鄭笑歌

2017年，筆者赴美交流學(xué)習(xí)，印象最深刻的是好萊塢STEM學(xué)校。這所學(xué)校位于加州洛杉磯市中心，站在教學(xué)樓上，透過窗戶一眼可以望到好萊塢山上巨大的“HOLLYWOOD”標(biāo)志。這所學(xué)校的英文名稱為STEM Academy of Hollywood，也可以稱之為“好萊塢STEM學(xué)院”，但它本質(zhì)上就是一所類似我國(guó)職業(yè)高中的中學(xué)，年級(jí)分為九年級(jí)到十二年級(jí)，是美國(guó)為數(shù)不多的一所專門的STEM試點(diǎn)學(xué)校。

兩年前，該校從一所普通中學(xué)校獨(dú)立出來，同時(shí)獨(dú)立出來的還有一所初中和一所高中，目前三所學(xué)校在原校址共用一棟教學(xué)樓，其中三樓是初中，五樓是高中，四樓就是這所STEM學(xué)校。三校共用食堂、操場(chǎng)、休息室及一些其他公用設(shè)施。學(xué)校主要有兩大專業(yè)——藥學(xué)和工程學(xué)，其中工程學(xué)專業(yè)的學(xué)生男女比例約為5：1。該校絕大部分學(xué)生在十二年級(jí)時(shí)會(huì)選擇實(shí)習(xí)，畢業(yè)后會(huì)直接就業(yè)，只有很少的學(xué)生會(huì)準(zhǔn)備讀大學(xué)，目前每年能夠考入州立大學(xué)的學(xué)生不到10名。

學(xué)校實(shí)行走班制，學(xué)生自主選課，因此每個(gè)班上課的人數(shù)都不一樣，有些教室中的學(xué)生可能會(huì)超過40名，而有些教室中只有10名左右。學(xué)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(guó)大學(xué)預(yù)修課程，因此不同年級(jí)的學(xué)生也可能會(huì)在同一個(gè)教室學(xué)習(xí)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(gè)時(shí)間段只教一門課程，也有的教師會(huì)同時(shí)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(huán)境科學(xué)有關(guān)的AP課程。以下將通過一些典型課堂的介紹展示這所學(xué)校的教學(xué)特點(diǎn)。

一、工程課

九年級(jí)學(xué)生剛進(jìn)入高中，工程課的內(nèi)容比較基礎(chǔ)。如在一節(jié)工程入門課上，教師先讓學(xué)生介紹一些家用電器或家具，學(xué)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(jìn)行展示。有的小組講的是電視，內(nèi)容包括誰發(fā)明了電視，哪些人群會(huì)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(xué)生講解了防彈玻璃、游戲系統(tǒng)等。

在十年級(jí)的一節(jié)機(jī)械工程課上，學(xué)生正在分小組向大家演示自己制作的“起重機(jī)”，并用PPT文件展示起重機(jī)的原理、構(gòu)造以及設(shè)計(jì)圖?！捌鹬貦C(jī)”的制作材料由教師統(tǒng)一提供，包括一些鋼板、角鋼、繩子，還有一些機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件如滑輪、螺絲等。學(xué)生在制作時(shí)，需要根據(jù)設(shè)計(jì)草圖對(duì)材料進(jìn)行拼接、裁切或彎折，再用螺絲固定，最終搭建出一個(gè)起重機(jī)模型。每個(gè)小組的設(shè)計(jì)各不相同，在展示階段，小組成員也會(huì)全體參與，每個(gè)人分別介紹自己在組內(nèi)負(fù)責(zé)的那部分工作。所有這些成果都是在教室里完成的，如果學(xué)生在周末或課下時(shí)間想要繼續(xù)制作，教師也會(huì)留在教室里，以便在學(xué)生需要時(shí)提供幫助。學(xué)生每學(xué)期會(huì)完成七八個(gè)這種類似的設(shè)計(jì)，最終會(huì)設(shè)計(jì)出一個(gè)電動(dòng)的機(jī)械“產(chǎn)品”，并要求具備多種功能。如“起重機(jī)”就要求既可以起重，又可以挖掘、搬運(yùn)等。學(xué)生會(huì)在動(dòng)手制作之前進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，包括輪半徑和軸半徑、杠桿的力臂等，以判斷該機(jī)械是省力機(jī)械還是費(fèi)力機(jī)械，并為了達(dá)到理想的起重效果而不斷調(diào)整或重新組裝。很多學(xué)生作品不僅實(shí)用，且外形美觀，比例協(xié)調(diào)（見圖1）。演示結(jié)束后，學(xué)生會(huì)與自己的作品合影，保存好相關(guān)資料，然后拆除作品，因?yàn)槠渲械暮芏嗖牧弦院筮€可以重復(fù)利用。

二、數(shù)學(xué)課

在一次十二年級(jí)的數(shù)學(xué)課上，碰巧10點(diǎn)鐘以后安排的都是AP課程，這個(gè)學(xué)期的AP課程有三門——微積分1、微積分2和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。學(xué)校通常建議學(xué)生在十一年級(jí)以后開始選修AP課程，但如果學(xué)生具備足夠的知識(shí)儲(chǔ)備，也可以在更低年級(jí)開始選修。美國(guó)學(xué)生如果在高中階段通過了AP課程的考試，進(jìn)入大學(xué)后，就可免修相應(yīng)課程（在大學(xué)里，每修一門課都要收取相應(yīng)的費(fèi)用）。但是，學(xué)生是否能被大學(xué)錄取與其是否通過AP課程考試無關(guān)，AP課程的學(xué)分只有在被大學(xué)錄取之后才生效。

在十二年級(jí)的一節(jié)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)課上，講的是如何計(jì)算樣本整體標(biāo)準(zhǔn)差與樣本標(biāo)準(zhǔn)差。這節(jié)課只要求學(xué)生掌握如何應(yīng)用公式，不需要進(jìn)行公式推導(dǎo)，公式推導(dǎo)由學(xué)生在課下完成。教師用PPT投影輔助板書進(jìn)行授課，相比于大學(xué)課堂，講得更慢、更細(xì)致。教師把求樣本標(biāo)準(zhǔn)差的過程分為4步，每一步都有例子和文字說明，呈現(xiàn)在板書上幫助學(xué)生理解并作為提示（見圖2）。此后，教師提供了一個(gè)約20個(gè)數(shù)據(jù)組成的樣本，學(xué)生用計(jì)算器計(jì)算樣本的標(biāo)準(zhǔn)差，練習(xí)公式的應(yīng)用及運(yùn)算步驟。課堂節(jié)奏不緊不慢，目的是給學(xué)生留出足夠長(zhǎng)的理解和練習(xí)的時(shí)間，同時(shí)也要使教學(xué)有效率。

在一節(jié)微積分2的課堂上，只有10個(gè)學(xué)生選修，但每個(gè)學(xué)生聽課都很認(rèn)真，也沒有表現(xiàn)出吃力的樣子?？梢钥闯?，學(xué)生根據(jù)自己的優(yōu)勢(shì)、興趣以及對(duì)未來的考慮自主選修課程，有利于調(diào)動(dòng)他們學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，并保證學(xué)習(xí)的效率。

三、物理課

在一節(jié)物理課上，教學(xué)內(nèi)容是關(guān)于彈性碰撞與非彈性碰撞。此前，學(xué)生已經(jīng)對(duì)動(dòng)量的概念以及各變量之間的關(guān)系有了初步了解。上課后，教師拿出兩個(gè)小車，讓學(xué)生檢測(cè)兩個(gè)小車的質(zhì)量（質(zhì)量相等）。兩個(gè)小車上都帶有磁鐵，每個(gè)小車的尾部與另一個(gè)小車的頭部磁極相同，這樣，當(dāng)兩車靠近時(shí)，就會(huì)相互排斥，即能夠發(fā)生無能量損失的彈性“碰撞”。教師首先給學(xué)生演示：當(dāng)相同質(zhì)量的一個(gè)小車以某一速度靠近另一個(gè)靜止的小車時(shí)，在“撞”上靜止小車的瞬間會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，同時(shí)靜止的小車將“接力”第一輛小車，以相同的速度繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)谝惠v小車的速度加大時(shí)，第二輛小車的速度也會(huì)變大。接著，師生又對(duì)改變質(zhì)量后的小車進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在相同條件下，給第一輛小車加載重物改變其總質(zhì)量（如使小車載重后的質(zhì)量變?yōu)樵瓉淼膬杀叮?，重?fù)第一次的實(shí)驗(yàn)操作，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩個(gè)小車“碰撞”后，第一個(gè)小車并沒有靜止，依然朝著同方向運(yùn)動(dòng)，而第二個(gè)小車則以更快的速度同向運(yùn)動(dòng)，即初速度不變時(shí)，質(zhì)量越大，動(dòng)量越大。師生通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了動(dòng)量與質(zhì)量和速度都是正比例的關(guān)系，又根據(jù)量綱和相關(guān)公式推導(dǎo)出動(dòng)量的公式（即P=mv）。接下來，教師請(qǐng)學(xué)生分組，獨(dú)立完成非彈性碰撞的實(shí)驗(yàn)。這次學(xué)生們使用的是帶有尼龍貼布的小車，當(dāng)兩個(gè)小車碰到一起的時(shí)候，車頭與車尾會(huì)粘在一起。學(xué)生將自主探究非彈性碰撞下的動(dòng)量關(guān)系，并在工作單上記錄實(shí)驗(yàn)過程，回答相關(guān)問題（見圖3）。

在一節(jié)關(guān)于“動(dòng)量與沖量”的物理課上，授課對(duì)象是十一年級(jí)和部分十二年級(jí)的學(xué)生。教師帶領(lǐng)學(xué)生簡(jiǎn)單復(fù)習(xí)了有關(guān)動(dòng)量的知識(shí)后，就分發(fā)了任務(wù)單，要求學(xué)生用教師提供的材料制作一個(gè)“頭盔”，模擬當(dāng)人從高處跌落時(shí)，保護(hù)其頭部（用生雞蛋代替）不受傷害。教師提供的實(shí)驗(yàn)材料包括：紙杯一個(gè)、吸管若干、餐巾紙若干、化妝棉若干、棉花一團(tuán)、一次性番茄醬杯一個(gè)、橡皮筋、膠條、雪糕棒、密封袋、一顆雞蛋。教師確認(rèn)學(xué)生理解了任務(wù)和規(guī)則后，讓學(xué)生兩人一組制作“頭盔”，并對(duì)“頭盔”進(jìn)行各種防震處理，制作時(shí)間為5分鐘。各組學(xué)生為雞蛋戴好“頭盔”后，先稱重，再到有高度標(biāo)識(shí)的墻邊進(jìn)行檢測(cè)。學(xué)生將從某個(gè)高度釋放戴著“頭盔”的雞蛋，其中一名小組成員進(jìn)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(dòng)失敗，游戲結(jié)束;如果沒破，可在休整之后挑戰(zhàn)新的落地高度（見圖4）。在評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)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(xué)生不僅在活動(dòng)中學(xué)會(huì)了物理知識(shí)，也經(jīng)歷了緊張刺激的情緒體驗(yàn)：要松開雞蛋時(shí)充滿了忐忑到雞蛋落地后拆開檢查時(shí)的緊張，發(fā)現(xiàn)雞蛋完好時(shí)的驚喜或發(fā)現(xiàn)雞蛋摔壞時(shí)的遺憾，以及重新封好加固時(shí)的認(rèn)真……整個(gè)過程中笑聲和叫聲不斷。這樣的課堂看似效率比較低、知識(shí)密度小，但是學(xué)生非常投入，STEM活動(dòng)給學(xué)生帶來了很多樂趣。這種課程的價(jià)值不在于學(xué)到多少物理知識(shí)，而在于使學(xué)生更深刻地理解物理學(xué)原理，并提高利用物理學(xué)甚至綜合其他學(xué)科知識(shí)來解決問題的能力。