美国好莱坞STEM学校课堂掠影

郑笑歌

2017年，笔者赴美交流学习，印象最深刻的是好莱坞STEM学校。这所学校位于加州洛杉矶市中心，站在教学楼上，透过窗户一眼可以望到好莱坞山上巨大的“HOLLYWOOD”标志。这所学校的英文名称为STEM Academy of Hollywood，也可以称之为“好莱坞STEM学院”，但它本质上就是一所类似我国职业高中的中学，年级分为九年级到十二年级，是美国为数不多的一所专门的STEM试点学校。

两年前，该校从一所普通中学校独立出来，同时独立出来的还有一所初中和一所高中，目前三所学校在原校址共用一栋教学楼，其中三楼是初中，五楼是高中，四楼就是这所STEM学校。三校共用食堂、操场、休息室及一些其他公用设施。学校主要有两大专业——药学和工程学，其中工程学专业的学生男女比例约为5：1。该校绝大部分学生在十二年级时会选择实习，毕业后会直接就业，只有很少的学生会准备读大学，目前每年能够考入州立大学的学生不到10名。

学校实行走班制，学生自主选课，因此每个班上课的人数都不一样，有些教室中的学生可能会超过40名，而有些教室中只有10名左右。学校的课程分为必修课和选修课，选修课如AP（Advanced Plalement）课程，即美国大学预修课程，因此不同年级的学生也可能会在同一个教室学习相同的课程。教室中的座位以便于小组合作的方式安排。有些教师在某个时间段只教一门课程，也有的教师会同时教多门课程，比如407教室中的同一位教师，上午教物理课，下午教与环境科学有关的AP课程。以下将通过一些典型课堂的介绍展示这所学校的教学特点。

一、工程课

九年级学生刚进入高中，工程课的内容比较基础。如在一节工程入门课上，教师先让学生介绍一些家用电器或家具，学生以小组为单位，将本组查阅并整理的资料制作成幻灯片进行展示。有的小组讲的是电视，内容包括谁发明了电视，哪些人群会使用电视，电视有什么作用。也有其他小组同样介绍电视，但切入角度是电视的原理，即显像管的原理。还有的学生讲解了防弹玻璃、游戏系统等。

在十年级的一节机械工程课上，学生正在分小组向大家演示自己制作的“起重机”，并用PPT文件展示起重机的原理、构造以及设计图。“起重机”的制作材料由教师统一提供，包括一些钢板、角钢、绳子，还有一些机械标准件如滑轮、螺丝等。学生在制作时，需要根据设计草图对材料进行拼接、裁切或弯折，再用螺丝固定，最终搭建出一个起重机模型。每个小组的设计各不相同，在展示阶段，小组成员也会全体参与，每个人分别介绍自己在组内负责的那部分工作。所有这些成果都是在教室里完成的，如果学生在周末或课下时间想要继续制作，教师也会留在教室里，以便在学生需要时提供帮助。学生每学期会完成七八个这种类似的设计，最终会设计出一个电动的机械“产品”，并要求具备多种功能。如“起重机”就要求既可以起重，又可以挖掘、搬运等。学生会在动手制作之前进行测量和计算，包括轮半径和轴半径、杠杆的力臂等，以判断该机械是省力机械还是费力机械，并为了达到理想的起重效果而不断调整或重新组装。很多学生作品不仅实用，且外形美观，比例协调（见图1）。演示结束后，学生会与自己的作品合影，保存好相关资料，然后拆除作品，因为其中的很多材料以后还可以重复利用。

二、数学课

在一次十二年级的数学课上，碰巧10点钟以后安排的都是AP课程，这个学期的AP课程有三门——微积分1、微积分2和数据统计。学校通常建议学生在十一年级以后开始选修AP课程，但如果学生具备足够的知识储备，也可以在更低年级开始选修。美国学生如果在高中阶段通过了AP课程的考试，进入大学后，就可免修相应课程（在大学里，每修一门课都要收取相应的费用）。但是，学生是否能被大学录取与其是否通过AP课程考试无关，AP课程的学分只有在被大学录取之后才生效。

在十二年级的一节数据统计课上，讲的是如何计算样本整体标准差与样本标准差。这节课只要求学生掌握如何应用公式，不需要进行公式推导，公式推导由学生在课下完成。教师用PPT投影辅助板书进行授课，相比于大学课堂，讲得更慢、更细致。教师把求样本标准差的过程分为4步，每一步都有例子和文字说明，呈现在板书上帮助学生理解并作为提示（见图2）。此后，教师提供了一个约20个数据组成的样本，学生用计算器计算样本的标准差，练习公式的应用及运算步骤。课堂节奏不紧不慢，目的是给学生留出足够长的理解和练习的时间，同时也要使教学有效率。

在一节微积分2的课堂上，只有10个学生选修，但每个学生听课都很认真，也没有表现出吃力的样子。可以看出，学生根据自己的优势、兴趣以及对未来的考虑自主选修课程，有利于调动他们学习的主动性，并保证学习的效率。

三、物理课

在一节物理课上，教学内容是关于弹性碰撞与非弹性碰撞。此前，学生已经对动量的概念以及各变量之间的关系有了初步了解。上课后，教师拿出两个小车，让学生检测两个小车的质量（质量相等）。兩个小车上都带有磁铁，每个小车的尾部与另一个小车的头部磁极相同，这样，当两车靠近时，就会相互排斥，即能够发生无能量损失的弹性“碰撞”。教师首先给学生演示：当相同质量的一个小车以某一速度靠近另一个静止的小车时，在“撞”上静止小车的瞬间会停止运动，同时静止的小车将“接力”第一辆小车，以相同的速度继续向前运动。当第一辆小车的速度加大时，第二辆小车的速度也会变大。接着，师生又对改变质量后的小车进行了实验。在相同条件下，给第一辆小车加载重物改变其总质量（如使小车载重后的质量变为原来的两倍），重复第一次的实验操作，结果发现两个小车“碰撞”后，第一个小车并没有静止，依然朝着同方向运动，而第二个小车则以更快的速度同向运动，即初速度不变时，质量越大，动量越大。师生通过这个实验，验证了动量与质量和速度都是正比例的关系，又根据量纲和相关公式推导出动量的公式（即P=mv）。接下来，教师请学生分组，独立完成非弹性碰撞的实验。这次学生们使用的是带有尼龙贴布的小车，当两个小车碰到一起的时候，车头与车尾会粘在一起。学生将自主探究非弹性碰撞下的动量关系，并在工作单上记录实验过程，回答相关问题（见图3）。

在一节关于“动量与冲量”的物理课上，授课对象是十一年级和部分十二年级的学生。教师带领学生简单复习了有关动量的知识后，就分发了任务单，要求学生用教师提供的材料制作一个“头盔”，模拟当人从高处跌落时，保护其头部（用生鸡蛋代替）不受伤害。教师提供的实验材料包括：纸杯一个、吸管若干、餐巾纸若干、化妆棉若干、棉花一团、一次性番茄酱杯一个、橡皮筋、胶条、雪糕棒、密封袋、一颗鸡蛋。教师确认学生理解了任务和规则后，让学生两人一组制作“头盔”，并对“头盔”进行各种防震处理，制作时间为5分钟。各组学生为鸡蛋戴好“头盔”后，先称重，再到有高度标识的墙边进行检测。学生将从某个高度释放戴着“头盔”的鸡蛋，其中一名小组成员进行记录。在鸡蛋落地后，要拆开减震装置检查其是否破裂，如果破裂，则活动失败，游戏结束;如果没破，可在休整之后挑战新的落地高度（见图4）。在评价标准中明确指出，“头盔”所使用的材料越少、鸡蛋从高处无损伤落地的距离越大，则证明“头盔”性能越好。

学生不仅在活动中学会了物理知识，也经历了紧张刺激的情绪体验：要松开鸡蛋时充满了忐忑到鸡蛋落地后拆开检查时的紧张，发现鸡蛋完好时的惊喜或发现鸡蛋摔坏时的遗憾，以及重新封好加固时的认真……整个过程中笑声和叫声不断。这样的课堂看似效率比较低、知识密度小，但是学生非常投入，STEM活动给学生带来了很多乐趣。这种课程的价值不在于学到多少物理知识，而在于使学生更深刻地理解物理学原理，并提高利用物理学甚至综合其他学科知识来解决问题的能力。