在美国，改进科学教育的呼吁，例如提高面向所有孩子的标准、专注于课程等，一直高涨。新一代《科学教育标准》坚持这样一种科学教育观，即强调学生主动参与到真正的科学问题中，一种“少而精”的努力，一种让科学吸引所有学生的教学方法，其中最重要的是科学实践，以及学生学习核心学科概念和主动参与科研实践的融合。而且，在这套新的科学教学观念中，自始至终都融入了对工程学习越来越多的强调。帮助目前的教师掌握知识、技能以及满足这些新的标准，是一项令人畏惧的事业，需要大规模、高质量，以及适应各种情境的专业发展。

 

　　美国教师拥有许多宝贵的专业发展机会，包括暑期讲习会、辅导、指导、学校专业学习社区、跟科学家做研究，以及向教师介绍新教材的“工作坊”项目。教师们一起学习，开展调查、读文献、学习新技术、熟悉多媒体的教学环境、研读教学案例。这些专业发展项目有不同的目标：一般来说，很多专业发展关注的是丰富教师的知识，包括新的课程和教学材料、教育学知识，或是教给他们如何进行科学调查。美国的专业发展体系是一种选择的狂欢。

 

　　精心设计的研究，采用了许多学科的方法，从民族志研究到随机对照试验，已经开始为如何造就有效的专业发展带来了启示，其五个一般特性包括：（1）专注于特定内容；（2）吸引教师们主动学习；（3）促使教师和管理者们集体参与；（4）与学校其他政策和实践相匹配；（5）足够持续的强度和联络时间。

 

　　研究者们还提出了有效专业发展的五种方式：（1）活动接近实际；（2）考虑到参与者的生理和心理舒适度；（3）教师们沉浸在探究中，目睹探究教学的范例；（4）课程教材对教师和学生具有教育性；（5）教师从创新性教材所列出的教学法中得到直接的指导。

 

　　最近，有人通过严密的研究来测试这些“最好的实践”。文献显示，美国教育部资助了两项检查数学和读写专业发展效果的试验。其中一个试验探讨了两项可测的专业发展干预措施的影响：（1）注重内容的教师系列讲习会，从暑期开始一直持续到学年结束；（2）同样的系列讲习会加上校内辅导。该项目的研究样本包括6个学区90所学校的270名老师，在每个学区随机抽取了数量相等的学校，其中一个作为控制组，只参加普通的学区专业发展。参加试验的学校的教师，明显比控制组学校的教师在知识测试中得分更高；参加试验的学校的教师还更经常地使用显性教学法。然而，两组专业发展的干预措施都没有带来明显更高的学生考试成绩，而且通过辅导也没有带来额外的专业发展提高。一年后，对教师或学生成绩就没有任何重大的深远影响了。一项数学教师的专业发展研究，也发现了类似的结果。

 

　　很多实验研究都关注专门的科学专业发展。研究者在6个州39个学区设计了随机实验，比较了三种系统变化的教师干预措施，它们也是常见的专业发展形式――案例教学、观察学生作品，以及对教师和学生科学知识的元认知分析。参与试验的学区必须声誉良好而稳定，并在科学教育上很卓越；270名小学教师和7 000名学生参与了这项研究。每个干预措施涉及了十四周的电子线路课程，每堂课三个小时。对学生和教师从前测到后测，都采用了分层线性模型进行拟合，从而算出成绩。用一些相互独立的模型分析了教师和学生的学习成果。研究者发现每个专业发展课程都显著提高了教师和学生的科学测试成绩，而且这种效果一年后依然还在。然而，只有那些涉及教师检查学生的思考，并考虑了教学影响的专业发展，才与教师和学生的科学知识增长有关。

 

　　在科学教师课程分析学习(STeLLA)项目中，教师参与了涉及使用视频案例分析实践的专业发展。两组小学教师参加了为期三周的旨在提高内容知识的专业发展暑期讲习会。科学教师课程分析学习组（有32名参与者）也在暑期讲习会和整个学年中分析了视频案例。16名教师只参与了专注于内容的暑期讲习会。这个项目极大提高了教师的内容知识和他们分析科学教育的能力。科学教师课程分析学习组老师的学生也显示出科学知识上有更高的收获。参加控制组的教师，则只有暑期讲习会在夏季过去后立即显示出在内容知识上有初始的进步，但是一个学年下来则不能维持那些进步。

 

　　在另一项研究中，研究者在一个很大的城市学区对三个专业发展项目进行了一项功效研究：调查地球科学、设计地球科学，以及混合前面两者。教师们体验了两个维度的四种不同状况：（1）教师是否体验了一种在选择相关课程教材上提供指导，并包括调查为导向的教学法的专业发展；（2）教师是否接受了一种在教学实践中包括直接指导的专业发展。研究者发现，在教学实践中包括了直接指导的专业发展能增加学生的地球科学知识，但是对于帮助教师选择与标准完全一致并且包括以调查为导向的活动的课程，将带来学生学习的提高这一主张，则存在混合的结果。

 

　　尽管有越来越多的研究考察了上面所提到的五种专业发展的特点的有效性，但是证据依然是参差不齐的，而且我们缺乏清晰的方向。为什么实证基础是参差不齐的？如果没有一种课程适合不同老师，显然也就没有一种课程适合不同情境：资源、学生、领导力和教师知识共同影响一项干预措施的实施。即使干预措施的实施是高保真的，学校还是很容易受到研究者控制之外力量的影响。学区领导力不稳固，新的课程和评估又来了，政策有改变，资源被切断了。这些因素惹恼了尽量要控制这些变化的研究者。

 

　　导致参差不齐的研究基础的另一个原因是我们缺乏测量教师课堂知识的一种很好的方法，以及对学生们体现在新一代《科学教育标准》中的理解力的匹配测量。目前，已有的对学生学习的测量大部分聚焦于对科学事实的掌握，而不评估学生的概念理解或是他们参与科学实践的能力，而这些正是许多专业发展的焦点。

 

　　第三个问题是许多专业发展并不指定教师能掌握的具体教学实践，也没有给教师重复性实践和反思所需的时间和结构。取而代之，教师学习了一般的教学法，然后把那些观点带回到课堂，在那里他们可能（或是不可能）尝试实施这些方法。在一项研究中，研究者发现两个关注科学调查的专业发展项目，导致了教师实践的变化，但是实验影响与教师面对的科学调查的特点是最一致的。两个专业发展项目都强调质疑和收集证据，但是没有一个努力能够一致地让教师体验到另一个清晰明确的调查特点，比如简洁陈述解释、合理化解释，把那些解释和科学知识联系起来。最麻烦的是，研究者发现在第一年学习的时候，一个项目中的学生比控制组的学生的标准化测试的成绩更低。研究者假设，学习提出科学问题，然后收集证据而不用把那些活动联系到科学解释和概念上，这可能会使学生和老师比以前更困惑了。一个替代性的解释可能是，不能清晰地阐明教学制度各个不同方面细节的专业发展，并为重复性实践提供足够的有重点的反馈的机会――其有效性将会降低。而且，研究者缺乏解释教师学习潜在机制的一种清晰的理论。例如，研究者认为教师们增长的内容知识带来了更好的自我效能。反过来，这种增长的自我效能导致了更高水平的持久性。因此，那些增加他们内容知识的教师也增加了他们的自信，随着教师学习以不同的基本方法开展教育，这也会带来更多的动力和坚持。前文列出的五个一般特点――持续性、主动学习、集体参与、一致性和内容聚焦――是设计特点，但是未来的研究将需要探索如何让这些特点一起发挥作用，从而促进教师学习。使用如上的例子，聚焦内容是否会带来更大的教师自信心，从而反过来导致更主动的参与，以最终获得更好的学生成绩？

 

　　我们明确地需要关于教师学习的一个更为复杂的观点，这一观点将职业学习视为一种更动态和迭代的，把教师在课堂上的教学实践和集体反思，与获取锁定真正科学问题的新知识的正式机会关联到一起。教师学习的范例，也应该能解释学校的领导力、文化、课程、评估和专业发展的内在一致性，因为教师是在组织内部学习的，组织从根本上形成了他们对实践的兴趣以及从实践中学习的能力。

 

　　尽管研究者已经找到了几个有效的专业发展的特点，但是严谨的研究者还需要为这些特点提供决定性的支持。问题包括缺乏一种很好的测量和对教师学习机制的一种很强的理论理解。

 

　　我们还需要理解专业发展是如何融入教育系统这个更大的生态环境中去的。也许，对专业发展的最好理解是它筑巢于一个包括了学校（有着它们自己的文化和规范）、学区（有着它们自己的领导力和能力）、学生及其家庭（有着他们的背景和期望）、教师（有着他们自己的知识和经验）、课程材料和其他资源的环境中。这种观点促使改革者能采用一种系统方法进行改进，考虑了领导力、课程和评估、专业发展、组织基础设施、人力和社会资本的教育改革项目。对学校变化的一项长期研究中，一个研究团队找到了对学校变化的五点支持：（1）领导力（校长具有战略眼光，专注于教学，具有包容性）；（2）职业能力（师资质量、他们对改革的信念、协同工作的能力，以及正在进行的专业发展的质量）；（3）家长-社区的纽带（学校欢迎家长并且与当地机构有很密切的联系）；（4）以学生为中心的学习环境（学校是安全的，滋养人、激励人、欢迎人的）；（5）教学指导（课程有体系、学术严谨、具有教师须进一步学习的工具）。研究者发现这些支持的真正价值是它们的组合力量：在其中三到五个支持中有优势的学校显示出更大的学习进步（正如在数学和阅读中所测量到的）。

 

　　采取系统观点的改革项目对那些想获得关于促进学生学习的特定成分贡献的想法，提出了挑战。除其他因素外，教师的知识和洞察力、行政支持、专业发展和可获取的资源，是与学生的调查经验、教师的合作、技术的使用，以及教育体系的其他方面纠缠在一起的。几乎不可能把专业发展对学生学习的影响孤立出来。

 

　　扩大到对370万师资的专业发展的有效性，将需要更多的研究。我们面临几个迫近的挑战：让教育者准备好教授新一代《科学教育标准》，满足英语学习者（ELLs）的需要，利用新的通信技术产生一种有质量的在线科学专业发展，它不仅是有效的，而且是广泛可获取的。

 

　　新一代《科学教育标准》提出了一种科学教学的观点，与美国课堂的标准教学不同。由此及彼将需要投入大量的资源：这里描述的研究需要开发大量的高度专门化的教学材料和工具来支持教师和学生使用这些教材，而且，这项研究使正在进行的对学习和反馈、广泛的专业发展的评估生效。响应新一代《科学教育标准》，将需要发展许多这样的资源，而且这种创新将需要一个协同的研究体系，来实证地记录有效的教学的质量证明、有效的教材的质量和高质量的专业发展的动力学。尽管在这个国家可获取的专业发展的队伍是非凡的，但是我们承受不起进行如此广阔的实验，而不从中学习，以便我们更好地把花在专业发展上的资源（估计每年花费10亿美元到40亿美元）与教师在课堂上面临的要求匹配到一起。

 

　　对科学教师的有效的专业发展的严格研究是一个逐渐积累的过程，但是我们需要一个更强的理论基础，能反应出教师工作和学习所处的复杂生态环境。我们还需要更好的测量和干预措施，能更专门地满足特定的教师需求。要找到使一些专业发展项目比其他项目更有效的潜在机制。

 

　　新一代《科学教育标准》指出了一种在美国教授科学的全新方式。它需要投入大量的资源来开发合适的教材以及支持师生使用那些教材的工具。我们必须重新匹配我们投入专业发展的大量资源与教师在新一代《科学教育标准》的课堂上将要面临的要求，我们承受不起如此广泛的实验而不资助要求从中学习的研究。要找到一种专业发展使教师准备好迎接新一代《科学教育标准》的挑战。

 

　　在线专业发展在提供及时帮助上很有潜力，而且它比依靠有限的本地资源的专业发展更具有扩展的潜力。迄今为止，罕有研究能帮助我们理解这些新的专业发展渠道的承受力和局限性。要利用新技术和社会化媒体让所有教师都能获得高质量的科学专业发展。

 

　　我们尤其不能承受的是实验的高昂代价，因为美国人口统计图谱在不断变动。我们的学生至少有21%是英语学习者，帮助他们学习科学是一个让所有K-12年级的科学教师都倍感压力的问题。在2009年美国教育进展评估中，只有2%的八年级英语学习者达到或超过熟练水平，而相比之下，说英语的学生中则有32%达到或超过熟练水平。只有12%的授课教师报告说他们在教授英语学习者方面接受过培训。给英语学习者教授科学的教师接受过专业发展的百分比很可能更低。

 

　　最近的研究通过提供整合了学习科学和读写的专业发展，开始了对这个挑战的探索。一项措施聚焦于推动来自不同语言和文化背景的学生对科学调查的学习。这个干预措施涉及了面向三年级（测量和物质）和四年级（水循环和天气）的教学单元。一年来，教师们参加了全天的专题讨论会，内容涵盖了科学探究、支架式教学、教师指导与学生主动性的平衡。教师制定教学单元计划、展示课程并分享观点。其他的专题讨论会主题还包括将学生的家乡话和乡土文化融入到教学中，还有把语言和文化融入到科学中。一个大城市学区的6所小学的7位教师参加了一项田野调查，调查专业发展对于学生对科学理解的影响。研究者从前测和后测记录到了学生对科学理解的显著增长。在另一个项目中，研究者发现，当教师们参加一个为了提供课程材料并且改进教学实践的专业发展而设计的为期三年的项目时，从三年级到五年级的科学成绩分数显著提升了，而在人口子组，三年级、五年级学生的成绩差距也持续下降，四年级的学生中这种差距则保持稳定。其他研究者报告了一项关于针对英语学习者和社会经济地位较低的非英语学习者的科学干预措施的准实验研究结果，发现参加试验课堂的学生明显显示出在科学和阅读的学区基准测试上取得了更高的成绩，在州阅读测试上也是如此，而在州科学测试上却不是。

 

　　另一个挑战关系到高质量的专业发展的可获取性。在最近的一项调查中，大多数科学教师报告说，一般的专业发展比专门的科学专业发展为他们提供了更多的机会。在这种情况下，新技术可能大有前景。在线专业发展比依赖有限的本地资源的专业发展在提供“及时帮助”上更具潜力，而且更具扩展的潜力。除了这些课程之外，其他新出现的环境――例如参与者在虚拟世界中可以扮演一个角色的多用户虚拟环境，增强现实，使参与者在他们自己的现实世界的情境中与一个虚拟情境互动，还有把全国各地的教师连在一起的社会化网络，也在增加教师获得相关的高质量的科学专业发展和材料方面具有前景。至今，还没有足够的研究帮助我们理解这些专业发展渠道的承受力和局限性。

 

　　总而言之，针对科学教师的有效的专业发展的严谨研究正在逐步积累，但是我们需要一个更强的理论基础，能反映出教师工作和学习的复杂生态环境。我们还需要高度专门化的更好的测量和干预措施。尽管有些人可能希望有一颗银色子弹，有一场导致根本性变化的教育改革，比如体现在新一代《科学教育标准》中的改革需要时间（改变教师的教学实践需要几年的时间），改革的努力还需要在基础设施方面的投入（领导力、教师网络和规划时间）和组织上的一致性，这种一致性可以鼓励老师冒险学习新内容，鼓励家长支持新标准，鼓励学生表现出获得科学素养所需的坚持不懈和好奇心。