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1854年，《日美和亲条约》和《下田条约》签订后，锁国体制动摇，幕府骤逢变局。在开明的首座老中阿部正弘主持下，启动改革幕政。阿部原是备后国（今广岛县东部）福山藩主。1843年，出任老中。1845年2月，出任首座老中。阿部基于前任水野忠邦被大名赶下台的前车之鉴，在其任内倚重雄藩大名的支持。1854—1857年（安政元年至四年），推行幕政改革。其特点一是雄藩大名介入改革进程，二是荷兰因素的影响强烈。安政改革的主要举措是：
（1）军制改革。1854年7月，阿部正弘命水户藩前藩主德川齐昭调查国内军事状况，制定幕府军队近代化的改革举措。齐昭建议依托荷兰，引进洋式船舰、枪炮和军制，幕府予以采纳。1855年2月，幕府下令幕吏、旗本、御家人及其家臣必须研修洋式炮术。1856年4月，在筑地铁炮洲开设了讲武所，训练洋式战斗队形和使用洋枪洋炮，探索建设近代陆军。1855年，在长崎开办海军传习所，聘请荷兰士官传授航海、造船和炮舰使用技术，培训近代海军人员。1857年4月，又在筑地讲武所内增设军舰教授所，招募旗本、御家人和诸藩推举的人员加以培训。
与此同时，开始仿造洋式船舰、枪炮。1854年1月，为培育海军人才，幕府在隅田川河口石川岛创办造船所一个月后，开工建造洋式木帆船“旭日丸”。3月，交由幕府使用。5月，幕府的浦贺造船所建成体长40米、幅宽9米的洋式帆船“凤凰丸”。8月，荷兰蒸汽军舰“森宾号”驶入长崎，训练幕府海军人员。1855年1月，幕府命韭山代官江川英龙修建冶炼优质钢铁的高炉“反射炉”，铸造洋式枪炮。6月，汤岛铸炮厂生产出洋式手枪。8月，幕府将荷兰赠送的“森宾号”改名“观光丸”，用诸训练和仿造，是为日本的首艘蒸汽舰。1857年7月，幕府在长崎开工建造洋式制铁所。
（2）设置研修洋学机构，培养洋学人才。1855年8月，幕府创办洋学所，以翻译欧美图书资料、了解欧美各国情况，培养翻译人员。1856年2月，洋学所改称蕃书调所。1857年1月，蕃书调所正式开学，在箕作阮甫等教师的指导下，招募百余名旗本子弟来此研修兰学学。此后，根据实际需要，又陆续增设了英语、法语、德语和数理化等新科目。
（3）起用人才。在安政改革期间，阿部正弘破格提拔了川路圣谟、井上清直、岩濑忠震、永井尚志、筒井政宪等一批外交人才，以及胜海舟、大久保忠宽、高岛秋帆、江川英龙等海防人才。他们或者如川路等力所能及地维护主权，划定日俄两国的北方国界线；或者如胜海舟、高岛等在此后的陆海军改革中发挥积极作用，推进军制的近代化。
1855年10月，安政大地震骤发并造成严重损失。阿部不得不调拨大笔费用赈灾，影响了改革计划目标的落实。1857年6月，一场更大的政治灾难降临，阿部病故。总领事哈里斯颇为痛惜，在日记中称赞阿部是“富有远见卓识的人”，“充分了解合众国和其他西洋各国的实力；特别是他确信日本现今已经到了是选择必须抛弃锁国政策还是卷入悲惨战争旋涡的时刻。他的死，对日本的自由派来说是一种巨大的损失。”
阿部病故，安政改革人亡政息。1858年4月，早已对阿部倚重雄藩方针表示不满的幕府强硬派首领井伊直弼出任大老，转而采取镇压政策，开始严厉打击反对派。
1860年3月，强硬派大老井伊直弼暴亡。继任的安藤信正和久世广周调整政策，弥合幕府与朝廷、雄藩的裂痕。1861年2月19日，孝明天皇颁发了新年号“文久”。至1864年（文久四年）2月20日，在安藤—久世政权的主持下，实施第二次改革。与安政改革相比较，朝廷势力介入政治过程、经济和军事改革的力度明显增强，构成文久改革的几个特点是：
（1）调整幕府传统的强本弱末政策，缓和与雄藩大名的关系。1860年9月，幕府解除在“安政大狱”中受到处罚的大名，德川庆喜、松平庆永、山内容堂等重返政坛。1861年6月，宣布解除诸藩造大船或购置外国船的禁令，允许将其用诸国内贸易。1862年闰8月，幕府改革参觐交代制度，大名来江户城参拜将军的间隔时间，由1年延长为3年；允许大名的妻子儿女回藩，无须在江户城藩邸充当人质，实行两百余年的参觐交代制度至此瓦解；12月，幕府设立了陆军、海军总裁等新官职，对老中体制进行了初步调整。1863年12月，设置朝廷、幕府和雄藩的三方朝议参予会议，邀集德川庆喜、松平庆永、伊达宗城、山内丰信，以及岛津久光等共议国事。由于三方在权力配置上对立严重，1864年2月，参予山内容堂辞职，返回土佐藩。3月，其他各参予也纷纷辞职，幕府与朝廷、大名联合执政的尝试失败。
（2）强化对国内市场和对外贸易的掌控，聚敛财富。1860年3月，幕府下达《五品江户回送令》，控制杂谷、灯油、蜡、绸缎、生丝等5种商品在江户和横滨国际贸易市场的交易过程。4月，任命大目付久贝正典掌管决定物价、振兴输出、荒地开垦和救济武士的机构“国益主法挂”，加强调控市场，增加税收。1861年12月，幕府下令敦促庶民使用新铸的精铁钱。1862年1月，下令兑换万延新铸的金币大判，禁止收藏旧币，利用货币改铸聚敛财富；4月，幕府派遣358吨的官船“千岁丸”前往上海，开启日中贸易渠道；10月，重申《江户五品回送令》，禁止商民直接与横滨外商交易；12月，严令禁止濑户内海诸港以高价截留运往大坂的商品等，用行政手段控制国内外市场及其流通。
（3）继续组建新式陆海军，创办近代兵工厂。1861年3月，在荷兰技师哈尔戴斯指导下，幕府建设了4年的长崎制铁所竣工。厂房为砖瓦建筑，配备了8马力的蒸汽机和15马力的蒸汽动力的工作机。
5月，设置由10名幕僚负责制订和落实军制改革的“军制挂”，制订了组建新式陆海军的计划。陆军设步骑炮兵等3个兵种的近卫常备军，兵员1.3万余人；海军组建江户、大坂港的警备舰队，计划拥有船舰43艘，海军兵员4900余人；将全国沿海地区划分6个守备区，进而配备6支舰队，拥有各类舰船370艘，海军总兵员达到6万余人。
1862年12月，幕府发布《兵赋令》，命令不仅幕臣要提供士兵，领地内的农民也要服兵役。此举的着眼点在于扩充兵员，却使“兵农分离”传统统治原则变质。1863年，幕府创建关口大炮制作所，开始试制近代欧式兵器，培养军火制造的技工。
（4）调整洋学机构，培养急需人才。1861年8月，在长崎设立西式医院“养生所”，在横滨创办英学所和汉学所修文馆；9月，蕃书调所新设物产学科；12月发行日本第一份报纸《官版巴达维亚新闻》。1862年5月，蕃书调所改称洋书调所，招生授业。1863年2月，任命本多正讷、林学斋为新设置的学问所奉行，制订包括创办小学校在内的学制改革计划。8月，洋书调所改称开成所，办学宗旨强调“调查各国之强弱虚实、水陆军之状况和器械之利钝”，研究“为海内万民有益之技艺”。
洋学所和开成所的教师仍由日本人担任，学生则多从幕臣子弟中招收，十取其一，淘汰率高。9月，幕府向荷兰派出第一批留学生，学习海军、法律，医学等。
朝幕联手、公武合体构成文久改革的总背景，但改革的政治环境极不稳定。幕府权威动摇，朝廷和雄藩与之分庭抗礼。特别是尊攘派在不断地制造杀伤外国人、火烧英国驻日公使馆等攘夷事件，引发外交纠纷，幕府处境被动，影响改革进程。
1865年4月8日，改元庆应。在第15代将军德川庆喜的亲自主持下，法国驻日公使罗修积极参与，幕府进行了亲法色彩鲜明的最后一次的改革，即庆应改革。主要措施包括：
（1）幕府官制实行重大调整，以总裁制取代老中制。1867年2月，德川庆喜接受罗修关于改革官僚机构的建议。据此，幕府实行官制改革，取消老中月班合议制，新设国内、国外、陆军、海军、会计等5个事务局。老中稻叶正邦、小笠原长行、松平乘谟、稻叶正巳、松平康英分别任各事务局总裁，首席老中板仓静胜无任所，居中协调。5个总裁分工明确，各司其职；对老中以下的官员实行等级工资制。传统的官僚体制在上述改革中，向近代官僚体制转变。庆应改革之所以广泛触及行政体制的全面调整，一是开港后欧美行政体制的长期影响，二是幕府适应形势变化而加以自我调整。
（2）推行殖产兴业方针，振兴对外贸易。1866年1月，幕府发布《生丝蚕种改印令》，命令从事生丝贸易的江户问屋先到幕府控制的“元方改所”办理盖章手续，再至江户办理出关手续，借机征收两次税收。10月，幕府允许运货马车在江户市内和五街道（五条干道）通行，提高运输效率。1867年4月，幕府为降低米价，允许各村庄之间流通大米；7月，幕府撤销品川、新宿、下板桥、千住、新井等5处关卡；9月开通自大坂至江户的蒸汽船航路，恢复1851年3月取消的江户十组问屋制度，活跃商品流通；10月，任命勘定奉行兼任金银座挂，主管铸造金银币；允许诸藩在兵库等开港地区设置贸易会社，营业自由；11月，水户藩藩主之弟德川昭武奉命率团参加巴黎博览会，拓展国际贸易的门路。
1866年10月，与法国合资，成立日本商业海运联合公司，法国夺得对英国竞争中的有利地位。1867年12月，幕府同意美国商人修筑江户至横滨区间的铁路，却因政权易手无果而终。较之安政、文久改革，欧美因素，尤其是法国因素的影响明显增强。
（3）推行强兵方针，在法国军事教官团的具体指导下，加紧近代军制改革。1864年4月，新任法国公使罗修到任，与勘定奉行小栗忠顺等关系密切，幕僚中形成亲法派。1865年1月，幕府要求法国提供训练陆海军、设立横须贺制铁所等援助。法国答应给以援助，但交换条件是垄断生丝贸易。1866年5月，石川岛造船所自行设计和建造的138吨、长不到30米的木制蒸汽军舰“千代田”下水。7月，军舰操练所改称海军所。8月，幕府与法国皇帝拿破仑三世的经济特使库莱订立600万洋元贷款协议，其中500万洋元为改良陆军装备、购置军舰和横须贺制铁所的追加款项。
9月，横须贺制铁所举行开工仪式，聘请法国技师威尔尼为总工程师，同时选拔技术传习生和职工学徒，学习建造洋式舰船的技术。10月，幕府的横滨制铁所竣工，生产制造洋式枪炮、舰船所需要的钢材。11月，讲武所改称陆军所。1867年春，以加诺安为首的18名法国军事教官来到日本。6月，幕府在陆军所中设置步骑炮士官学校，在法国教官指导下，培训中下级军官；海军所则聘请英国海军士官，培训海军技术、战斗人员。7月，在江户泷野川动工兴建火药制作所。11月，幕府将开成所划归外国总奉行管辖，侧重培养军事人才。至12月，已编成、训练步兵17队，骑兵1队和炮兵4队，总数达到一万几千人。
（4）继续对外开放。1865年7月和1866年10月，幕府分别向俄国、英国派遣首批留学生。1867年2月，德川庆喜在大坂城与法国公使罗修就改革的一揽子计划达成共识，随后前往京都劝说朝廷加大开放力度。5月，孝明天皇敕许兵库开港。6月，幕府宣布自1868年1月1日起，兵库开港、大坂和江户开市。1867年1月，幕府在横滨开办语学所，讲授英国、法国语言学，允许武士家臣入所学习。
开港后，被卷入内忧外困漩涡中的幕府力图有所作为，展开近代化的探索。由于幕府始终不能摆脱德川氏家族利益的羁绊，无法驾驭改革开放释放出来的巨大能量，结果是改革的进程加速了幕府总崩溃的进程。与此同时，幕末改革的连续进行，无形中增强了日本对社会转型和利益调整的适应能力，也为明治维新提供了足资参照的思路。其中，庆应改革对明治政府的影响最直接。明治建政初期的总裁制，以及富国强兵、殖产兴业、对外开放等近代化基本国策无不与此次改革相关联。