提升数字STEM教育中的专业发展：跨学科的成功因素与障碍

《Frontiers in Psychology》：Enhancing professional development in digital STEM education: cross-disciplinary success factors and barriers

数字化教师培训与学生实验室结合的成功因素与障碍分析。采用设计型研究方法，通过线上讨论、访谈和观察，评估了8个STEM学生实验室中的数字化培训项目。研究发现技术支持、课程匹配、灵活形式、实践导向、同行支持及结构反思是成功关键，而技术/组织障碍和教师数字能力差异构成主要障碍，建议未来结合多视角评估和纵向研究优化实施策略。

　　数字技术在教学中的不断融合为科学教育带来了新的机遇，特别是在提升教学互动性、灵活性和以学生为中心的教学方法方面。然而，要实现这些机遇，教师必须具备相应的专业素养和积极的信念，以有效地将数字媒体融入教学实践中。因此，提供高质量的专业发展（PD）项目成为关键。这些项目不仅为教师提供实践性培训，还能增强他们的自我效能感，并支持以学生为中心的教学策略，包括对数字媒体的反思性使用。本研究中的“LFB-Labs-digital”项目，由德国教育部资助，旨在通过基于设计的研究方法，分析在不同学科中开展的以学生实验室为基础的PD项目的关键成功因素和障碍。

在科学教育领域，数字工具的使用不仅改变了知识的获取方式，也重塑了知识的构建与应用过程。例如，数字模拟、数据分析软件、虚拟实验室和协作平台等，为科学教师提供了强大的支持，帮助他们实现以探究为基础的教学活动，并将抽象概念可视化，同时将科学内容与现实世界现象相联系。然而，这些技术的成功应用并不自动发生，它需要教师有意识地进行教学实践。教师在这一过程中扮演着至关重要的角色，他们不仅是数字工具的使用者，更是学生数字素养发展的推动者和引导者。教师需要具备将数字资源与教学目标和科学知识相结合的能力，同时能够帮助学生在数字环境中进行批判性思考和有效学习。

因此，像他们的学生一样，教师也需要具备数字工具的使用能力和积极的态度。这包括对数字技术如何促进教学和学习过程的深刻理解。已有研究指出，教师的自我效能感对他们在课堂中使用数字工具的频率和效果有重要影响。因此，高质量的PD项目不仅有助于提升教师的数字素养，还对他们的教学实践产生深远影响。然而，尽管近年来对数字相关PD的需求显著增加，如何设计出既有效又可持续的PD项目仍然是一个亟待解决的问题。

基于此，本研究聚焦于八个德国STEM领域（科学、技术、工程、数学）学生实验室中的PD项目，其中七个位于比勒费尔德大学，一个由博物馆运营。这些项目是在“LFB-Labs-digital”研究与开发项目中设计和实施的，旨在探索如何在学生实验室这一特殊环境中，实现数字相关PD的系统化发展。研究采用定性分析方法，收集了PD协调员的反馈、访谈和观察记录，以全面评估这些PD项目的设计与实施情况。

研究发现，这些PD项目在多个方面体现了有效的PD特征，如内容聚焦、实践活动、反馈与反思等。然而，PD协调员在描述其项目时，往往报告的活动数量少于实际观察到的实施情况。这表明，PD项目的实际效果可能比协调员的自我评价更为显著。例如，尽管一些协调员未明确提到内容聚焦的重要性，但观察结果却显示，所有PD项目都体现了这一特征。此外，研究还发现，PD项目的实施形式在不同项目之间存在差异，有的项目更侧重于特定学科，有的则专注于某一数字工具的应用。这种多样性使得PD项目能够更灵活地适应不同教师的需求。

研究还识别出多个关键成功因素，包括技术支持、课程对齐、灵活的格式、实践导向、同行支持和结构化的反思机会。这些因素不仅有助于PD项目的实施，也对教师在教学中有效应用数字工具至关重要。同时，研究也揭示了若干实施障碍，如技术与组织上的限制，以及教师之间数字素养的差异。这些障碍往往影响PD项目的实际效果，例如，教师可能因时间安排或学校政策而难以参与PD活动，或者在使用某些数字工具时遇到技术问题。

值得注意的是，研究强调了PD项目的灵活性和适应性。尽管多阶段PD通常被认为更有效，但部分教师由于时间限制，只能参与单次活动。因此，PD项目的持续时间和形式需要根据教师的实际需求进行调整。此外，数字环境下的PD项目往往需要更多的技术支持，例如提供浏览器版本作为替代应用程序的方案，以解决学校数字基础设施不足的问题。这种技术支持不仅有助于PD的实施，也为教师在教学中使用数字工具提供了保障。

研究还指出，PD项目的设计应考虑教师的数字素养差异，特别是在基础教育领域，教师在数字技术方面的参与率相对较低。因此，PD项目需要采用低门槛的入门方式，确保所有教师都能从中受益。同时，教师的数字素养不仅影响他们的教学实践，还可能影响学生的学习体验。例如，PD项目中未能充分考虑学生视角，可能成为实施过程中的障碍。因此，提供教师与学生共同参与PD活动的机会，可能是解决这一问题的有效途径。

此外，研究还发现，PD项目的实施效果受到多种因素的影响，包括学校结构、同事支持和机构政策。这些因素可能在一定程度上促进或阻碍PD内容的实施和转化。因此，未来的研究应进一步探讨这些因素如何影响PD项目的长期效果，以及教师如何在不同教学环境中持续发展其数字素养。

综上所述，数字相关PD项目在学生实验室中展现出一定的潜力，能够通过实践性学习提升教师的数字能力。然而，要实现这一目标，需要在项目设计中充分考虑技术、组织和教师素养等多方面因素，并通过灵活的实施方式和持续的支持机制，确保PD内容的有效转化和长期应用。未来的研究应进一步探索这些PD项目的可持续性，以及如何在不同教育背景下推广和优化数字素养的培养。