列强不断叩关和清帝国在鸦片战争中失败的消息传来，在日本朝野引起了极大的震动。精通西洋军事科学的兵学家高岛秋帆立即作出反应，他在给幕府的上书中强调指出：“清国失败皆因炮术未熟，故需强化采用西洋炮术之武备。”[67]面对“西力东渐”困扰的幕府起用高岛秋帆，着手研究西式军事改革，并向诸藩发布强化海防令，奖励采用西洋炮术。

1853年美国海军准将、东印度舰队司令官伯里以军舰为后盾前来叩关，使幕府亲身领教了西方坚船利炮的威力，不得不承认自己不敌“蛮夷”。在日本面临重大民族危机的关头，作为幕府官学象征的大学头林炜在对美谈判中无所适从，最终暴露了儒学的不合时宜。由此促使幕府下决心全力扶植以西方近代军事科学及相关学科为主要内容的洋学。诸藩也纷纷招聘兰学家从事兰书翻译及兵制、装备的改革。

由于形势的需要，兰学热潮迅速升温，并过渡到研究西方军事科学、社会科学和政治思想的幕末洋学阶段。从幕末洋学知识的来源上说，也逐渐由荷兰语书籍扩及到英、法、德、俄等多种语言的著述。重视社会实践是幕末洋学的重要特征。如果说此前的兰学是通过荷兰语学习西方学问的活动，那么幕末洋学则是将西方科学、学术广泛地应用于实践的社会运动。

国门前游弋的“黑船”迫使幕府首先要谋求军事的现代化。1855年，幕府邀请以佩尔斯为首的荷兰官兵来日本开办海军讲习所，学员由幕府和各藩指派，总计129人。讲习内容包括：数学、测量学、机械学、造船航海技术、炮术、地理、历史以及实际应用演习，一直延续到1859年。以胜海舟为首的幕府海军中坚集团以及后来仕于明治政府的榎本武扬等众多海军军人，都是该讲习所的毕业生。通过学习，学员们掌握了当时最新的海军知识和技术，开始了建立于基础科学之上的近代军事理论和应用技术的研究工作。一时间，军事科学成为洋学中的主流。1854—1868年，仅有关军事科学的译著，即达262种[68]，为日本建立西式海军奠定了基础。

1857年9月，幕府通过荷兰政府聘请荷兰军医鲍姆培（Pompe）来日本开办西方医学讲习班，至1862年共培养了来自日本各地的学员130余人。鲍姆培讲习班开设了包括物理、化学、解剖、人体组织、生理、病理、内科、外科、眼科、药剂等基础课程，并自成体系。在鲍姆培的建议下，幕府于1861年在长崎建立了日本第一所西式近代医院。不久，又设立了西洋医学所，在讲授医学基础理论的同时，进行详细的临床指导，使西洋医学在日本真正进入了正规的临床实用阶段。1862年，作为一代名医的鲍杜因（Bauduin）接替鲍姆培，深受日本医学界崇敬，“海内学者千里负笈受教其门，学以成名者甚多，邦内洋方为之一新”。[69]日本陆军军医部门创始人松本良顺、桥本纲常、东京大学医学家司马凌海、明治政府首任卫生局局长长与专斋等明治医学界的著名人物皆曾在此就学，讲习班及长崎医院的作用似无需再做说明了。

幕府出于军事、外交上的需要，聘用箕作阮甫等著名兰学家于1857年建立了综合系统研习洋学的机构“蕃书调所”[70]。蕃书调所开设的科目有地理学、天文学、究理学（物理学）、数学、物产学、器械学、画学（测量学）等。蕃书调所开设之初，即招收学员350名，至1866年在开成所担任教授的一流兰学家计有31人[71]，后来的明六社成员加藤弘之、西周、津田真道皆在其中。改称开成所后，又设荷兰学、英吉利学、法兰西学、德意志学、鲁西亚学（上述以国名命名的学科实际上是学习这些国家的语言）等。对各国语言的学习，使日本掌握了求知识于世界的工具。自蕃书调所成立以来，培养出大批实用人才，摆脱了长期以来兰学以翻译为主的局面。西周和津田真道等人留学归国后，又开设了社会人文各科。开成所还是全国规模最大的洋书收藏中心，仅1953年在东京上野图书馆发现的盖有蕃书调所——开成所等印记的洋书即达3500册[72]，在当时可谓洋洋大观。由上述可见，蕃书调所——开成所已经具备了近代综合学府的雏形，成为近代日本的人才摇篮。

幕府在启用国内洋学家创立洋学基地的同时，还直接请进大批欧美专家，以满足各技术领域的实际需求。自1855年开办海军讲习所到明治政府诞生的1868年，包括各藩延聘的外国专家在内共达212人，涉及军事、外交、语言、科学技术等各个领域。幕府还积极将日本人送到欧美，实地考察并摄取西方文明成果（详见后述）。幕府通过上述知识、技术、人才的积累，于1853—1867年陆续兴建了拥有近代设备的江户大筒铸立场（铸炮场）、浦贺造船所、石川岛造船所、关口大炮制作所和江户泷野川火药制造所等重工业基地[73]。

在幕府扶植、利用洋学政策的刺激下，不少强藩也纷纷效法幕府，作为藩政改革的重要一环而普遍致力于整备洋学设施。他们招聘洋学家开办洋学教育机构，并着手创办近代工业，其中萨摩藩表现得尤为突出。萨摩藩在“兰癖”藩主岛津重豪（1745—1833）时代就十分重视兰学，到天保改革（1830—1843）时期开始采用西式兵学，制造大炮和火药，设置炮台，使西洋军事技术得到应用。岛津齐彬（1809—1858）继任藩主后，更热心于搜集洋书，并先后聘用伊东玄朴、坪井信道、箕作阮甫等当时一流洋学家翻译西方书籍，甚至庇护被幕府通缉的超一流兰学家高野长英，使其完成了《三兵答古知几》的翻译。1853年，萨摩藩建成反射炉，并兴建了西式的刀剑、农具、砂糖、制陶工厂，于1855年制造出日本第一艘蒸汽船，同时还从外国购入许多船只，用于军事或贸易，使自己的船舶保有量居群藩之首。1857年，将藩内所有西式设施总称为“集成馆”，开始研制瓦斯灯、电机电信等近代工业制品，更于1867年建成日本第一家洋式纺织厂——鹿儿岛纺织所。该藩还指派一批藩士赴长崎海军传习所学习，并于1864年创办了传授陆海军各科技术的藩立开成所，藩内洋学家辈出。从上述举措可见，萨摩藩已经在实行“富国强兵”和“殖产兴业”的政策。

其他各雄藩的具体发展情况虽不尽相同，但大抵贯彻了同一宗旨。从洋学教育看，日本全国共有77所藩校开设了洋学课程。从工业设施看，各藩建造反射炉总数达28座，铸炮约360余门[74]。由此也可窥见明治维新前日本引进西方近代工业规模之一斑。幕府和各藩依靠洋学家开办的洋学教育机构和近代工业，在人才和物质上为明治维新后大规模移植资本主义奠定了坚实的基础。“一个比较强调科学技术的社会一定是一个正在急剧变化的社会，这种变化无疑对社会所有的建制都有影响。”[75]