科學基金會融合研究機制

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1.融合研究

21世紀社會進步的關鍵在于知識和技術的融合[1]。自2001年“納米技術生物技術信息技術認識科學(Nanotechnology,Biotechnology,Informationtechnology,andCognitiveScience,NBIC)會聚技術”提出以來,其內涵隨著社會和技術發展不斷豐富。2013年,美國國家科學基金會(NationalScienceFoundation,NSF)科學與工程高級顧問兼美國國家科學技術委員會—納米尺度科學工程與技術分委員會(TheNationalScienceandTechnologyCouncil,TheNanoscaleScience,Engineering,andTechnologySubcommittee,NSTC-NSET)第一任主席MihailRoco指出,現階段知識、技術與社會的融合,已超越納米科學與技術,生物技術與生物醫學,信息技術和認知科學的融合。融合研究(ConvergenceResearch)不僅僅體現在知識和技術層面,更重要的是會帶來社會融合,推動解決國民經濟和社會發展的關鍵問題[1,2]。NSF高度重視融合研究的培育,通過“十大創意計劃(10BigIdeas)”“發展融合研究計劃(GrowingConvergenceResearch,GCR)”和“NSF融合加速器計劃(ConvergenceAccelerators,CA)”等資助計劃持續加強對融合研究的資助,如2018年撥款2295萬美元資助融合加速器和十大創意計劃,2021年資助預算提升至超過4.3億美元(43179萬美元)[3,4]。NSF培育融合研究體現出協同創新、加速成果轉化應用的理念,深入分析其資助機制,對進一步深化我國科技體制機制改革、加快實施創新驅動發展戰略,完善科技基金管理具有重要借鑒意義。

1.1會聚技術概念的提出

融合技術的概念源于早期的會聚技術。“NBIC會聚技術”是指當前四大迅速發展的科學技術領域———納米科學與技術、生物技術與生物醫學(包括遺傳工程)、信息技術(包括先進計算與信息技術)和認知科學(包括認知神經系統科學)———的協同與融合。四大技術中任何技術的兩兩融合、三種匯聚或四者集成的研究方法和研究成果,均可加速科學技術與社會的進步。2001年,美國國家科學基金會(NSF)、美國商務部(U.S.DepartmentofCommerce,DOC)、美國國家科學技術委員會納米尺度科學工程與技術分委員會(NSTC-NSET)在華盛頓共同組織召開了題為“會聚技術,提升人類能力”的專題研討會,提出了融合四大科技領域的會聚技術的概念,即納米科學與技術、生物技術與生物醫學(包括遺傳工程)、信息技術(包括先進計算與通信技術)、認知科學(包括認知神經系統科學)的協同與融合。美國國家科學基金會和美國商務部2002年共同完成了《為提升人類能力的會聚技術》報告。之后,美國國家科學基金會等連續舉辦了三次會聚技術年會,于2005年輯集成冊出版了《管理納米技術—生物技術—信息技術—認知科學創新:會聚技術社會》報告,表明美國政府對NBIC會聚技術的高度重視[5]。

1.2融合研究概念及其發展

融合研究是一種解決困難問題的研究方法,特別是解決社會需求的復雜問題,它需要整合來自不同學科的知識、方法和專業技能,形成新的框架來促進科學發現和創新。融合研究與學科交叉研究的其他研究形式———跨學科(Transdisciplinarity)、學科交叉(Interdisciplinarity)和多學科(Multidisciplinarity)相關[6]。2005年以來,融合研究在其他科研領域不斷拓展。2009年,美國國家研究理事會(NationalResearchCounciloftheNationalAcademies,NRC)發布《21世紀新生物學》(ANewBiologyforthe21Century)報告,第一次正式提出新生物學不僅要在學科內部高度整合,還需要與物理學、計算機科學、地球科學、數學及工程學密切協作,以應對21世紀的四大社會挑戰———實現可持續糧食生產、恢復生態系統、優化生物燃料生產以及改善人類健康[7]。2011年,麻省理工學院發布《第三次革命:生命科學、物質科學和工程科學的融合》(TheThirdRevolution:TheConvergenceoftheLifeSciences,PhysicalSciencesandEngineering)報告,指出融合研究模式將工程學和物質科學傳統的“嚴謹設計理念”和技術工具應用到生命科學研究中,并引領第三次生命科學和生物醫學革命。該報告的起草者之一,麻省理工學院教授、諾貝爾獎獲得者PhillipSharp認為:“融合是對所有科學研究該如何開展的整體反思,以便我們充分利用從微生物學到計算機科學到工程設計的一系列知識基礎”,融合研究“需要研究團隊之間的合作,但更重要的是最初被視為各自獨立的獨特學科方法的整合”[8]。2013年,Roco指出,現階段知識、技術與社會的融合,已超越納米科學與技術、生物技術與生物醫學、信息技術和認知科學的融合。美國NRC2014年出版的《融合:促進生命科學、物質科學及工程學等的跨學科整合》(Convergence:FacilitatingTransdisciplinaryIntegrationofLifeSciences,PhysicalScience,EngineeringandBeyond)報告指出:融合是一種跨學科界限解決問題的方法,它將生命科學、健康科學、物理學、數學和計算科學、工程學及其他領域的知識、工具和思維方式結合起來,形成一個全面的綜合框架,以應對多領域交匯處存在的科學和社會挑戰。融合研究將不同領域的專業知識融入到同一合作伙伴網絡中,從而促進從基礎科學發現到轉化應用的創新[9]。融合研究的內涵隨著社會和技術發展不斷豐富,包括被動融合、主動融合和系統融合三個發展階段[1]。NSF科學與工程高級顧問MihailRoco和項目主任WilliamBainbridge在共同發表的研究中指出,融合研究不僅僅體現在知識和技術層面,更重要的是會帶來社會融合,21世紀社會進步的關鍵便在于知識和技術的融合[2]。自提出以來,融合研究不斷發展,其發展階段和特征如表1所示。

2.NSF融合研究的資助模式

目前NSF主要通過下述三大計劃資助融合研究:一是NSF“十大創意計劃(10BigIdeas)”,二是“發展融合研究計劃(GrowingConvergenceResearch,GCR)”,三是“NSF融合加速器計劃(NSFConvergenceAccelerator)”[10]。

2.1NSF十大創意計劃(10BigIdeas)———推進融合研究

2.1.1十大創意計劃的具體內容

2016年,NSF提出面向未來科學探索的“十大創意計劃”(10BigIdeas),以促進NSF長期研究議程發展,確保人類不斷從基礎研究成果中獲益[11,12]。十大創意包括6個面向研究的創意(Research-OrientedBigIdeas)和4個面向過程或面向賦能的創意(Process-OrientedBigIdeaorEnablingBigIdeas)。面向研究的創意以NSF早期對基礎研究的資助為基礎,包括6個創意:“駕馭21世紀科學和工程數據”“人類—技術互動前沿探索”“打開宇宙之窗(天體物理學)”“下一代量子革命”“理解生命規律和“探索新北極”;面向過程的創意旨在改善和優化NSF識別有價值的研究和發現科研共同體新成員方面的實踐,包括4個創意:“發展融合研究”“中等規模的研究基礎設施”“NSF2026”和“NSF包容性”“NSF十大創意”計劃及其目標見表2[1113]。2.1.2十大創意項目資助情況及其進展自2017年以來,NSF通過開創性的研究和試點項目,為十大創意項目的開展奠定了基礎[13]。2017年8月,NSF宣布了首批獲得資助的23個融合研究項目,覆蓋了十大創意中的5個重點領域(天體物理學除外),見表3[14]。此外,NSF將十大創意列入2018財年預算[12],2019財年預算明確提出除各科學部的預算支持外,還將為六大領域研究創意提供1800萬美元的額外資助[16],并投入600萬美元針對“駕馭21世紀科學和工程數據”及“人類—技術互動前沿探索”兩個領域建立融合加速器,嘗試利用新的方式(新興融合加速器研究跟蹤和融合加速器計劃與發展)組織管理研究經費,利用外部合作關系促進這兩個領域的融合和轉化研究活動。根據2020財年和2021財年預算,NSF將繼續支持十大創意計劃,推動科學與工程前沿的發現[17]。2016—2020年間,圖1和表4分別顯示了NSF對融合研究的資助[18,19],以及2018—2020年間NSF融合加速器和十大創意向國會申請預算情況[3,4]。

2.2GCR計劃———融合研究的發展

“發展融合研究”(GrowingConvergenceResearch,GCR)在解決重大科學問題和挑戰性問題方面具有重要意義。當今的重大科學挑戰性問題,如保護人類健康,了解食物、能源與水之間的關系,探索宇宙的各個層面等,僅通過單個學科無法解決,需要不同知識領域的思想、方法和技術協同和融合,以促進創新和發現[20]。2.2.1GCR計劃的目標及征集對象GCR的主要目標包括探索融合方法和優化NSF項目評審。探索融合方法的目的是希望在現有的學科領域相互交叉基礎上,探索產生解決緊迫的科學和工程學研究問題的融合方法;優化NSF項目評審的目的是希望加強NSF項目審查程序,以期更有效地評估融合研究項目申請書[21]。GCR征集對象是跨部門或學部邊界的多學科團隊研究,且該類研究目前尚未獲得現有NSF項目、計劃和以研究為中心的十大創意(BigIdeas)計劃的支持。申請人必須闡述所申請項目的必要性,論證所申請的研究是否在NSF已有資助范圍之內[22]。GCR計劃資助的融合研究有別于其他形式的跨學科計劃,其遵從的范式是:最初就有意將不同層面的研究人員和利益相關者聚集在一起,共同提出研究問題,探索跨學科和部門的有效溝通方式,采用通用的框架為所要解決的問題提出解決方案,以尋求發現新學科的時機。GCR計劃的征集對象具有如下顯著特征[10]:在項目層,一是,項目涉及需要融合的基礎研究創意;二是,項目由重大科學問題或社會需求驅動;三是,項目含有現有NSF項目/計劃尚未支持的主題;四是,項目超過資助期限但仍有可持續發展的潛力。在團隊層,一是研究團隊由不同科學或技術背景的成員構成;二是團隊成員共同工作,以形成跨學科和部門協作的有效方式,并保持可持續發展的關系,從而促進提出研究問題和規劃研究遠景[22]。

2.2.2GCR計劃的實現機制和治理結構

GCR通過能力建設、資助探索性研究,以及優化NSF評審流程三種機制,實現促進融合方法的發展和優化NSF項目評審流程的目標[21,23]。能力建設旨在促進美國大學的研究人員與工業界、聯邦實驗室、非營利研究組織和國際研究界等建立新的伙伴關系,增加融合研究團隊成員的多樣性,能力建設的主要內容包括:組建研討班、創意實驗室(IdeasLabs)和研究協調網絡(ResearchCoordinationNetworks,RCNs)等,也鼓勵研究人員提出其他能力建設的新方法;資助探索性研究旨在支持研究團隊有效協作并產出科研成果、解決認識論與本體論之間的學科差異,集成概念模型、工具、方法和基礎設施,展示融合項目的研究進展。2021年單個融合研究項目預算高達360萬美元,項目時間最長可持續5年。NSF的科學技術中心,工程研究中心,以及研究培訓項目等將為組建更大規模的研究團隊奠定基礎;在優化NSF評審流程方面,NSF綜合利用數據挖掘工具、工作人員的經驗以及學界的建議來甄別經驗豐富的融合研究專家,負責評估GCR項目申請書。基于此,NSF邀請了近100名杰出的研究人員加入GCR項目評審專家組(CollegeofReviewers,CoR),幫助工作人員招募合適的研究人員開展融合研究和評審融合研究計劃項目申請書。GCR計劃是NSF的“十大創意”之一,其治理結構主要包括以下三部分[10]:一是NSF領導小組,由NSF綜合活動辦公室(OfficeofIntegrativeActivities,OIA)負責;二是項目征集和評審,由NSF全體工作組負責;三是項目監督,由董事會負責(見表5)。

2.2.3GCR計劃資助項目的評審要求和標準

為支持融合研究,NSF明確提出GCR計劃資助的融合項目需滿足的評審要求,并不斷完善融合項目的價值評審標準。(1)融合項目需滿足的評審要求NSF認為學科融合是一個過程,并探索在團隊中促進融合的方法,這些團隊在學科間具有不同程度的集成,在不同階段隨時準備采用融合策略,關鍵在于團隊具有應對迫在眉睫的研究挑戰的潛力,一是需要專業知識的創新與深入整合,二是需有證據表明申請書中所提活動將會發生融合。因此,GCR計劃資助的融合項目需滿足如下4個基本要求[18]:

1)具有使用融合方法的必要性在融合項目中應說明結合本質上不同的科學和工程學科,共同解決特定的科學挑戰或社會問題的必要性。學科多樣性的程度可通過知識傳承的脈絡,不同工具、技術和方法的開發,以及不同出版物的發表進行評估。

2)做好從事融合研究的準備研究團隊需提供材料證明已做好開展融合研究的準備工作,如提供已完成的學科交叉項目,首席研究員(PI)和聯合負責人(Co-PI)共同發表的文章等還需表明項目組由不同學科的成員構成。3)整合知識、工具及思維的方式項目申請書需提供論證相關學科知識基礎深度集成的案例;說明融合研究方法的新穎性,表明該方法是由相關學科所特有的思維模式的組合而成。

4)涉及下一代融合人才培養

鼓勵融合項目為本科生、研究生及博士后提供新的學習機會和經歷,為融合研究培養儲備人才。融合項目要明確指出這些人的角色和定位,如:在學習使用新工具、儀器和技術中將扮演什么樣的角色?在本專業領域之外需要學習哪些概念,如何學習?該項目是否會支持新的模式和學習環境,以適應其他融合研究項目?表6列舉了GCR項目征集要求,表7顯示了項目申請書結構[10]。(2)融合項目價值評審標準NSF項目價值評審標準主要包括三個部分:知識價值、更廣泛的影響和特定計劃,其中前兩項為NSF資助項目的通用評審標準,第三項是針對不同項目的特定評審標準,融合項目與其他NSF資助項目的價值評審標準的差異主要在于第三項(見表8)[10]。2.3融合加速器計劃———加速融合成果的轉化

2.3.1融合加速器計劃的宗旨及定位

融合加速器(ConvergenceAccelerators,CA)計劃是一種推動美國在重要領域的融合研究成果轉化的新機制,分兩個階段實施:第一階段(為期9個月),團隊利用CA的基礎知識和創新課程確定新的團隊成員,提出明確的解決方案;第一階段結束時,每個團隊都要參加路演,公開競爭并進行方案評估,通過了第一階段篩選的團隊方能進入第二階段(為期24個月)[19,24,25]。為加速融合成果轉化,解決國家重大社會性問題,NSF2019財年預算明確提出投入600萬美元在駕馭21世紀科學和工程數據,以及人類—技術互動前沿探索兩個領域設立融合加速器計劃。

2.3.2融合加速器計劃的特征及實踐

1)融合加速器計劃的特征融合加速器計劃具有以下5個鮮明特征:一是以應用為導向(巴斯德象限),二是具有明確的目標、階段性成果和重大成果,三是多學科團隊交互合作,四是規模更大的國家級項目,五是需要產業、非營利組織和學術界等多樣化合作[25]。基于其鮮明特征,融合加速器計劃的資助模式不同于傳統的NSF資助項目,其資助模型包括問題發現、融合研究聚焦,以及融合研究的社會價值發揮3個部分(圖2[25])。

2)案例———2020年進入融合加速器計劃第二階段的9個團隊2019年,NSF融合加速器計劃第一階段在量子技術和人工智能這兩個重大變革性研究領域選擇了29個研究團隊,NSF投資超過2700萬美元支持研究團隊開發量子技術,人工智能驅動的數據和模型共享的解決方案,確保科技進步對社會產生積極影響。2020年,NSF融合加速器計劃從29個研究團隊中選擇了9個研究團隊進入第二階段,其研究主題和迄今獲得融合加速器項目資助情況見表9。第二階段NSF將為各團隊提供超過2800萬美元,資助其繼續研發開放知識網絡,人工智能和未來工作以及國家人才生態系統三個主題的解決方案[26]

3啟示

深入分析NSF培育融合研究的資助機制與成功案例,對進一步完善我國科技基金管理,探索建立符合融合研究特點和規律的資助管理機制具有重要的啟示借鑒意義。

3.1優化融合計劃項目的系統設計和分層部署

科技計劃層面,我國科學基金資助體系中,對融合研究資助計劃的系統設計和分層部署有待加強。國家自然科學基金委員會(NationalNaturalScienceFoundationofChina,NSFC)通過多種計劃和項目資助交叉領域的研究,但在融合研究資助項目方面有待進一步明確和進行分層部署。目前,NSFC交叉科學部主要通過優秀青年科學基金項目、國家杰出青年科學基金項目、創新研究群體項目、基礎科學中心項目、國家重大科研儀器研制項目、重大項目、重大研究計劃項目、組織間國際(地區)合作研究項目和專項項目等,統籌和部署面向國家重大戰略需求和新興科學前沿交叉領域的研究,而針對更多學科、更深融合的融合研究資助項目相對不足。融合研究建立在學科交叉研究的基礎上,是學科交叉的一種擴展形式,是更多的學科、更深地融合[28]。如NSF在資助學科交叉研究和變革性研究的基礎上,還通過十大創意計劃和融合加速器等計劃資助融合研究,2018年撥款金額達2295萬美元,2021年相關預算增至4.3179億美元,是2018年撥款金額的近20倍。NSF對融合研究的資助進一步加速了相關研究成果的轉化,為推動國家重大科學前沿問題的解決提供了新思路和新方法。結合NSF資助融合項目的舉措和經驗,根據我國不同學科的特點及發展現狀,在若干重點機構和重點領域開展跨機構、跨領域的融合研究試點項目,對推動科研人員或團隊開展跨學科深度合作,促進不同學科知識、技術和方法交叉和融合,解決國家重大科學前沿問題具有重要意義。

3.2完善融合項目的評審標準和專家隊伍建設

科研管理層面,我國科學基金資助體系中,基于現有項目評審流程和融合項目特征的評審標準和專家隊伍建設有待完善。NSFC在項目評審環節,嚴格遵循“依靠專家,發揚民主,擇優支持,公正合理”的評審原則,采用同行專家通訊評審和會議評審兩級評審制度[29]:對已受理的基金資助項目申請,先從同行專家庫中隨機選擇3名以上專家進行通訊評審,再組織專家進行會議評審;對因國家經濟、社會發展特殊需要或者其他特殊情況臨時提出的基金資助項目申請,可以只進行通訊評審或會議評審。其中,每年參與國家自然科學基金委員會項目通訊評審的專家7萬人左右,評審各類項目超過25萬項,提供評審意見90萬份左右[30]。融合項目具有有別于其他交叉科學領域項目的顯著特征,因此在現有通用評審的基礎上,完善針對融合項目的評審標準并組建融合項目評審專家組具有重要意義。如NSF持續優化融合項目評審標準并加強評審專家隊伍建設,有效提升了融合項目的識別和遴選效果。NSF針對融合研究相關計劃項目,制定了特定評審標準,包括:(1)資助融合研究團隊的合理性及該項目之后是否有潛力繼續開展融合研究;(2)擬開展的研究是否適合該類征集計劃,擬議構想是否與其他NSF計劃、倡議、重大構想或NSF資助機制所支持的研究有明顯差異;(3)解決科學或技術問題的預期方法是否新穎,是否有前景且適合持續發展的融合研究;(4)擬議的管理計劃是否適合促進融合研究團隊的形成和持續發展;(5)在不同研究階段中概述的目標是否有發展前景,是否足以使科學朝著解決該申請書中提出問題的方向發展;(6)不同機構和群體組建的團隊對于該計劃的項目是否具有合理性和必要性,合作機構和團隊的成員能否有機整合。此外,NSF組建了由基金會不同學部負責人構成的項目征集和評審工作組,工作組綜合利用數據挖掘工具、工作人員的經驗以及學界的建議來甄別經驗豐富的融合研究專家,并基于此建立了融合研究項目評審專家組,幫助工作人員招募研究人員開展融合研究和評審融合研究計劃項目申請書,取得了較好的效果。立足我國科研項目資助現狀和特點,可引入數據挖掘工具輔助甄別融合研究的專家和人才,并充分發揮從事融合研究資助的工作人員經驗和學界建議的作用,進一步完善針對融合項目的特定評審標準,組建面向融合項目的評審專家組,促進融合研究的持續發展。

3.3加強融合研究團隊資助和下一代人才培育

人才培養層面,我國自然科學基金資助體系中,對融合研究人才和團隊的遴選和資助,以及對下一代融合研究人員的關注和培養有待進一步加強。目前,NSFC交叉科學部主要通過基礎科學中心項目和創新研究群體項目等遴選和資助交叉科學領域研究團隊,結合杰出青年科學基金項目和優秀青年基金項目等資助交叉科學領域的研究人才。應對重大科學問題需要深度融合不同知識領域的思想、方法、工具和技術,團隊科學(TeamScience)在融合研究中至關重要,目前我國基金資助融合研究團隊和培育下一代融合研究人員的計劃項目有待明確。如NSF通過GCR等計劃培養新一代的通過團隊合作應對前沿科學問題的融合研究人員。在能力建設活動(Capacity-BuildingActivities)方面,GCR支持科研人員參與研究協調網絡(ResearchCoordinationNetworks,RCNs),鼓勵科研人員形成協同科研合作網絡。此外,NSF鼓勵融合項目為本科生、研究生及博士后提供新的學習機會和經歷,體現了其培養和儲備下一代融合研究人員的前瞻性。基于我國科學基金資助體系,借鑒NSF資助融合研究團隊和培育下一代融合研究人員經驗,進一步完善融合研究項目征集對象要求和遴選標準,并加強對青年科研人員、碩博士研究生和本科生的融合研究方向資助和培訓,將有利于推動融合研究團隊的發展和促進下一代融合研究人員的成長。

參考文獻

[5]中國科學院.國家自然科學基金委員會.未來10年中國學科發展戰略.北京:科學出版社,2012.

作者:呂千千 譚宗穎 單位:中國科學院文獻情報中心 中國科學院大學 中國電子技術標準化研究院