西方科學教育為何走向衰落？

      ─綜合課程改革動搖了根基

沈 乾 若

摘要：

本文通過對TIMSS測試數據的整理分析，並調查比較美國、加拿大、新加坡及台灣的中小學科學課程設置和師資標準；探討西方成績為何遠遜東北亞；揭示數十年來西方基礎科學教育的下滑及其成因。

西方與東北亞的差距主要在於物理和化學學科，物理學尤甚。

半世紀以來由聯合國教科文組織倡導推行的、以綜合課程為標誌的科學教育改革，是造成此一嚴重而曠日持久衰落的制度性原因。

由於引入過多生命科學和地球與空間科學等非基礎性學科內容，減少了物理和化學的資源投入，同時通用科學專業師資欠缺理化知識，教學效果低下，從而動搖了自然科學教育的基石。

美國和西方在培養大批量理工科人才，造就合格的勞動大軍兩個層面，均面對危機。

     中國和美國教育各有優劣，本文集中分析綜合科學改革之不合理，並非完全否定美國教育而肯定中國教育。請參看筆者的另一篇文章：美國基礎教育精華與糟粕辨析。

(共六千餘字）

一．令人震驚的東西方差距

自上世紀六十年代以來，美國與西方國家的數學與科學教育逐步陷入危機。美國1983年發表《國家在危急中，教育改革勢在必行》的著名報告以後，大量人力、物力和財力不斷投入一項又一項改革計劃；以期扭轉STEM教育的落後局面。但所有這些改革均未達到預期目標。相反，本世紀二十餘年的PISA和TIMSS評估，展現出一個顯著的共同特點：美國等西方國家大大落後於東亞教育系統。

圖1展示TIMSS 2019 和PISA 2022測評中，新加坡、台灣、日本和韓國，及加、英、美、法的數學和科學成績。新加坡始終居首，各項成績均名列第一。八國的得分呈階梯式遞減；其中從韓國到加拿大分數的降低最為明顯，在東西方之間劃出一道明顯的鴻溝。美國與新加坡比較，不論PISA或TIMSS，數學方面，美國落後100分以上；科學成績，新加坡分別超出美國60分和80分還多。

 需要注意的是，美國的數學與科學教育水平兩級分化。少數州，如馬薩諸塞和明尼蘇達，及各種精英私立和公立學校，其表現殊為不同；有些可與東亞領先教育體系相媲美。可惜這樣的地區和學校數量有限，不足以拉高美國的整體表現。

西方國家與東北亞科學教育的差距，向國際社會提出了一個重大而嚴肅的問題：如此巨大的差距是怎樣發生的？東北亞做對了什麽？而美國和西方的問題又究竟出在哪裡？

圖1. TIMSS 2019和PISA 2022東亞和主要西方國家成績比較

本文依據TIMSS提供的詳細數據及其它信息來源，及筆者從多年教學與辦學經歷中得到的對中國和美加教育的了解，探討西方數十年來基礎科學教育衰落的根源。

中國和美國教育各有優劣，本文集中分析綜合科學改革之不合理，並非完全否定美國教育而肯定中國教育。請參看筆者的另一篇文章：美國基礎教育精華與糟粕辨析。

二．西方科學教育的薄弱領域─物理和化學

現今小學與初中的科學課程，包括生命科學、地球與空間科學、和物質科學（Physical science，即物理和化學）等三大領域。筆者要搞清楚的第一個問題是，西方與東亞的差距，在不同領域情況是否一致？在哪些領域更為嚴重？依據歷年TIMSS數據，筆者製作了圖2，以一探究竟。其中生物、地球、化學和物理成績分別以綠、紫、藍、紅展示。

從圖2可以看出：

u 上世紀末以來，東亞的各科成績始終高於西方國家。東亞總體或呈上升趨勢，其中以新加坡最為顯著；或至少保持穩定。而西方則鮮見上升的勢頭。故雙方差距隨着時間的推移快速拉大。以生物為例，比較新加坡和意大利：二十年前新加坡（541）高出意大利（488）53分，而如今差距達到114分（622-508）！

u 東亞的物理和化學成績，往往高於其生物和地球科學成績，或與之相當。與此相反，除英國各科成績較為均衡外，西方其它幾國的理化成績，通常低於其生命與地球科學成績。美國最為突出，每一次測試，成績最高的均為生物，最低的為物理，差距常達20至30分之多。可見實際上雙方差距最大的是物理及化學。至2019年，物理和化學成績，新加坡分別高出美國104、107分。

圖2.TIMSS 八年級科學各科1999-2023歷年成績

圖2清楚回答了第一個問題：在西方科學教育中，最為薄弱的是物理和化學。

三．東西方學生物理學科的真實掌握程度

第二個問題接踵而至：美國和西方學生的物理和化學成績怎會如此低下？他們的知識和素養水平究竟如何？筆者從2019年8年級科學測試的物理題中選取16道題，來考察不同國家學生的真實程度。表1中數字為正確回答該題的學生數占該國參與測評人數的百分比。

表1. TIMSS 2019八年級科學測試若乾物理題回答正確的百分比

註：首行中的三位數為物理領域得分

這些題測試物理學的基本概念和規律，屬於小學高年級和初中一、二年級的知識。設若科學教育正常，三分之二或至少一半學生答對這些題目，要求應不為高。此即東亞國家的大致情況。不過東亞也有一些題學生會做的不及一半，如第1、10、11和15題。

但在西方，16道題中，只有第2題，三分之二以上的學生回答正確；和第7、13、14題，回答正確的過半。其餘10題左右,涉及物態變化、聲音傳播、簡單電路、浮力、平均速度、氣壓隨高度變化、動能與勢能、熱傳遞、電磁鐵，等等；具備這些基礎知識的八年級學生普遍少於五分之二，甚至低至五分之一，或為可憐的個位百分數。

以上題目多為簡單的選答題，成績尚且如此；若考察學生運用概念與公式解答問題的能力，結果可想而知。這足以說明，西方學生對物理基本概念的掌握遠未達到正常科學教育應有的水平。

其實，除新加坡外，其他東亞國家的結果也並非理想；漏洞還是不少的。

四。綜合課程改革重塑科學教育

前面三組數據揭示了數十年來西方基礎科學教育衰落的嚴重性。這種長期而顯著的衰落，恐怕難以僅用文化差異等隱性因素來解釋，而更應從課程與制度層面的重大變動中尋找原因。

半個多世紀之前，世界各國中學均分別設置物理、化學和生物的單科課程。六年中，物理和化學開設四或五年，生物課程開設的時間短一些。

然而上世紀六十年代起，以綜合課程為標誌，一場轟轟烈烈的中等科學教育改革席捲全球。改革的結果，生物課擴展為生命科學，內容大大增加；物理和化學歸在一起，被稱為物質科學（physical science)；同時引入地球與空間科學。就此，生命科學、物質科學和地球/空間科學並列，成為中等科學教育的三大領域。

在課程結構上，七、八年級─有些國家和地區甚至包括九、十年級─的物理、化學和生物等單科課程被取消；各學科內容被打散，重新組和成一門“科學”課程；每一年級的科學課均包括各個領域的內容，故稱為綜合科學課程。

綜合課程改革因何而起？傳統的分科課程受到了哪些挑戰呢？

首先是現代科學技術的發展，如生命科學和技術的突飛猛進，國際間航天科技的激烈競爭，人類社會共同面臨的環境、能源、人口等重大課題，邊緣學科和交叉學科的湧現等；人們期待在科學教育中引入新知識和新學科。

其次是教育向全民和大眾性質的轉化。人們認為，物理、化學過深，設置時間過長;此種設置遷就精英學生但不適合普通學生。同時，一些偏遠地區或發展中國家缺少眾多分科課程的師資，因而將幾門學科合併在一起講授，便為一種解決方案。

綜合科學課程在美國發起，由聯合國教科文組織（UNESCO）倡導並推行。1968年，UNESCO 發布了綜合科學課程項目規劃，並提供一系列出版物、研討會、前期實驗報告以及有關諮詢服務。從1971至1990 年，UNESCO 相繼出版了六卷題為“綜合科學教學發展趨勢”的報告，記錄、指導和推進該類課程在全球範圍的實施。

綜合課程推行的力度之大，前所未有。1986年UNESCO的報告顯示,絕大多數國家和地區都或多或少以綜合課程取代了傳統的分科設置，包括東亞各國和地區。僅有中國和老撾繼續分科。事實上，本世紀以來中國教育部也曾以綜合課程作為教改方向；但遭遇基層與廣大教師的抵制而未能全面實施，僅在浙江一省推行。筆者亦曾投書中國教育部長，力陳綜合課程之不可行。

綜合課程實施半個多世紀，不但面向就業類和文科類學生，也須承擔為理工科學生奠定學業基礎的任務。綜合課程的支持者認為，學科分離導致知識碎片化，唯有綜合課程體系才能促進整體性認知與創造力發展。筆者不否認這類課程─特別是其中的項目式學習和實踐活動─在激發興趣方面有一定作用。然而，若缺乏紮實的學科知識基礎，便無從進行整合。在實際教學中，缺乏深度、邏輯順序性和連續性的，恰恰是綜合科學課程。

事與願違，這類新課程非但未能改進科學教育，反而拖它下水。常常教師講不清楚，學生學不明白。基礎科學教育就此江河日下，其中物理教育幾近崩盤。從初中到高中的分科設置延續了一百餘年，培養出一代又一代各個檔次的人才，滿足了科技與經濟發展的需求。而今綜合課程的改革結果不進反退，令人扼腕！

由於難度最高，僅有10-15%的高中生選修物理課程，其他學生則完全迴避。即使進入高校STEM專業的學生，也有約三分之一之後轉學其它專業。

學生與合格教師的匱乏形成了相互強化的惡性循環。幾代下來，目前美國五分之二的高中竟然因師資困難而無法開設物理課程。

更為嚴酷的現實是：在培養理工科人才，和造就合格的勞動大軍兩個層面，美國等西方國家均面對危機。當今美國科技各領域對留學移民人才的依賴，和製造業不得不轉移到其他國家的事實，正是科學教育衰落的結果。

五．美加與東北亞科學課程差異何在？

人們會問，科學教育危機確實是由綜合課程改革引發的麽？東北亞與西方，既然都實施了此項改革，何以雙方的國際測試結果大不相同？

筆者調查了美國、加拿大、新加坡和台灣的科學課程，了解到美加和東亞科學課程的差別，在於以下三個層面：

第一，綜合課程持續時間不同。在新加坡和台灣乃至中國浙江等東亞系統，綜合課程嚴格限定於七、八年級階段。而且教學按物理、化學、生物分模塊展開，由不同教師授課。至九年級時，學生一律轉入物理、化學及生物學的專門課程。

相比之下，美國大多數州和加拿大各省學生在綜合課程中的學習時間要長得多。在美國，很多州在高中繼續綜合課程，估計全國範圍九至十年級有25%至35%的學生仍修讀綜合課程。在加拿大，除魁北克外，所有其它省份均將綜合科學課程貫穿至十年級，直至十一年級才分科系統學習。

但美國的情況較為複雜。儘管制度上推行“綜合科學”，私立中學、精英公立中學和明州、麻州的學區中，分科教學實際上被保留或提前恢復。七、八年級雖以“science”為名，但與東亞系統類似，實際上分科講授；進入高中，則普遍轉為明確的分科課程。

換言之，在最有效的實踐中，綜合課程並未真正取代分科體系，而是被有意弱化甚至繞開。

第二，教師資格制度不同。師資乃教學成敗的關鍵。自然科學學科眾多，宏大精深；而且學科性質、思維方式大不相同。優秀的中學科學教師，專攻某一學科並了解其他學科的基本知識是可能的，也是有益的；但成為科學通才，掌握各科知識並得心應手地傳授給學生，則難以實現。

包括新加坡、台灣、日本、韓國及中國浙江等東亞教育體系，以及美國少數州和學校系統，初中課程儘管形式上為綜合科學，但教師資格按物理、化學、生物分別授予。課程分配也以分科為基礎，形成“課程綜合而教學分科”的局面。

在美國麻州和明州，以及私立和公立精英中學，物理、化學、生物均由具有相應學科背景的教師分別執教。這類學校通過較高門檻的招聘標準、相對優越的薪酬和教學條件，吸引並保留具有理工科背景的教師。

然而，美國多數州和加拿大的教育學院或科系則不同。他們以“通用科學”專業培訓中學科學師資；頒發通用科學教師文憑。這些項目涵蓋理、化、生、地等多個學科；但由於課程標準的制定、實施與教師培訓往往由非理化學科背景的教育專家主導，從而難以保證物理和化學的學科深度。

表2 德克薩斯州一項針對八年級科學教師的調查結果

表2報告2010年對德克薩斯州93名八年級科學教師的調查結果。教師平均接受了近20個學期學分的生物學課程培訓，但物理學僅3.9個學期學分。診斷性考試成績呈現相同模式：生物學為2.57分，而物理學僅為1.48分（滿分4.0分）。差別大得驚人。

在美加，大多數教師較為了解生命科學，而理化知識和素養卻嚴重不足，尤其是物理。教師們用教生物學的“現象描述”方式講授物理課，缺少概念的深入講解和公式的推導應用。事實上，優秀學生的物理知識，很多並非從學校得來，而是課後補習或家長教會的。

第三，學科內容與資源分配不同。中學科學課程時間有限，期待學生在短短幾年面面俱到，掌握各個學科的基礎知識，是不現實的。有所舍方能有所取，優先級與學科順序具有重要影響。

在美國和加拿大，科學課程體系日益傾向於生命科學，而物理學與化學的教學時間與投入則被減少，延遲或邊緣化。這種失衡現象因美國公立高中生物-化學-物理的課程順序而進一步加劇。這一順序實際上使生物學成為必修課，而物理學則淪為選修—且常被多數學生放棄。

相比之下，在新加坡和台灣等東亞系統，物理與化學在中學科學教育中依然作為重點，在教學資源上得到保證。馬薩諸塞州和明尼蘇達州也呈現出類似的重視趨勢，兩地學區的課程設置保持靈活性，例如採用‘物理優先’的教學路徑。

物理和化學，特別是物理，為自然科學各個學科及各類工程技術的基石。沒有物理和化學的系統知識，哪有生命科學數十年來的飛躍發展？歷史上不同學科產生和發展的順序有其內在邏輯，學習自然科學也必須遵循認識規律，分清主次先後。包羅萬象不是科學的做法；在奠定基礎的中學階段，側重生命科學而輕視物理化學更有本末倒置之虞。

掌握物理學要求抽象思維能力和數學素養，依賴於循序漸進、穩紮穩打的學習。中學乃開發智力的黃金階段，數理類的學習若不能在中學打好基礎，錯過了一生都難以彌補。

而生命科學更多描述性，對數學能力的要求較低。其基礎內容在小學和初中階段即已講授，後續可以深入學習而不會造成知識缺失。國內大學各生命科學專業的學生，中學時學的有關知識並不很多；但未曾影響他們在大學裡系統學習專業知識，做出成就。儘管生命科學與地球科學是科學學科的重要組成部分，但沒有理由允許它們以犧牲物理和化學為代價主導中學課程體系。

綜上所述，綜合科學改革將過多的非基礎性知識，納入了科學課程；使學習物理、化學的時間和資源被稀釋，動搖了科學教育的基礎。

東西方科學教育在以上三個層面的不同，均為實質性，關鍵性的。它們決定了教學成效的巨大落差，也解釋了美國和西方科學教育何以陷入長久的衰落。

六．結束語

中外教育史上多次改革的經驗教訓，說明改革絕不等同於進步。歷史上多年形成的傳統有其優勢和存在價值，未經認真嚴格的論證和試驗就輕易放棄，結果往往難以預料。

技術需要不斷地推陳出新，科學的演進則艱難而緩慢。而傳承人類科學文化的教育，則更需要保持穩定；其創新也更應謹慎。當‘創新’成為教育領域的時髦口號，改革動輒推倒重來、另起爐灶，億萬青少年便事實上被捲入了一場風險極高的社會實驗，這無疑是極其輕率的。

再者，工廠的產品要經過檢驗，醫生須治病救人。然而教育與其他行業不同，其效果存在一個滯後期。一項教育決策的對錯難以立竿見影，往往需要經過很長時間，後果才逐漸顯現;從而給各種各樣似是而非的理論、思潮和政策留下極大的折騰空間。

以綜合課程為標誌的科學教育改革，即為這樣一項重大的決策失誤。此項改革涉及學科內容、課程結構和教師資格，是全方位的；其實施時間之長，範圍之廣，後果之嚴重，也很少有其他教育舉措可以相比。它對世界大部分國家的科學教育都造成了損害，西方國家尤為嚴重。然而遺憾的是，時至今日依然不見改弦更張。

中國未參加 TIMSS測試，因此缺乏可供比較的測試數據。但在席捲全球的改革浪潮面前，中國謹慎地保留了單科課程體系，及物理和化學的核心地位。這一務實而不盲從的態度，使中國教育避免了一場災難。世人逐漸看到，通過循序漸進的紮實教學奠定堅實的數理基礎，是中國能培養出眾多 STEM人才，在國內和西方大展拳腳的底層原因。

遏止美國、加拿大和其他西方國家科學教育的衰退，一定程度上，需要重建科學教育的基礎。首先，物理和化學作為基礎學科的重要性必須得到確認，他們的核心地位得到保障。其次，作為主幹的中學綜合科學課程應當下線，恢復物理、化學和生物等學科的分科設置。第三，取消中學科學師資通用科學的培養模式，恢復單一學科的教師培訓，保證科學課程由切實掌握學科知識的教師執教。

說到底，科學教育不在於面面俱到，而在於先立根基；根基不立，“綜合”與“創新”終歸流於空談。                                         

                                     2026年4月

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作者簡介：沈乾若博士，女，獨立學者。加拿大博雅教育學會名譽會長。從事比較教育研究，研究方向為教育體制與政策，基礎科學與數學教育。北京大學物理系畢業，北京航空航天大學工學碩士，加拿大西蒙菲沙大學應用數學博士。中國大陸和加拿大數十年大、中學教學及辦學經驗。  

鳴謝：本文的寫作得到蔣式延、原羿、周旭彬、張海雲、張寶輝、葛惟昆等諸位同仁的支持與協助，並採用了他/她們提供的一些信息，吸收了他/她們的寶貴意見；在此致以誠摯的謝意。