中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 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(diǎn)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(huì)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(shí)間、經(jīng)費(fèi)，科學(xué)發(fā)展路徑面臨挑戰(zhàn)。

從當(dāng)前科技發(fā)展態(tài)勢來看，科技與經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(jiǎng)獲得者吉姆·格雷在美國國家研究理事會(huì)計(jì)算機(jī)科學(xué)和電信委員會(huì)（CSTB）大會(huì)的主題演講上，基于實(shí)驗(yàn)歸納、模型推演、仿真模擬提出了第四范式的觀點(diǎn)：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(diǎn)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、經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(huì)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(dòng)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。為此，本文首先梳理了“范式”概念的邏輯本質(zhì)，并基于調(diào)研分析了新時(shí)代科研范式變革基本趨勢，探討了我國在應(yīng)對科研范式變革時(shí)面臨的問題，提出知識生產(chǎn)相關(guān)的對策建議。

“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）（以下簡稱“庫恩”）在其《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》（The Structures of Scientific Revolutions）中提出并進(jìn)行了系統(tǒng)性闡述。“范式”的概念出現(xiàn)后，其影響及運(yùn)用不僅限于科學(xué)哲學(xué)范圍，還不斷延伸到其他學(xué)科領(lǐng)域。

庫恩分別于1943年、1946年和1949年獲得哈佛大學(xué)學(xué)士、碩士和博士學(xué)位，專業(yè)都是物理，其博士論文的導(dǎo)師是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者約翰·范弗萊克（Johan van Vleck）。1947年的一次機(jī)緣巧合對庫恩的學(xué)術(shù)生涯產(chǎn)生了決定性影響。當(dāng)時(shí)，庫恩被邀請參加了一期有關(guān)17世紀(jì)力學(xué)起源問題的講座，以此為契機(jī)，他暫時(shí)中斷了自己的博士論文準(zhǔn)備工作，轉(zhuǎn)向深入研究伽利略、牛頓、亞里士多德等人的力學(xué)理論。庫恩發(fā)現(xiàn)，亞里士多德在其著作《物理學(xué)》中對運(yùn)動(dòng)問題發(fā)表了很多荒謬的論點(diǎn)，尤其引起庫恩注意的是，有很多后繼研究者在相當(dāng)長的時(shí)間里視這些錯(cuò)誤觀點(diǎn)為正確的。庫恩突然意識到，亞里士多德《物理學(xué)》的主題與近代物理學(xué)完全不同，這是導(dǎo)致以庫恩所處時(shí)代的學(xué)術(shù)眼光來審視亞里士多德《物理學(xué)》中部分內(nèi)容完全荒謬的根本原因。亞里士多德的讀者一旦將審視的眼光拉回到亞里士多德自己的知識范疇和邏輯框架中，《物理學(xué)》中在今后顯得“荒謬”甚至是“錯(cuò)誤”的內(nèi)容，就立即擁有內(nèi)在的邏輯。于是，庫恩嘗試以亞里士多德本人的思維方式，試圖理解作者的意圖，于是亞里士多德的理論就變成了可以被理解的。庫恩發(fā)現(xiàn)，新的力學(xué)理論體系和舊的力學(xué)理論體系都能在它們存在的特有歷史時(shí)間解決某些實(shí)際問題。但是，新、舊力學(xué)理論體系對觀察到的相同事實(shí)的闡述卻完全不一樣。亞里士多德力學(xué)體系和牛頓體系的關(guān)系是這種情況，牛頓體系和愛因斯坦體系的關(guān)系也是這種情況。因此，庫恩得出的結(jié)論是，科學(xué)進(jìn)步是累積的和知識持續(xù)積累增長的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，并不能反映出歷史研究中展示的真實(shí)情況。

科學(xué)如何發(fā)展？這是庫恩在《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》中不斷探尋的最核心的問題。事實(shí)上，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。然后出現(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”。科學(xué)革命的本質(zhì)是“范式”的轉(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(gè)術(shù)語是想說明，在科學(xué)實(shí)際活動(dòng)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。”在庫恩看來，“范式”是對本體論、認(rèn)識論和方法論的基本承諾，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。也就是說，庫恩把科學(xué)共同體共同認(rèn)可的科學(xué)成就作為“范式”，這些“范式”告訴科學(xué)家該如何做、提出怎樣的問題、怎樣進(jìn)行觀察和實(shí)驗(yàn)。庫恩認(rèn)為，這些科學(xué)成就能“空前地吸引一批堅(jiān)定的支持者”和“并足夠無限制地為新的實(shí)踐者留下需要解決的各種問題”。

但是，《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》中的“范式”并不是一個(gè)精確的概念，具有靈活性、層次性和多樣性，“范式”轉(zhuǎn)換在不同層次的重要性也不盡相同。因此，本研究與庫恩“范式”概念的邏輯起點(diǎn)是一致的，希望能尋找有效的知識生產(chǎn)方式以推動(dòng)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（如國家自然科學(xué)基金資助）得到有效統(tǒng)一。在尋找這種有效的知識生產(chǎn)方式時(shí)，可從2個(gè)出發(fā)點(diǎn)判斷：基于科學(xué)共同體而言——某一特定學(xué)科或者跨學(xué)科的知識生產(chǎn)方式，這種是全球性的，具有一定的普遍性；從社會(huì)的視角對科學(xué)活動(dòng)的相關(guān)組織方式進(jìn)行考察，比如選題與社會(huì)需求、資源分配等，這往往與國家對科學(xué)的管理模式密切相關(guān)。

新時(shí)代具體學(xué)科科研范式變革的主要表現(xiàn)形式

自近代科學(xué)誕生以來，知識被不斷創(chuàng)造、發(fā)展，并不斷形成系統(tǒng)化的理論和方法，從而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，形成不同分支領(lǐng)域，進(jìn)而發(fā)展成為知識增長的譜系。為此，本次調(diào)研分為2個(gè)部分：根據(jù)國際上相關(guān)戰(zhàn)略研究的成果，重點(diǎn)分析物理學(xué)和生物學(xué)的發(fā)展趨勢，關(guān)注學(xué)科發(fā)展和知識生產(chǎn)方式的變化；開展國家自然科學(xué)基金科研范式變革專項(xiàng)調(diào)研，對國家自然科學(xué)基金18個(gè)學(xué)科的戰(zhàn)略科學(xué)家進(jìn)行問卷調(diào)查。

國際相關(guān)學(xué)科戰(zhàn)略研究的成果調(diào)研——以物理學(xué)和生物學(xué)的發(fā)展趨勢為例

物理學(xué)。2005年是國際“世界物理年”。為了紀(jì)念“世界物理年”，國際物理學(xué)界出版了2部重要的著作——《20世紀(jì)物理學(xué)》和《21世紀(jì)新物理學(xué)》。從《21世紀(jì)新物理學(xué)》中也可發(fā)現(xiàn)物理學(xué)前沿發(fā)展的端倪和趨勢，了解知識生產(chǎn)方式相關(guān)的一些變化特點(diǎn)。物理學(xué)是關(guān)于物質(zhì)和能量的科學(xué)。當(dāng)前物理學(xué)變得更加復(fù)雜，沿著不同的方向分化。與未來物理學(xué)科研范式變革相關(guān)的內(nèi)容可以概括為3個(gè)方面：新的綜合。宇宙是龐大的，最終它又是由極小的東西構(gòu)成。在大尺度上，宇宙是由相對論下的引力理論描述的，而在小尺度上是由量子物理學(xué)描述的。多年來這2種描述相互隔離，但是20世紀(jì)后期人們有了新的認(rèn)識——宇宙是在一次大爆炸中創(chuàng)生的，而量子引力在這里起主要作用。這類研究成果也預(yù)示了一種新的綜合，科學(xué)家不僅對宇宙的微觀結(jié)構(gòu)有了更深入的認(rèn)識，也對宇宙大爆炸及其后續(xù)的演化和宇宙中的大尺度結(jié)構(gòu)有了更深的理解。簡單與復(fù)雜。傳統(tǒng)上物理學(xué)家一直把“簡單”作為追求的目標(biāo)，而現(xiàn)實(shí)世界具有復(fù)雜性，當(dāng)前物理學(xué)需要把二者協(xié)調(diào)起來，與各種客體把自己“組織”成自我持續(xù)的結(jié)構(gòu)的能力協(xié)調(diào)起來。在處理一些無法進(jìn)行解析的數(shù)學(xué)問題時(shí)，比如非線性系統(tǒng)問題，利用計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行模擬提供了另外的甚至有可能是全新的理解高度。精巧的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。實(shí)驗(yàn)物理學(xué)根植于精巧的技術(shù)之中，新的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)常常由技術(shù)突破和儀器設(shè)備革新而得到。

生物學(xué)。2008年9月—2009年7月，美國科學(xué)院研究理事會(huì)應(yīng)美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）、美國能源部（DOE）、美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）要求，專門成立了“二十一世紀(jì)新生物學(xué)委員會(huì)”，經(jīng)過廣泛調(diào)研和充分研討，形成了《二十一世紀(jì)新生物學(xué)》。在《二十一世紀(jì)新生物學(xué)》中，與未來生物學(xué)知識生產(chǎn)方式變化相關(guān)的內(nèi)容可以概括為3個(gè)方面：知識整合。新生物學(xué)的本質(zhì)是生物學(xué)各學(xué)科之間的再整合，以及生物學(xué)與物理學(xué)、計(jì)算科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程學(xué)等多個(gè)學(xué)科的整合。這些從各個(gè)學(xué)科整合而來的知識促進(jìn)了人們對生物系統(tǒng)的更加深入的認(rèn)知和理解。 超越還原論。傳統(tǒng)的研究手段一般以還原論出發(fā)，可有效指導(dǎo)研究人員揭示生命體中最基礎(chǔ)的分子、細(xì)胞、生理學(xué)和生態(tài)過程。基于還原論的生物學(xué)研究方式仍將一直持續(xù)下去。但是，生物學(xué)家已經(jīng)開始努力研究在單一層次的生物組織中各種組分之間的相互作用，以及同時(shí)對多個(gè)組分進(jìn)行研究，并將這些知識進(jìn)行融合。這種超越還原論的研究手段一定程度上加強(qiáng)了研究人員對這些成分如何在一個(gè)生命系統(tǒng)中協(xié)同工作的理解。設(shè)立大目標(biāo)，讓問題推動(dòng)科學(xué)進(jìn)步。對于具有跨學(xué)科、系統(tǒng)水平、計(jì)算需求高的項(xiàng)目，傳統(tǒng)的資助渠道和體制結(jié)構(gòu)已經(jīng)不太適合。需要設(shè)立具有挑戰(zhàn)性的大目標(biāo)，并協(xié)調(diào)現(xiàn)有學(xué)術(shù)、公共和私營機(jī)構(gòu)的有關(guān)資源，努力使得項(xiàng)目能在大多數(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生最大回報(bào)。

國家自然科學(xué)基金科研范式變革專項(xiàng)調(diào)研

本研究開展專項(xiàng)調(diào)研的涉及科學(xué)家共57位，主要來源于國家自然科學(xué)基金“十四五”發(fā)展規(guī)劃涉及18個(gè)學(xué)科的戰(zhàn)略規(guī)劃負(fù)責(zé)人，以及國家自然科學(xué)基金委員會(huì)各科學(xué)部推薦的具有戰(zhàn)略視野的科學(xué)家。本次專項(xiàng)調(diào)研試圖了解各學(xué)科領(lǐng)域科學(xué)家對新時(shí)代科研范式變革的主要表現(xiàn)形式、科研范式變革對科研的影響，以及如何應(yīng)對這3個(gè)方面問題的理解和認(rèn)識。調(diào)研發(fā)放問卷57份，回收有效問卷31份，回收率為54.4%，有效問卷填寫者涉及16個(gè)學(xué)科，學(xué)科覆蓋率達(dá)到88.9%。在使用問卷調(diào)查法的同時(shí)，還對部分科學(xué)家進(jìn)行了訪談。

為了更為全面地考察戰(zhàn)略科學(xué)家對科研范式變革的理解，筆者團(tuán)隊(duì)對問卷調(diào)研結(jié)果進(jìn)行了詞云分析（圖1）。可以看出，戰(zhàn)略科學(xué)家關(guān)注度比較高的關(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(huì)、機(jī)制、協(xié)同、整體論等。在此基礎(chǔ)上，筆者團(tuán)隊(duì)還分析了關(guān)鍵詞之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系（圖2），其中大數(shù)據(jù)、問題、方向、社會(huì)、復(fù)雜、組織等居于相對較為核心的位置。

圖1 受訪科學(xué)家對于科研范式變革理解的詞云圖

Figure 1　Word cloud of interviewed scientists' understanding of scientific research paradigm transformation

圖2 受訪科學(xué)家對于科研范式變革理解的主要關(guān)鍵詞之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系

Figure 2　Structural relationship between main keywords of interviewed scientists' understanding of paradigm change in scientific research

新時(shí)代科研范式變革的主要趨勢

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，調(diào)研結(jié)果也呈現(xiàn)出一些共性的內(nèi)容，集中體現(xiàn)在科研范式變革的驅(qū)動(dòng)力、研究方法及科研活動(dòng)的組織等方面。

解決系統(tǒng)性復(fù)雜問題成為新時(shí)代科研范式變革主要驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)的基本特征，有力地驅(qū)動(dòng)了新時(shí)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(gè)特點(diǎn)。

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(gè)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(dòng)中獲取有用信息的關(guān)鍵。Gallagher和Appenzeller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(dòng)和溝通可能會(huì)造成了一定程度的障礙。

復(fù)雜性。在考察部分與整體的關(guān)系時(shí)，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)。以氣候問題和臨床醫(yī)學(xué)中的慢性復(fù)雜性疾病為例。氣候問題。氣候問題一般由太陽輻射反饋所主導(dǎo)。這些反饋可能會(huì)受到系統(tǒng)的非線性和未來變化模式的影響，但會(huì)有多大影響并不確定，也很難預(yù)測。氣候問題，可能永遠(yuǎn)都是復(fù)雜的：在混沌中存在確定性，在理解中存在不可預(yù)測性。慢性復(fù)雜性疾病。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。這無疑為慢性疾病發(fā)病的診斷與治療，以及新藥研發(fā)策略帶來了重大挑戰(zhàn)。有科學(xué)家在此次筆者團(tuán)隊(duì)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(gè)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(huì)壓力陡增等因素互作對機(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，往往涉及機(jī)體各個(gè)系統(tǒng)的共同參與，與自然環(huán)境、社會(huì)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”。

多學(xué)科交叉融合。這些問題往往與經(jīng)濟(jì)社會(huì)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。例如，有效應(yīng)對21世紀(jì)的大規(guī)模流行病，流行病學(xué)、社會(huì)科學(xué)、社交媒體、疫苗研制、外交、物流和危機(jī)管理等涉及的多學(xué)科整合必不可少。又如，有科學(xué)家在調(diào)研訪談中指出，“對于慢病復(fù)雜性疾病來說，需要樹立以微生態(tài)、免疫、代謝紊亂和神經(jīng)內(nèi)分泌失衡應(yīng)激為核心內(nèi)容的復(fù)雜疾病的‘整體研究觀’，建立疾病狀態(tài)下細(xì)胞內(nèi)部、細(xì)胞之間、細(xì)胞與器官之間、器官與器官之間的時(shí)空調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，搭建疾病的病理生理特征與臨床表型之間的關(guān)聯(lián)和對應(yīng)，分析疾病的共性機(jī)理與關(guān)鍵因素；集成多維組學(xué)、人工智能等前沿技術(shù)，發(fā)展一批新技術(shù)、模型，建立基于共性病理基礎(chǔ)的多維整體評價(jià)體系，繼而構(gòu)建基于共性病理基礎(chǔ)和疾病個(gè)性特征的整體診療體系”。

仿真模擬和數(shù)據(jù)科學(xué)可能成為推動(dòng)科研范式變革的有效突破口

計(jì)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(jià)值。自近代科學(xué)誕生以來，實(shí)驗(yàn)歸納和模型推演成為科學(xué)研究的主要方法。隨著計(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)仿真技術(shù)時(shí)代，計(jì)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(jì)等生產(chǎn)生活的多個(gè)方面，并日益成為實(shí)驗(yàn)歸納和模型推演的必要補(bǔ)充。天文學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用。21世紀(jì)初，一些擅長計(jì)算機(jī)建模的宇宙學(xué)家開始著手在超級計(jì)算機(jī)上模擬宇宙140億年的歷史。其中IllustrisTNG項(xiàng)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(shí)間跨度內(nèi)形成、演化、成長和促成新恒星形成的過程。這些宇宙學(xué)家建立并已經(jīng)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。生物學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用。2012年，Karr等在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(gè)全細(xì)胞計(jì)算機(jī)模型，該模型涵蓋了生殖支原體的所有分子組及其之間的相互作用。這個(gè)全細(xì)胞計(jì)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(yàn)證，對正在分裂的支原體細(xì)胞中的每一個(gè)生物反應(yīng)步驟進(jìn)行計(jì)算，可以應(yīng)用于生物學(xué)研究的多個(gè)方面。地球科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用。計(jì)算機(jī)仿真模擬近期在地球科學(xué)領(lǐng)域也取得了較大的進(jìn)展。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。“寰”能更為詳細(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”旨在加強(qiáng)對地球系統(tǒng)各個(gè)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(jì)算和人工智能的發(fā)展，計(jì)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(jì)算和科學(xué)仿真手段實(shí)現(xiàn)對新的實(shí)驗(yàn)、歸納和演繹即將成為科研范式變革的有效突破口。”

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(jì)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(dòng)下，以AlphaFold2為代表的AI for Science（人工智能驅(qū)動(dòng)下的科學(xué)）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(huì)是推動(dòng)科研范式變革的有效突破口。筆者認(rèn)為，數(shù)據(jù)科學(xué)驅(qū)動(dòng)下的科研范式變革正在發(fā)展之中，需要從兩個(gè)方面予以重點(diǎn)關(guān)注：目前，對數(shù)據(jù)科學(xué)的內(nèi)涵和外延仍缺乏較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x和學(xué)術(shù)界的共識，但一般可以從方法論視角和本體論視角2個(gè)方面進(jìn)行探討。從方法論視角看，數(shù)據(jù)科學(xué)驅(qū)動(dòng)的科研范式也就是吉姆·格雷提出的第四范式，通過直接對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)以往的科學(xué)研究方法未曾發(fā)現(xiàn)的新模式、新知識甚至是新規(guī)律。從本體論視角看數(shù)據(jù)科學(xué)，數(shù)據(jù)就是自然世界的符號化反應(yīng)。既然自然世界是客觀存在的，同時(shí)是具有共性的科學(xué)規(guī)律的，那么反映自然世界的數(shù)據(jù)空間同時(shí)也可能具有獨(dú)立于彼此領(lǐng)域的一般性規(guī)律。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(gè)漫長的過程。當(dāng)前還需要在3個(gè)方面開展積極的探索：通過數(shù)據(jù)平臺(tái)的建立來解決數(shù)據(jù)獲取、質(zhì)量、存儲(chǔ)、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)洹D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(dòng)組織模式成為推動(dòng)科研范式變革的基礎(chǔ)

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，如軟件工程領(lǐng)域。這種反向創(chuàng)新科研過程是指，“企業(yè)專門為特定市場開發(fā)的創(chuàng)新產(chǎn)品和服務(wù)，再以問題為導(dǎo)向通過基礎(chǔ)研究的發(fā)現(xiàn)推動(dòng)產(chǎn)品的迭代優(yōu)化，遵循從特殊到一般的反向科研規(guī)律”。有科學(xué)家在本次調(diào)研中提到，美國谷歌（Google）公司可作為反向創(chuàng)新的典型，她認(rèn)為，“Google AI研究團(tuán)隊(duì)始終致力于基礎(chǔ)研究和系統(tǒng)工程的結(jié)合，團(tuán)隊(duì)大部分工作是為不同產(chǎn)品更快、更有效地完成任務(wù)提供研究支撐，從而催生了在自然語言理解、感知研究、算法和理論、軟件系統(tǒng)、AutoML、TPU等方面基礎(chǔ)研究的突破，再通過與不同產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)的合作將研究成果廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品中”。

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(duì)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(huì)組織的介入，將成為新時(shí)代科研活動(dòng)組織方式的主要特征。有科學(xué)家在調(diào)研中表示，集成電路的發(fā)展具有典型意義。“一方面，集成電路融合了物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、精密機(jī)械和自動(dòng)化、光學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等40多種學(xué)科及工程領(lǐng)域的最新成果，具有鮮明的學(xué)科交叉特征。另一方面，集成電路的發(fā)展也必將推動(dòng)精密儀器、凝聚態(tài)物理、納米技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。”

當(dāng)前我國在應(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(jì)、調(diào)查和引導(dǎo)，高等院校在開展教學(xué)、科研活動(dòng)時(shí)，可以依據(jù)自身和社會(huì)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(dòng)性，不能使其充分適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(shí)際問題，由此會(huì)加劇學(xué)術(shù)活動(dòng)內(nèi)容的割裂，形成“學(xué)科壁壘”。

部門、機(jī)構(gòu)的協(xié)同及共享機(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。如何跨越機(jī)構(gòu)和部門利益，提出極具挑戰(zhàn)性的科學(xué)目標(biāo)，并建立相應(yīng)的協(xié)調(diào)管理機(jī)制，讓問題推動(dòng)科學(xué)進(jìn)步，依然存在很大的挑戰(zhàn)。

體制機(jī)制溝通“壁壘”亟待突破。由于體制的原因，各個(gè)部門、機(jī)構(gòu)的分割，造成知識生產(chǎn)和流動(dòng)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)。科研數(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)。例如，免費(fèi)共享研究論文的Academia.edu，分享科研成果的ResearchGate，科研實(shí)驗(yàn)外包服務(wù)平臺(tái)Science Exchange，數(shù)據(jù)科學(xué)社區(qū)Kaggle，眾包創(chuàng)新科研平臺(tái)InnoCentive，全球最大的眾包開放創(chuàng)新中介平臺(tái)IdeaConnection等。但當(dāng)前我國數(shù)據(jù)共享還是零星的、各自獨(dú)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(jià)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(huì)期刊建設(shè)存在著明顯的不足，亟待改善。

如何發(fā)展純基礎(chǔ)理論研究依然是一個(gè)重要的問題。純基礎(chǔ)理論研究往往來源于學(xué)科交叉，通常沒有直接的應(yīng)用價(jià)值，一般能為重大使命任務(wù)解決方案的產(chǎn)生提供了一種新的研究視角和思想啟迪。同時(shí)越是前沿原創(chuàng)的問題，研究風(fēng)險(xiǎn)越高，而目前我國的學(xué)術(shù)激勵(lì)機(jī)制和科研文化對風(fēng)險(xiǎn)持比較保守態(tài)度。

專業(yè)軟件和儀器設(shè)備等方面基礎(chǔ)能力嚴(yán)重不足。例如，我國使用的高端科研儀器設(shè)備和專業(yè)軟件幾乎被國際巨頭壟斷，一旦國外供應(yīng)商停止供貨或者停止維護(hù)服務(wù)，那我國面臨的不單單是沒有國產(chǎn)替代產(chǎn)品的問題，甚至有可能是國內(nèi)科學(xué)研究全面停滯的問題。近年來，美國Mathworks公司開發(fā)的Matlab軟件在中國部分高校被禁用就表明了問題的嚴(yán)重性。

對策建議

科研范式變革涉及整個(gè)科學(xué)系統(tǒng)的變化。考慮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(shí)需求，本文主要圍繞知識生產(chǎn)方式的優(yōu)化，特別是對科學(xué)基金管理提出4點(diǎn)對策建議。

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(dòng)適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(dòng)態(tài)調(diào)整，逐步推動(dòng)學(xué)科體系的均衡和協(xié)調(diào)發(fā)展；鼓勵(lì)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。

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(lì)和評價(jià)制度，加大科研單元的保障性經(jīng)費(fèi)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。

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(jì)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(cái)、物管理體制。

加強(qiáng)科技基礎(chǔ)條件保障能力和數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)。建立科技基礎(chǔ)條件保障能力專項(xiàng)基金，支持計(jì)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(jià)、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(tái)來對接數(shù)據(jù)共享的需求。

（作者：杜鵬、沙小晶、張理茜，中國科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院；趙秉鈺，，中國科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院 中國科學(xué)院大學(xué)公共政策與管理學(xué)院；孫粒，國家自然科學(xué)基金委員會(huì)計(jì)劃與政策局；王孜丹，軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院；編審：楊柳春，《中國科學(xué)院院刊》供稿）