美国好莱坞STEM学校课堂掠影
2018-04-09郑笑歌
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。