李佳 劉久成

摘要： 運用citespace對國際科學教育領域八種SSCI期刊2000～2022年的數(shù)據(jù)進行研究，發(fā)現(xiàn)國際科學教育的研究熱點領域包括素養(yǎng)的多維度發(fā)展；注重科學探究和情境化教學實踐；重視教師專業(yè)化發(fā)展；關(guān)注教育主體內(nèi)在差異。研究前沿經(jīng)歷了從學生觀念到發(fā)展科學素養(yǎng)、STEM教育的演進，且始終關(guān)注師生的學習和發(fā)展。結(jié)果啟示須關(guān)注國際科學研究的前沿動態(tài)，基于跨學科學習彌補分科課程不足，變革傳統(tǒng)的教育方式。

關(guān)鍵詞： 科學教育； 可視化知識圖譜； 熱點； 前沿

文章編號： 1005-6629（2024）02-0014-07

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

21世紀以來各國都在努力變革科學教育。以美國為例，2000年發(fā)布《探究與國家科學教育標準指南：教與學指南》，詳細描述了科學探究，并將其作為科學學習的重要手段。2011年頒布《K-12科學教育框架》，提出從科學與工程實踐、貫穿各領域的核心概念以及各學科核心思想三個維度把握科學教育［1］。另外，庫恩的《科學革命的結(jié)構(gòu)》對科學的范式發(fā)起了挑戰(zhàn)。這些變革和挑戰(zhàn)對國際科學教育的理念、教學方式等產(chǎn)生了深遠的影響，研究熱點、前沿也隨之發(fā)生變化。

國際科學教育的研究成果斐然的同時，研究內(nèi)容愈來愈豐富和深化，探討國際科學教育研究的熱點和前沿可以啟示我國的科學教育發(fā)展的方向和著力點。目前，對科學教育研究文獻很多，但對國際研究現(xiàn)狀的把握較少。此外，研究視角多是微觀層面的局部研究領域分析，缺少宏觀透視國際科學教育的整體走勢及背后原因的分析。緣此，本研究以高質(zhì)量的學術(shù)期刊和學術(shù)成果為研究基礎，借助citespace可視化分析軟件，把握21世紀以來國際科學教育熱點，以期為我國科學教育研究提供參考和借鑒。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于SSCI數(shù)據(jù)庫中2021年“期刊引證報告”（JCR）中位于Q1區(qū)、Q2區(qū)的八種有關(guān)科學教育的期刊。分別是《International Journal of STEM Education》《Journal of Research in Science Teaching》《Science Education》《Studies in Science Education》《Journal of Science Education and Technology》《Science & Education》《International Journal of Science Education》《Research in Science Education》。

選擇這八本期刊，基于以下兩方面考慮：首先，JCR期刊分區(qū)的權(quán)威性，JCR中“影響因子”（IF）是衡量一本期刊質(zhì)量的重要指標，期刊的影響因子在領域內(nèi)前25%劃為Q1區(qū)，是該學科內(nèi)的頂級期刊。期刊影響因子排在領域內(nèi)25%到50%劃為Q2區(qū)。一般認為Q1區(qū)、Q2區(qū)的期刊均為領域內(nèi)權(quán)威期刊。其次，根據(jù)布拉德福文獻離散規(guī)律，處于核心區(qū)的期刊最能刊載該學科領域的論文，反映學科的研究內(nèi)容和知識基礎［2］。

時間段設置為2000～2022年，基于2000年美國頒布《探究與國家科學教育標準指南：教與學指南》，指南強調(diào)探究式學習是科學教育的核心。這對國際科學教育理念和內(nèi)容產(chǎn)生了重要影響，2001年我國頒布的義務教育課程標準首次增加了科學探究內(nèi)容。基于此，本研究關(guān)注自2000年以來的科學教育研究熱點、前沿。

研究所需要的樣本數(shù)據(jù)僅包括論文數(shù)據(jù)，剔除了書評、社論材料、綜述、簡報等，共得到有效記錄文獻7443篇。

1.2 研究方法

研究采用定量研究、定性分析相結(jié)合的方法?；赾itespace5.7.R5軟件對樣本數(shù)據(jù)進行可視化處理和定量分析，在此基礎上對文獻進一步定性分析?；陉P(guān)鍵詞詞頻高低（詞頻分析法）確定科學教育研究的熱點，利用關(guān)鍵詞聚類確定科學教育研究聚焦的領域，通過關(guān)鍵詞突現(xiàn)值分析，探測科學教育研究的前沿。

1.3 數(shù)據(jù)處理

將檢索到的7443篇文獻記錄使用citespace5.7.R5軟件分析，數(shù)據(jù)處理設置如下：時間切片設置為2000～2022年，1年為一個時區(qū)；術(shù)語來源為標題、摘要、作者關(guān)鍵詞、附加關(guān)鍵詞；節(jié)點類型選擇關(guān)鍵詞的選擇標準設定為topN=50，并利用尋徑算法修剪切片網(wǎng)絡，修剪合并網(wǎng)絡，裁剪可視化網(wǎng)絡。

2 研究熱點分析

2.1 基于關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜的研究熱點分析

數(shù)據(jù)導入citespace5.7.R5后，得到如圖1所示的關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜。圖譜中的節(jié)點代表關(guān)鍵詞，節(jié)點大小代表出現(xiàn)頻次的高低，連線的強弱代表關(guān)鍵詞共現(xiàn)的次數(shù)（或強度），節(jié)點的標簽字體大小代表了關(guān)鍵詞中心性的強度。根據(jù)關(guān)鍵詞的詞頻高低確定研究熱點，高頻關(guān)鍵詞（見表1）反映出科學教育領域研究的熱點話題。關(guān)鍵詞的中心性強弱體現(xiàn)了關(guān)鍵詞在整個共現(xiàn)網(wǎng)絡中的媒介能力，根據(jù)關(guān)鍵詞的中心性的強弱確定共現(xiàn)網(wǎng)絡中有影響力的節(jié)點。

由圖1、表1可知，從研究對象群體分析，學生出現(xiàn)的頻次多于教師，說明對學生群體的研究多于對教師群體的研究，科學教育更加重視育人，關(guān)注學生群體和學生學習。從學科分布上看，科學教育領域在物理、數(shù)學方面研究相對較多，其次是化學、生物學科。從關(guān)鍵詞學校、課堂出現(xiàn)的頻次可以看出，科學教育發(fā)生場所主要在學校課堂，還是以正式的學校教育為主，課堂是主要陣地。

從科學教育研究的內(nèi)容看，最為熱點的關(guān)鍵詞是知識，雖然科學教育最終指向?qū)W生素養(yǎng)的發(fā)展，不再一味追求傳播科學知識，但并不意味著知識不重要。相反，科學教育仍然以知識學習為主，聚焦如何基于知識學習促進學生素養(yǎng)的發(fā)展。另一個熱點關(guān)鍵詞是探究，科學探究成為研究熱點緣于美國先后頒布的《科學教育標準》《探究與國家科學教育標準指南：教與學指南》明確將探究作為科學學習的重要手段，并且從標準、指南的被引頻次，可以看出對國際科學教育產(chǎn)生重要影響。其他高頻關(guān)鍵詞顯示科學教育逐漸與其他學科交叉融合，融入了學習心理學（信念、態(tài)度、動機等）、認知機制的研究（概念理解與轉(zhuǎn)變，基于模型認知），最終指向?qū)W生素養(yǎng)的發(fā)展。

從關(guān)鍵詞中心性上看，中心性最為突出的兩個關(guān)鍵詞是哲學和探究，中心性強，說明關(guān)鍵詞在整個共現(xiàn)網(wǎng)絡中具有很強的媒介能力，對科學教育的研究影響很大?？茖W探究作為熱點關(guān)鍵詞，作為學習科學的重要方式以及發(fā)展學生素養(yǎng)的重要手段，因此具有很強的中心性。需要關(guān)注的是關(guān)鍵詞哲學中心性最高，但頻次較低，二者的反差，說明科學哲學對科學教育產(chǎn)生了重要影響，但目前相關(guān)研究相對薄弱，在今后的研究中需要引起更多關(guān)注。

2.2 關(guān)鍵詞聚類分析

關(guān)鍵詞聚類分析將關(guān)系緊密的關(guān)鍵詞歸于同一聚類內(nèi)，有助于識別和探測重要知識子群。本研究關(guān)鍵詞聚類得到的聚類模塊值Q（modularity）為0.7994，平均輪廓值S（silhouette）為0.9226，聚類結(jié)果合理可靠。聚類后選擇LLR算法生成聚類標簽（如圖2所示），#0性別、#1探究、#2觀念、#3專業(yè)發(fā)展、#4科學教育、#5重力、#6思維、#7化學、#8物理、#9科學、#10論證、#11技術(shù)、#12信念、#13框架、#15教學。

聚類結(jié)果可以為研究者提供一個初步的研究視角和方向。但聚類標簽是自動抽取、選擇具體化的名詞短語，過于具體化，導致自動抽取的標注不易被理解也不夠全面。因此，結(jié)合人工整理和評估，從而明確研究的領域是必要的。仔細研讀聚類內(nèi)的關(guān)鍵詞及其關(guān)系，結(jié)合關(guān)鍵詞詞頻，研究表明#5、 #6、 #9、 #10、 #11、 #13聚類內(nèi)涉及的內(nèi)容主要有關(guān)概念理解、科學思維、模型的開發(fā)和使用、論證、科學決策、科學本質(zhì)觀等素養(yǎng)層面的內(nèi)容。#1、 #7、 #8、 #15、 #4涉及的關(guān)鍵詞有探究、翻轉(zhuǎn)課堂、情境、教學、文本、插圖、教學評估等教學實踐領域內(nèi)容，既關(guān)注到教學方式的多樣化，又關(guān)注到教學材料和教學評估的研究。#0、 #2、 #12包含的主要關(guān)鍵詞有性別、動機、成就、態(tài)度、種族、興趣、信念、教師觀念、觀念等教學主體內(nèi)在差異性的研究。#3關(guān)注到教師專業(yè)發(fā)展與教學實踐。故本研究從四個方面闡述科學教育研究的熱點領域。

2.2.1 學生素養(yǎng)的研究

素養(yǎng)（literacy）提出源于20世紀50年代美國確保在太空競賽取得優(yōu)勢，開始關(guān)注公眾的“科學素養(yǎng)”?？茖W素養(yǎng)是一個漸進發(fā)展的、多維度的概念。從傳統(tǒng)的應用、理解科學知識，到形成科學觀念、培養(yǎng)科學思維等，隨著社會的發(fā)展和多學科的交叉滲透，素養(yǎng)的內(nèi)涵在逐步豐富和完善。

#5、#13聚類關(guān)注到學生概念的轉(zhuǎn)變與觀念的形成，概念是人們通過將現(xiàn)實世界進行抽象、概括化思考來獲取知識和理解的結(jié)果［3］。學生的前概念、先入為主觀念、替代框架與所要學習概念之間有時會存在不符和出入，以概念轉(zhuǎn)變理論和知識建構(gòu)理論作為理論指導，促進學生對所學習概念的理解。概念轉(zhuǎn)變是一個認知重構(gòu)的過程，學生通過對世界運行方式的先前理解或信念干預、修正，以更接近專家領域的主導性概念［4］。越來越多的研究關(guān)注到概念轉(zhuǎn)變的策略、路徑。

#6聚類關(guān)注學生科學思維的發(fā)展，注意到專家型和新手型在科學思維上的差異?？茖W思維幫助學生在解決問題、分析數(shù)據(jù)和評估證據(jù)等方面具備獨立思考和判斷的能力，包括批判性思維、邏輯思維、創(chuàng)造性思維、系統(tǒng)性思維等多種類型。影響學生系統(tǒng)思維的根源是學生個體的認知能力和參與知識整合的程度［5］。系統(tǒng)思維作為高階思維技能，可以在小學得到一定程度的發(fā)展，并為未來更高階段的系統(tǒng)思維發(fā)展奠定基礎［6］。

#9聚類、#11聚類關(guān)注開發(fā)和使用模型以促進學生概念理解、科學本質(zhì)觀發(fā)展。模型是對事物（包括實物、概念、理論、過程等）的表征，可以幫助解釋、預測現(xiàn)象。課堂中師生模仿科學家開發(fā)和使用模型，涵蓋了模型的構(gòu)建、應用、評估和修正等各方面，有助于學生形成系統(tǒng)性的思維和分析能力［7］。在文本材料中呈現(xiàn)概念模型建構(gòu)過程，可以幫助學生更好地應用科學信息構(gòu)建概念知識，并幫助他們發(fā)展建模能力［8］。

#10聚類關(guān)注學生科學論證和科學決策之間的關(guān)系，論證是一種重要的科學話語，能夠推動學習者參與有關(guān)科學問題的公共話語，收集證據(jù)并評估證據(jù)的可靠性，基于證據(jù)推理并與他人進行有意義的交流和討論，成為發(fā)展學生科學素養(yǎng)的重要途徑。社會科學問題（SSI）為論證和科學決策提供了很好的平臺，SSI解決方案需要考量多方面（如科學理論、社會、政治、倫理等）且具有不確定性，在解決問題的過程中，可以發(fā)展學生對科學本質(zhì)的理解［9］。

2.2.2 教學實踐的探索

首先關(guān)注多樣化教學方式、策略在教學實踐中的應用，如#1聚類研究探究式教學的應用。當前研究關(guān)注探究內(nèi)涵的研究，探究模式的創(chuàng)新（如基于模型探究、解釋驅(qū)動探究），探究層次的深化，探究式教學實施策略和影響因素研究。影響新教師探究式教學實施的因素包括教師對科學和科學探究本質(zhì)的理解、教學內(nèi)容、教師的教學內(nèi)容知識、教師的教學信念等［10］。#7聚類涉及翻轉(zhuǎn)課堂在化學、生物、STEM等學科的應用。#8聚類將情景融入物理、地球等學科教學。研究關(guān)注到情境教學對科學概念理解、科學本質(zhì)觀形成以及科學認知發(fā)展的影響。

其次關(guān)注教學材料的研究分析，#15聚類將教學、教學文本、課程相關(guān)聯(lián)，考察教學材料的文本、插圖、直觀性、可讀性等。教學中最常使用的教學文本材料是教科書，相關(guān)研究從不同維度構(gòu)建評估教科書內(nèi)容的框架。

最后關(guān)注教學實踐評估，#4聚類專注于科學教育的評估理論和實踐，包括對評估的公平性、影響因子、統(tǒng)計方法與多變量分析的研究，同時還涉及課堂觀察協(xié)議。評估內(nèi)容不僅包含學生的知識掌握情況，還延伸到探究能力、跨學科能力、素養(yǎng)等評估。對科學探究的評估，既有對科學探究活動本身質(zhì)量，又有測量學生的科學探究能力等方面評價工具的開發(fā)。

2.2.3 教學主體的內(nèi)在差異研究

教師和學生是教學主要參與者，也是教和學的主體。本領域分別研究了學生、教師的內(nèi)在差異對教育實踐和學業(yè)成就的影響。#0聚類關(guān)注到STEM課程中，性別、動機、態(tài)度、種族、興趣等內(nèi)在因素之間的關(guān)系及對學業(yè)成就的影響，#12聚類關(guān)注到信念、先驗知識對科學教學的影響。相關(guān)研究表明性別的偏好對學習興趣、動機、態(tài)度的影響小于教學環(huán)境、學科的內(nèi)容對象。影響興趣、動機、態(tài)度的因素有很多，如自我效能感、良好的情境化、協(xié)作工作、新奇事物等［11］。對待科學的態(tài)度影響學生的科學觀、未來職業(yè)意識和課堂參與［12］。

#2聚類關(guān)注到教師的內(nèi)在差異性，研究教師觀念、經(jīng)驗、經(jīng)歷、認識論信仰和世界觀等對教學實踐的影響。曼蘇爾（Mansour）調(diào)查了教師信念與教學實踐之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)教師信念和教學實踐并不總是一致的［13］。

2.2.4 教師的專業(yè)化發(fā)展

此領域涉及到的聚類為#3，該聚類關(guān)注到教師專業(yè)發(fā)展與教育改革、教學實踐、教學策略、教學質(zhì)量等關(guān)系。教師專業(yè)發(fā)展的質(zhì)量影響著教育改革理念落地。目前各個國家、地區(qū)和組織都在尋求更符合本地發(fā)展需求的教師專業(yè)發(fā)展培養(yǎng)路徑，包括基于實證調(diào)查，研究教師專業(yè)發(fā)展計劃的必要性?；诙喾N技術(shù)、方法對教學實踐進行分析，如羅斯等學者構(gòu)建了基于視頻實踐分析教學實踐的維度，幫助教師提高科學內(nèi)容知識和分析科學教學能力［14］。同時，科學教育改革背景下的教師專業(yè)發(fā)展，政策的制定和執(zhí)行不能盲目自上而下，應重視教師的經(jīng)驗［15］，還要調(diào)查教師的實踐知識，基于網(wǎng)絡學習、同伴幫助等多種方式實現(xiàn)教師實踐知識的提升［16］。

3 基于關(guān)鍵詞突現(xiàn)的研究前沿分析

研究前沿代表該研究在某一段時間內(nèi)突然爆發(fā)，可能成為未來科學教育研究熱點。研究前沿可以通過關(guān)鍵詞的突現(xiàn)強度進行判斷，以下梳理出2000年來突現(xiàn)強度較高的關(guān)鍵詞（見表2）。

從改革的視角，科學教育研究前沿經(jīng)歷了從學生觀念、科學素養(yǎng)到STEM的演進。隨著社會發(fā)展對人才需求和培養(yǎng)模式的重新定位，改革的發(fā)生是必然。初期對學生觀念的調(diào)查研究，多局限于具體學科知識內(nèi)容，關(guān)注學生觀念與書本概念之間的關(guān)系。學生觀念更多地側(cè)重于學生個體對知識的感知和看法構(gòu)建，注重概念轉(zhuǎn)變的發(fā)生，這一階段仍以確保學生掌握科學知識作為教學核心。

隨著對教育的反思，逐漸認識到僅掌握科學知識是不夠的，基于學科知識發(fā)展學生的科學思維、問題解決能力、科學態(tài)度價值觀等科學素養(yǎng)是必要的。美國出臺《把科學帶到學校：K-8年級的學與教科學》《下一代課程標準》等政策文件明確要求發(fā)展學生科學素養(yǎng)，PISA和TIMSS等對學生科學素養(yǎng)從不同維度的評估，科學素養(yǎng)的內(nèi)涵也在愈加豐富和深化。隨著社會發(fā)展對人才的需求，越來越重視和需要培養(yǎng)具備跨學科素養(yǎng)的人才，由此，STEM教育成為科學教育研究的前沿。美國政府連續(xù)出臺了《白宮：聯(lián)邦STEM教育五年戰(zhàn)略計劃》《2015年STEM教育法案》等政策文件，從政策上支持和保障STEM教育。當前STEM教育研究聚焦于STEM課程設計與整合，STEM課程的教學策略、影響因素及評估。

從研究的視角看，始終關(guān)注學生、教師的學習和發(fā)展，只是不同階段側(cè)重點有所差異。最初，關(guān)注心智模型，心智模型作為個體對某一概念的內(nèi)在表示或認知結(jié)構(gòu)，對學生心智模型的探討和調(diào)整，旨在幫助學生建立更準確、更完整的知識結(jié)構(gòu)。隨后，為解決美國K-12教育片面追求學習內(nèi)容的廣度而忽視深度，整個教育過程缺乏系統(tǒng)性的問題，美國提出了學習進階。2011年頒布的K-12教育框架提供了不同學段學習進階模式，學習內(nèi)容上“少而精”，不同學段深度進階上要求連貫性和可操作性，隨后幾年對學習進階的實踐研究更加深入和細致。當前，科學教育關(guān)注師生的自我效能感和教學內(nèi)容知識（PCK），大量的研究證實了自我效能感在學生的參與、堅持、學業(yè)成績、動機等方面有促進作用［17］。不同階段側(cè)重點不同，從注重知識學習的準確性、完備性，到關(guān)注學習內(nèi)容的深度，學習內(nèi)容“少而精”，繼而到基于學習內(nèi)容提升學生內(nèi)在的滿足感、獲得感，這種演進反映了對教育目標和方法的深入思考，科學教育所承擔的育人功能愈加豐富、育人價值得以彰顯。同時對教師專業(yè)發(fā)展也趨于具體化，教學內(nèi)容知識（PCK）作為教師專業(yè)知識的重要組成部分，關(guān)注教師如何將自身的內(nèi)容知識轉(zhuǎn)化成對學生有意義且易于理解的知識［18］。對PCK的關(guān)注反映出科學教育需要根據(jù)實際教學場景、學生的需求和背景來及時調(diào)整教學方法，以更有效地滿足學生的學習需求。另外，21世紀國際教育改革，課程和教學方法也在進行調(diào)整，也需要教育界重視PCK。

4 思考與啟示

研究熱點和前沿反映了社會和人的發(fā)展對科學教育的訴求，為教育改革和發(fā)展提供了方向，對我國當下及未來的科學教育予以啟示。

4.1 關(guān)注國際科學教育研究的前沿動態(tài)

國際上的經(jīng)驗和理念為我國科學教育的發(fā)展打開了新思路，需要關(guān)注國際科學教育研究的新動態(tài)，尤其是近幾年的國際科學教育研究的前沿話題，從而啟示我國未來科學教育發(fā)展。目前，國際科學教育研究的熱點、前沿主題很多已在我國科學教育研究中得到重視，如科學素養(yǎng)、教師PCK等，STEM教育雖然在我國起步較遲，但近幾年有關(guān)STEM研究的文獻明顯激增，得到研究者們的重視。但少數(shù)前沿主題的研究略顯不足，如自我效能感作為影響學生學習動機和成就、影響教師教學實踐的關(guān)鍵因素，在國際上近幾年突現(xiàn)值較高，但在我國當前的科學教育研究發(fā)文量上略顯薄弱。

4.2 基于跨學科學習彌補分科課程不足

國際有關(guān)STEM跨學科研究日趨豐富和完善，我國跨學科學習起步較遲，尚處于探索階段。目前我國中學階段，大部分地區(qū)長期實行分科課程，這在一定程度上確保了各學科的內(nèi)容深度和知識的系統(tǒng)性。但隨著社會和技術(shù)的快速發(fā)展，跨學科能力成為新的需求，現(xiàn)行的應試教育模式在很大程度上限制了學生的跨學科思考能力。因此，2022年版義務教育新課標增加了跨學科實踐活動，以化學課程標準為例，強調(diào)將化學、技術(shù)、工程進行融合，這是對國際科學教育前沿的本土化嘗試，在一定程度上彌補當下分科課程的缺失。不過，這對當下的理科教育是巨大挑戰(zhàn)，很多教師只在某一學科領域接受專業(yè)訓練，跨學科的教學內(nèi)容知識、學生的跨學科能力評價等存在欠缺。另外，在我國分科課程背景下，需要加強跨學科學習研究，開發(fā)更多的跨學科學習案例和實踐來指導教學實踐。

4.3 變革傳統(tǒng)教學方式

首先，變革傳授結(jié)論式的課堂教學方式，關(guān)注學生概念轉(zhuǎn)變和觀念發(fā)展的過程。國際科學教育關(guān)注學生概念的轉(zhuǎn)變，區(qū)別于傳統(tǒng)灌輸式教學，概念轉(zhuǎn)變需要重視學生已有的觀念、迷思概念，學生的已有觀念可能與結(jié)論式的概念存在出入，這就需要創(chuàng)設能夠激發(fā)學生認知沖突的情境，促進學生主動探究、認知重組，關(guān)注到知識的建構(gòu)性。

其次，創(chuàng)設能使學生深度參與、互動交流的教學環(huán)境。改變傳統(tǒng)教學中教師一言堂，或教師提問-學生回憶回答的淺層參與模式。國際科學教育倡導的科學思維的發(fā)展、模型的開發(fā)和使用，都需要學生深度參與到學習活動中并調(diào)動認知能動性。另外，模型開發(fā)和使用并不都是完美的，需要評估模型并修正，這個過程中需要師生、生生之間進行有意義的互動，需要基于證據(jù)來推理論證自己或他人的模型產(chǎn)品，需要調(diào)動高階思維能力和批判性思維，這些都需要關(guān)注教學過程中教學環(huán)境的創(chuàng)設。

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