我国大科学研究的现状与关键因素

周小林 任孝平 武思宏 南方 杨云

摘  要：在新一轮科技革命加速推进、前沿技术不断发展的全球发展态势下，大科学计划和工程日益成为提高国家科技创新能力、突破科学前沿、解决经济社会发展和国家安全重大科技问题、提升我国国际影响力的重要途径。文章在梳理大科学定义和特征的基础上，总结和分析了我国大科学发展的国内外现状，同时，从发起大科学的影响因素、合作及运行方式、投入方式、项目管理、项目评估五个方面阐述了组织实施大科学的关键因素。

关键词：大科学;研究现状;关键因素

中图分类号：G301   文献标识码：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

当前，全球新一轮科技革命和产业变革加速演进，颠覆性技术创新不断涌现，新的科技竞争态势正在形成。在此背景下，大科学计划与工程作为探索未知世界、发现自然规律和实现技术变革的极限研究手段，日益成为各国科技、经济和政治合作的重要平台。新时期以来，我国对参与及牵头国际大科学计划（工程）高度重视，做出了新的部署。党的十九大报告指出，“要瞄准世界科技前沿，强化基础研究，实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破”，开展大科学研究是突破科学前沿的重要途径和抓手。2018年3月，国务院发布了《积极牵头组织国际大科学计划和大科学工程方案》，明确指出到2020年要研究遴选并启动1—2个我国牵头组织的大科学计划，提升我国在全球科技创新领域的核心竞争力和话语权。

20世纪中叶以来，我国建设了大批大科学装置，参与了大部分世界上有重大影响的大科学计划与工程。以下将尝试总结和分析我国大科学研究的现状与发展趋势，以期对未来开展大科学研究的学者或者管理决策者有所帮助。

二、大科学的定义和基本特征

“大科学”（Big Science）的概念最早由美国物理学家温伯格在1961年提出，他将大科学界定为规模很大的一类科学研究项目[1-2]。1963年，美国科学社会学家普赖斯发表了《小科学，大科学》[3]一书，对“大科学”做了更加深入的思考。随后“大科学”成为描述现代科学特征的一个常用术语，大科学的定义及概念也成为学者们争相探讨的问题。李建明等[4]对“大科学工程”进行了语义结构分析，将“大科学工程”分为“大科学-大工程”和“大科学-小工程”两类。王续琨等[5]分析了各工具书对于“大科学”的定义，从而为“大科学”做出了一个简洁的解释。目前，公认的关于大科学的定义主要是特征或意义的描述。例如，研究规模大、参与人员多、投入经费大、涉及多学科、建设时间长等[5-6];或在科学技术领域中具有重大影响力[7]，旨在解决战略性、基础性和前瞻性等问题[8]。

根据大科学的特点，一般将“大科学”分为两类，一是“大科学工程”，指需要巨额投资建造、运行和维护大型研究设施的“工程式”的大科学研究，如国际热核聚变实验堆（ITER）计划等;二是“大科学计划”，即需要跨学科合作的大规模、大尺度的前沿性科学研究项目，如人类基因图谱研究等    。其中，“大科學工程”又可称为依托大科学装置开展的大科学研究。大科学装置按照功能类型分为基础科学专用装置、应用型公共平台、公益性服务设施三类[11];按照布局方式，可分为：单址设施、分布式设施、移动设施、虚拟设施四类[12]（如图1所示）。

根据以上定义和分类，大科学具有以下几个特点：（1）具有重大科学意义和战略意义，体现了国家战略需求，影响面广且长远[13]。（2）较高的复杂性和系统性，耗资巨大、设备复杂，参与的主体往往是跨组织和部门的科研团队[14]。（3）效益具有间接性，大科学项目建成后要通过长时间的稳定运行、不断发展和持续的科学活动才能实现预定的科学技术目标[13]。（4）具有极强的开放性，国际合作成为常态，大多集中世界各国的资源来共同推进。

三、大科学的发展现状

（一）大科学项目的国外现状

目前，国际上领先的大科学计划（工程）基本上分布于发达国家或地区，如美、日、英、法、德、欧盟等，大部分国家对参与大科学计划（工程）均持积极态度。世界科技强国长期重视大科学装置的建设，制订了研究基础设施战略规划（路线图），或体现在国家整体科技发展战略规划之中       。与此同时，“二战”以来世界科技强国均投入巨资建设各类大科学装置，并推进“分布式”大科学计划的研究，发挥其对突破重大科学前沿的作用。

在大科学装置方面，欧洲代表性的大科学工程装置有：大型强子对撞机（LHC）、国际热核聚变实验堆（ITER）、欧洲X射线自由电子激光装置（XFEL）、欧洲联合托卡马克核反应堆（JET）和欧洲同步辐射光源（ESRF）等[7]。其中，2012年，大型强子对撞机（LHC）发现了性质很接近标准模型预言的希格斯粒子，这一发现是人类对物质世界认识的一个里程碑。此外，国际热核实验堆计划（ITER）已经成为世界上各热核聚变实验装置的核心，稳态、高约束运行模式相关重点物理及控制研究都取得了显著成果。

作为世界头号科技强国，美国一直走在国际大科学研究的前沿，引领着世界科学研究的发展趋势[17]。例如，美国能源部（DOE）承担了美国大多数最先进、最大规模的大科学装置建設，包括相对论重离子对撞机（RHIC）、直线加速器相干光源（LCLS）、散裂中子源（SNS）等。此外，还有日本β介子工厂KEKB、20多个国家参与的平方公里阵列射电望远镜（SKA）等，也为世界粒子物理和天体物理领域做出了突出贡献。

在大科学计划方面，各发达国家或国际组织均着力于将各国科学家联合起来，开展“分布式”的前沿研究。大科学计划的数量虽不及大科学工程多，但其作为大科学项目的一种重要的组织形式，正逐步成为未来大科学项目组织实施的主要组织形式[18]。例如，人类基因组计划（HGP）、全球气候研究计划（WCRP）、国际地圈-生物圈计划（IGBP）、全球环境变化的人文因素计划（IHDP）、国际海洋发现计划（IODP）、全球生物多样性信息网络计划（GBIF）、人类蛋白质组计划（HPP）等，对地学、生物学等人类前沿领域的发展均发挥了重要作用。

（二）大科学项目的国内现状

我国大科学建设始于“两弹一星”计划，第一个真正意义上的大科学装置是1983年启动的北京正负电子对撞机。据不完全统计，目前我国正在建设、运行以及拟建的重大科技基础设施已达59项，国内相关部门、机构和科学家正在积极探索以我国为主牵头国际大科学计划有9项，基本覆盖重点学科领域和事关科技长远发展的关键领域。

“十二五”以来，在大科学装置的带动下，我国大科学研究在各重点领域均取得突破性进展。例如，在粒子物理和核物理领域，北京正负电子对撞机上的北京谱仪（BESIII）已经在粲能区采集了世界上最大的数据样本;大亚湾反应堆中微子实验精确测量了中微子振荡参数θ13;参与大型强子对撞机（LHC）实验、国际核聚变实验堆计划（ITER）等，对其研究做出了重大贡献;兰州重离子研究装置HIRFL-CSR已成为国际上知名的重离子科学技术研究基地等。在天文学领域，郭守敬望远镜（LAMOST）、500米口径球面射电望远镜（FAST）、硬X射线调制望远镜（HXMT）获得高质量数据[19];作为成员国，为平方公里阵列望远镜（SKA）等重大观测装置的研制做出突出贡献等。在地学领域，发起了西北太平洋海环流与气候实验（NPOCE）国际合作计划，参与了国际海洋发现计划（IODP）、地球观测组织（GEO），并发挥了重要作用。在环境领域，发起了国际空间天气子午圈计划（IMCP）、第三极环境国际计划（TPE），参与了人和生物圈计划（MAB）、国际地圈-生物圈计划（IGBP）等。在生命科学领域，参与了人类基因组计划（HGP）、全球生物多样性信息网络计划（GBIF）等。这些大科学计划和工程使我们在科学与技术上大大缩小了与国外的差距。然而就目前我国发展的现状来讲，与发达国家相比，整体上我国的大科学研究还处于追赶阶段，重大突破不多，原创成果不够，规模也只有发达国家的十分之一       。同时，我国主持开展的大科学计划数量较少，我国真正意义上牵头和发起的国际大科学计划（工程）屈指可数，在近代科技发展中颇受瞩目的大科学计划（工程）中，我国所占的研究份额也相对有限[21]。

四、组织实施大科学的关键因素

（一） 发起大科学的影响因素

国际大科学计划和工程是一项系统工程，具有投资大、风险高、前沿性强、与国家战略紧密结合等特点，其发起不仅是国家科技水平的体现，也受政治、经济等多方面因素的影响。例如：（1）政府决策因素。由于大科学项目往往由政府出资，因而政府在大科学项目的决策方面发挥着不可小觑的作用      。（2）杰出或著名科学家建议因素。科学家及其团队在大科学项目的提出和重大突破的研究探索中往往具有决定性作用[15]，因而著名科学家的建议是影响科学项目进入国家决策机制，进而上升为国家重大战略需求的因素之一[22]。

一般来说，一项大科学项目的发起往往是以上两种决策相结合的结果。政府决策者应参考科学家的建议，综合考虑一项大科学项目的科学意义、与国家战略的相符性、对经济社会的影响、综合国力、投入产出比等多种因素，最终做出科学决策。此外，可参考国际通用经验，依托咨询委员会、专业评估机构对一项大科学项目进行综合评估，决定是否值得立项。

（二）大科学的合作及运行方式

大科学项目往往涉及多个国家的众多人员，其运行机制极其复杂，综合国内学者的研究，大科学项目的合作及运行方式主要有以下几类：（1）实施模式：依托或成立大型科研机构组织实施、以公司模式建设和运营、组建新的政府间国际组织[15]。（2）国际合作模式：科学家之间的自发合作、科研机构的对等合作，以及政府间合作[9]。（3）大科学装置产业化模式：大学-企业合作模式、企业自主转化模式、装置自主转化模式、大学自主转化模式[23]。（4）运行方式：总工程师模式[24]、计划管理模式[25]、“创新链”与“产业链”结合的组织模式[26]、分布式模式[18]等。（5）大科学中心筹备模式：院所合作型、区域联合型、院省共建型[27]。这些合作及运行模式的研究，对我国今后组织和发起新的大科学计划（工程）有极其重要的借鉴作用。

（三）大科学项目的投入方式

随着大科学项目的规模越来越大，其投资额也越来越大。如美国超级超导对撞机（SSC）花费80亿美元，欧洲的强子对撞机LHC花费230亿美元，美国和欧洲合作的空间站计划花费380亿美元等[28]。目前，专门针对大科学项目投入方式的研究并不多。例如，邢超结合中国参与的ITER计划、伽利略计划等国际科技合作计划的经费投入方式进行了比较研究[13]。

根据大科学项目的特点，可将大科学项目的投入分为三部分：一是建设费用;二是运行保障经费;三是开展合作研究所需项目经费。目前，我国大科学工程建设经费主要有政府投入以及政企联合投入两种方式。我国主导的大科学工程绝大部分为政府投入资金，少部分项目由政府和企业联合投入。例如，大亚湾反应堆中微子实验由科技部、中科院、自然科学基金委、广东省、深圳市以及中国广东核电集团共同出资建设。大科学装置运行保障经费主要由国家财政经费负担。例如，2016年，中国科学院公布的主要用于国家重大科技基础设施开放运行等支出，共9.14亿元。支持进行大科学计划（工程）研究和国际科技合作的项目经费主要由各项目资助部门出资。例如，科技部的“政府间国际科技创新合作”重点专项和“大科学装置前沿研究”重点专项，中国科学院的“国际大科学计划培育專项”，国家自然科学基金委员会—中国科学院大科学装置科学研究联合基金等。

（四）大科学项目的管理

大科学计划（工程）的特点决定了大科学项目管理的复杂性，国内学者对大科学项目的国外管理模式、进度管理、经费管理等各方面均进行了研究。

从国外经验借鉴方面，陈娟等[29]对美国能源部（DOE）大科学装置建设的组织架构、管理方法等进行了深入调研和分析;董佳敏等[30]对美日发达国家的典型大科学工程管理案例进行了对比;杨耀云[31]对英国大科学装置相关的资助方式、发展战略、共享和运行服务评价等情况进行了介绍。

进度管理是近年来国内学者研究的热点。沈敏圣等[32]提出将挣值管理应用于大科学项目的进度管理方法;马尊武[33]从项目工序所需时间的确定和项目关键资源的确定两个方面提出了项目进度管理策略;张杰一[34]以神光-Ⅲ项目为研究对象，进行了项目进度管理研究;张新国等[14]应用模块化理论构建科研项目进度管理优化模型;王敏等[35]以ITER计划为例，阐述PERT、CPM和CCM等进度管理方法在国际大科学工程中的融合应用以及发展。此外，还有相关学者在质量控制、沟通管理、谈判协调、可靠性管理、运行管理、物流管理、知识产权保护、资源管理等方面开展了相关研究。

（五）大科学项目的评估

大科学项目投资大、组织管理复杂、战略意义重大，无论是事前、事中，还是事后，其评估都极其重要。目前国内学者对大科学项目评估评价的研究主要集中在两方面：一是对国外评估经验的借鉴，王敬华[36]研究了德国大科学装置的评估评价机制，王传珂[37]等总结和分析了美国国家点火项目执行过程中开展的一系列第三方评价。二是对大科学项目评估机制的探讨。申丹娜等[18]和聂继凯等[22]分别对大科学项目立项阶段和结束阶段的评估进行了探讨，中国科学院综合计划局和基础科学局[38]就如何建立科学的考核评价体系和制度进行了深入论述和分析。此外，值得一提的是，英国Technopolis咨询公司开展的《大科学和创新》（Big Science and Innovation）评估，从财务与经济成果评估、创新成果评估、集群与集聚效应评估三个方面对英国的研究基础设施进行了评价[12]，对我国的大科学评估极具借鉴意义。

五、 结束语

当今世界，科技进步日新月异，前沿突破层出不穷，创新成为各国经济社会发展的首要动力。主导国际大科学计划（工程），有助于整合全球资源，确立国家在科技上的领导地位。新时期以来，积极提出并牵头组织国际大科学计划和大科学工程，日益成为党和国家重要会议、战略决策、规划的重点内容。党的十八届五中全会指出要“积极提出并牵头组织国际大科学计划和大科学工程”，2018年3月，国务院发布了《积极牵头组织国际大科学计划和大科学工程方案》。20世纪中叶以来，我国大科学研究取得了飞速发展和进步，在世界高科技领域已占有一席之地。然而与主要发达国家相比，我国大科学研究还处于跟跑阶段，数量和规模不够，原创成果不多，需要进一步加强规划和发展。针对我国大科学研究的现状，今后可从以下几个方面加强对大科学计划（工程）的推进：一是进一步加强顶层设计，细化和落实《积极牵头组织国际大科学计划和大科学工程方案》;二是建立科学合理的评估评价体系，对规划和大科学计划和工程开展监督评估，确保规划和大科学项目的顺利实施;三是加大投入，力争在我国的优势领域，真正发起由我国牵头的国际大科学计划和工程，同时确保现有大科学项目的运行和研究;四是制定引导政策，鼓励参与世界上有影响力的大科学研究，提高我国所占份额;五是分别针对大科学计划和工程，建立规范的管理制度;六是加强国际合作，加大我国已有大科学装置的开放共享，广泛吸纳全球资源;七是培养参与和发起大科学计划和工程的复合型人才，扩大我国的影响力和话语权。

参考文献：

[1] 武天欣. 对大科学的认知与伦理的思考[D]. 南京： 南京大学，2017.

[2] 周志娟. 大科学时代科学家责任问题探析[J]. 厦门理工学院学报，2012，20（4）：84-88.

[3] J PRICE-D. Little science，big science[M]. New York： Columbia University Press，1963.

[4] 李建明，曾华锋. “大科学工程”的语义结构分析[J]. 科学学研究，2011，29（11）：1607-1612.

[5] 王续琨，张春博. 试论大科学工程的基本特征和社会功能[J]. 山东科技大学学报（社会科学版），2017，19（4）：1-8.