美國科學基金新發(fā)展藍圖及啟示

來源：中國科學報 2016-6-6 劉立

　　《科學》2016年5月13日發(fā)表文章，報道美國國家科學基金會（NSF）主任France Cordova女士放出大招：6大科研前沿和3大機制（process）改革建議，為NSF未來幾十年的發(fā)展描繪藍圖，并力爭下一屆美國總統(tǒng)和國會的支持。

　　2016年4月，Cordova召集其麾下的高管團隊，舉辦了兩天“頭腦風暴”會，討論NSF所支持的學科面臨哪些重大的挑戰(zhàn)，最終形成集體結晶：6大前沿3大機制改革的9點規(guī)劃“菜單”。

六大科研前沿

　　Cordova主任提出6大科研前沿，主要面向解決當代和未來社會可能遇到的重大挑戰(zhàn)性問題，旨在促進交叉性基礎研究。

　　第一是駕馭面向21世紀科學和工程的大數據。包括數學、統(tǒng)計和計算科學的基礎研究；大數據相關的基礎研究；大數據研究成果轉化為應用；在虛擬基礎設施生態(tài)系統(tǒng)中應用大數據創(chuàng)新成果；開發(fā)和評價創(chuàng)新性的學習和教學機制方式。

　　第二是推進人—技互動前沿。包括開發(fā)新型的機器學習算法、計算系統(tǒng)結構、神經形態(tài)框架，以開發(fā)機器智能和“類腦”計算；大力提升傳感、通訊、計算的能效；設計、建造和裝備以人為本的人工系統(tǒng)，這種系統(tǒng)應具有認知和適應能力，可以與人類最佳匹配合作；研究技術如何影響人類的行為和社會組織機制；包括研究技術使用者與設計者的互動如何影響技術的研發(fā)；研究新型的學習機制何以可能，技術如何提升和擴展人類的學習；設計、開發(fā)和試點新型的校內和校外學習環(huán)境；從事與隱私和安全有關的技術研究和社會研究。

　　三是理解生命的規(guī)律。當代生物學有一個重大的知識空白：如何從我們關于基因組和環(huán)境的知識來預測細胞或生物組織的表型？計算模型和信息計量學方法如何促進對復雜生命系統(tǒng)的分析和預測？生物特質（traits）的變異是所有生命形態(tài)的一個特征。基因、遺傳表觀和環(huán)境因素如何影響變異的規(guī)模和發(fā)生概率？如何在單分子、細胞、生物體、生態(tài)系統(tǒng)等層面上預測生命體的行為？群體互動及行為在多大程度上影響表型的表達？生物體的現(xiàn)象，在多大程度上是由與之共生的微生物導致的？表型在多大程度上是不同生物體的基因組“協(xié)同行動”而造成的？人類是否可以依據關于基因組序列和基礎分子的物理特征制造出細胞和生物體？

　　四是量子躍遷——下一代量子革命。人類正站在下一代量子革命的門檻上。量子力學、量子躍遷正在導致變革性技術。要研究以下基礎性問題：如何設計和操控復雜的動態(tài)的量子態(tài)？如何控制物質與光的互動以創(chuàng)造出新的量子現(xiàn)象？如何用數學來刻畫涌現(xiàn)中的量子行為？如何設計和開發(fā)基于量子效應的人工系統(tǒng)？

　　五是北極圈研究。北極圈冰面的急劇變化如何影響海洋生物的生態(tài)系統(tǒng)結構和初級生產力？新的北極生態(tài)系統(tǒng)將如何運轉？處于北極圈的人和社群經受著巨大的環(huán)境變遷和社會變化，其自適應能力需要用哪些新指標來表征？需要怎樣的新理論來解釋？北極圈凍土的解凍、海水周期的變化，如何影響北極圈陸地生態(tài)系統(tǒng)和溫室氣體的排放？北極圈的變暖與中緯度天氣變化之間存在怎樣的聯(lián)系？

　　六是打開宇宙之窗。可以通過電磁波、宇宙粒子和引力波等多種方式打開宇宙之窗，尤其要重視由新近引力波探測所開啟的新天體物理學。其主要研究：宇宙是如何起源的？為什么宇宙會加速膨脹？宇宙充滿很多不可見物質，它們都是什么東西？在極端條件下，引力是如何工作的？宇宙中那些奇異物體具有哪些性質？

三大機制改革

　　首先是更加支持會聚科研。會聚（convergence）概念表達的思想是，來自眾多領域的思想、研究進路和技術手段高度融匯，是解決復雜問題、攻克新興學科中出現(xiàn)的智識難題的關鍵策略。新興的會聚范式，是對傳統(tǒng)跨學科研究的超越，它將解決阻礙傳統(tǒng)跨學科研究所遭遇到的技術上的、組織上的和后勤保障上的各種挑戰(zhàn)。關鍵問題有：會聚研究范式會遇到哪些挑戰(zhàn)？用哪些標準和計量指標來表征這些挑戰(zhàn)？對會聚研究項目評審，需要怎樣的擇優(yōu)評估機制？會聚研究將有利于解決哪些大挑戰(zhàn)或促進哪些新興科研領域的成長？如何加強NSF與其他聯(lián)邦部門的跨部門合作以及與私人部門的合作，以促進會聚科研？

　　其次是支持中等規(guī)模的基礎設施項目。當代科學研究對基礎設施包括虛擬基礎設施提出了更高的需求和要求。NSF不僅要支持小型基礎設施的項目，支持大裝置項目，要更加重視中等規(guī)模的基礎設施建設，包括支持合作性的虛擬基礎設施建設。

　　第三是制定NSF 2050。NSF將遴選并強力支持異想天開的、可能帶來重大突破的、長周期變革性科研項目。借鑒國立衛(wèi)生研究院（NIH）“共同基金”（Common Fund）的做法，用這個基金，不帶任何附加條件地培育異想天開（think outside the box）的項目。該做法得到了國會的賞識，基金規(guī)模不斷壯大。NSF決定效法NIH設立“奠基性基金”（Integrative Foundational Fund）。NSF如何最有效地支持和支撐美國在奠基性和前沿科研和教育方面的全球領先地位，促成可能產生意想不到效果和影響的科學發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新？哪些科研問題將來可能會改變人類現(xiàn)行價值觀并激發(fā)更高想象力？NSF如何更加重視科研投資的社會影響力，提高顯示度？當代科學和工程研究越來越基于計算密集和大數據密集的科研，大大加快了科學發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新的步伐。NSF及其科研共同體如何充分利用這種新趨勢？

　　Cordova主任說，NSF目前預算為74.6億美元，要攻克上述重大挑戰(zhàn)性問題，現(xiàn)有預算是遠遠不夠的，必須注入新的資金。這既要靠聯(lián)邦政府投入，也需要私人企業(yè)和私人基金會投入。

若干啟示

　　習近平同志提出的“問題導向”，“面向世界科技前沿、面向國家重大需求、面向國民經濟主戰(zhàn)場”等科技創(chuàng)新思想已成為中共中央、國務院《國家創(chuàng)新驅動發(fā)展綱要》提出的首要基本原則；《綱要》提出到2020年進入創(chuàng)新型國家行列、2030年躋身創(chuàng)新型國家前列、到2050年建成世界科技創(chuàng)新強國“三步走”目標。“問題是創(chuàng)新的起點，也是創(chuàng)新的動力源。”我國科學基金、國家科技計劃、中國科學院、科技部等，應明確提出“三個面向”的重大科技創(chuàng)新問題群，明確主攻方向，以問題帶學科，力爭有所突破，形成科技創(chuàng)新競爭優(yōu)勢。各科技部門應有分工，比如國家科學基金提煉的重大科技創(chuàng)新問題群，重點應放在“面向世界科技前沿、面向國家重大需求”，優(yōu)先資助“頂天立地”的項目。

　　借鑒NIH“共同基金”和NSF“奠基性基金”的做法，我國科學基金、國家科技計劃、中國科學院設立類似基金，為采取非對稱科技創(chuàng)新趕超策略的、從事有可能出現(xiàn)“領跑”、帶來“開天辟地”效果的科研工作者和科研團隊提供高強度、長周期的經費支持。比如，對類似韓春雨基因組編輯新技術的高創(chuàng)新性、高風險性研究，可采用該基金的資助。

　　重視對“會聚”科研范式、項目及其資助評價機制的研究，鼓勵和支持會聚性科技創(chuàng)新。

　　（作者系清華大學教授）

編輯：苑苑