科学基金会融合研究机制

时间:2023-03-31 10:17:39

摘要:融合研究在解决国家重大科学问题和挑战方面具有重要意义。美国国家科学基金会(NationalScienceFoundation,NSF)培育融合研究体现出协同创新、加速成果转化应用的理念,对进一步深化我国科技体制机制改革、加快实施创新驱动发展战略、完善科学基金管理具有重要借鉴意义。本文首先介绍了会聚技术概念的提出和融合研究概念的发展;其次,从融合研究的推进、发展和成果转化三个方面分析了NSF融合研究

科学基金会融合研究机制

1.融合研究

21世纪社会进步的关键在于知识和技术的融合[1]。自2001年“纳米技术生物技术信息技术认识科学(Nanotechnology,Biotechnology,Informationtechnology,andCognitiveScience,NBIC)会聚技术”提出以来,其内涵随着社会和技术发展不断丰富。2013年,美国国家科学基金会(NationalScienceFoundation,NSF)科学与工程高级顾问兼美国国家科学技术委员会—纳米尺度科学工程与技术分委员会(TheNationalScienceandTechnologyCouncil,TheNanoscaleScience,Engineering,andTechnologySubcommittee,NSTC-NSET)第一任主席MihailRoco指出,现阶段知识、技术与社会的融合,已超越纳米科学与技术,生物技术与生物医学,信息技术和认知科学的融合。融合研究(ConvergenceResearch)不仅仅体现在知识和技术层面,更重要的是会带来社会融合,推动解决国民经济和社会发展的关键问题[1,2]。NSF高度重视融合研究的培育,通过“十大创意计划(10BigIdeas)”“发展融合研究计划(GrowingConvergenceResearch,GCR)”和“NSF融合加速器计划(ConvergenceAccelerators,CA)”等资助计划持续加强对融合研究的资助,如2018年拨款2295万美元资助融合加速器和十大创意计划,2021年资助预算提升至超过4.3亿美元(43179万美元)[3,4]。NSF培育融合研究体现出协同创新、加速成果转化应用的理念,深入分析其资助机制,对进一步深化我国科技体制机制改革、加快实施创新驱动发展战略,完善科技基金管理具有重要借鉴意义。

1.1会聚技术概念的提出

融合技术的概念源于早期的会聚技术。“NBIC会聚技术”是指当前四大迅速发展的科学技术领域———纳米科学与技术、生物技术与生物医学(包括遗传工程)、信息技术(包括先进计算与信息技术)和认知科学(包括认知神经系统科学)———的协同与融合。四大技术中任何技术的两两融合、三种汇聚或四者集成的研究方法和研究成果,均可加速科学技术与社会的进步。2001年,美国国家科学基金会(NSF)、美国商务部(U.S.DepartmentofCommerce,DOC)、美国国家科学技术委员会纳米尺度科学工程与技术分委员会(NSTC-NSET)在华盛顿共同组织召开了题为“会聚技术,提升人类能力”的专题研讨会,提出了融合四大科技领域的会聚技术的概念,即纳米科学与技术、生物技术与生物医学(包括遗传工程)、信息技术(包括先进计算与通信技术)、认知科学(包括认知神经系统科学)的协同与融合。美国国家科学基金会和美国商务部2002年共同完成了《为提升人类能力的会聚技术》报告。之后,美国国家科学基金会等连续举办了三次会聚技术年会,于2005年辑集成册出版了《管理纳米技术—生物技术—信息技术—认知科学创新:会聚技术社会》报告,表明美国政府对NBIC会聚技术的高度重视[5]。

1.2融合研究概念及其发展

融合研究是一种解决困难问题的研究方法,特别是解决社会需求的复杂问题,它需要整合来自不同学科的知识、方法和专业技能,形成新的框架来促进科学发现和创新。融合研究与学科交叉研究的其他研究形式———跨学科(Transdisciplinarity)、学科交叉(Interdisciplinarity)和多学科(Multidisciplinarity)相关[6]。2005年以来,融合研究在其他科研领域不断拓展。2009年,美国国家研究理事会(NationalResearchCounciloftheNationalAcademies,NRC)发布《21世纪新生物学》(ANewBiologyforthe21Century)报告,第一次正式提出新生物学不仅要在学科内部高度整合,还需要与物理学、计算机科学、地球科学、数学及工程学密切协作,以应对21世纪的四大社会挑战———实现可持续粮食生产、恢复生态系统、优化生物燃料生产以及改善人类健康[7]。2011年,麻省理工学院发布《第三次革命:生命科学、物质科学和工程科学的融合》(TheThirdRevolution:TheConvergenceoftheLifeSciences,PhysicalSciencesandEngineering)报告,指出融合研究模式将工程学和物质科学传统的“严谨设计理念”和技术工具应用到生命科学研究中,并引领第三次生命科学和生物医学革命。该报告的起草者之一,麻省理工学院教授、诺贝尔奖获得者PhillipSharp认为:“融合是对所有科学研究该如何开展的整体反思,以便我们充分利用从微生物学到计算机科学到工程设计的一系列知识基础”,融合研究“需要研究团队之间的合作,但更重要的是最初被视为各自独立的独特学科方法的整合”[8]。2013年,Roco指出,现阶段知识、技术与社会的融合,已超越纳米科学与技术、生物技术与生物医学、信息技术和认知科学的融合。美国NRC2014年出版的《融合:促进生命科学、物质科学及工程学等的跨学科整合》(Convergence:FacilitatingTransdisciplinaryIntegrationofLifeSciences,PhysicalScience,EngineeringandBeyond)报告指出:融合是一种跨学科界限解决问题的方法,它将生命科学、健康科学、物理学、数学和计算科学、工程学及其他领域的知识、工具和思维方式结合起来,形成一个全面的综合框架,以应对多领域交汇处存在的科学和社会挑战。融合研究将不同领域的专业知识融入到同一合作伙伴网络中,从而促进从基础科学发现到转化应用的创新[9]。融合研究的内涵随着社会和技术发展不断丰富,包括被动融合、主动融合和系统融合三个发展阶段[1]。NSF科学与工程高级顾问MihailRoco和项目主任WilliamBainbridge在共同发表的研究中指出,融合研究不仅仅体现在知识和技术层面,更重要的是会带来社会融合,21世纪社会进步的关键便在于知识和技术的融合[2]。自提出以来,融合研究不断发展,其发展阶段和特征如表1所示。

2.NSF融合研究的资助模式

目前NSF主要通过下述三大计划资助融合研究:一是NSF“十大创意计划(10BigIdeas)”,二是“发展融合研究计划(GrowingConvergenceResearch,GCR)”,三是“NSF融合加速器计划(NSFConvergenceAccelerator)”[10]。

2.1NSF十大创意计划(10BigIdeas)———推进融合研究

2.1.1十大创意计划的具体内容

2016年,NSF提出面向未来科学探索的“十大创意计划”(10BigIdeas),以促进NSF长期研究议程发展,确保人类不断从基础研究成果中获益[11,12]。十大创意包括6个面向研究的创意(Research-OrientedBigIdeas)和4个面向过程或面向赋能的创意(Process-OrientedBigIdeaorEnablingBigIdeas)。面向研究的创意以NSF早期对基础研究的资助为基础,包括6个创意:“驾驭21世纪科学和工程数据”“人类—技术互动前沿探索”“打开宇宙之窗(天体物理学)”“下一代量子革命”“理解生命规律和“探索新北极”;面向过程的创意旨在改善和优化NSF识别有价值的研究和发现科研共同体新成员方面的实践,包括4个创意:“发展融合研究”“中等规模的研究基础设施”“NSF2026”和“NSF包容性”“NSF十大创意”计划及其目标见表2[1113]。2.1.2十大创意项目资助情况及其进展自2017年以来,NSF通过开创性的研究和试点项目,为十大创意项目的开展奠定了基础[13]。2017年8月,NSF宣布了首批获得资助的23个融合研究项目,覆盖了十大创意中的5个重点领域(天体物理学除外),见表3[14]。此外,NSF将十大创意列入2018财年预算[12],2019财年预算明确提出除各科学部的预算支持外,还将为六大领域研究创意提供1800万美元的额外资助[16],并投入600万美元针对“驾驭21世纪科学和工程数据”及“人类—技术互动前沿探索”两个领域建立融合加速器,尝试利用新的方式(新兴融合加速器研究跟踪和融合加速器计划与发展)组织管理研究经费,利用外部合作关系促进这两个领域的融合和转化研究活动。根据2020财年和2021财年预算,NSF将继续支持十大创意计划,推动科学与工程前沿的发现[17]。2016—2020年间,图1和表4分别显示了NSF对融合研究的资助[18,19],以及2018—2020年间NSF融合加速器和十大创意向国会申请预算情况[3,4]。

2.2GCR计划———融合研究的发展

“发展融合研究”(GrowingConvergenceResearch,GCR)在解决重大科学问题和挑战性问题方面具有重要意义。当今的重大科学挑战性问题,如保护人类健康,了解食物、能源与水之间的关系,探索宇宙的各个层面等,仅通过单个学科无法解决,需要不同知识领域的思想、方法和技术协同和融合,以促进创新和发现[20]。2.2.1GCR计划的目标及征集对象GCR的主要目标包括探索融合方法和优化NSF项目评审。探索融合方法的目的是希望在现有的学科领域相互交叉基础上,探索产生解决紧迫的科学和工程学研究问题的融合方法;优化NSF项目评审的目的是希望加强NSF项目审查程序,以期更有效地评估融合研究项目申请书[21]。GCR征集对象是跨部门或学部边界的多学科团队研究,且该类研究目前尚未获得现有NSF项目、计划和以研究为中心的十大创意(BigIdeas)计划的支持。申请人必须阐述所申请项目的必要性,论证所申请的研究是否在NSF已有资助范围之内[22]。GCR计划资助的融合研究有别于其他形式的跨学科计划,其遵从的范式是:最初就有意将不同层面的研究人员和利益相关者聚集在一起,共同提出研究问题,探索跨学科和部门的有效沟通方式,采用通用的框架为所要解决的问题提出解决方案,以寻求发现新学科的时机。GCR计划的征集对象具有如下显著特征[10]:在项目层,一是,项目涉及需要融合的基础研究创意;二是,项目由重大科学问题或社会需求驱动;三是,项目含有现有NSF项目/计划尚未支持的主题;四是,项目超过资助期限但仍有可持续发展的潜力。在团队层,一是研究团队由不同科学或技术背景的成员构成;二是团队成员共同工作,以形成跨学科和部门协作的有效方式,并保持可持续发展的关系,从而促进提出研究问题和规划研究远景[22]。

2.2.2GCR计划的实现机制和治理结构

GCR通过能力建设、资助探索性研究,以及优化NSF评审流程三种机制,实现促进融合方法的发展和优化NSF项目评审流程的目标[21,23]。能力建设旨在促进美国大学的研究人员与工业界、联邦实验室、非营利研究组织和国际研究界等建立新的伙伴关系,增加融合研究团队成员的多样性,能力建设的主要内容包括:组建研讨班、创意实验室(IdeasLabs)和研究协调网络(ResearchCoordinationNetworks,RCNs)等,也鼓励研究人员提出其他能力建设的新方法;资助探索性研究旨在支持研究团队有效协作并产出科研成果、解决认识论与本体论之间的学科差异,集成概念模型、工具、方法和基础设施,展示融合项目的研究进展。2021年单个融合研究项目预算高达360万美元,项目时间最长可持续5年。NSF的科学技术中心,工程研究中心,以及研究培训项目等将为组建更大规模的研究团队奠定基础;在优化NSF评审流程方面,NSF综合利用数据挖掘工具、工作人员的经验以及学界的建议来甄别经验丰富的融合研究专家,负责评估GCR项目申请书。基于此,NSF邀请了近100名杰出的研究人员加入GCR项目评审专家组(CollegeofReviewers,CoR),帮助工作人员招募合适的研究人员开展融合研究和评审融合研究计划项目申请书。GCR计划是NSF的“十大创意”之一,其治理结构主要包括以下三部分[10]:一是NSF领导小组,由NSF综合活动办公室(OfficeofIntegrativeActivities,OIA)负责;二是项目征集和评审,由NSF全体工作组负责;三是项目监督,由董事会负责(见表5)。

2.2.3GCR计划资助项目的评审要求和标准

为支持融合研究,NSF明确提出GCR计划资助的融合项目需满足的评审要求,并不断完善融合项目的价值评审标准。(1)融合项目需满足的评审要求NSF认为学科融合是一个过程,并探索在团队中促进融合的方法,这些团队在学科间具有不同程度的集成,在不同阶段随时准备采用融合策略,关键在于团队具有应对迫在眉睫的研究挑战的潜力,一是需要专业知识的创新与深入整合,二是需有证据表明申请书中所提活动将会发生融合。因此,GCR计划资助的融合项目需满足如下4个基本要求[18]:

1)具有使用融合方法的必要性在融合项目中应说明结合本质上不同的科学和工程学科,共同解决特定的科学挑战或社会问题的必要性。学科多样性的程度可通过知识传承的脉络,不同工具、技术和方法的开发,以及不同出版物的发表进行评估。

2)做好从事融合研究的准备研究团队需提供材料证明已做好开展融合研究的准备工作,如提供已完成的学科交叉项目,首席研究员(PI)和联合负责人(Co-PI)共同发表的文章等还需表明项目组由不同学科的成员构成。3)整合知识、工具及思维的方式项目申请书需提供论证相关学科知识基础深度集成的案例;说明融合研究方法的新颖性,表明该方法是由相关学科所特有的思维模式的组合而成。

4)涉及下一代融合人才培养

鼓励融合项目为本科生、研究生及博士后提供新的学习机会和经历,为融合研究培养储备人才。融合项目要明确指出这些人的角色和定位,如:在学习使用新工具、仪器和技术中将扮演什么样的角色?在本专业领域之外需要学习哪些概念,如何学习?该项目是否会支持新的模式和学习环境,以适应其他融合研究项目?表6列举了GCR项目征集要求,表7显示了项目申请书结构[10]。(2)融合项目价值评审标准NSF项目价值评审标准主要包括三个部分:知识价值、更广泛的影响和特定计划,其中前两项为NSF资助项目的通用评审标准,第三项是针对不同项目的特定评审标准,融合项目与其他NSF资助项目的价值评审标准的差异主要在于第三项(见表8)[10]。2.3融合加速器计划———加速融合成果的转化

2.3.1融合加速器计划的宗旨及定位

融合加速器(ConvergenceAccelerators,CA)计划是一种推动美国在重要领域的融合研究成果转化的新机制,分两个阶段实施:第一阶段(为期9个月),团队利用CA的基础知识和创新课程确定新的团队成员,提出明确的解决方案;第一阶段结束时,每个团队都要参加路演,公开竞争并进行方案评估,通过了第一阶段筛选的团队方能进入第二阶段(为期24个月)[19,24,25]。为加速融合成果转化,解决国家重大社会性问题,NSF2019财年预算明确提出投入600万美元在驾驭21世纪科学和工程数据,以及人类—技术互动前沿探索两个领域设立融合加速器计划。

2.3.2融合加速器计划的特征及实践

1)融合加速器计划的特征融合加速器计划具有以下5个鲜明特征:一是以应用为导向(巴斯德象限),二是具有明确的目标、阶段性成果和重大成果,三是多学科团队交互合作,四是规模更大的国家级项目,五是需要产业、非营利组织和学术界等多样化合作[25]。基于其鲜明特征,融合加速器计划的资助模式不同于传统的NSF资助项目,其资助模型包括问题发现、融合研究聚焦,以及融合研究的社会价值发挥3个部分(图2[25])。

2)案例———2020年进入融合加速器计划第二阶段的9个团队2019年,NSF融合加速器计划第一阶段在量子技术和人工智能这两个重大变革性研究领域选择了29个研究团队,NSF投资超过2700万美元支持研究团队开发量子技术,人工智能驱动的数据和模型共享的解决方案,确保科技进步对社会产生积极影响。2020年,NSF融合加速器计划从29个研究团队中选择了9个研究团队进入第二阶段,其研究主题和迄今获得融合加速器项目资助情况见表9。第二阶段NSF将为各团队提供超过2800万美元,资助其继续研发开放知识网络,人工智能和未来工作以及国家人才生态系统三个主题的解决方案[26]

3启示

深入分析NSF培育融合研究的资助机制与成功案例,对进一步完善我国科技基金管理,探索建立符合融合研究特点和规律的资助管理机制具有重要的启示借鉴意义。

3.1优化融合计划项目的系统设计和分层部署

科技计划层面,我国科学基金资助体系中,对融合研究资助计划的系统设计和分层部署有待加强。国家自然科学基金委员会(NationalNaturalScienceFoundationofChina,NSFC)通过多种计划和项目资助交叉领域的研究,但在融合研究资助项目方面有待进一步明确和进行分层部署。目前,NSFC交叉科学部主要通过优秀青年科学基金项目、国家杰出青年科学基金项目、创新研究群体项目、基础科学中心项目、国家重大科研仪器研制项目、重大项目、重大研究计划项目、组织间国际(地区)合作研究项目和专项项目等,统筹和部署面向国家重大战略需求和新兴科学前沿交叉领域的研究,而针对更多学科、更深融合的融合研究资助项目相对不足。融合研究建立在学科交叉研究的基础上,是学科交叉的一种扩展形式,是更多的学科、更深地融合[28]。如NSF在资助学科交叉研究和变革性研究的基础上,还通过十大创意计划和融合加速器等计划资助融合研究,2018年拨款金额达2295万美元,2021年相关预算增至4.3179亿美元,是2018年拨款金额的近20倍。NSF对融合研究的资助进一步加速了相关研究成果的转化,为推动国家重大科学前沿问题的解决提供了新思路和新方法。结合NSF资助融合项目的举措和经验,根据我国不同学科的特点及发展现状,在若干重点机构和重点领域开展跨机构、跨领域的融合研究试点项目,对推动科研人员或团队开展跨学科深度合作,促进不同学科知识、技术和方法交叉和融合,解决国家重大科学前沿问题具有重要意义。

3.2完善融合项目的评审标准和专家队伍建设

科研管理层面,我国科学基金资助体系中,基于现有项目评审流程和融合项目特征的评审标准和专家队伍建设有待完善。NSFC在项目评审环节,严格遵循“依靠专家,发扬民主,择优支持,公正合理”的评审原则,采用同行专家通讯评审和会议评审两级评审制度[29]:对已受理的基金资助项目申请,先从同行专家库中随机选择3名以上专家进行通讯评审,再组织专家进行会议评审;对因国家经济、社会发展特殊需要或者其他特殊情况临时提出的基金资助项目申请,可以只进行通讯评审或会议评审。其中,每年参与国家自然科学基金委员会项目通讯评审的专家7万人左右,评审各类项目超过25万项,提供评审意见90万份左右[30]。融合项目具有有别于其他交叉科学领域项目的显著特征,因此在现有通用评审的基础上,完善针对融合项目的评审标准并组建融合项目评审专家组具有重要意义。如NSF持续优化融合项目评审标准并加强评审专家队伍建设,有效提升了融合项目的识别和遴选效果。NSF针对融合研究相关计划项目,制定了特定评审标准,包括:(1)资助融合研究团队的合理性及该项目之后是否有潜力继续开展融合研究;(2)拟开展的研究是否适合该类征集计划,拟议构想是否与其他NSF计划、倡议、重大构想或NSF资助机制所支持的研究有明显差异;(3)解决科学或技术问题的预期方法是否新颖,是否有前景且适合持续发展的融合研究;(4)拟议的管理计划是否适合促进融合研究团队的形成和持续发展;(5)在不同研究阶段中概述的目标是否有发展前景,是否足以使科学朝着解决该申请书中提出问题的方向发展;(6)不同机构和群体组建的团队对于该计划的项目是否具有合理性和必要性,合作机构和团队的成员能否有机整合。此外,NSF组建了由基金会不同学部负责人构成的项目征集和评审工作组,工作组综合利用数据挖掘工具、工作人员的经验以及学界的建议来甄别经验丰富的融合研究专家,并基于此建立了融合研究项目评审专家组,帮助工作人员招募研究人员开展融合研究和评审融合研究计划项目申请书,取得了较好的效果。立足我国科研项目资助现状和特点,可引入数据挖掘工具辅助甄别融合研究的专家和人才,并充分发挥从事融合研究资助的工作人员经验和学界建议的作用,进一步完善针对融合项目的特定评审标准,组建面向融合项目的评审专家组,促进融合研究的持续发展。

3.3加强融合研究团队资助和下一代人才培育

人才培养层面,我国自然科学基金资助体系中,对融合研究人才和团队的遴选和资助,以及对下一代融合研究人员的关注和培养有待进一步加强。目前,NSFC交叉科学部主要通过基础科学中心项目和创新研究群体项目等遴选和资助交叉科学领域研究团队,结合杰出青年科学基金项目和优秀青年基金项目等资助交叉科学领域的研究人才。应对重大科学问题需要深度融合不同知识领域的思想、方法、工具和技术,团队科学(TeamScience)在融合研究中至关重要,目前我国基金资助融合研究团队和培育下一代融合研究人员的计划项目有待明确。如NSF通过GCR等计划培养新一代的通过团队合作应对前沿科学问题的融合研究人员。在能力建设活动(Capacity-BuildingActivities)方面,GCR支持科研人员参与研究协调网络(ResearchCoordinationNetworks,RCNs),鼓励科研人员形成协同科研合作网络。此外,NSF鼓励融合项目为本科生、研究生及博士后提供新的学习机会和经历,体现了其培养和储备下一代融合研究人员的前瞻性。基于我国科学基金资助体系,借鉴NSF资助融合研究团队和培育下一代融合研究人员经验,进一步完善融合研究项目征集对象要求和遴选标准,并加强对青年科研人员、硕博士研究生和本科生的融合研究方向资助和培训,将有利于推动融合研究团队的发展和促进下一代融合研究人员的成长。

参考文献

[5]中国科学院.国家自然科学基金委员会.未来10年中国学科发展战略.北京:科学出版社,2012.

作者:吕千千 谭宗颖 单位:中国科学院文献情报中心 中国科学院大学 中国电子技术标准化研究院

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