国际科学教育研究热点分析及启示

摘要： 运用citespace对国际科学教育领域八种SSCI期刊2000～2022年的数据进行研究，发现国际科学教育的研究热点领域包括素养的多维度发展；注重科学探究和情境化教学实践；重视教师专业化发展；关注教育主体内在差异。研究前沿经历了从学生观念到发展科学素养、STEM教育的演进，且始终关注师生的学习和发展。结果启示须关注国际科学研究的前沿动态，基于跨学科学习弥补分科课程不足，变革传统的教育方式。

关键词： 科学教育； 可视化知识图谱； 热点； 前沿

文章编号： 1005-6629（2024）02-0014-07

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

21世纪以来各国都在努力变革科学教育。以美国为例，2000年发布《探究与国家科学教育标准指南：教与学指南》，详细描述了科学探究，并将其作为科学学习的重要手段。2011年颁布《K-12科学教育框架》，提出从科学与工程实践、贯穿各领域的核心概念以及各学科核心思想三个维度把握科学教育［1］。另外，库恩的《科学革命的结构》对科学的范式发起了挑战。这些变革和挑战对国际科学教育的理念、教学方式等产生了深远的影响，研究热点、前沿也随之发生变化。

国际科学教育的研究成果斐然的同时，研究内容愈来愈丰富和深化，探讨国际科学教育研究的热点和前沿可以启示我国的科学教育发展的方向和着力点。目前，对科学教育研究文献很多，但对国际研究现状的把握较少。此外，研究视角多是微观层面的局部研究领域分析，缺少宏观透视国际科学教育的整体走势及背后原因的分析。缘此，本研究以高质量的学术期刊和学术成果为研究基础，借助citespace可视化分析软件，把握21世纪以来国际科学教育热点，以期为我国科学教育研究提供参考和借鉴。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

研究数据来源于SSCI数据库中2021年“期刊引证报告”（JCR）中位于Q1区、Q2区的八种有关科学教育的期刊。分别是《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》。

选择这八本期刊，基于以下两方面考虑：首先，JCR期刊分区的权威性，JCR中“影响因子”（IF）是衡量一本期刊质量的重要指标，期刊的影响因子在领域内前25%划为Q1区，是该学科内的顶级期刊。期刊影响因子排在领域内25%到50%划为Q2区。一般认为Q1区、Q2区的期刊均为领域内权威期刊。其次，根据布拉德福文献离散规律，处于核心区的期刊最能刊载该学科领域的论文，反映学科的研究内容和知识基础［2］。

时间段设置为2000～2022年，基于2000年美国颁布《探究与国家科学教育标准指南：教与学指南》，指南强调探究式学习是科学教育的核心。这对国际科学教育理念和内容产生了重要影响，2001年我国颁布的义务教育课程标准首次增加了科学探究内容。基于此，本研究关注自2000年以来的科学教育研究热点、前沿。

研究所需要的样本数据仅包括论文数据，剔除了书评、社论材料、综述、简报等，共得到有效记录文献7443篇。

1.2 研究方法

研究采用定量研究、定性分析相结合的方法。基于citespace5.7.R5软件对样本数据进行可视化处理和定量分析，在此基础上对文献进一步定性分析。基于关键词词频高低（词频分析法）确定科学教育研究的热点，利用关键词聚类确定科学教育研究聚焦的领域，通过关键词突现值分析，探测科学教育研究的前沿。

1.3 数据处理

将检索到的7443篇文献记录使用citespace5.7.R5软件分析，数据处理设置如下：时间切片设置为2000～2022年，1年为一个时区；术语来源为标题、摘要、作者关键词、附加关键词；节点类型选择关键词的选择标准设定为topN=50，并利用寻径算法修剪切片网络，修剪合并网络，裁剪可视化网络。

2 研究热点分析

2.1 基于关键词共现图谱的研究热点分析

数据导入citespace5.7.R5后，得到如图1所示的关键词共现图谱。图谱中的节点代表关键词，节点大小代表出现频次的高低，连线的强弱代表关键词共现的次数（或强度），节点的标签字体大小代表了关键词中心性的强度。根据关键词的词频高低确定研究热点，高频关键词（见表1）反映出科学教育领域研究的热点话题。关键词的中心性强弱体现了关键词在整个共现网络中的媒介能力，根据关键词的中心性的强弱确定共现网络中有影响力的节点。

由图1、表1可知，从研究对象群体分析，学生出现的频次多于教师，说明对学生群体的研究多于对教师群体的研究，科学教育更加重视育人，关注学生群体和学生学习。从学科分布上看，科学教育领域在物理、数学方面研究相对较多，其次是化学、生物学科。从关键词学校、课堂出现的频次可以看出，科学教育发生场所主要在学校课堂，还是以正式的学校教育为主，课堂是主要阵地。

从科学教育研究的内容看，最为热点的关键词是知识，虽然科学教育最终指向学生素养的发展，不再一味追求传播科学知识，但并不意味着知识不重要。相反，科学教育仍然以知识学习为主，聚焦如何基于知识学习促进学生素养的发展。另一个热点关键词是探究，科学探究成为研究热点缘于美国先后颁布的《科学教育标准》《探究与国家科学教育标准指南：教与学指南》明确将探究作为科学学习的重要手段，并且从标准、指南的被引频次，可以看出对国际科学教育产生重要影响。其他高频关键词显示科学教育逐渐与其他学科交叉融合，融入了学习心理学（信念、态度、动机等）、认知机制的研究（概念理解与转变，基于模型认知），最终指向学生素养的发展。

从关键词中心性上看，中心性最为突出的两个关键词是哲学和探究，中心性强，说明关键词在整个共现网络中具有很强的媒介能力，对科学教育的研究影响很大。科学探究作为热点关键词，作为学习科学的重要方式以及发展学生素养的重要手段，因此具有很强的中心性。需要关注的是关键词哲学中心性最高，但频次较低，二者的反差，说明科学哲学对科学教育产生了重要影响，但目前相关研究相对薄弱，在今后的研究中需要引起更多关注。

2.2 关键词聚类分析

关键词聚类分析将关系紧密的关键词归于同一聚类内，有助于识别和探测重要知识子群。本研究关键词聚类得到的聚类模块值Q（modularity）为0.7994，平均轮廓值S（silhouette）为0.9226，聚类结果合理可靠。聚类后选择LLR算法生成聚类标签（如图2所示），#0性别、#1探究、#2观念、#3专业发展、#4科学教育、#5重力、#6思维、#7化学、#8物理、#9科学、#10论证、#11技术、#12信念、#13框架、#15教学。

聚类结果可以为研究者提供一个初步的研究视角和方向。但聚类标签是自动抽取、选择具体化的名词短语，过于具体化，导致自动抽取的标注不易被理解也不够全面。因此，结合人工整理和评估，从而明确研究的领域是必要的。仔细研读聚类内的关键词及其关系，结合关键词词频，研究表明#5、 #6、 #9、 #10、 #11、 #13聚类内涉及的内容主要有关概念理解、科学思维、模型的开发和使用、论证、科学决策、科学本质观等素养层面的内容。#1、 #7、 #8、 #15、 #4涉及的关键词有探究、翻转课堂、情境、教学、文本、插图、教学评估等教学实践领域内容，既关注到教学方式的多样化，又关注到教学材料和教学评估的研究。#0、 #2、 #12包含的主要关键词有性别、动机、成就、态度、种族、兴趣、信念、教师观念、观念等教学主体内在差异性的研究。#3关注到教师专业发展与教学实践。故本研究从四个方面阐述科学教育研究的热点领域。

2.2.1 学生素养的研究

素养（literacy）提出源于20世纪50年代美国确保在太空竞赛取得优势，开始关注公众的“科学素养”。科学素养是一个渐进发展的、多维度的概念。从传统的应用、理解科学知识，到形成科学观念、培养科学思维等，随着社会的发展和多学科的交叉渗透，素养的内涵在逐步丰富和完善。

#5、#13聚类关注到学生概念的转变与观念的形成，概念是人们通过将现实世界进行抽象、概括化思考来获取知识和理解的结果［3］。学生的前概念、先入为主观念、替代框架与所要学习概念之间有时会存在不符和出入，以概念转变理论和知识建构理论作为理论指导，促进学生对所学习概念的理解。概念转变是一个认知重构的过程，学生通过对世界运行方式的先前理解或信念干预、修正，以更接近专家领域的主导性概念［4］。越来越多的研究关注到概念转变的策略、路径。

#6聚类关注学生科学思维的发展，注意到专家型和新手型在科学思维上的差异。科学思维帮助学生在解决问题、分析数据和评估证据等方面具备独立思考和判断的能力，包括批判性思维、逻辑思维、创造性思维、系统性思维等多种类型。影响学生系统思维的根源是学生个体的认知能力和参与知识整合的程度［5］。系统思维作为高阶思维技能，可以在小学得到一定程度的发展，并为未来更高阶段的系统思维发展奠定基础［6］。

#9聚类、#11聚类关注开发和使用模型以促进学生概念理解、科学本质观发展。模型是对事物（包括实物、概念、理论、过程等）的表征，可以帮助解释、预测现象。课堂中师生模仿科学家开发和使用模型，涵盖了模型的构建、应用、评估和修正等各方面，有助于学生形成系统性的思维和分析能力［7］。在文本材料中呈现概念模型建构过程，可以帮助学生更好地应用科学信息构建概念知识，并帮助他们发展建模能力［8］。

#10聚类关注学生科学论证和科学决策之间的关系，论证是一种重要的科学话语，能够推动学习者参与有关科学问题的公共话语，收集证据并评估证据的可靠性，基于证据推理并与他人进行有意义的交流和讨论，成为发展学生科学素养的重要途径。社会科学问题（SSI）为论证和科学决策提供了很好的平台，SSI解决方案需要考量多方面（如科学理论、社会、政治、伦理等）且具有不确定性，在解决问题的过程中，可以发展学生对科学本质的理解［9］。

2.2.2 教学实践的探索

首先关注多样化教学方式、策略在教学实践中的应用，如#1聚类研究探究式教学的应用。当前研究关注探究内涵的研究，探究模式的创新（如基于模型探究、解释驱动探究），探究层次的深化，探究式教学实施策略和影响因素研究。影响新教师探究式教学实施的因素包括教师对科学和科学探究本质的理解、教学内容、教师的教学内容知识、教师的教学信念等［10］。#7聚类涉及翻转课堂在化学、生物、STEM等学科的应用。#8聚类将情景融入物理、地球等学科教学。研究关注到情境教学对科学概念理解、科学本质观形成以及科学认知发展的影响。

其次关注教学材料的研究分析，#15聚类将教学、教学文本、课程相关联，考察教学材料的文本、插图、直观性、可读性等。教学中最常使用的教学文本材料是教科书，相关研究从不同维度构建评估教科书内容的框架。

最后关注教学实践评估，#4聚类专注于科学教育的评估理论和实践，包括对评估的公平性、影响因子、统计方法与多变量分析的研究，同时还涉及课堂观察协议。评估内容不仅包含学生的知识掌握情况，还延伸到探究能力、跨学科能力、素养等评估。对科学探究的评估，既有对科学探究活动本身质量，又有测量学生的科学探究能力等方面评价工具的开发。

2.2.3 教学主体的内在差异研究

教师和学生是教学主要参与者，也是教和学的主体。本领域分别研究了学生、教师的内在差异对教育实践和学业成就的影响。#0聚类关注到STEM课程中，性别、动机、态度、种族、兴趣等内在因素之间的关系及对学业成就的影响，#12聚类关注到信念、先验知识对科学教学的影响。相关研究表明性别的偏好对学习兴趣、动机、态度的影响小于教学环境、学科的内容对象。影响兴趣、动机、态度的因素有很多，如自我效能感、良好的情境化、协作工作、新奇事物等［11］。对待科学的态度影响学生的科学观、未来职业意识和课堂参与［12］。