周小林 任孝平 武思宏 南方 楊云

摘 ?要：在新一輪科技革命加速推進、前沿技術不斷發(fā)展的全球發(fā)展態(tài)勢下，大科學計劃和工程日益成為提高國家科技創(chuàng)新能力、突破科學前沿、解決經濟社會發(fā)展和國家安全重大科技問題、提升我國國際影響力的重要途徑。文章在梳理大科學定義和特征的基礎上，總結和分析了我國大科學發(fā)展的國內外現(xiàn)狀，同時，從發(fā)起大科學的影響因素、合作及運行方式、投入方式、項目管理、項目評估五個方面闡述了組織實施大科學的關鍵因素。

關鍵詞：大科學;研究現(xiàn)狀;關鍵因素

中圖分類號：G301 ? 文獻標識碼：A

Current Situation and Main Factors of Big Science Research in China

Zhou Xiaolin ?Ren Xiaoping ?Wu Sihong ?Nan Fang ?Yang Yun

（National Center for Science & Technology Evaluation，Department of International Evaluation and Research，Beijing，100081）

Abstract：With the acceleration of the new round of S&T revolution and the continuous development of cutting-edge technology，big science research has become an important method to enhance national innovation capacity，to breach scientific frontier，and to solve major S&T problems of economic and social development and national security. This paper first presents the definition of big science，then summarizes and analyzes the current situation of big science research，as well as main factors of carry out big science.

Keywords：Big science;Situation analysis;Key factors

一、引言

當前，全球新一輪科技革命和產業(yè)變革加速演進，顛覆性技術創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)，新的科技競爭態(tài)勢正在形成。在此背景下，大科學計劃與工程作為探索未知世界、發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律和實現(xiàn)技術變革的極限研究手段，日益成為各國科技、經濟和政治合作的重要平臺。新時期以來，我國對參與及牽頭國際大科學計劃（工程）高度重視，做出了新的部署。黨的十九大報告指出，“要瞄準世界科技前沿，強化基礎研究，實現(xiàn)前瞻性基礎研究、引領性原創(chuàng)成果重大突破”，開展大科學研究是突破科學前沿的重要途徑和抓手。2018年3月，國務院發(fā)布了《積極牽頭組織國際大科學計劃和大科學工程方案》，明確指出到2020年要研究遴選并啟動1—2個我國牽頭組織的大科學計劃，提升我國在全球科技創(chuàng)新領域的核心競爭力和話語權。

20世紀中葉以來，我國建設了大批大科學裝置，參與了大部分世界上有重大影響的大科學計劃與工程。以下將嘗試總結和分析我國大科學研究的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，以期對未來開展大科學研究的學者或者管理決策者有所幫助。

二、大科學的定義和基本特征

“大科學”（Big Science）的概念最早由美國物理學家溫伯格在1961年提出，他將大科學界定為規(guī)模很大的一類科學研究項目[1-2]。1963年，美國科學社會學家普賴斯發(fā)表了《小科學，大科學》[3]一書，對“大科學”做了更加深入的思考。隨后“大科學”成為描述現(xiàn)代科學特征的一個常用術語，大科學的定義及概念也成為學者們爭相探討的問題。李建明等[4]對“大科學工程”進行了語義結構分析，將“大科學工程”分為“大科學-大工程”和“大科學-小工程”兩類。王續(xù)琨等[5]分析了各工具書對于“大科學”的定義，從而為“大科學”做出了一個簡潔的解釋。目前，公認的關于大科學的定義主要是特征或意義的描述。例如，研究規(guī)模大、參與人員多、投入經費大、涉及多學科、建設時間長等[5-6];或在科學技術領域中具有重大影響力[7]，旨在解決戰(zhàn)略性、基礎性和前瞻性等問題[8]。

根據大科學的特點，一般將“大科學”分為兩類，一是“大科學工程”，指需要巨額投資建造、運行和維護大型研究設施的“工程式”的大科學研究，如國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃等;二是“大科學計劃”，即需要跨學科合作的大規(guī)模、大尺度的前沿性科學研究項目，如人類基因圖譜研究等 ? ?。其中，“大科學工程”又可稱為依托大科學裝置開展的大科學研究。大科學裝置按照功能類型分為基礎科學專用裝置、應用型公共平臺、公益性服務設施三類[11];按照布局方式，可分為：單址設施、分布式設施、移動設施、虛擬設施四類[12]（如圖1所示）。

根據以上定義和分類，大科學具有以下幾個特點：（1）具有重大科學意義和戰(zhàn)略意義，體現(xiàn)了國家戰(zhàn)略需求，影響面廣且長遠[13]。（2）較高的復雜性和系統(tǒng)性，耗資巨大、設備復雜，參與的主體往往是跨組織和部門的科研團隊[14]。（3）效益具有間接性，大科學項目建成后要通過長時間的穩(wěn)定運行、不斷發(fā)展和持續(xù)的科學活動才能實現(xiàn)預定的科學技術目標[13]。（4）具有極強的開放性，國際合作成為常態(tài)，大多集中世界各國的資源來共同推進。

三、大科學的發(fā)展現(xiàn)狀

（一）大科學項目的國外現(xiàn)狀

目前，國際上領先的大科學計劃（工程）基本上分布于發(fā)達國家或地區(qū)，如美、日、英、法、德、歐盟等，大部分國家對參與大科學計劃（工程）均持積極態(tài)度。世界科技強國長期重視大科學裝置的建設，制訂了研究基礎設施戰(zhàn)略規(guī)劃（路線圖），或體現(xiàn)在國家整體科技發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃之中 ? ? ? 。與此同時，“二戰(zhàn)”以來世界科技強國均投入巨資建設各類大科學裝置，并推進“分布式”大科學計劃的研究，發(fā)揮其對突破重大科學前沿的作用。

在大科學裝置方面，歐洲代表性的大科學工程裝置有：大型強子對撞機（LHC）、國際熱核聚變實驗堆（ITER）、歐洲X射線自由電子激光裝置（XFEL）、歐洲聯(lián)合托卡馬克核反應堆（JET）和歐洲同步輻射光源（ESRF）等[7]。其中，2012年，大型強子對撞機（LHC）發(fā)現(xiàn)了性質很接近標準模型預言的希格斯粒子，這一發(fā)現(xiàn)是人類對物質世界認識的一個里程碑。此外，國際熱核實驗堆計劃（ITER）已經成為世界上各熱核聚變實驗裝置的核心，穩(wěn)態(tài)、高約束運行模式相關重點物理及控制研究都取得了顯著成果。

作為世界頭號科技強國，美國一直走在國際大科學研究的前沿，引領著世界科學研究的發(fā)展趨勢[17]。例如，美國能源部（DOE）承擔了美國大多數最先進、最大規(guī)模的大科學裝置建設，包括相對論重離子對撞機（RHIC）、直線加速器相干光源（LCLS）、散裂中子源（SNS）等。此外，還有日本β介子工廠KEKB、20多個國家參與的平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）等，也為世界粒子物理和天體物理領域做出了突出貢獻。

在大科學計劃方面，各發(fā)達國家或國際組織均著力于將各國科學家聯(lián)合起來，開展“分布式”的前沿研究。大科學計劃的數量雖不及大科學工程多，但其作為大科學項目的一種重要的組織形式，正逐步成為未來大科學項目組織實施的主要組織形式[18]。例如，人類基因組計劃（HGP）、全球氣候研究計劃（WCRP）、國際地圈-生物圈計劃（IGBP）、全球環(huán)境變化的人文因素計劃（IHDP）、國際海洋發(fā)現(xiàn)計劃（IODP）、全球生物多樣性信息網絡計劃（GBIF）、人類蛋白質組計劃（HPP）等，對地學、生物學等人類前沿領域的發(fā)展均發(fā)揮了重要作用。

（二）大科學項目的國內現(xiàn)狀

我國大科學建設始于“兩彈一星”計劃，第一個真正意義上的大科學裝置是1983年啟動的北京正負電子對撞機。據不完全統(tǒng)計，目前我國正在建設、運行以及擬建的重大科技基礎設施已達59項，國內相關部門、機構和科學家正在積極探索以我國為主牽頭國際大科學計劃有9項，基本覆蓋重點學科領域和事關科技長遠發(fā)展的關鍵領域。

“十二五”以來，在大科學裝置的帶動下，我國大科學研究在各重點領域均取得突破性進展。例如，在粒子物理和核物理領域，北京正負電子對撞機上的北京譜儀（BESIII）已經在粲能區(qū)采集了世界上最大的數據樣本;大亞灣反應堆中微子實驗精確測量了中微子振蕩參數θ13;參與大型強子對撞機（LHC）實驗、國際核聚變實驗堆計劃（ITER）等，對其研究做出了重大貢獻;蘭州重離子研究裝置HIRFL-CSR已成為國際上知名的重離子科學技術研究基地等。在天文學領域，郭守敬望遠鏡（LAMOST）、500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）、硬X射線調制望遠鏡（HXMT）獲得高質量數據[19];作為成員國，為平方公里陣列望遠鏡（SKA）等重大觀測裝置的研制做出突出貢獻等。在地學領域，發(fā)起了西北太平洋海環(huán)流與氣候實驗（NPOCE）國際合作計劃，參與了國際海洋發(fā)現(xiàn)計劃（IODP）、地球觀測組織（GEO），并發(fā)揮了重要作用。在環(huán)境領域，發(fā)起了國際空間天氣子午圈計劃（IMCP）、第三極環(huán)境國際計劃（TPE），參與了人和生物圈計劃（MAB）、國際地圈-生物圈計劃（IGBP）等。在生命科學領域，參與了人類基因組計劃（HGP）、全球生物多樣性信息網絡計劃（GBIF）等。這些大科學計劃和工程使我們在科學與技術上大大縮小了與國外的差距。然而就目前我國發(fā)展的現(xiàn)狀來講，與發(fā)達國家相比，整體上我國的大科學研究還處于追趕階段，重大突破不多，原創(chuàng)成果不夠，規(guī)模也只有發(fā)達國家的十分之一 ? ? ? 。同時，我國主持開展的大科學計劃數量較少，我國真正意義上牽頭和發(fā)起的國際大科學計劃（工程）屈指可數，在近代科技發(fā)展中頗受矚目的大科學計劃（工程）中，我國所占的研究份額也相對有限[21]。

四、組織實施大科學的關鍵因素

（一） 發(fā)起大科學的影響因素

國際大科學計劃和工程是一項系統(tǒng)工程，具有投資大、風險高、前沿性強、與國家戰(zhàn)略緊密結合等特點，其發(fā)起不僅是國家科技水平的體現(xiàn)，也受政治、經濟等多方面因素的影響。例如：（1）政府決策因素。由于大科學項目往往由政府出資，因而政府在大科學項目的決策方面發(fā)揮著不可小覷的作用 ? ? ?。（2）杰出或著名科學家建議因素?？茖W家及其團隊在大科學項目的提出和重大突破的研究探索中往往具有決定性作用[15]，因而著名科學家的建議是影響科學項目進入國家決策機制，進而上升為國家重大戰(zhàn)略需求的因素之一[22]。

一般來說，一項大科學項目的發(fā)起往往是以上兩種決策相結合的結果。政府決策者應參考科學家的建議，綜合考慮一項大科學項目的科學意義、與國家戰(zhàn)略的相符性、對經濟社會的影響、綜合國力、投入產出比等多種因素，最終做出科學決策。此外，可參考國際通用經驗，依托咨詢委員會、專業(yè)評估機構對一項大科學項目進行綜合評估，決定是否值得立項。

（二）大科學的合作及運行方式

大科學項目往往涉及多個國家的眾多人員，其運行機制極其復雜，綜合國內學者的研究，大科學項目的合作及運行方式主要有以下幾類：（1）實施模式：依托或成立大型科研機構組織實施、以公司模式建設和運營、組建新的政府間國際組織[15]。（2）國際合作模式：科學家之間的自發(fā)合作、科研機構的對等合作，以及政府間合作[9]。（3）大科學裝置產業(yè)化模式：大學-企業(yè)合作模式、企業(yè)自主轉化模式、裝置自主轉化模式、大學自主轉化模式[23]。（4）運行方式：總工程師模式[24]、計劃管理模式[25]、“創(chuàng)新鏈”與“產業(yè)鏈”結合的組織模式[26]、分布式模式[18]等。（5）大科學中心籌備模式：院所合作型、區(qū)域聯(lián)合型、院省共建型[27]。這些合作及運行模式的研究，對我國今后組織和發(fā)起新的大科學計劃（工程）有極其重要的借鑒作用。

（三）大科學項目的投入方式

隨著大科學項目的規(guī)模越來越大，其投資額也越來越大。如美國超級超導對撞機（SSC）花費80億美元，歐洲的強子對撞機LHC花費230億美元，美國和歐洲合作的空間站計劃花費380億美元等[28]。目前，專門針對大科學項目投入方式的研究并不多。例如，邢超結合中國參與的ITER計劃、伽利略計劃等國際科技合作計劃的經費投入方式進行了比較研究[13]。

根據大科學項目的特點，可將大科學項目的投入分為三部分：一是建設費用;二是運行保障經費;三是開展合作研究所需項目經費。目前，我國大科學工程建設經費主要有政府投入以及政企聯(lián)合投入兩種方式。我國主導的大科學工程絕大部分為政府投入資金，少部分項目由政府和企業(yè)聯(lián)合投入。例如，大亞灣反應堆中微子實驗由科技部、中科院、自然科學基金委、廣東省、深圳市以及中國廣東核電集團共同出資建設。大科學裝置運行保障經費主要由國家財政經費負擔。例如，2016年，中國科學院公布的主要用于國家重大科技基礎設施開放運行等支出，共9.14億元。支持進行大科學計劃（工程）研究和國際科技合作的項目經費主要由各項目資助部門出資。例如，科技部的“政府間國際科技創(chuàng)新合作”重點專項和“大科學裝置前沿研究”重點專項，中國科學院的“國際大科學計劃培育專項”，國家自然科學基金委員會—中國科學院大科學裝置科學研究聯(lián)合基金等。

（四）大科學項目的管理

大科學計劃（工程）的特點決定了大科學項目管理的復雜性，國內學者對大科學項目的國外管理模式、進度管理、經費管理等各方面均進行了研究。

從國外經驗借鑒方面，陳娟等[29]對美國能源部（DOE）大科學裝置建設的組織架構、管理方法等進行了深入調研和分析;董佳敏等[30]對美日發(fā)達國家的典型大科學工程管理案例進行了對比;楊耀云[31]對英國大科學裝置相關的資助方式、發(fā)展戰(zhàn)略、共享和運行服務評價等情況進行了介紹。

進度管理是近年來國內學者研究的熱點。沈敏圣等[32]提出將掙值管理應用于大科學項目的進度管理方法;馬尊武[33]從項目工序所需時間的確定和項目關鍵資源的確定兩個方面提出了項目進度管理策略;張杰一[34]以神光-Ⅲ項目為研究對象，進行了項目進度管理研究;張新國等[14]應用模塊化理論構建科研項目進度管理優(yōu)化模型;王敏等[35]以ITER計劃為例，闡述PERT、CPM和CCM等進度管理方法在國際大科學工程中的融合應用以及發(fā)展。此外，還有相關學者在質量控制、溝通管理、談判協(xié)調、可靠性管理、運行管理、物流管理、知識產權保護、資源管理等方面開展了相關研究。

（五）大科學項目的評估

大科學項目投資大、組織管理復雜、戰(zhàn)略意義重大，無論是事前、事中，還是事后，其評估都極其重要。目前國內學者對大科學項目評估評價的研究主要集中在兩方面：一是對國外評估經驗的借鑒，王敬華[36]研究了德國大科學裝置的評估評價機制，王傳珂[37]等總結和分析了美國國家點火項目執(zhí)行過程中開展的一系列第三方評價。二是對大科學項目評估機制的探討。申丹娜等[18]和聶繼凱等[22]分別對大科學項目立項階段和結束階段的評估進行了探討，中國科學院綜合計劃局和基礎科學局[38]就如何建立科學的考核評價體系和制度進行了深入論述和分析。此外，值得一提的是，英國Technopolis咨詢公司開展的《大科學和創(chuàng)新》（Big Science and Innovation）評估，從財務與經濟成果評估、創(chuàng)新成果評估、集群與集聚效應評估三個方面對英國的研究基礎設施進行了評價[12]，對我國的大科學評估極具借鑒意義。

五、 結束語

當今世界，科技進步日新月異，前沿突破層出不窮，創(chuàng)新成為各國經濟社會發(fā)展的首要動力。主導國際大科學計劃（工程），有助于整合全球資源，確立國家在科技上的領導地位。新時期以來，積極提出并牽頭組織國際大科學計劃和大科學工程，日益成為黨和國家重要會議、戰(zhàn)略決策、規(guī)劃的重點內容。黨的十八屆五中全會指出要“積極提出并牽頭組織國際大科學計劃和大科學工程”，2018年3月，國務院發(fā)布了《積極牽頭組織國際大科學計劃和大科學工程方案》。20世紀中葉以來，我國大科學研究取得了飛速發(fā)展和進步，在世界高科技領域已占有一席之地。然而與主要發(fā)達國家相比，我國大科學研究還處于跟跑階段，數量和規(guī)模不夠，原創(chuàng)成果不多，需要進一步加強規(guī)劃和發(fā)展。針對我國大科學研究的現(xiàn)狀，今后可從以下幾個方面加強對大科學計劃（工程）的推進：一是進一步加強頂層設計，細化和落實《積極牽頭組織國際大科學計劃和大科學工程方案》;二是建立科學合理的評估評價體系，對規(guī)劃和大科學計劃和工程開展監(jiān)督評估，確保規(guī)劃和大科學項目的順利實施;三是加大投入，力爭在我國的優(yōu)勢領域，真正發(fā)起由我國牽頭的國際大科學計劃和工程，同時確?，F(xiàn)有大科學項目的運行和研究;四是制定引導政策，鼓勵參與世界上有影響力的大科學研究，提高我國所占份額;五是分別針對大科學計劃和工程，建立規(guī)范的管理制度;六是加強國際合作，加大我國已有大科學裝置的開放共享，廣泛吸納全球資源;七是培養(yǎng)參與和發(fā)起大科學計劃和工程的復合型人才，擴大我國的影響力和話語權。

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