美國五分之二高中缺物理課，科學(xué)教育根基動搖

一．令人震驚的東西方差距

自上世紀(jì)六十年代以來，美國與西方國家的數(shù)學(xué)與科學(xué)教育逐步陷入危機。美國1983年發(fā)表《國家在危急中，教育改革勢在必行》的著名報告以后，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(zhuǎn)STEM教育的落后局面。但所有這些改革均未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。相反，本世紀(jì)二十余年的PISA和TIMSS評估，展現(xiàn)出一個顯著的共同特點：美國等西方國家大大落后于東亞教育系統(tǒng)。

圖1展示TIMSS 2019 和PISA 2022測評中，新加坡、臺灣、日本和韓國，及加、英、美、法的數(shù)學(xué)和科學(xué)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?jǐn)?shù)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(shù)學(xué)方面，美國落后100分以上；科學(xué)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(shù)學(xué)與科學(xué)教育水平兩級分化。少數(shù)州，如馬薩諸塞和明尼蘇達(dá)，及各種精英私立和公立學(xué)校，其表現(xiàn)殊為不同；有些可與東亞領(lǐng)先教育體系相媲美。可惜這樣的地區(qū)和學(xué)校數(shù)量有限，不足以拉高美國的整體表現(xiàn)。

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

圖1. TIMSS 2019和PISA 2022東亞和主要西方國家成績比較

二．西方科學(xué)教育的薄弱領(lǐng)域─物理和化學(xué)

現(xiàn)今小學(xué)與初中的科學(xué)課程，包括生命科學(xué)、地球與空間科學(xué)、和物質(zhì)科學(xué)（Physical science，即物理和化學(xué)）等三大領(lǐng)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(lǐng)域情況是否一致？在哪些領(lǐng)域更為嚴(yán)重？依據(jù)歷年TIMSS數(shù)據(jù)，筆者制作了圖2，以一探究竟。其中生物、地球、化學(xué)和物理成績分別以綠、紫、藍(lán)、紅展示。

從圖2可以看出：

上世紀(jì)末以來，東亞的各科成績始終高于西方國家。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(wěn)定。而西方則鮮見上升的勢頭。故雙方差距隨著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(dá)到114分（622-508）！

東亞的物理和化學(xué)成績，往往高于其生物和地球科學(xué)成績，或與之相當(dāng)。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，通常低于其生命與地球科學(xué)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(dá)20至30分之多。可見實際上雙方差距最大的是物理及化學(xué)。至2019年，物理和化學(xué)成績，新加坡分別高出美國104、107分。

圖2.TIMSS 八年級科學(xué)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(xué)教育中，最為薄弱的是物理和化學(xué)。

三．東西方學(xué)生物理學(xué)科的真實掌握程度

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

表1. TIMSS 2019八年級科學(xué)測試若干物理題回答正確的百分比

注：首行中的三位數(shù)為物理領(lǐng)域得分

這些題測試物理學(xué)的基本概念和規(guī)律，屬于小學(xué)高年級和初中一、二年級的知識。設(shè)若科學(xué)教育正常，三分之二或至少一半學(xué)生答對這些題目，要求應(yīng)不為高。此即東亞國家的大致情況。不過東亞也有一些題學(xué)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(xué)生回答正確；和第7、13、14題，回答正確的過半。其余10題左右,涉及物態(tài)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(chǔ)知識的八年級學(xué)生普遍少于五分之二，甚至低至五分之一，或為可憐的個位百分?jǐn)?shù)。

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

其實，除新加坡外，其他東亞國家的結(jié)果也并非理想；漏洞還是不少的。

四.綜合課程改革重塑科學(xué)教育

半個多世紀(jì)之前，世界各國中學(xué)均分別設(shè)置物理、化學(xué)和生物的單科課程。六年中，物理和化學(xué)開設(shè)四或五年，生物課程開設(shè)的時間短一些。

然而上世紀(jì)六十年代起，以綜合課程為標(biāo)志，一場轟轟烈烈的中等科學(xué)教育改革席卷全球。改革的結(jié)果，生物課擴展為生命科學(xué)，內(nèi)容大大增加；物理和化學(xué)歸在一起，被稱為物質(zhì)科學(xué)（physical science)；同時引入地球與空間科學(xué)。就此，生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)和地球/空間科學(xué)并列，成為中等科學(xué)教育的三大領(lǐng)域。

在課程結(jié)構(gòu)上，七、八年級─有些國家和地區(qū)甚至包括九、十年級─的物理、化學(xué)和生物等單科課程被取消；各學(xué)科內(nèi)容被打散，重新組和成一門“科學(xué)”課程；每一年級的科學(xué)課均包括各個領(lǐng)域的內(nèi)容，故稱為綜合科學(xué)課程。

綜合課程改革因何而起？傳統(tǒng)的分科課程受到了哪些挑戰(zhàn)呢？

首先是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，如生命科學(xué)和技術(shù)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(huán)境、能源、人口等重大課題，邊緣學(xué)科和交叉學(xué)科的涌現(xiàn)等；人們期待在科學(xué)教育中引入新知識和新學(xué)科。

其次是教育向全民和大眾性質(zhì)的轉(zhuǎn)化。人們認(rèn)為，物理、化學(xué)過深，設(shè)置時間過長;此種設(shè)置遷就精英學(xué)生但不適合普通學(xué)生。同時，一些偏遠(yuǎn)地區(qū)或發(fā)展中國家缺少眾多分科課程的師資，因而將幾門學(xué)科合并在一起講授，便為一種解決方案。

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(shù)國家和地區(qū)都或多或少以綜合課程取代了傳統(tǒng)的分科設(shè)置，包括東亞各國和地區(qū)。僅有中國和老撾繼續(xù)分科。事實上，本世紀(jì)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。

事與愿違，這類新課程非但未能改進科學(xué)教育，反而拖它下水。常常教師講不清楚，學(xué)生學(xué)不明白。基礎(chǔ)科學(xué)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(shè)置延續(xù)了一百余年，培養(yǎng)出一代又一代各個檔次的人才，滿足了科技與經(jīng)濟發(fā)展的需求。而今綜合課程的改革結(jié)果不進反退，令人扼腕！

由于難度最高，僅有10-15%的高中生選修物理課程，其他學(xué)生則完全回避。即使進入高校STEM專業(yè)的學(xué)生，也有約三分之一之后轉(zhuǎn)學(xué)其它專業(yè)。

學(xué)生與合格教師的匱乏形成了相互強化的惡性循環(huán)。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(shè)物理課程。

更為嚴(yán)酷的現(xiàn)實是：在培養(yǎng)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(dāng)今美國科技各領(lǐng)域?qū)α魧W(xué)移民人才的依賴，和制造業(yè)不得不轉(zhuǎn)移到其他國家的事實，正是科學(xué)教育衰落的結(jié)果。

五．美加與東北亞科學(xué)課程差異何在？

人們會問，科學(xué)教育危機確實是由綜合課程改革引發(fā)的麼？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(jié)果大不相同？

筆者調(diào)查了美國、加拿大、新加坡和臺灣的科學(xué)課程，了解到美加和東亞科學(xué)課程的差別，在于以下三個層面：

第一，綜合課程持續(xù)時間不同。在新加坡和臺灣乃至中國浙江等東亞系統(tǒng)，綜合課程嚴(yán)格限定于七年級和八年級階段。而且教學(xué)按物理、化學(xué)、生物分模塊展開，至九年級時，學(xué)生一律轉(zhuǎn)入物理、化學(xué)及生物學(xué)的專門課程。

相比之下，美國大多數(shù)州和加拿大各省學(xué)生在綜合課程中的學(xué)習(xí)時間要長得多。在美國，很多州在高中繼續(xù)綜合課程，估計全國范圍九至十年級有25%至35%的學(xué)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(xué)課程貫穿至十年級，直至十一年級才分科系統(tǒng)學(xué)習(xí)。

但美國的情況較為復(fù)雜。盡管制度上推行“綜合科學(xué)”，私立中學(xué)、精英公立中學(xué)和高水平州中，分科教學(xué)實際上被保留或提前恢復(fù)。七、八年級雖常以“science”為名，但與東亞系統(tǒng)類似，實際上分科講授；進入高中，則普遍轉(zhuǎn)為明確的分科課程。

換言之，在最有效的實踐中，綜合課程并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(xué)成敗的關(guān)鍵。自然科學(xué)學(xué)科眾多，宏大精深；而且學(xué)科性質(zhì)、思維方式大不相同。優(yōu)秀的中學(xué)科學(xué)教師，專攻某一學(xué)科并了解其他學(xué)科的基本知識并非沒有可能，也是有益的；但成為科學(xué)通才，掌握各科知識并得心應(yīng)手地傳授給學(xué)生，則難以實現(xiàn)。

包括新加坡、臺灣、日本、韓國及中國浙江等東亞教育體系，盡管課程形式上為綜合科學(xué)，但師資體系仍以分科為基礎(chǔ)。教師資格按物理、化學(xué)、生物分別授予。在實際操作中，不少學(xué)校按學(xué)科模塊分配教師，形成“課程綜合而教學(xué)分科”的局面。

美國麻州和明州的系統(tǒng)，以及私立和公立精英中學(xué)與此類似。物理、化學(xué)、生物均由具有相應(yīng)學(xué)科背景的教師分別執(zhí)教。這類學(xué)校通過較高門檻的招聘標(biāo)準(zhǔn)、相對優(yōu)越的薪酬和教學(xué)條件，吸引并保留具有理工科背景的教師。

表2 德克薩斯州一項針對八年級科學(xué)教師的調(diào)查結(jié)果

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

在美加，大多數(shù)教師較為了解生命科學(xué)，而理化知識和素養(yǎng)卻嚴(yán)重不足，尤其是物理。教師們用教生物學(xué)的“現(xiàn)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(dǎo)應(yīng)用。事實上，優(yōu)秀學(xué)生的物理知識，很多并非從學(xué)校得來，而是課后補習(xí)或家長教會的。

第三，學(xué)科內(nèi)容與資源分配不同。中學(xué)科學(xué)課程時間有限，期待學(xué)生在短短幾年面面俱到，掌握各個學(xué)科的基礎(chǔ)知識，是不現(xiàn)實的。有所舍方能有所取，優(yōu)先級與學(xué)科順序具有重要影響。

在美國和加拿大，科學(xué)課程體系日益傾向于生命科學(xué)，而物理學(xué)與化學(xué)的教學(xué)時間與投入則被減少，延遲或邊緣化。這種失衡現(xiàn)象因美國公立高中生物-化學(xué)-物理的課程順序而進一步加劇。這一順序?qū)嶋H上使生物學(xué)成為必修課，而物理學(xué)則淪為選修—且常被多數(shù)學(xué)生放棄。

相比之下，在新加坡和臺灣等東亞系統(tǒng)，物理與化學(xué)在中學(xué)科學(xué)教育中依然作為重點，在教學(xué)資源上得到保證。馬薩諸塞州和明尼蘇達(dá)州也呈現(xiàn)出類似的重視趨勢，兩地學(xué)區(qū)的課程設(shè)置保持靈活性，例如采用‘物理優(yōu)先’的教學(xué)路徑。

物理和化學(xué)，特別是物理，為自然科學(xué)各個學(xué)科及各類工程技術(shù)的基石。沒有物理和化學(xué)的系統(tǒng)知識，哪有生命科學(xué)數(shù)十年來的飛躍發(fā)展？歷史上不同學(xué)科產(chǎn)生和發(fā)展的順序有其內(nèi)在邏輯，學(xué)習(xí)自然科學(xué)也必須遵循認(rèn)識規(guī)律，分清主次先后。包羅萬象不是科學(xué)的做法；在奠定基礎(chǔ)的中學(xué)階段，側(cè)重生命科學(xué)而輕視物理化學(xué)更有本末倒置之虞。

掌握物理學(xué)要求抽象思維能力和數(shù)學(xué)素養(yǎng)，依賴于循序漸進、穩(wěn)扎穩(wěn)打的學(xué)習(xí)。中學(xué)乃開發(fā)智力的黃金階段，數(shù)理類的學(xué)習(xí)若不能在中學(xué)打好基礎(chǔ)，錯過了一生都難以彌補。

而生命科學(xué)更多描述性，對數(shù)學(xué)能力的要求較低。其基礎(chǔ)內(nèi)容在小學(xué)和初中階段即已講授，后續(xù)可以深入學(xué)習(xí)而不會造成知識缺失。國內(nèi)大學(xué)各生命科學(xué)專業(yè)的學(xué)生，中學(xué)時學(xué)的有關(guān)知識并不很多；但未曾影響他們在大學(xué)里系統(tǒng)學(xué)習(xí)專業(yè)知識，做出成就。盡管生命科學(xué)與地球科學(xué)是科學(xué)學(xué)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(xué)為代價主導(dǎo)中學(xué)課程體系。

綜上所述，綜合科學(xué)改革將過多的非基礎(chǔ)性知識，納入了科學(xué)課程；使學(xué)習(xí)物理、化學(xué)的時間和資源被稀釋，動搖了科學(xué)教育的基礎(chǔ)。

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

六．結(jié)束語

中外教育史上多次改革的經(jīng)驗教訓(xùn)，說明改革絕不等同于進步。歷史上多年形成的傳統(tǒng)有其優(yōu)勢和存在價值，未經(jīng)認(rèn)真嚴(yán)格的論證和試驗就輕易放棄，結(jié)果往往難以預(yù)料。

再者，工廠的產(chǎn)品要經(jīng)過檢驗，醫(yī)生須治病救人。然而教育與其他行業(yè)不同，其效果存在一個滯后期。一項教育決策的對錯難以立竿見影，往往需要經(jīng)過很長時間，后果才逐漸顯現(xiàn);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(biāo)志的科學(xué)教育改革，即為這樣一項重大的決策失誤。此項改革涉及學(xué)科內(nèi)容、課程結(jié)構(gòu)和教師資格，是全方位的；其實施時間之長，范圍之廣，后果之嚴(yán)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(xué)教育都造成了損害，西方國家尤為嚴(yán)重。然而遺憾的是，時至今日依然不見改弦更張。

遏止美國、加拿大和其他西方國家科學(xué)教育的衰退，一定程度上，需要重建科學(xué)教育的基礎(chǔ)。首先，物理和化學(xué)作為基礎(chǔ)學(xué)科的重要性必須得到確認(rèn)，他們的核心地位得到保障。作為主干的中學(xué)綜合科學(xué)課程應(yīng)當(dāng)下線，恢復(fù)物理、化學(xué)和生物等學(xué)科的分科設(shè)置。第三，取消中學(xué)科學(xué)師資通用科學(xué)的培養(yǎng)模式，恢復(fù)單一學(xué)科的教師培訓(xùn)，保證科學(xué)課程由切實掌握學(xué)科知識的教師執(zhí)教。

說到底，科學(xué)教育不在于面面俱到，而在于先立根基；根基不立，“綜合”與“創(chuàng)新”終歸流于空談。