新时代科研范式变革的内涵到底是什么？我们该如何应对？

当前，科学技术已成为改变和影响世界经济版图和政治格局的关键变量。各国政府不断调整与完善科技政策，加强重点领域研发投入，从而确保在国际竞争中占据有利地位。尽管全社会对科技的重视程度和投入越来越大，论文与专利越来越多，但颠覆性成果却越来越少，获得重大发现越来越困难，与过去相比需要投入更多的人员、时间、经费，科学发展路径面临挑战。

从当前科技发展态势来看，科技与经济社会发展不断融合渗透发展，多学科交叉融合不断深化，科研范式正在发生着深刻的变革。特别是2007年1月，图灵奖获得者吉姆·格雷在美国国家研究理事会计算机科学和电信委员会大会的主题演讲上，基于实验归纳、模型推演、仿真模拟提出了第四范式的观点：数据密集型科学发现，使得科研范式变革逐渐成为全球科技界探讨的热点问题。我们需要把握科研范式变革的机遇，探索更有效的方式来应对气候变化、重大疾病、自然灾害、社会经济治理体系等全球性重大挑战。这也特别需要科技界、政府乃至社会各界积极谋划和适应科研范式变革来找到应对这些问题的方法。

为了更好地促进科学技术的发展，我们需要理解全球性科研范式变革的内涵和趋势，主动应对变革，从而为建设科技强国和高水平科技自立自强提供有力支撑，特别是希望优化知识生产路径，以促进重大科学突破和全球重大问题解决。

(资料图)

一. “范式”概念的逻辑本质

“范式（paradigm）”这一概念和理论是由美国著名的科学史家、科学哲学家托马斯·库恩（Thomas Kuhn）在其《科学革命的结构》一书中提出并进行系统性阐述的。正是“范式”的引入，形成了《科学革命的结构》的基本研究思路：常规科学由一种“范式”来刻画，“范式”确保了科学共同体研究的问题的正当性。如果一切顺利，可以一直达到“范式”所确定的研究方法无法解决的反常地步。出现危机并不断延续，直到新的科学成就开始指导新的科学研究，并形成新的“范式”。科学革命的本质是“范式”转换和更替。

在《科学革命的结构》中，“范式”作为核心概念贯穿全书。库恩指出：“按既定的用法，范式指的是一种公认的模型或模式”“我采用这个术语是想说明，在科学实际活动中某些被公认的范例——包括定律、理论、应用及仪器设备统统在内的范例——为某种科学研究传统的出现提供了模型。”在库恩看来，“范式”是科学共同体共同接受的一组假说、理论、准则和方法的总体，这些共识成了科学家的一致信念。

但是，《科学革命的结构》中的“范式”并不是一个精确的概念，具有灵活性、层次性和多样性。因此，本研究与库恩“范式”概念的逻辑起点是一致的，希望能寻找有效的知识生产方式以推动科学突破、解决当前全球面临的重大问题和挑战。这样“范式”变革就与知识生产方式（例如国家自然科学基金资助）得到有效统一。

二. 新时代科研范式变革的主要趋势

自近代科学诞生以来，知识被不断创造、发展，逐渐分化成为具有特定范式的某一学科。学科随着知识增长、更替和分化不断发展变化，成为知识增长的谱系。为此，本文对科学基金18个学科的战略科学家代表进行问卷调查。

调研显示，科学家关注比较高的关键词主要包括：学科、基础、组织、数据、问题、复杂、系统、领域、交叉融合、模式、需求、社会、机制、协同、整体论等。在关键词之间的关系方面，大数据、问题、方向、社会、复杂、组织等居于相对较为核心的位置。

从具体调研内容来看，不同的学科有其特有的研究对象、研究方法、理论体系，因而科研范式变革的主要表现形式并不完全一致。尽管如此，也体现了一些共性的内容，集中体现在科研范式变革的驱动力、研究方法以及科研活动的组织等方面趋势。

解决系统性复杂问题成为新时代科研范式变革主要驱动力

解决系统性复杂问题成为当前科学发展的主要目标，这导致了原有学科内容相应的研究内容、方法和范畴等方面逐渐发生改变，形成科学研究的多层次、多尺度、动态的基本特征，有力地驱动了新时代科研范式的变革。这些系统性复杂问题往往具有3个特点。

1. 强调整体的性质

整体由部分组成，但整体的性质并不是各部分性质简单相加，科学研究中每一个层次都有新的、有效的、普遍的规律，这些规律往往不能用还原论的方法中从更基本层次的规律推导出来。还原论一直并且仍将是科学研究活动中获取有用信息的关键。Richard Gallagher等指出，对越来越少的东西了解得越来越多、不断分化的子学科等对信息流动和沟通可能会造成了一定程度的障碍。

2. 复杂性

在考察部分与整体的关系时，不免产生了复杂系统的作用（关联）、反馈、相变等特质。如当前心脑血管类疾病、代谢性疾病、肿瘤、神经精神类疾病等慢性复杂性疾病已成为对我国人口健康威胁最大的疾病。这些疾病的发病涉及众多致病因素，大多发病机理至今仍不清晰。有科学家在此次笔者团队组织的调研中指出，“回看人类对慢性复杂性疾病的认识历程，人类针对重大疾病的研究历经了从宏观疾病表型到微观分子分型的历史变迁。一直以来，对复杂疾病发病机制的研究主要停留于局部组织病灶本身，很大程度上忽略了机体作为一个整体的系统改变，以及当前的生态环境变迁、患者生活习惯改变、社会压力徒增等因素互作对机体产生的综合性的影响。近年来，对慢性复杂性疾病的认识从局部病灶向机体整体拓展的趋势初见端倪。人们逐步认识到，慢性复杂性疾病不仅是局部组织器官的异常，往往涉及到机体各个系统的共同参与，与自然环境、社会心理等因素密切相关，是多因素、多环节、多器官交互作用的结果”。

3. 多学科交叉融合

这些问题往往与经济社会发展遇到的重大问题和挑战有关，并不是单一学科的研究能解决的，需要通过学科融合来寻求解决方案。

仿真模拟和数据科学可能成为推动科研范式变革的有效突破口

计算机仿真模拟正在学科未来发展中体现出巨大的价值

自近代科学诞生以来，实验归纳和模型推演成为科学研究的主要方法。随着计算机的发展，仿真技术开始发展起来，早期主要在军事领域应用，20世纪80年代，伴随着计算机技术的快速发展，仿真技术进入了全新的计算机仿真技术时代，计算机仿真技术开始大规模地应用于仿真训练、仪器仪表开发、虚拟制造、电子产品设计等生产生活的多个方面，并日益成为实验归纳和模型推演的必要补充。

1. 天文学领域应用。21世纪初，一些擅长计算机建模的宇宙学家开始着手在超级计算机上模拟宇宙140亿年的历史。其中IllustrisTNG项目对宇宙中各种作用力的模拟达到了前所未有的精细水平，这使得科学家能够观察星系如何在140亿年的时间跨度内形成、演化、成长和促成新恒星形成的过程，并利用该模型来进一步揭示黑洞对暗物质分布的影响、重元素如何产生和分布，以及磁场起源等问题。

2. 生物学领域应用。2012年，Karr等人在Cell 上发表文章，首次模拟了生殖支原体（Mycoplasma genitalium）全生命周期并构建了一个全细胞计算机模型。这个全细胞计算机模型含有所有的基因功能解释，并且可在多种数据中进行验证，对正在分裂的支原体细胞中的每一个生物反应步骤进行计算，可以应用于生物学研究的多个方面。

3. 地球科学领域应用。2021年6 月，由中国科学院大气物理研究所牵头的国家重大科技基础设施“地球系统数值模拟装置”（以下简称“寰”）在北京怀柔科学城落成启用。“寰”能更为详细地预测地球气候和环境变化，并集成海量模拟数据，产生全球和我国周围详细的“地球数据库”。“寰”以加强对地球系统各个圈层间相互作用和演变规律的认识，并为全球气候和环境变化建立科学的预测基础。为此，有科学家在调研中表示，“超级计算和人工智能的发展，计算机处理数据的能力和速度迅猛发展，充分利用高性能计算和科学仿真手段实现对新的实验、归纳和演绎即将成为科研范式变革的有效突破口。”

数据科学展现出巨大的潜力

海量的数据、大幅提升的计算能力、数字经济的发展等都在不断催生数据科学的产生。特别是在人工智能（AI）的推动下，以AlphaFold2为代表的AI for Science 成果不断刷新科学界的认知。为此，有很多的科学家提出，数据科学将会是推动科研范式变革的有效突破口。但数据科学目前刚刚起步，其建立及其作用的发挥还需要一个漫长的过程。当前还需要在3个方面开展积极的探索：通过数据平台的建立来解决数据获取、质量、存储、传输、管理及应用场景问题；促进机理与数据的融合来提升算法和模型的有效性；在离散几何、离散拓扑、图论与组合等基础数学中建立数据科学的根基。

创新科研活动组织模式成为推动科研范式变革的基础

1.科技创新链条进一步丰富，由传统意义上的从基础研究、应用研究到产品开发的线性模式变为线性模式和反向模式共存

例如，在信息领域中反向模式的科技创新屡见不鲜，不同于以往首先在基础研究创新后再向产品开发传递的正向模式，从特殊到一般的反向创新形式与扩散路径在信息领域屡见不鲜。

2.学科交叉融合、跨部门合作趋势进一步明显，对科研组织模式提出新挑战

当前，团队合作、多学科协同、跨部门合作、上下游贯通、企业及社会组织的介入，将成为新时代科研活动组织方式的主要特征。

三. 当前在应对科研范式变革方面存在的问题

学科相互隔离、领域碎片化的问题严重

当前我国在学科设置上存在管理刚性和过于细化的问题。各国学科管理的体制机制有所不同，例如美国的学科专业划分主要侧重于统计、调查和引导，高等院校在开展教学、科研活动时，可以依据自身和社会需求，设置和调整自身学科专业。我国的学科设置是学科发展和科学研究的基本管理手段之一。管理机构一味突出学科专业划分的管理功能，不利于发挥高校和科研院所的积极主动性，不能使其充分适应经济社会发展和科学发展需求。在这种学科管理刚性的背景下，我国的学科过于细化，既不符合事物的本原，又不利于解决实际问题，由此会加剧了学术活动内容的割裂，形成“学科壁垒”。

部门、机构的协同以及共享机制有待健全

从选题上以跟踪居多，原创性问题较少，解决应用部门的问题居多，综合性的较少。体制机制沟通“壁垒”亟待突破。由于体制上的原因，各个部门、机构的分割，造成知识生产和流动的障碍，科研成果的合理分享远远不够充分，对于原创思想的形成极为不利。科研数据多元化共享生态和机制亟待加强。科研数据的开放共享意义重大，国外也已经形成多样化的科研数据共享生态。但当前我国数据共享还是零星的、各自独立的，管理服务科研数据的能力十分有限，科研数据共享的机制有待进一步探索。

科研管理有待多元化

探索兼具中央宏观调控和多元化自由研究，建立既有“大科学”硬核心、又有“小科学”软外围组织的体制，是我国建设世界科技强国的必由之路。当前由于我国评价体系、体制和机制等多方面的问题，纯基础理论、科技基础条件保障能力，以及学会期刊建设存在着明显的不足，亟待改善。

四. 对策建议

科研范式变革涉及整个科学系统的变化。考虑到科研范式变革的复杂性及当前科学发展的现实需求，本文主要围绕知识生产方式的优化，特别是科学基金管理提出4点对策建议。

1.改革学科管理模式，探索交叉学科新型管理模式

捋顺政府与高校、科研机构的关系，扩大高校、科研机构自主权，探索建立积极主动适应经济社会发展并符合教育科研自身发展规律的有效机制；强化统筹规划和动态调整，逐步推动学科体系的均衡和协调发展；鼓励创设交叉学科新型的学术组织，探索构建有效的运行机制，有效推进学科交叉。

2.加强纯基础理论研究

不断建立和完善适应纯基础理论研究的保障、激励和评价制度，加大科研单元的保障性经费支付力度，建立健全稳定的支持自由探索的体制机制，让“板凳甘坐十年冷”的精神有了制度性保障。

3.加强使命导向研究，从深层次促进学科融通

开展常态化的遴选、迭代面向世界科技前沿和国家重大需求的科学问题；加强多学科协同、多主体参与的使命导向研究，加强顶层设计和统筹协调，寻求多元化的管理模式路径，和与此对应的部门协调机制，以及人、财、物管理体制。

4.加强科技基础条件保障能力和数据平台建设

建立科技基础条件保障能力专项基金，支持计算软件、高端仪器设备等相关科技基础条件保障能力建设，探索建立相应的评价、管理体系等长效机制；完善数据共享的制度规范建设，打造第三方的平台来对接数据共享的需求。