當(dāng)前，科學(xué)技術(shù)已成為改變和影響世界經(jīng)濟(jì)版圖和政治格局的關(guān)鍵變量。各國政府不斷調(diào)整與完善科技政策，加強(qiáng)重點領(lǐng)域研發(fā)投入，從而確保在國際競爭中占據(jù)有利地位。盡管全社會對科技的重視程度和投入越來越大，論文與專利越來越多，但顛覆性成果卻越來越少，獲得重大發(fā)現(xiàn)越來越困難，與過去相比需要投入更多的人員、時間、經(jīng)費，科學(xué)發(fā)展路徑面臨挑戰(zhàn)。
(資料圖片僅供參考)
從當(dāng)前科技發(fā)展態(tài)勢來看，科技與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展不斷融合滲透發(fā)展，多學(xué)科交叉融合不斷深化，科研范式正在發(fā)生著深刻的變革。特別是2007年1月，圖靈獎獲得者吉姆·格雷在美國國家研究理事會計算機(jī)科學(xué)和電信委員會大會的主題演講上，基于實驗歸納、模型推演、仿真模擬提出了第四范式的觀點：數(shù)據(jù)密集型科學(xué)發(fā)現(xiàn)，使得科研范式變革逐漸成為全球科技界探討的熱點問題。我們需要把握科研范式變革的機(jī)遇，探索更有效的方式來應(yīng)對氣候變化、重大疾病、自然災(zāi)害、社會經(jīng)濟(jì)治理體系等全球性重大挑戰(zhàn)。這也特別需要科技界、政府乃至社會各界積極謀劃和適應(yīng)科研范式變革來找到應(yīng)對這些問題的方法。
為了更好地促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們需要理解全球性科研范式變革的內(nèi)涵和趨勢，主動應(yīng)對變革，從而為建設(shè)科技強(qiáng)國和高水平科技自立自強(qiáng)提供有力支撐，特別是希望優(yōu)化知識生產(chǎn)路徑，以促進(jìn)重大科學(xué)突破和全球重大問題解決。
一. “范式”概念的邏輯本質(zhì)
“范式（paradigm）”這一概念和理論是由美國著名的科學(xué)史家、科學(xué)哲學(xué)家托馬斯·庫恩（Thomas Kuhn）在其《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》一書中提出并進(jìn)行系統(tǒng)性闡述的。正是“范式”的引入，形成了《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》的基本研究思路：常規(guī)科學(xué)由一種“范式”來刻畫，“范式”確保了科學(xué)共同體研究的問題的正當(dāng)性。如果一切順利，可以一直達(dá)到“范式”所確定的研究方法無法解決的反常地步。出現(xiàn)危機(jī)并不斷延續(xù)，直到新的科學(xué)成就開始指導(dǎo)新的科學(xué)研究，并形成新的“范式”?？茖W(xué)革命的本質(zhì)是“范式”轉(zhuǎn)換和更替。
在《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》中，“范式”作為核心概念貫穿全書。庫恩指出：“按既定的用法，范式指的是一種公認(rèn)的模型或模式”“我采用這個術(shù)語是想說明，在科學(xué)實際活動中某些被公認(rèn)的范例——包括定律、理論、應(yīng)用及儀器設(shè)備統(tǒng)統(tǒng)在內(nèi)的范例——為某種科學(xué)研究傳統(tǒng)的出現(xiàn)提供了模型?！痹趲於骺磥?，“范式”是科學(xué)共同體共同接受的一組假說、理論、準(zhǔn)則和方法的總體，這些共識成了科學(xué)家的一致信念。
但是，《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》中的“范式”并不是一個精確的概念，具有靈活性、層次性和多樣性。因此，本研究與庫恩“范式”概念的邏輯起點是一致的，希望能尋找有效的知識生產(chǎn)方式以推動科學(xué)突破、解決當(dāng)前全球面臨的重大問題和挑戰(zhàn)。這樣“范式”變革就與知識生產(chǎn)方式（例如國家自然科學(xué)基金資助）得到有效統(tǒng)一。
二. 新時代科研范式變革的主要趨勢
自近代科學(xué)誕生以來，知識被不斷創(chuàng)造、發(fā)展，逐漸分化成為具有特定范式的某一學(xué)科。學(xué)科隨著知識增長、更替和分化不斷發(fā)展變化，成為知識增長的譜系。為此，本文對科學(xué)基金18個學(xué)科的戰(zhàn)略科學(xué)家代表進(jìn)行問卷調(diào)查。
調(diào)研顯示，科學(xué)家關(guān)注比較高的關(guān)鍵詞主要包括：學(xué)科、基礎(chǔ)、組織、數(shù)據(jù)、問題、復(fù)雜、系統(tǒng)、領(lǐng)域、交叉融合、模式、需求、社會、機(jī)制、協(xié)同、整體論等。在關(guān)鍵詞之間的關(guān)系方面，大數(shù)據(jù)、問題、方向、社會、復(fù)雜、組織等居于相對較為核心的位置。
從具體調(diào)研內(nèi)容來看，不同的學(xué)科有其特有的研究對象、研究方法、理論體系，因而科研范式變革的主要表現(xiàn)形式并不完全一致。盡管如此，也體現(xiàn)了一些共性的內(nèi)容，集中體現(xiàn)在科研范式變革的驅(qū)動力、研究方法以及科研活動的組織等方面趨勢。
解決系統(tǒng)性復(fù)雜問題成為新時代科研范式變革主要驅(qū)動力
解決系統(tǒng)性復(fù)雜問題成為當(dāng)前科學(xué)發(fā)展的主要目標(biāo)，這導(dǎo)致了原有學(xué)科內(nèi)容相應(yīng)的研究內(nèi)容、方法和范疇等方面逐漸發(fā)生改變，形成科學(xué)研究的多層次、多尺度、動態(tài)的基本特征，有力地驅(qū)動了新時代科研范式的變革。這些系統(tǒng)性復(fù)雜問題往往具有3個特點。
1. 強(qiáng)調(diào)整體的性質(zhì)
整體由部分組成，但整體的性質(zhì)并不是各部分性質(zhì)簡單相加，科學(xué)研究中每一個層次都有新的、有效的、普遍的規(guī)律，這些規(guī)律往往不能用還原論的方法中從更基本層次的規(guī)律推導(dǎo)出來。還原論一直并且仍將是科學(xué)研究活動中獲取有用信息的關(guān)鍵。Richard Gallagher等指出，對越來越少的東西了解得越來越多、不斷分化的子學(xué)科等對信息流動和溝通可能會造成了一定程度的障礙。
2. 復(fù)雜性
在考察部分與整體的關(guān)系時，不免產(chǎn)生了復(fù)雜系統(tǒng)的作用（關(guān)聯(lián)）、反饋、相變等特質(zhì)。如當(dāng)前心腦血管類疾病、代謝性疾病、腫瘤、神經(jīng)精神類疾病等慢性復(fù)雜性疾病已成為對我國人口健康威脅最大的疾病。這些疾病的發(fā)病涉及眾多致病因素，大多發(fā)病機(jī)理至今仍不清晰。有科學(xué)家在此次筆者團(tuán)隊組織的調(diào)研中指出，“回看人類對慢性復(fù)雜性疾病的認(rèn)識歷程，人類針對重大疾病的研究歷經(jīng)了從宏觀疾病表型到微觀分子分型的歷史變遷。一直以來，對復(fù)雜疾病發(fā)病機(jī)制的研究主要停留于局部組織病灶本身，很大程度上忽略了機(jī)體作為一個整體的系統(tǒng)改變，以及當(dāng)前的生態(tài)環(huán)境變遷、患者生活習(xí)慣改變、社會壓力徒增等因素互作對機(jī)體產(chǎn)生的綜合性的影響。近年來，對慢性復(fù)雜性疾病的認(rèn)識從局部病灶向機(jī)體整體拓展的趨勢初見端倪。人們逐步認(rèn)識到，慢性復(fù)雜性疾病不僅是局部組織器官的異常，往往涉及到機(jī)體各個系統(tǒng)的共同參與，與自然環(huán)境、社會心理等因素密切相關(guān)，是多因素、多環(huán)節(jié)、多器官交互作用的結(jié)果”。
3. 多學(xué)科交叉融合
這些問題往往與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展遇到的重大問題和挑戰(zhàn)有關(guān)，并不是單一學(xué)科的研究能解決的，需要通過學(xué)科融合來尋求解決方案。
仿真模擬和數(shù)據(jù)科學(xué)可能成為推動科研范式變革的有效突破口
計算機(jī)仿真模擬正在學(xué)科未來發(fā)展中體現(xiàn)出巨大的價值
自近代科學(xué)誕生以來，實驗歸納和模型推演成為科學(xué)研究的主要方法。隨著計算機(jī)的發(fā)展，仿真技術(shù)開始發(fā)展起來，早期主要在軍事領(lǐng)域應(yīng)用，20世紀(jì)80年代，伴隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，仿真技術(shù)進(jìn)入了全新的計算機(jī)仿真技術(shù)時代，計算機(jī)仿真技術(shù)開始大規(guī)模地應(yīng)用于仿真訓(xùn)練、儀器儀表開發(fā)、虛擬制造、電子產(chǎn)品設(shè)計等生產(chǎn)生活的多個方面，并日益成為實驗歸納和模型推演的必要補(bǔ)充。
1. 天文學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用。21世紀(jì)初，一些擅長計算機(jī)建模的宇宙學(xué)家開始著手在超級計算機(jī)上模擬宇宙140億年的歷史。其中IllustrisTNG項目對宇宙中各種作用力的模擬達(dá)到了前所未有的精細(xì)水平，這使得科學(xué)家能夠觀察星系如何在140億年的時間跨度內(nèi)形成、演化、成長和促成新恒星形成的過程，并利用該模型來進(jìn)一步揭示黑洞對暗物質(zhì)分布的影響、重元素如何產(chǎn)生和分布，以及磁場起源等問題。
2. 生物學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用。2012年，Karr等人在Cell 上發(fā)表文章，首次模擬了生殖支原體（Mycoplasma genitalium） 全生命周期并構(gòu)建了一個全細(xì)胞計算機(jī)模型。這個全細(xì)胞計算機(jī)模型含有所有的基因功能解釋，并且可在多種數(shù)據(jù)中進(jìn)行驗證，對正在分裂的支原體細(xì)胞中的每一個生物反應(yīng)步驟進(jìn)行計算，可以應(yīng)用于生物學(xué)研究的多個方面。
3. 地球科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用。2021年6 月，由中國科學(xué)院大氣物理研究所牽頭的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”（以下簡稱“寰”） 在北京懷柔科學(xué)城落成啟用?！板尽蹦芨鼮樵敿?xì)地預(yù)測地球氣候和環(huán)境變化，并集成海量模擬數(shù)據(jù)，產(chǎn)生全球和我國周圍詳細(xì)的“地球數(shù)據(jù)庫”。“寰”以加強(qiáng)對地球系統(tǒng)各個圈層間相互作用和演變規(guī)律的認(rèn)識，并為全球氣候和環(huán)境變化建立科學(xué)的預(yù)測基礎(chǔ)。為此，有科學(xué)家在調(diào)研中表示，“超級計算和人工智能的發(fā)展，計算機(jī)處理數(shù)據(jù)的能力和速度迅猛發(fā)展，充分利用高性能計算和科學(xué)仿真手段實現(xiàn)對新的實驗、歸納和演繹即將成為科研范式變革的有效突破口?！?/p>
數(shù)據(jù)科學(xué)展現(xiàn)出巨大的潛力
海量的數(shù)據(jù)、大幅提升的計算能力、數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展等都在不斷催生數(shù)據(jù)科學(xué)的產(chǎn)生。特別是在人工智能（AI） 的推動下，以AlphaFold2為代表的AI for Science 成果不斷刷新科學(xué)界的認(rèn)知。為此，有很多的科學(xué)家提出，數(shù)據(jù)科學(xué)將會是推動科研范式變革的有效突破口。但數(shù)據(jù)科學(xué)目前剛剛起步，其建立及其作用的發(fā)揮還需要一個漫長的過程。當(dāng)前還需要在3個方面開展積極的探索：通過數(shù)據(jù)平臺的建立來解決數(shù)據(jù)獲取、質(zhì)量、存儲、傳輸、管理及應(yīng)用場景問題；促進(jìn)機(jī)理與數(shù)據(jù)的融合來提升算法和模型的有效性；在離散幾何、離散拓?fù)?、圖論與組合等基礎(chǔ)數(shù)學(xué)中建立數(shù)據(jù)科學(xué)的根基。
創(chuàng)新科研活動組織模式成為推動科研范式變革的基礎(chǔ)
1.科技創(chuàng)新鏈條進(jìn)一步豐富，由傳統(tǒng)意義上的從基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究到產(chǎn)品開發(fā)的線性模式變?yōu)榫€性模式和反向模式共存
例如，在信息領(lǐng)域中反向模式的科技創(chuàng)新屢見不鮮，不同于以往首先在基礎(chǔ)研究創(chuàng)新后再向產(chǎn)品開發(fā)傳遞的正向模式，從特殊到一般的反向創(chuàng)新形式與擴(kuò)散路徑在信息領(lǐng)域?qū)乙姴货r。
2.學(xué)科交叉融合、跨部門合作趨勢進(jìn)一步明顯，對科研組織模式提出新挑戰(zhàn)
當(dāng)前，團(tuán)隊合作、多學(xué)科協(xié)同、跨部門合作、上下游貫通、企業(yè)及社會組織的介入，將成為新時代科研活動組織方式的主要特征。
三. 當(dāng)前在應(yīng)對科研范式變革方面存在的問題
學(xué)科相互隔離、領(lǐng)域碎片化的問題嚴(yán)重
當(dāng)前我國在學(xué)科設(shè)置上存在管理剛性和過于細(xì)化的問題。各國學(xué)科管理的體制機(jī)制有所不同，例如美國的學(xué)科專業(yè)劃分主要側(cè)重于統(tǒng)計、調(diào)查和引導(dǎo)，高等院校在開展教學(xué)、科研活動時，可以依據(jù)自身和社會需求，設(shè)置和調(diào)整自身學(xué)科專業(yè)。我國的學(xué)科設(shè)置是學(xué)科發(fā)展和科學(xué)研究的基本管理手段之一。管理機(jī)構(gòu)一味突出學(xué)科專業(yè)劃分的管理功能，不利于發(fā)揮高校和科研院所的積極主動性，不能使其充分適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和科學(xué)發(fā)展需求。在這種學(xué)科管理剛性的背景下，我國的學(xué)科過于細(xì)化，既不符合事物的本原，又不利于解決實際問題，由此會加劇了學(xué)術(shù)活動內(nèi)容的割裂，形成“學(xué)科壁壘”。
部門、機(jī)構(gòu)的協(xié)同以及共享機(jī)制有待健全
從選題上以跟蹤居多，原創(chuàng)性問題較少，解決應(yīng)用部門的問題居多，綜合性的較少。體制機(jī)制溝通“壁壘”亟待突破。由于體制上的原因，各個部門、機(jī)構(gòu)的分割，造成知識生產(chǎn)和流動的障礙，科研成果的合理分享遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠充分，對于原創(chuàng)思想的形成極為不利。科研數(shù)據(jù)多元化共享生態(tài)和機(jī)制亟待加強(qiáng)?？蒲袛?shù)據(jù)的開放共享意義重大，國外也已經(jīng)形成多樣化的科研數(shù)據(jù)共享生態(tài)。但當(dāng)前我國數(shù)據(jù)共享還是零星的、各自獨立的，管理服務(wù)科研數(shù)據(jù)的能力十分有限，科研數(shù)據(jù)共享的機(jī)制有待進(jìn)一步探索。
科研管理有待多元化
探索兼具中央宏觀調(diào)控和多元化自由研究，建立既有“大科學(xué)”硬核心、又有“小科學(xué)”軟外圍組織的體制，是我國建設(shè)世界科技強(qiáng)國的必由之路。當(dāng)前由于我國評價體系、體制和機(jī)制等多方面的問題，純基礎(chǔ)理論、科技基礎(chǔ)條件保障能力，以及學(xué)會期刊建設(shè)存在著明顯的不足，亟待改善。
四. 對策建議
科研范式變革涉及整個科學(xué)系統(tǒng)的變化?？紤]到科研范式變革的復(fù)雜性及當(dāng)前科學(xué)發(fā)展的現(xiàn)實需求，本文主要圍繞知識生產(chǎn)方式的優(yōu)化，特別是科學(xué)基金管理提出4點對策建議。
1.改革學(xué)科管理模式，探索交叉學(xué)科新型管理模式
捋順政府與高校、科研機(jī)構(gòu)的關(guān)系，擴(kuò)大高校、科研機(jī)構(gòu)自主權(quán)，探索建立積極主動適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展并符合教育科研自身發(fā)展規(guī)律的有效機(jī)制；強(qiáng)化統(tǒng)籌規(guī)劃和動態(tài)調(diào)整，逐步推動學(xué)科體系的均衡和協(xié)調(diào)發(fā)展；鼓勵創(chuàng)設(shè)交叉學(xué)科新型的學(xué)術(shù)組織，探索構(gòu)建有效的運(yùn)行機(jī)制，有效推進(jìn)學(xué)科交叉。
2.加強(qiáng)純基礎(chǔ)理論研究
不斷建立和完善適應(yīng)純基礎(chǔ)理論研究的保障、激勵和評價制度，加大科研單元的保障性經(jīng)費支付力度，建立健全穩(wěn)定的支持自由探索的體制機(jī)制，讓“板凳甘坐十年冷”的精神有了制度性保障。
3.加強(qiáng)使命導(dǎo)向研究，從深層次促進(jìn)學(xué)科融通
開展常態(tài)化的遴選、迭代面向世界科技前沿和國家重大需求的科學(xué)問題；加強(qiáng)多學(xué)科協(xié)同、多主體參與的使命導(dǎo)向研究，加強(qiáng)頂層設(shè)計和統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，尋求多元化的管理模式路徑，和與此對應(yīng)的部門協(xié)調(diào)機(jī)制，以及人、財、物管理體制。
4.加強(qiáng)科技基礎(chǔ)條件保障能力和數(shù)據(jù)平臺建設(shè)
建立科技基礎(chǔ)條件保障能力專項基金，支持計算軟件、高端儀器設(shè)備等相關(guān)科技基礎(chǔ)條件保障能力建設(shè)，探索建立相應(yīng)的評價、管理體系等長效機(jī)制；完善數(shù)據(jù)共享的制度規(guī)范建設(shè)，打造第三方的平臺來對接數(shù)據(jù)共享的需求。
文章源自：
杜鵬, 趙秉鈺, 孫粒, 等 . 新時代科研范式變革的內(nèi)涵及應(yīng)對 . 中國科學(xué)院院刊, 2023, 38(7): 991-1000, doi: 10.16418/j.issn.1000-3045.20230322001.
杜 鵬1?趙秉鈺1,2孫 粒3沙小晶1?張理茜1王孜丹4*
1 中國科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院
2 中國科學(xué)院大學(xué) 公共政策與管理學(xué)院
3 國家自然科學(xué)基金委員會 計劃與政策局
4 軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院
標(biāo)簽：
