科學教育的衰落及其根源
沈乾若
一
自上世紀末以來，PISA和TIMSS的評估結果揭示出一個明顯的趨勢：新加坡和東亞國家在數學和科學方麵的表現遠超西方國家。作者分析了1999至2019年間六次TIMSS八年級科學測試中生物、地球科學、化學和物理的成績，進一步發現：
新加坡和東亞的物理和化學成績，往往高於其生物和地球科學成績，或至少與之相當。與此相反，西方的理化成績，則低於後者。美國最為突出。每一次測試，生物得分最高，而物理最低；兩者常相差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，美國分別落後新加坡104、107分。
數學與科學教育，即STEM，乃當今西方基礎教育的短板。以上事實揭示，在其科學教育中，最為薄弱的是物理和化學。
二
西方科學教育的嚴重衰退，可以追溯至半個世紀前開始的綜合課程改革。
在此之前，世界各國中學均分別設置物理、化學和生物的單科課程；而且側重物理和化學，為學生打下了較為堅實的基礎。
然而六十年代末起，以綜合課程為標誌，一場轟轟烈烈的中等科學教育改革席卷全球。生物課擴展為生命科學，內容大大增加；物理和化學歸為一類，被稱為物質科學；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，初中的物理、化學和生物等單科課程被取消；各學科內容被打散，重新組合，使七至九或十年級的科學課程，每一年級均包括各個領域的內容，故稱為綜合科學課程。
綜合科學課程由美國教育界首創，聯合國教科文組織（UNESCO）倡導並推行，在世界上除中國大陸外的大多數國家采用，直至今日。
引入綜合課程之後，物理學科的教學開始崩塌。筆者在1990和2000年代在加拿大不列顛哥倫比亞省教授高中物理。她接手的十一年級學生，物理程度之低，令人驚訝。很多學生連勻速直線運動都未掌握；而這是中國小學或初中生可以輕鬆解決的一類簡單問題。
三
與西方一樣，新加坡和東亞也采用了綜合科學課程；盡管他們的測試成績高於西方，卻並非十分理想，漏洞還是不少的。問題在於如何解釋雙方的重大差距，以及綜合課程改革的弊端呢？
筆者對美國、加拿大、新加坡和台灣地區的科學教育進行了認真的考察，發現了東西方科學教育的兩大差異：
首先，學科內容的選擇和權重不同。美國和加拿大物理學和化學的比重均低於生命科學，而在新加坡和台灣，物理和化學依然是重點。
物理學和化學，尤其物理學，是自然科學各個學科的基石。沒有理化知識，難以深入理解生命科學以及地球/空間科學。物理學亦為工程和技術的基礎。類似於數學，物理學係統性強，依賴並開發高層次的邏輯思維和探究能力。故學習時遵循學科的內在邏輯結構，循序漸進，對於理解概念和掌握知識至關重要。中學乃智力開發的黃金階段，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。
至於生命科學，數十年來該類學科的迅猛發展，確實提出了將新的知識納入K-12教育的要求。然而，學生能夠投入自然科學學習的時間和精力是有限的。生命科學的非基礎性質，描述性質，對抽象思維和數學能力的要求較低，都使得在中學進行大量深入的教學並非絕對必要。除正規課程外，學生可以通過課外活動、選修課等多種方式來獲取這些知識，或延遲到中學之後。地球與空間科學情況類似。
簡而言之，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。這一弊端在西方尤為嚴重。
第二是不同的教師資質。數十年來美加通過‘一般科學’項目培訓教師。這些項目涵蓋理、化、生、地等多個學科，卻未能提供物理學和化學的深度知識。而新加坡和台灣則隻頒發單科證書，並分配給教師他們所擅長的科目。即使綜合課程，各學科內容也由不同教師講授。
自然科學學科眾多，宏大精深；鮮少有人能夠掌握所有各科知識。對於中學科學教師來說，專攻某一學科並了解其他學科的基本知識是可能的，也是好的；但成為科學通才卻不現實。在美加，大多數教師偏向生物學，而理化知識和素養則不足。學生學習物理和化學之艱難，可想而知。
美加中學前有初中的綜合課程，後又充斥著多門大學預修AP，使得學生無法循序漸進、按部就班地學習科學學科。不必要的重複和跳躍大大加重了學生的課業負擔。事實上，盡管投入了大量時間和精力，美加優秀學生卻很難獲得相應的知識和技能回報。
中國未參加TIMSS，因此缺乏可供比較的測試數據。實際上21世紀初，中國也曾推行綜合科學改革，但遭遇教育工作者強烈抵製而被迫放棄。單科課程體係從而幸運地得以保留，物理、化學仍為重點學科，由專業教師授課。可以說，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，在西方國家大展拳腳的底層原因。
四
美國和加拿大STEM人才和合格勞動力的嚴重短缺，是科學教育衰落帶來的直接後果，已成為亟待解決的關鍵問題。但隻有找到並消除其根本原因，才能阻止這種衰退趨勢。我們期待教育主管部門及相關領域的人士通力合作，共同肩負起責任。
政策製定者需要認識物理和化學作為基礎學科的重要性，為它們投入足夠的教學時間和資源。這對於重振科學教育和複興製造業至關重要。
筆者建議，逐步但盡快取消初中階段作為主幹的綜合科學課程，恢複物理、化學和生物等學科的分科設置。取消‘一般科學’的師資培養模式，恢複單一學科的教師培訓；學科課程必須由切實掌握該學科知識的教師執教。
二零二五年五月
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，研究方向為教育體製與政策，基礎科學與數學教育。北京大學物理係畢業，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。電子郵箱：Sharon_q_shen@yahoo.com
附件
1. 《綜合課程改革引發科學教育危機》，提供具體數據和詳細事實的長篇論文。本評論《科學教育的衰落及其根源》為該論文的縮寫。
2. 《綜合課程改革引發的科學教育危機》（PPT），用圖表簡要、直觀地說明問題。
