量也較多，說明該關鍵詞與其他關鍵詞關系較密切。后9位依次為“education”“student”“engineering education”“knowledge”“mathematics”“classroom”“stem education”“impact”“design”，分別出現(xiàn)45次、41次、19次、18次、16次、16次、15次、15次、14次。

2.關鍵詞聚類分析

聚類分析也多用于表現(xiàn)某學科領域的研究熱點，是將共現(xiàn)的關鍵詞出現(xiàn)的頻次作為研究對象，通過聚類算法將密切相關的主題聚集到一起形成類團即研究領域的過程。Citespace提供的聚類視圖功能可以將緊密相關的關鍵詞形成不同的聚類，聚類的標簽數(shù)字越小，表示該主題下包含的關鍵詞越多。研究納入的文獻共得到10個聚類，分別為#0 collaborative learning（協(xié)作學習）、#1 engineering integration（工程整合）、#2 ethnicity（種類劃分）、#3 3d printing（3d打印）、#4 chemistry（化學）、#5 engineering education（工程教育）、#6 computational thinking（計算思維）、#7 systems thinking（系統(tǒng)思維）、#8 biology（生物）、#9 engineering design（工程設計）。近十年中小學工程教育領域的關鍵詞聚類知識圖譜見圖2。

3.突現(xiàn)詞分析

CiteSpace軟件中的Burstness功能可以顯示突現(xiàn)詞。突現(xiàn)詞是指在短時間內(nèi)使用頻率突然增高的關鍵詞或?qū)I(yè)術語，代表某研究領域的研究前沿[8]。本研究中γ[0，1]設置為0.7（γ為Burstness面板中的調(diào)節(jié)參數(shù)，用于控制突現(xiàn)詞數(shù)量，取值范圍為[0，1]，γ越小，突現(xiàn)詞數(shù)量越多；因本研究選取國際中小學工程教育領域的前八個突現(xiàn)詞進行分析，故γ設置為0.7），生成的近十年中小學工程教育領域突現(xiàn)詞分布圖見圖3。分布圖顯示：“engineering education（工程教育）”“model（建模）”“engineering design（工程設計）”是最早關注的研究方向，從2012年開始且持續(xù)時間較長；“k-12 engineering education（K-12工程教育）”于2016年開始突現(xiàn)；“perception（感知）”于2017年開始突顯；“science education（科學教育）”“instruction（指導）”“curriculum（課程）”從2019年開始突顯。突現(xiàn)詞分析有利于研究者更好地把握學科發(fā)展趨勢以及未來研究方向。

（七）文獻共被引時間線圖譜

利用CiteSpace軟件中的Timeline View（時間線）聚類功能得到近十年中小學工程教育領域關鍵詞動態(tài)前沿演化圖譜見圖4。以文獻發(fā)表年份為X軸，聚類編號為Y軸，可展現(xiàn)各個聚類（即研究方向）發(fā)展演變的時間跨度和研究進程。聚類#0 collaborative learning所代表的研究方向為協(xié)作學習，時間跨度為2012～2020年，其中在2012年關注科學方面的協(xié)作學習，在2013年關注探究，且在之后有重要的成果；聚類#1 engineering integration所代表的研究方向為工程整合，時間跨度為2012～2021年，其中在2012年關注工程知識的整合；聚類#2 ethnicity所代表的研究方向為種類劃分，時間跨度為2013～2020年，從最初關注STEM教育，到科學教育，后期關注技術；聚類#3 3d printing（3d打?。┯蓪W生到設計到3d建模、cad工具；聚類#7 systems thinking所代表的研究方向為系統(tǒng)思維，時間跨度為2012～ 2019年，其中在2012年關注K-12群體；聚類#9 engineering design所代表的研究方向為工程設計，時間跨度為2012～2020年，其中在2013年關注與數(shù)學相關的工程設計，后期關注K-12 STEM教育、AI人工智能。

通過時間線的終點可以看出研究方向的前沿程度，時間線延伸到近幾年說明該研究方向為前沿趨勢，如聚類#0 collaborative learning（協(xié)作學習）、聚類#3 3d printing（3d打?。?、聚類#5 engineering education（工程教育）、聚類#7 systems thinking（系統(tǒng)思維）、聚類#9 engineering design（工程設計）。

四、研究結論

對國際中小學工程教育領域文獻的計量學與可視化分析，呈現(xiàn)了該領域的研究現(xiàn)狀：國際中小學工程教育領域的關注度逐年提高，且相關文獻主要源于發(fā)達國家；協(xié)作學習、工程整合、種類劃分、3d打印、化學、工程教育、計算思維、系統(tǒng)思維、生物、工程設計是該領域研究熱點；協(xié)作學習、3d打印、工程教育、系統(tǒng)思維、工程設計為該領域研究前沿。此外，協(xié)作學習、工程教育、系統(tǒng)思維、工程設計既是研究熱點，也是前沿研究領域。

（一）國際中小學工程教育領域關注度逐年提高，且相關文獻主要源于以美國為首的發(fā)達國家

中小學工程教育領域文獻發(fā)文量能在一定程度上反映研究人員對該領域的關注度。研究發(fā)現(xiàn)，2012～2022年文獻大體呈增長趨勢，根據(jù)時間分布，其發(fā)展可分為初步發(fā)展階段（2012～2016年）和快速發(fā)展階段（2017～2021年），尤其是近年來，該領域年發(fā)文量快速增加，說明研究者對中小學工程教育的關注度不斷增加。從國家、機構和作者來看，以美國為首的發(fā)達國家及其機構、作者發(fā)文量較多，且合作較密切，說明其為主要研究陣地。我國發(fā)文量雖位居第二，但與美國在數(shù)量上還是有較大的差距，且與發(fā)達國家合作較少。

K-12工程教育與創(chuàng)造力培育之間存在高度的關聯(lián)性，工程教育進入中小學，在創(chuàng)意設計、動手實踐等方面豐富了學校課程的內(nèi)涵與價值，為整合科學、數(shù)學和技術等的STEM教育有效實施提供了連接點[9]，使得世界各國特別是工業(yè)化水平走在世界前列的許多國家都開始重視K-12工程教育問題，這也是國際教育界通過反思之后特別重視STEM課程的重要原因。習近平總書記在2014年國際工程科技大會上發(fā)表主旨演講時指出，工程科技進步和創(chuàng)新是推動人類社會發(fā)展的重要引擎，中國4200多萬人的工程科技人才隊伍是中國開創(chuàng)未來最可寶貴的資源[10]。走新型工業(yè)化道路、建設創(chuàng)新型國家的戰(zhàn)略發(fā)展目標，迫切需要培養(yǎng)大批高素質(zhì)勞動者和創(chuàng)新型人才，這正是工程教育的價值所在，也是中小學工程教育課程的價值所在。因此，我國學者應該加強在中小學工程教育領域的研究，加強與其他國家的學術交流和合作，同時還要積極關注該領域發(fā)文量較多的權威期刊，有針對性地學習和了解相關領域的知識與研究最新動態(tài)。

（二）國際中小學工程教育領域研究趨向于關注協(xié)作學習

從研究熱點與研究前沿均可看出協(xié)作學習在國際中小學工程教育領域十分重要。在傳統(tǒng)課堂中，協(xié)作學習是教師常用的教學方法之一。協(xié)作學習是一種主動的學習方法（Kalaian & Kasim，2014），特點是參與到協(xié)作學習活動的個體之間的互動，從不同的視角到共享的知識構建（Puntambekar，2006）。Johnson和Johnson（1991）認為，成功的協(xié)作學習包括五個主要因素：積極的相互依賴、面對面的促進性互動、個人責任、人際/小組社交技能、小組加工。雖然不同的學者對協(xié)作學習的定義不同，但是總的來說，傳統(tǒng)課堂中的協(xié)作學習是一種學習方法，每個成員都可以提供自己的想法、信息、經(jīng)驗、技能和能力以實現(xiàn)共同的目標[11]。我國學者要積極關注協(xié)作學習專題，了解相關領域最新研究動態(tài)。

（三）國際中小學工程教育領域研究趨向于關注學生思維

從研究主題、熱點來看，研究集中于工程整合、工程設計、計算思維、系統(tǒng)思維等方面。從初期關注工程知識的整合，到逐步關注工程設計、工程的相關工具，再演變到后期對思維的關注?？梢钥闯觯瑖H中小學工程教育研究從強調(diào)工程的相關知識，逐步發(fā)展到創(chuàng)意設計、動手實踐，再到關注對學生的內(nèi)在思維的影響。恩格斯把思維稱為“地球上的最美的花朵”。思維能力的培養(yǎng)不是容易的事情。培養(yǎng)思維能力，必須正確認識、遵循和順應思維能力培養(yǎng)的規(guī)律。不同的思維方式有不同的本性和特征，培養(yǎng)規(guī)律也不盡相同，而工程思維在本質(zhì)上就是與造物實踐密切聯(lián)系在一起的、由目的導向的“造物思維”[12]。建議我國學者在借鑒國外相關研究成果基礎上，根據(jù)我國當前背景開展研究，并加強國際間合作，以培養(yǎng)適應新時代的具有國際競爭力的高層次、實用型、復合型工程應用型人才。

隨著我國科學教育蓬勃發(fā)展，STEM教育中的工程教育逐步受到重視，但關于中小學工程教育相關的發(fā)文量仍較少，研究者需及時掌握國際研究熱點和前沿，結合我國教育背景，促進中小學工程教育研究的發(fā)展。

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Progress and Trend of Engineering Education Research in International Primary and Secondary Schools in Recent Ten Years（2012-2021）

Song Yue Lin Changchun

Research Center of Science and Technology Education and Communication，Chongqing Normal University，Chongqing，400700

Abstract：In this paper，250 research papers on engineering education in primary and secondary schools were selected from the Web of Science Core Collection literature database from 2012 to 2021. The co-presence network map was drawn by Citespace5.8 R5 software，and the literature and map were studied by using the method of econometric analysis and content analysis. The research showed that the attention in this field was increasing year by year，and the relevant literature mainly came from developed countries. The research focused on collaborative learning，engineering integration，ethnicity，3D printing，chemistry，computational thinking，systems thinking，biology，and engineering design. The research frontier focused on collaborative learning，3D printing，systems thinking and engineering design.

Key words：Engineering Education，STEM Education，Research Progress

（責任編輯：吳茳、陳暢）