透視當代國際科學教育研究動向

張寧 馬勇軍

摘要：以2022年NARST年會中學術報告題目及摘要為研究樣本，以定性和定量相結合的內容分析法對會議內容做深入挖掘與分析，透視國際科學教育研究熱點與趨勢。統計結果顯示，目前國際科學教育研究聚焦于科學學習、科學文化與社會問題、科學教學、教師教育和教育革新五大話題領域。研究熱點涉及基于STEM的科學學習情境研究、科學思維與認知、理解能力的培養研究、科學探究與實踐能力的培養研究以及日漸豐富的科學教學研究四個方面?；谏鲜鲅芯?，提出對我國科學教育研究的啟示。

關鍵詞：NARST；國際科學教育；研究熱點；研究趨勢

文章編號：10056629（2023）06000306中圖分類號：G633.8文獻標識碼：B

在全球化的時代背景下，科學技術在國際競爭、世界經濟發展、文化進步等方面的作用日益凸顯，公民科學素養的提升以及科技創新人才的培養成為世界各國各地區關注的焦點?？茖W教育作為創新型國家建設、創新性科技人才培養、前沿性科技持續更新的根本路徑和關鍵環節，已被許多國家提升到戰略高度。本文對2022年NARST國際學術年會報告題目及摘要進行統計分析，以期透視科學教育領域動向，聚焦國際科學教育研究的熱點主題，加深理解面向未來的科學教育改革趨勢，對推動我國科學教育改革、科學教學實踐創新以及科學教育研究具有積極意義。

1 研究對象和方法

1.1 研究對象

美國科學教學研究會（National Association for Research in Science Teaching，簡稱NARST）致力于促進科學教育研究領域的發展并將研究成果運用于改進教學實踐^［１］，自1928年成立起，其每年舉辦的學術會議是全球科學教育領域專家和科學教育研究者開展學術交流合作的重要平臺，會議論文反映了國際科學教育研究的最新成果和發展趨勢，預示未來科學教育研究方向。2022年第95屆NARST年會主題為“團結包容共同促進全球科學素養（Unity and Inclusion for Global Scientific Literacy）”，聚焦科學素養培育與提升，關注全球化背景下科學教育的包容性與深度融合，通過對大會報告的深度挖掘能夠在一定程度上透視國際科學教育研究的最新動向。本研究樣本來源于NARST官網發布的2022年會議議程和會議摘要電子版^［2］，會議議程包括大會日程安排、研討會主題、報告題目、作者和委員會成員信息，會議摘要包括報告題目、作者及摘要。報告題目和摘要能清晰地反映出論文主要內容和核心要義，因此本研究以2022年NARST年會中698篇報告的題目和摘要為研究對象，提煉國際科學教育研究的主要話題領域和熱點主題。

1.2 研究方法及步驟

Python語言是一種功能強大的開源、跨平臺語言，有豐富的第三方標準庫，在提高代碼開發效率的同時，對數據有更多的操作空間，使用其對應的工具進行數據分析，能夠輸出數據特征并用一定的結構形式表現出來。本研究采用定性和定量相結合的文本分析法，運用Python語言中開源文本分析包對報告主題、題目及摘要進行統計分析。研究步驟如下：

（1） 研讀并整理年會會議議程，對每一議題的報告作數量統計，并將議題按照研究領域分類，以明晰當前國際科學教育研究的主要話題領域。

（2） 對會議摘要作預處理，包括刪除報告作者、去除標點符號、將全部文本轉為小寫以便分析程序可識別。

（3） 關鍵詞或主題詞往往是一篇文獻核心內容的精煉，反復出現的關鍵詞或主題詞可以用來判斷文獻的研究主題^［3］，因此通過對高頻詞的深度分析能夠管窺國際科學教育研究的熱點。調用Python內置collections庫對報告題目及摘要進行詞頻統計，同時使用wordcloud庫生成高頻詞云圖，以直觀地呈現研究熱點。

命令撰寫遵循以下規則：①統一詞義相近、詞根相同的詞語，如practical、 practice、 practiced、 practices均代表與實踐有關的研究，將其統一為practice。②設置禁用詞，與研究無關以及無法為研究提供有效信息的詞語不進行分析。包括非科學教育領域的詞匯，如英語中的連詞、介詞、定冠詞等；涵蓋范圍過廣的科學教育相關詞匯，如教育、教學、學校、課堂等；用于展示和說明研究樣本信息而非研究主題的詞語，如化學、職前、中學等。

2 把握國際科學教育研究動向

NARST年會共15個議題（表1），盡管每屆年會議題是固定的，但每一議題的投稿數量能夠反映出當前國際科學教育研究者對不同研究領域的關注程度，從而把握科學教育研究的動向及每一領域所關注的主要內容。根據議題類別與方向，本研究將年會的研究內容分為科學學習、科學文化與社會問題、科學教學、教師教育和教育革新五個話題領域。

科學學習類報告共154篇，包括“科學學習：學生理解的發展”“科學學習：背景、特征和相互作用”和“非正式環境中的科學學習”，報告數量表明當前國際科學教育研究對學生的科學學習的重視。這一話題主要圍繞兩個子維度展開，一是學生科學素養（包括學生的科學概念發展、推理能力、理解能力等）的發展及其評估，如通過學生對工件的使用來測量其問題定義能力。二是科學學習的影響因素研究，從宏觀層次來看，主要有國家、社會、宗教以及時代背景，如基于《新一代科學教育標準》（NGSS）的科學學習、新冠肺炎背景下的科學學習等；在中觀層次上，體現為不同學段科學學習的特征、正式環境和非正式環境中的科學學習以及科學課程的變革；在微觀層次上主要體現為教學法的探索、新興手段與技術發展以及學生的經驗，其中建模與模型教學受到較多關注。

科學文化與社會問題是當前國際科學教育領域較為關注的內容，包括“文化、社會和性別問題”“環境教育和可持續發展”和“歷史、哲學和科學社會學”三個議題共146篇報告，涵蓋了宗教、種族、性別、環境科學、STEM身份認知、科學倫理等國際上引起廣泛關注的社會及文化問題，以及科學史、科學本質、科學教育學等相關主題的研究，從理論背景、文化歷史背景以及現實背景等方面入手開展研究，以期為科學教育開辟路徑。其中公平與包容是涉及最多的內容，旨在尋求超越人種、性別、種族等差異的包容性科學教育和科學態度。此外，社會性科學議題（socioscientific issues，SSI）也備受關注，因其注重政治、經濟、社會、價值、道德、倫理和情感等方面，能發展學生的思維與做決策的能力，已被國際科學教育界認為是科學教育的重要目標之一^［４］，相關研究主要涉及SSI教學實踐和SSI教育的價值。

科學教學類報告共140篇，涵蓋小學、中學和大學三個學段的科學教學。小學階段側重于科學教師的專業發展和科學教學策略，比較有代表性的是密歇根州立大學等三所學校的研究團隊提出的適應設計原則，基于此原則構建教師專業學習框架，促進科學教師的專業發展。中學階段更為關注如何培養學生的科學能力和傾向，通過設計教學法、課堂組織形式的革新與課堂整合等來發展學生的科學學習動機與創造力，如CTCA（culturo-techno-contextual approach）教學法在科學課堂中的有效性研究、設計女性友好型創新STEM課程以克服性別差異。大學階段重點在于學生科學素養的深層挖掘，如學生的批判性思維、科學認同、科學實踐與歸屬感、毅力與幸福感、21世紀技能等。

教師教育有關的報告共128篇，包括“職前科學教師教育”和“在職科學教師教育”，探討科學教師的專業化發展。一方面，注重教師的專業學習與發展，通過為教師創造學習空間和資源、加強教師的科學實踐、培養教師的跨學科整合能力等途徑，實現教師教學內容知識（PCK）、科學教學素養及自我效能感的提升。另一方面，對影響科學教師專業化發展的影響因素以及如何評估教師的科學素養等問題也做了深入討論，如針對職前科學教師開發的學習與情感自我反思問卷和STEM整合的自我效能感調查量表、對課堂視頻中教師的面部管理進行多模態分析等多種方式考察科學教師的專業發展。

教育革新類報告共108篇，反映教育領域內的革新與發展，從宏觀政策、中觀課程以及微觀技術三個層次展開?！罢?、改革和進步”既包含教育政策制定與實施，也涉及到教育領導者對科學教育發展的作用以及STEM教育的發展與進步?！罢n程、評價和評估”主要關注的是課程的開發、實施與評價，如課程基礎設施及教學材料的開發、疫情期間的協作課程設計、三維科學評估等研究，同時對教學效果和教師績效的評估也是關注的重點之一?！敖逃夹g”主要涉及數字多媒體技術在教學與研究中的使用和師生的計算思維與建模能力的發展，反映出信息化社會中數字技術的進步和對未來人才信息素養的要求。教育新技術取得了較多的進展，如開發眼睛追蹤系統和觸覺科學模擬等技術獲取學生科學感知和認知的反饋，再如澳大利亞和中國臺灣的研究團隊設計了第三空間學習——沉浸式虛擬現實（IVR），學生能夠在其中體驗、互動和學習。

3 聚焦國際科學教育研究熱點

對年會報告題目及摘要進行詞頻統計，選取前40個高頻詞生成熱點詞詞云圖（圖1）。這些高頻詞散落在各個議題中，反映出科學教育不同研究領域共同關注的研究熱點，通過對高頻詞深入分析把握國際科學教育研究的脈絡。

3.1 基于STEM的科學學習情境研究

當代科學教育關注學科知識與現實世界的有機聯系，注重在真實情景中引導學生運用知識解決實際問題。Science-Technology-Engineering-mathematics（STEM）倡導以一種跨學科的方式解決現實生活情境中的問題，其本身具有融合性和情境性的特點，旨在培養學生將所學知識進行情境化應用的能力，是實現科學教育目標的重要方式，因此基于STEM的科學學習情境（表2）成為國際科學教育研究的熱點。

科學學習中問題情境的設置一般要考慮兩個方面，一是注重科學知識的運用，二是貼近學生的現實生活，從而將科學概念與情境建立聯系，促使學生構建起科學知識體系。學生所處的環境必然受到多種因素的影響，其中環境（Environment）、文化（Culture）、社會（Society）、社區/共同體（Community）對學習情境的影響尤為關鍵。一方面，科學學習要基于學生賴以生存的文化、社會以及生態環境等背景來開展，讓學生設身處地思考并進行決策，相關的研究主題涉及環境的可持續發展、社會性科學議題、多元文化與文化差異下的科學教育、學生的社會身份及認同、科學教育的社會政治歷史背景等，如美國國家教育實驗中心一項為期五年的研究項目，研究美國土著如何通過基于社區和文化的STEM計劃來保持身份，以及屬于其遺產文化的認同感和歸屬感。另一方面，學生的周邊環境對其科學學習產生直接的影響，包括教學環境、社區和共同體，相關研究主題涉及正式與非正式學習環境、跨學科教學情境、實踐社區（cop）、生活社區、學習共同體等。

3.2 科學思維與認知、理解能力的培養研究

科學教育愈發強調更深層次的教學內容與教學目標，注重培養學生的高階思維，科學論證、科學推理、創造性思維等科學思維能力以及認知、理解能力的培養在國際科學教育領域受到廣泛關注（表3）。

科學思維由內容、方法和品質組成三維立體結構，是在研究和解決科學問題以及學習科學知識過程中順利地進行思維所應有的個性心理特征^［５］?？茖W思維（Thinking）研究包括計算思維、認知思維、跨學科思維、系統思維、批判性思維、創造性思維能力等。模型（Model）和概念（Concept）是科學知識結構的一部分，屬于科學思維的內容層面，研究涉及STEM模型、概念化模型、跨學科概念、工程概念、科學概念圖等主題?？茖W思維方法是學生在學習科學知識和運用科學知識解決問題的過程中的思維方式，主要包括分析（Analysis）、論證（Argument）、推理（Reasoning）和意義建構（Sensemaking），研究主題涉及反思性分析、分析論證、探究與論證、社會科學論證、非形式推理、空間思維建構等?？茖W思維品質是科學學習與運用過程中逐漸形成的一種智力特征，由深刻性、靈活性、獨創性、批判性與敏捷性5個方面構成^［６］。其中批判性（Critical）思維品質是最受關注的方面，涉及批判性思維、批判意識、批判性思考與反思、社會科學問題的批判性理解等研究主題，強調學生的探索意識和辯證能力，不斷重構自己的思想與觀點。

科學素養是科學教育的基本目標，也是國際科學教育研究與改革的基石，本屆年會中科學素養（Literacy）相關的研究涉及全球素養、工程素養、STEM素養、信息素養、計算思維素養、學科素養等主題?？茖W素養包含對科學原理和方法的理解、對科學術語和科學概念的理解以及認識并了解科學和技術對社會生活的影響等^［７］，認知、理解能力是形成正確的科學態度、養成科學興趣進而提升學生整體科學素養的基礎。認識的（Epistemic）和認知的（Cognitive）是認知能力相關的高頻詞，研究主題涵蓋了認識論信念、元認知意識、認知思維、認知策略、認知參與、工程學認知等方面，主要關注學生在學習科學知識和規律時信息提取與加工的能力。理解能力是學生基于已有的經驗積累和思維特征對客觀世界所做出的判斷，與其相關的高頻詞有理解（Understanding）、觀點（View）和想法（Idea），涉及概念性理解、對科學現象和本質的理解、可理解性、觀點的提出、學生觀點和想法的形成與轉變、表達看法的多樣性等主題。

3.3 科學探究與實踐能力的培養研究

科學教育的一個重要理念就是教學過程注重實踐，科學探究與實踐是科學學習的主要方式，科學探究與實踐能力也是科學素養的重要組成部分，加強學生的探究實踐已成為國際科學教育改革的共識（表4）。

實踐（Practice）是本次年會頻次最高的熱點詞，反映出科學教育的實踐導向?？茖W探究與實踐的內容和具體方式包括設計（Design）、工程（Engineering）、應用（Implementation）以及探究（Inquiry），研究主題涉及基于真實情境的工程實踐、科學與工程設計、科學建模、計算思維實踐、應用課程材料或論據、科學探究、科學探究教室、學科探究等。學生的體驗是科學探究與實踐的一個重要目標，也是學生產生探究興趣并持續開展科學探究活動的前提，經歷（Experience）和參與（Engagement）均強調學生的體驗，如科學課堂學習經歷、STEM教育經歷、認知與情感經歷、公民參與、社會參與、課堂參與度評估等方面?？茖W探究與實踐能力（Skill）包括問題解決能力、跨學科技能、自我調節學習能力、計算思維技能、科學推理技能、建模能力、實驗室技能等，這些能力既是實踐的基礎，同時也能夠在實踐活動中不斷深化發展，最終養成實踐品質。

3.4 日漸豐富的科學教學研究

國際科學教學研究除教學模式和教學設計的研究以外，對教學的影響因素研究逐漸增多，作為科學教學過程中不可或缺的構成要素之一，科學教師的“教”及其專業發展也受到了科學教育研究者的關注^［８］，見表5。

科學教學模式與教學設計主要圍繞教學模式與課程的設計、開發與實施過程展開研究，更加凸顯教學的整體性與課程的整合性（Integrate），如課程整合、知識整合、教學技術整合、課堂模塊整合、思維整合、教學資源整合。其中STEM課程、項目式學習（Project-based learning，PBL）受到較多關注，這兩類課程模式都是基于特定主題（Content）或案例（Case）開展教學活動，具有跨學科性和整合性的特征，是學生提升綜合能力和深化科學素養的有效教學實踐形態。如多元文化項目式學習（Multiple Literacies in Project-Based Learning，MLPBL）課程體系，通過學生在協作學習空間中的感官討論和社會融合，促進學生的科學感知和社會情感學習。

教學的影響因素是多方面的，而不同因素對教學的影響方式也呈現多樣化的特點，可以分為直接影響和間接影響兩大類，相關的高頻詞有影響（Influence、 Impact）和意義/影響（Implications）。直接影響是指直接對教學實踐產生影響，相關研究包括在線教學對教學效果的影響、學校環境與教學資源對科學教學的影響、教育技術對教學方式的改變、教學內容變化與教育政策對教學的影響等。間接影響是指通過對教師和學生的影響最終對教學效果產生作用，其中與教師相關的研究涉及培訓對職前教師專業發展的影響、教師教學信念發展、社會觀念下教師的職業認同等主題，與學生相關的研究涉及學生課堂體驗、教學法對學生學習內部動機的影響、學生STEM身份認知等主題。

科學教師的專業化水平是有效實施科學課程的關鍵，對教學效果起著至關重要的作用，與之相關的熱點詞有知識（Knowledge）、專業化（Professional）和方式/途徑（Approach）。知識是教師教學的根基也是教師專業發展的基礎，相關研究包括科學教師的專業知識如教學法知識、學科知識、教學內容知識，以及教師知識研究如知識整合、知識再生產、建模元知識等。教師專業化的表現形式和實現途徑相關的研究涉及教學管理方式、教學資源使用與整合、教師專業發展計劃/課程、協作專業學習社區等主題。教師對自我身份的認知及其自我效能感與教學質量密切相關，教育研究者普遍認為自我效能感是教師專業性的一個重要方面，并將其納入教師專業發展計劃^［９］。身份（Identity）、作用/角色（Role）、自我效能感（Self-efficacy）是科學教師自我認知和自我效能感相關的高頻詞，研究主要涉及教師專業身份、科學身份的建構、教師職業認同、教師在科學課堂中的角色定位、自我效能感的作用、科學教學自我效能感等主題。

4 啟示

4.1 加強科學教育研究國際化與本土化的交融

統計我國研究者在本屆年會中的參與情況發現，大陸學者參與的報告僅有7篇，臺灣學者參與的報告也只有13篇，這說明我國研究者對國際科學教育研究領域的熱點關注較少，也顯露出我國科學教育相關的研究成果在科學教育研究國際話語體系中聲量不足的問題。因此，我國科學教育研究者應拓展國際視野，積極參加相關領域國際權威會議開展國際交流，主動關注并跟進國際科學教育研究領域的主要方向和熱點議題，借鑒國外先進的研究工具和方法深化本土研究，基于我國國情進行扎實的實踐研究，提出本土化教育實踐研究案例，實現科學教育研究的本土化，不斷提高我國科學教育研究的水平和國際影響力。

4.2 由學科研究向科學教育研究演進

科學教育本質上是各學科深度融合滲透而形成的綜合性教育體系，將科學知識、科學精神、科學品質、過程與方法、社會建制等涵蓋其中，追求人文價值與科學價值的和諧統一。而我國科學教育的總體態勢是基于學科的，科學教育相關的研究也多為分學科研究，既導致科學知識體系的割裂也忽略了其中蘊含的人文價值，無法觸及科學以及科學教育的本質。因此我國應借鑒國際科學教育研究的經驗，推進由學科研究向科學教育研究演進，注重科學教育研究的整體性與融合性，開展跨學科合作研究，將人文成分蘊含其中，實現學科之間的深度融合以及人文與科學的有機統一。

4.3 勾畫以科學素養為核心的科學教育研究圖景

科學素養是科學教育的基本目標和根本價值追求，科學學習研究、科學教學研究、教師發展研究等歸根結底都是為了發展學生的科學素養，當前國際科學教育研究的話題領域和熱點共同勾畫出以科學素養為核心的科學教育研究圖景，值得我國科學教育研究者重點關注。

隨著時代變遷和科技發展科學素養的內涵不斷被重構，實踐性、跨學科性、批判性、創新性、信息化等特征日益凸顯，其核心成分包括科學探究、科學思維、科學認知與理解以及科學態度與責任，深刻反映出科學后備人才培養的要求與趨勢。對此，我國應在理論研究和實踐研究上共同發力，深化科學素養相關的研究。一方面基于國際發展態勢和我國戰略需求構建科學素養內涵與結構體系，如與理科新課標中核心素養相結合，明晰人才培養的核心與重點。另一方面要推進科學教學研究與實踐，積極探索科學素養的培養路徑，科學課程開發、教學模式建構、教學策略選擇、教育技術革新和教師專業發展等方面的研究均要以學生科學素養培養為出發點，突出學生的主體地位，為切實提高學生科學素養奠定研究基礎。

參考文獻：

［1］劉晟，楊文源，劉恩山. 國際科學教育研究趨勢： 基于R的可視化分析［J］. 外國中小學教育，2019，（5）： 26～34.

［2］National Association for Research in Science Teaching. 2022 Annual International Conference ［EB/OL］. https：//narst.org/conferences/2022Vannual-conference. （2022102）.

［3］王穎純，岳磊，康在龍，薛山. 基于詞頻統計分析方法的SaaS國內研究熱點分析［J］. 情報雜志，2012，31（7）： 44～48.

［4］蔡鐵權. 科學教育中的SSI教學［J］. 全球教育展望，2009，38（10）： 82～85.

［5］胡衛平，林崇德. 青少年的科學思維能力研究［J］. 教育研究，2003，（12）： 19～23.

［6］代進玲，劉艷. 中學生地理思維批判性品質影響因素研究［J］. 地理教學，2022，（19）： 15～18+23.

［7］胡詠梅，楊素紅，盧珂. 青少年科學素養測評工具研發及質量分析［J］. 教育學術月刊，2012，（3）： 16～21.

［8］葉劍強，徐克. 國際科學教學研究的主題領域與熱點演進——以Journal of Research in Science Teaching為例［J］. 化學教學，2020，（8）： 12～18.

［9］Holzberger D，Philipp A，Kunter M. How Teachers' Self-Efficacy is Related to Instructional Quality： A Longitudinal Analysis ［J］. Journal of Educational Psychology，2013，105（3）： 774～786.