美國好萊塢STEM學校課堂掠影

鄭笑歌

2017年，筆者赴美交流學習，印象最深刻的是好萊塢STEM學校。這所學校位于加州洛杉磯市中心，站在教學樓上，透過窗戶一眼可以望到好萊塢山上巨大的“HOLLYWOOD”標志。這所學校的英文名稱為STEM Academy of Hollywood，也可以稱之為“好萊塢STEM學院”，但它本質上就是一所類似我國職業高中的中學，年級分為九年級到十二年級，是美國為數不多的一所專門的STEM試點學校。

兩年前，該校從一所普通中學校獨立出來，同時獨立出來的還有一所初中和一所高中，目前三所學校在原校址共用一棟教學樓，其中三樓是初中，五樓是高中，四樓就是這所STEM學校。三校共用食堂、操場、休息室及一些其他公用設施。學校主要有兩大專業——藥學和工程學，其中工程學專業的學生男女比例約為5：1。該校絕大部分學生在十二年級時會選擇實習，畢業后會直接就業，只有很少的學生會準備讀大學，目前每年能夠考入州立大學的學生不到10名。

學校實行走班制，學生自主選課，因此每個班上課的人數都不一樣，有些教室中的學生可能會超過40名，而有些教室中只有10名左右。學校的課程分為必修課和選修課，選修課如AP（Advanced Plalement）課程，即美國大學預修課程，因此不同年級的學生也可能會在同一個教室學習相同的課程。教室中的座位以便于小組合作的方式安排。有些教師在某個時間段只教一門課程，也有的教師會同時教多門課程，比如407教室中的同一位教師，上午教物理課，下午教與環境科學有關的AP課程。以下將通過一些典型課堂的介紹展示這所學校的教學特點。

一、工程課

九年級學生剛進入高中，工程課的內容比較基礎。如在一節工程入門課上，教師先讓學生介紹一些家用電器或家具，學生以小組為單位，將本組查閱并整理的資料制作成幻燈片進行展示。有的小組講的是電視，內容包括誰發明了電視，哪些人群會使用電視，電視有什么作用。也有其他小組同樣介紹電視，但切入角度是電視的原理，即顯像管的原理。還有的學生講解了防彈玻璃、游戲系統等。

在十年級的一節機械工程課上，學生正在分小組向大家演示自己制作的“起重機”，并用PPT文件展示起重機的原理、構造以及設計圖。“起重機”的制作材料由教師統一提供，包括一些鋼板、角鋼、繩子，還有一些機械標準件如滑輪、螺絲等。學生在制作時，需要根據設計草圖對材料進行拼接、裁切或彎折，再用螺絲固定，最終搭建出一個起重機模型。每個小組的設計各不相同，在展示階段，小組成員也會全體參與，每個人分別介紹自己在組內負責的那部分工作。所有這些成果都是在教室里完成的，如果學生在周末或課下時間想要繼續制作，教師也會留在教室里，以便在學生需要時提供幫助。學生每學期會完成七八個這種類似的設計，最終會設計出一個電動的機械“產品”，并要求具備多種功能。如“起重機”就要求既可以起重，又可以挖掘、搬運等。學生會在動手制作之前進行測量和計算，包括輪半徑和軸半徑、杠桿的力臂等，以判斷該機械是省力機械還是費力機械，并為了達到理想的起重效果而不斷調整或重新組裝。很多學生作品不僅實用，且外形美觀，比例協調（見圖1）。演示結束后，學生會與自己的作品合影，保存好相關資料，然后拆除作品，因為其中的很多材料以后還可以重復利用。

二、數學課

在一次十二年級的數學課上，碰巧10點鐘以后安排的都是AP課程，這個學期的AP課程有三門——微積分1、微積分2和數據統計。學校通常建議學生在十一年級以后開始選修AP課程，但如果學生具備足夠的知識儲備，也可以在更低年級開始選修。美國學生如果在高中階段通過了AP課程的考試，進入大學后，就可免修相應課程（在大學里，每修一門課都要收取相應的費用）。但是，學生是否能被大學錄取與其是否通過AP課程考試無關，AP課程的學分只有在被大學錄取之后才生效。

在十二年級的一節數據統計課上，講的是如何計算樣本整體標準差與樣本標準差。這節課只要求學生掌握如何應用公式，不需要進行公式推導，公式推導由學生在課下完成。教師用PPT投影輔助板書進行授課，相比于大學課堂，講得更慢、更細致。教師把求樣本標準差的過程分為4步，每一步都有例子和文字說明，呈現在板書上幫助學生理解并作為提示（見圖2）。此后，教師提供了一個約20個數據組成的樣本，學生用計算器計算樣本的標準差，練習公式的應用及運算步驟。課堂節奏不緊不慢，目的是給學生留出足夠長的理解和練習的時間，同時也要使教學有效率。

在一節微積分2的課堂上，只有10個學生選修，但每個學生聽課都很認真，也沒有表現出吃力的樣子?？梢钥闯?，學生根據自己的優勢、興趣以及對未來的考慮自主選修課程，有利于調動他們學習的主動性，并保證學習的效率。

三、物理課

在一節物理課上，教學內容是關于彈性碰撞與非彈性碰撞。此前，學生已經對動量的概念以及各變量之間的關系有了初步了解。上課后，教師拿出兩個小車，讓學生檢測兩個小車的質量（質量相等）。兩個小車上都帶有磁鐵，每個小車的尾部與另一個小車的頭部磁極相同，這樣，當兩車靠近時，就會相互排斥，即能夠發生無能量損失的彈性“碰撞”。教師首先給學生演示：當相同質量的一個小車以某一速度靠近另一個靜止的小車時，在“撞”上靜止小車的瞬間會停止運動，同時靜止的小車將“接力”第一輛小車，以相同的速度繼續向前運動。當第一輛小車的速度加大時，第二輛小車的速度也會變大。接著，師生又對改變質量后的小車進行了實驗。在相同條件下，給第一輛小車加載重物改變其總質量（如使小車載重后的質量變為原來的兩倍），重復第一次的實驗操作，結果發現兩個小車“碰撞”后，第一個小車并沒有靜止，依然朝著同方向運動，而第二個小車則以更快的速度同向運動，即初速度不變時，質量越大，動量越大。師生通過這個實驗，驗證了動量與質量和速度都是正比例的關系，又根據量綱和相關公式推導出動量的公式（即P=mv）。接下來，教師請學生分組，獨立完成非彈性碰撞的實驗。這次學生們使用的是帶有尼龍貼布的小車，當兩個小車碰到一起的時候，車頭與車尾會粘在一起。學生將自主探究非彈性碰撞下的動量關系，并在工作單上記錄實驗過程，回答相關問題（見圖3）。

在一節關于“動量與沖量”的物理課上，授課對象是十一年級和部分十二年級的學生。教師帶領學生簡單復習了有關動量的知識后，就分發了任務單，要求學生用教師提供的材料制作一個“頭盔”，模擬當人從高處跌落時，保護其頭部（用生雞蛋代替）不受傷害。教師提供的實驗材料包括：紙杯一個、吸管若干、餐巾紙若干、化妝棉若干、棉花一團、一次性番茄醬杯一個、橡皮筋、膠條、雪糕棒、密封袋、一顆雞蛋。教師確認學生理解了任務和規則后，讓學生兩人一組制作“頭盔”，并對“頭盔”進行各種防震處理，制作時間為5分鐘。各組學生為雞蛋戴好“頭盔”后，先稱重，再到有高度標識的墻邊進行檢測。學生將從某個高度釋放戴著“頭盔”的雞蛋，其中一名小組成員進行記錄。在雞蛋落地后，要拆開減震裝置檢查其是否破裂，如果破裂，則活動失敗，游戲結束;如果沒破，可在休整之后挑戰新的落地高度（見圖4）。在評價標準中明確指出，“頭盔”所使用的材料越少、雞蛋從高處無損傷落地的距離越大，則證明“頭盔”性能越好。

學生不僅在活動中學會了物理知識，也經歷了緊張刺激的情緒體驗：要松開雞蛋時充滿了忐忑到雞蛋落地后拆開檢查時的緊張，發現雞蛋完好時的驚喜或發現雞蛋摔壞時的遺憾，以及重新封好加固時的認真……整個過程中笑聲和叫聲不斷。這樣的課堂看似效率比較低、知識密度小，但是學生非常投入，STEM活動給學生帶來了很多樂趣。這種課程的價值不在于學到多少物理知識，而在于使學生更深刻地理解物理學原理，并提高利用物理學甚至綜合其他學科知識來解決問題的能力。