西方科学教育为何走向衰落？

      ─综合课程改革动摇了根基

沈 乾 若

摘要：

本文通过对TIMSS测试数据的整理分析，并调查比较美国、加拿大、新加坡及台湾的中小学科学课程设置和师资标准；探讨西方成绩为何远逊东北亚；揭示数十年来西方基础科学教育的下滑及其成因。

西方与东北亚的差距主要在于物理和化学学科，物理学尤甚。

半世纪以来由联合国教科文组织倡导推行的、以综合课程为标志的科学教育改革，是造成此一严重而旷日持久衰落的制度性原因。

由于引入过多生命科学和地球与空间科学等非基础性学科内容，减少了物理和化学的资源投入，同时通用科学专业师资欠缺理化知识，教学效果低下，从而动摇了自然科学教育的基石。

美国和西方在培养大批量理工科人才，造就合格的劳动大军两个层面，均面对危机。

     中国和美国教育各有优劣，本文集中分析综合科学改革之不合理，并非完全否定美国教育而肯定中国教育。请参看笔者的另一篇文章：美国基础教育精华与糟粕辨析。

(共六千余字）

一．令人震惊的东西方差距

自上世纪六十年代以来，美国与西方国家的数学与科学教育逐步陷入危机。美国1983年发表《国家在危急中，教育改革势在必行》的著名报告以后，大量人力、物力和财力不断投入一项又一项改革计划；以期扭转STEM教育的落后局面。但所有这些改革均未达到预期目标。相反，本世纪二十余年的PISA和TIMSS评估，展现出一个显著的共同特点：美国等西方国家大大落后于东亚教育系统。

图1展示TIMSS 2019 和PISA 2022测评中，新加坡、台湾、日本和韩国，及加、英、美、法的数学和科学成绩。新加坡始终居首，各项成绩均名列第一。八国的得分呈阶梯式递减；其中从韩国到加拿大分数的降低最为明显，在东西方之间划出一道明显的鸿沟。美国与新加坡比较，不论PISA或TIMSS，数学方面，美国落后100分以上；科学成绩，新加坡分别超出美国60分和80分还多。

 需要注意的是，美国的数学与科学教育水平两级分化。少数州，如马萨诸塞和明尼苏达，及各种精英私立和公立学校，其表现殊为不同；有些可与东亚领先教育体系相媲美。可惜这样的地区和学校数量有限，不足以拉高美国的整体表现。

西方国家与东北亚科学教育的差距，向国际社会提出了一个重大而严肃的问题：如此巨大的差距是怎样发生的？东北亚做对了什麽？而美国和西方的问题又究竟出在哪里？

图1. TIMSS 2019和PISA 2022东亚和主要西方国家成绩比较

本文依据TIMSS提供的详细数据及其它信息来源，及笔者从多年教学与办学经历中得到的对中国和美加教育的了解，探讨西方数十年来基础科学教育衰落的根源。

中国和美国教育各有优劣，本文集中分析综合科学改革之不合理，并非完全否定美国教育而肯定中国教育。请参看笔者的另一篇文章：美国基础教育精华与糟粕辨析。

二．西方科学教育的薄弱领域─物理和化学

现今小学与初中的科学课程，包括生命科学、地球与空间科学、和物质科学（Physical science，即物理和化学）等三大领域。笔者要搞清楚的第一个问题是，西方与东亚的差距，在不同领域情况是否一致？在哪些领域更为严重？依据历年TIMSS数据，笔者制作了图2，以一探究竟。其中生物、地球、化学和物理成绩分别以绿、紫、蓝、红展示。

从图2可以看出：

u 上世纪末以来，东亚的各科成绩始终高于西方国家。东亚总体或呈上升趋势，其中以新加坡最为显著；或至少保持稳定。而西方则鲜见上升的势头。故双方差距随着时间的推移快速拉大。以生物为例，比较新加坡和意大利：二十年前新加坡（541）高出意大利（488）53分，而如今差距达到114分（622-508）！

u 东亚的物理和化学成绩，往往高于其生物和地球科学成绩，或与之相当。与此相反，除英国各科成绩较为均衡外，西方其它几国的理化成绩，通常低于其生命与地球科学成绩。美国最为突出，每一次测试，成绩最高的均为生物，最低的为物理，差距常达20至30分之多。可见实际上双方差距最大的是物理及化学。至2019年，物理和化学成绩，新加坡分别高出美国104、107分。

图2.TIMSS 八年级科学各科1999-2023历年成绩

图2清楚回答了第一个问题：在西方科学教育中，最为薄弱的是物理和化学。

三．东西方学生物理学科的真实掌握程度

第二个问题接踵而至：美国和西方学生的物理和化学成绩怎会如此低下？他们的知识和素养水平究竟如何？笔者从2019年8年级科学测试的物理题中选取16道题，来考察不同国家学生的真实程度。表1中数字为正确回答该题的学生数占该国参与测评人数的百分比。

表1. TIMSS 2019八年级科学测试若干物理题回答正确的百分比

注：首行中的三位数为物理领域得分

这些题测试物理学的基本概念和规律，属于小学高年级和初中一、二年级的知识。设若科学教育正常，三分之二或至少一半学生答对这些题目，要求应不为高。此即东亚国家的大致情况。不过东亚也有一些题学生会做的不及一半，如第1、10、11和15题。

但在西方，16道题中，只有第2题，三分之二以上的学生回答正确；和第7、13、14题，回答正确的过半。其余10题左右,涉及物态变化、声音传播、简单电路、浮力、平均速度、气压随高度变化、动能与势能、热传递、电磁铁，等等；具备这些基础知识的八年级学生普遍少于五分之二，甚至低至五分之一，或为可怜的个位百分数。

以上题目多为简单的选答题，成绩尚且如此；若考察学生运用概念与公式解答问题的能力，结果可想而知。这足以说明，西方学生对物理基本概念的掌握远未达到正常科学教育应有的水平。

其实，除新加坡外，其他东亚国家的结果也并非理想；漏洞还是不少的。

四。综合课程改革重塑科学教育

前面三组数据揭示了数十年来西方基础科学教育衰落的严重性。这种长期而显著的衰落，恐怕难以仅用文化差异等隐性因素来解释，而更应从课程与制度层面的重大变动中寻找原因。

半个多世纪之前，世界各国中学均分别设置物理、化学和生物的单科课程。六年中，物理和化学开设四或五年，生物课程开设的时间短一些。

然而上世纪六十年代起，以综合课程为标志，一场轰轰烈烈的中等科学教育改革席卷全球。改革的结果，生物课扩展为生命科学，内容大大增加；物理和化学归在一起，被称为物质科学（physical science)；同时引入地球与空间科学。就此，生命科学、物质科学和地球/空间科学并列，成为中等科学教育的三大领域。

在课程结构上，七、八年级─有些国家和地区甚至包括九、十年级─的物理、化学和生物等单科课程被取消；各学科内容被打散，重新组和成一门“科学”课程；每一年级的科学课均包括各个领域的内容，故称为综合科学课程。

综合课程改革因何而起？传统的分科课程受到了哪些挑战呢？

首先是现代科学技术的发展，如生命科学和技术的突飞猛进，国际间航天科技的激烈竞争，人类社会共同面临的环境、能源、人口等重大课题，边缘学科和交叉学科的涌现等；人们期待在科学教育中引入新知识和新学科。

其次是教育向全民和大众性质的转化。人们认为，物理、化学过深，设置时间过长;此种设置迁就精英学生但不适合普通学生。同时，一些偏远地区或发展中国家缺少众多分科课程的师资，因而将几门学科合并在一起讲授，便为一种解决方案。

综合科学课程在美国发起，由联合国教科文组织（UNESCO）倡导并推行。1968年，UNESCO 发布了综合科学课程项目规划，并提供一系列出版物、研讨会、前期实验报告以及有关咨询服务。从1971至1990 年，UNESCO 相继出版了六卷题为“综合科学教学发展趋势”的报告，记录、指导和推进该类课程在全球范围的实施。

综合课程推行的力度之大，前所未有。1986年UNESCO的报告显示,绝大多数国家和地区都或多或少以综合课程取代了传统的分科设置，包括东亚各国和地区。仅有中国和老挝继续分科。事实上，本世纪以来中国教育部也曾以综合课程作为教改方向；但遭遇基层与广大教师的抵制而未能全面实施，仅在浙江一省推行。笔者亦曾投书中国教育部长，力陈综合课程之不可行。

综合课程实施半个多世纪，不但面向就业类和文科类学生，也须承担为理工科学生奠定学业基础的任务。综合课程的支持者认为，学科分离导致知识碎片化，唯有综合课程体系才能促进整体性认知与创造力发展。笔者不否认这类课程─特别是其中的项目式学习和实践活动─在激发兴趣方面有一定作用。然而，若缺乏扎实的学科知识基础，便无从进行整合。在实际教学中，缺乏深度、逻辑顺序性和连续性的，恰恰是综合科学课程。

事与愿违，这类新课程非但未能改进科学教育，反而拖它下水。常常教师讲不清楚，学生学不明白。基础科学教育就此江河日下，其中物理教育几近崩盘。从初中到高中的分科设置延续了一百余年，培养出一代又一代各个档次的人才，满足了科技与经济发展的需求。而今综合课程的改革结果不进反退，令人扼腕！

由于难度最高，仅有10-15%的高中生选修物理课程，其他学生则完全回避。即使进入高校STEM专业的学生，也有约三分之一之后转学其它专业。

学生与合格教师的匮乏形成了相互强化的恶性循环。几代下来，目前美国五分之二的高中竟然因师资困难而无法开设物理课程。

更为严酷的现实是：在培养理工科人才，和造就合格的劳动大军两个层面，美国等西方国家均面对危机。当今美国科技各领域对留学移民人才的依赖，和制造业不得不转移到其他国家的事实，正是科学教育衰落的结果。

五．美加与东北亚科学课程差异何在？

人们会问，科学教育危机确实是由综合课程改革引发的麽？东北亚与西方，既然都实施了此项改革，何以双方的国际测试结果大不相同？

笔者调查了美国、加拿大、新加坡和台湾的科学课程，了解到美加和东亚科学课程的差别，在于以下三个层面：

第一，综合课程持续时间不同。在新加坡和台湾乃至中国浙江等东亚系统，综合课程严格限定于七、八年级阶段。而且教学按物理、化学、生物分模块展开，由不同教师授课。至九年级时，学生一律转入物理、化学及生物学的专门课程。

相比之下，美国大多数州和加拿大各省学生在综合课程中的学习时间要长得多。在美国，很多州在高中继续综合课程，估计全国范围九至十年级有25%至35%的学生仍修读综合课程。在加拿大，除魁北克外，所有其它省份均将综合科学课程贯穿至十年级，直至十一年级才分科系统学习。

但美国的情况较为复杂。尽管制度上推行“综合科学”，私立中学、精英公立中学和明州、麻州的学区中，分科教学实际上被保留或提前恢复。七、八年级虽以“science”为名，但与东亚系统类似，实际上分科讲授；进入高中，则普遍转为明确的分科课程。

换言之，在最有效的实践中，综合课程并未真正取代分科体系，而是被有意弱化甚至绕开。

第二，教师资格制度不同。师资乃教学成败的关键。自然科学学科众多，宏大精深；而且学科性质、思维方式大不相同。优秀的中学科学教师，专攻某一学科并了解其他学科的基本知识是可能的，也是有益的；但成为科学通才，掌握各科知识并得心应手地传授给学生，则难以实现。

包括新加坡、台湾、日本、韩国及中国浙江等东亚教育体系，以及美国少数州和学校系统，初中课程尽管形式上为综合科学，但教师资格按物理、化学、生物分别授予。课程分配也以分科为基础，形成“课程综合而教学分科”的局面。

在美国麻州和明州，以及私立和公立精英中学，物理、化学、生物均由具有相应学科背景的教师分别执教。这类学校通过较高门槛的招聘标准、相对优越的薪酬和教学条件，吸引并保留具有理工科背景的教师。

然而，美国多数州和加拿大的教育学院或科系则不同。他们以“通用科学”专业培训中学科学师资；颁发通用科学教师文凭。这些项目涵盖理、化、生、地等多个学科；但由于课程标准的制定、实施与教师培训往往由非理化学科背景的教育专家主导，从而难以保证物理和化学的学科深度。

表2 德克萨斯州一项针对八年级科学教师的调查结果

表2报告2010年对德克萨斯州93名八年级科学教师的调查结果。教师平均接受了近20个学期学分的生物学课程培训，但物理学仅3.9个学期学分。诊断性考试成绩呈现相同模式：生物学为2.57分，而物理学仅为1.48分（满分4.0分）。差别大得惊人。

在美加，大多数教师较为了解生命科学，而理化知识和素养却严重不足，尤其是物理。教师们用教生物学的“现象描述”方式讲授物理课，缺少概念的深入讲解和公式的推导应用。事实上，优秀学生的物理知识，很多并非从学校得来，而是课后补习或家长教会的。

第三，学科内容与资源分配不同。中学科学课程时间有限，期待学生在短短几年面面俱到，掌握各个学科的基础知识，是不现实的。有所舍方能有所取，优先级与学科顺序具有重要影响。

在美国和加拿大，科学课程体系日益倾向于生命科学，而物理学与化学的教学时间与投入则被减少，延迟或边缘化。这种失衡现象因美国公立高中生物-化学-物理的课程顺序而进一步加剧。这一顺序实际上使生物学成为必修课，而物理学则沦为选修—且常被多数学生放弃。

相比之下，在新加坡和台湾等东亚系统，物理与化学在中学科学教育中依然作为重点，在教学资源上得到保证。马萨诸塞州和明尼苏达州也呈现出类似的重视趋势，两地学区的课程设置保持灵活性，例如采用‘物理优先’的教学路径。

物理和化学，特别是物理，为自然科学各个学科及各类工程技术的基石。没有物理和化学的系统知识，哪有生命科学数十年来的飞跃发展？历史上不同学科产生和发展的顺序有其内在逻辑，学习自然科学也必须遵循认识规律，分清主次先后。包罗万象不是科学的做法；在奠定基础的中学阶段，侧重生命科学而轻视物理化学更有本末倒置之虞。

掌握物理学要求抽象思维能力和数学素养，依赖于循序渐进、稳扎稳打的学习。中学乃开发智力的黄金阶段，数理类的学习若不能在中学打好基础，错过了一生都难以弥补。

而生命科学更多描述性，对数学能力的要求较低。其基础内容在小学和初中阶段即已讲授，后续可以深入学习而不会造成知识缺失。国内大学各生命科学专业的学生，中学时学的有关知识并不很多；但未曾影响他们在大学里系统学习专业知识，做出成就。尽管生命科学与地球科学是科学学科的重要组成部分，但没有理由允许它们以牺牲物理和化学为代价主导中学课程体系。

综上所述，综合科学改革将过多的非基础性知识，纳入了科学课程；使学习物理、化学的时间和资源被稀释，动摇了科学教育的基础。

东西方科学教育在以上三个层面的不同，均为实质性，关键性的。它们决定了教学成效的巨大落差，也解释了美国和西方科学教育何以陷入长久的衰落。

六．结束语

中外教育史上多次改革的经验教训，说明改革绝不等同于进步。历史上多年形成的传统有其优势和存在价值，未经认真严格的论证和试验就轻易放弃，结果往往难以预料。

技术需要不断地推陈出新，科学的演进则艰难而缓慢。而传承人类科学文化的教育，则更需要保持稳定；其创新也更应谨慎。当‘创新’成为教育领域的时髦口号，改革动辄推倒重来、另起炉灶，亿万青少年便事实上被卷入了一场风险极高的社会实验，这无疑是极其轻率的。

再者，工厂的产品要经过检验，医生须治病救人。然而教育与其他行业不同，其效果存在一个滞后期。一项教育决策的对错难以立竿见影，往往需要经过很长时间，后果才

逐渐显现;从而给各种各样似是而非的理论、思潮和政策留下极大的折腾空间。

以综合课程为标志的科学教育改革，即为这样一项重大的决策失误。此项改革涉及学科内容、课程结构和教师资格，是全方位的；其实施时间之长，范围之广，后果之严重，也很少有其他教育举措可以相比。它对世界大部分国家的科学教育都造成了损害，西方国家尤为严重。然而遗憾的是，时至今日依然不见改弦更张。

中国未参加 TIMSS测试，因此缺乏可供比较的测试数据。但在席卷全球的改革浪潮面前，中国谨慎地保留了单科课程体系，及物理和化学的核心地位。这一务实而不盲从的态度，使中国教育避免了一场灾难。世人逐渐看到，通过循序渐进的扎实教学奠定坚实的数理基础，是中国能培养出众多 STEM人才，在国内和西方大展拳脚的底层原因。

遏止美国、加拿大和其他西方国家科学教育的衰退，一定程度上，需要重建科学教育的基础。首先，物理和化学作为基础学科的重要性必须得到确认，他们的核心地位得到保障。其次，作为主干的中学综合科学课程应当下线，恢复物理、化学和生物等学科的分科设置。第三，取消中学科学师资通用科学的培养模式，恢复单一学科的教师培训，保证科学课程由切实掌握学科知识的教师执教。

说到底，科学教育不在于面面俱到，而在于先立根基；根基不立，“综合”与“创新”终归流于空谈。                                         

                                     2026年4月

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作者简介：沈乾若博士，女，独立学者。加拿大博雅教育学会名誉会长。从事比较教育研究，研究方向为教育体制与政策，基础科学与数学教育。北京大学物理系毕业，北京航空航天大学工学硕士，加拿大西蒙菲沙大学应用数学博士。中国大陆和加拿大数十年大、中学教学及办学经验。  

鸣谢：本文的写作得到蒋式延、原羿、周旭彬、张海云、张宝辉、葛惟昆等诸位同仁的支持与协助，并采用了他/她们提供的一些信息，吸收了他/她们的宝贵意见；在此致以诚挚的谢意。