美国科学基金新发展蓝图及启示

来源：中国科学报 2016-6-6 刘立

　　《科学》2016年5月13日发表文章，报道美国国家科学基金会（NSF）主任France Cordova女士放出大招：6大科研前沿和3大机制（process）改革建议，为NSF未来几十年的发展描绘蓝图，并力争下一届美国总统和国会的支持。

　　2016年4月，Cordova召集其麾下的高管团队，举办了两天“头脑风暴”会，讨论NSF所支持的学科面临哪些重大的挑战，最终形成集体结晶：6大前沿3大机制改革的9点规划“菜单”。

六大科研前沿

　　Cordova主任提出6大科研前沿，主要面向解决当代和未来社会可能遇到的重大挑战性问题，旨在促进交叉性基础研究。

　　第一是驾驭面向21世纪科学和工程的大数据。包括数学、统计和计算科学的基础研究；大数据相关的基础研究；大数据研究成果转化为应用；在虚拟基础设施生态系统中应用大数据创新成果；开发和评价创新性的学习和教学机制方式。

　　第二是推进人—技互动前沿。包括开发新型的机器学习算法、计算系统结构、神经形态框架，以开发机器智能和“类脑”计算；大力提升传感、通讯、计算的能效；设计、建造和装备以人为本的人工系统，这种系统应具有认知和适应能力，可以与人类最佳匹配合作；研究技术如何影响人类的行为和社会组织机制；包括研究技术使用者与设计者的互动如何影响技术的研发；研究新型的学习机制何以可能，技术如何提升和扩展人类的学习；设计、开发和试点新型的校内和校外学习环境；从事与隐私和安全有关的技术研究和社会研究。

　　三是理解生命的规律。当代生物学有一个重大的知识空白：如何从我们关于基因组和环境的知识来预测细胞或生物组织的表型？计算模型和信息计量学方法如何促进对复杂生命系统的分析和预测？生物特质（traits）的变异是所有生命形态的一个特征。基因、遗传表观和环境因素如何影响变异的规模和发生概率？如何在单分子、细胞、生物体、生态系统等层面上预测生命体的行为？群体互动及行为在多大程度上影响表型的表达？生物体的现象，在多大程度上是由与之共生的微生物导致的？表型在多大程度上是不同生物体的基因组“协同行动”而造成的？人类是否可以依据关于基因组序列和基础分子的物理特征制造出细胞和生物体？

　　四是量子跃迁——下一代量子革命。人类正站在下一代量子革命的门槛上。量子力学、量子跃迁正在导致变革性技术。要研究以下基础性问题：如何设计和操控复杂的动态的量子态？如何控制物质与光的互动以创造出新的量子现象？如何用数学来刻画涌现中的量子行为？如何设计和开发基于量子效应的人工系统？

　　五是北极圈研究。北极圈冰面的急剧变化如何影响海洋生物的生态系统结构和初级生产力？新的北极生态系统将如何运转？处于北极圈的人和社群经受着巨大的环境变迁和社会变化，其自适应能力需要用哪些新指标来表征？需要怎样的新理论来解释？北极圈冻土的解冻、海水周期的变化，如何影响北极圈陆地生态系统和温室气体的排放？北极圈的变暖与中纬度天气变化之间存在怎样的联系？

　　六是打开宇宙之窗。可以通过电磁波、宇宙粒子和引力波等多种方式打开宇宙之窗，尤其要重视由新近引力波探测所开启的新天体物理学。其主要研究：宇宙是如何起源的？为什么宇宙会加速膨胀？宇宙充满很多不可见物质，它们都是什么东西？在极端条件下，引力是如何工作的？宇宙中那些奇异物体具有哪些性质？

三大机制改革

　　首先是更加支持会聚科研。会聚（convergence）概念表达的思想是，来自众多领域的思想、研究进路和技术手段高度融汇，是解决复杂问题、攻克新兴学科中出现的智识难题的关键策略。新兴的会聚范式，是对传统跨学科研究的超越，它将解决阻碍传统跨学科研究所遭遇到的技术上的、组织上的和后勤保障上的各种挑战。关键问题有：会聚研究范式会遇到哪些挑战？用哪些标准和计量指标来表征这些挑战？对会聚研究项目评审，需要怎样的择优评估机制？会聚研究将有利于解决哪些大挑战或促进哪些新兴科研领域的成长？如何加强NSF与其他联邦部门的跨部门合作以及与私人部门的合作，以促进会聚科研？

　　其次是支持中等规模的基础设施项目。当代科学研究对基础设施包括虚拟基础设施提出了更高的需求和要求。NSF不仅要支持小型基础设施的项目，支持大装置项目，要更加重视中等规模的基础设施建设，包括支持合作性的虚拟基础设施建设。

　　第三是制定NSF 2050。NSF将遴选并强力支持异想天开的、可能带来重大突破的、长周期变革性科研项目。借鉴国立卫生研究院（NIH）“共同基金”（Common Fund）的做法，用这个基金，不带任何附加条件地培育异想天开（think outside the box）的项目。该做法得到了国会的赏识，基金规模不断壮大。NSF决定效法NIH设立“奠基性基金”（Integrative Foundational Fund）。NSF如何最有效地支持和支撑美国在奠基性和前沿科研和教育方面的全球领先地位，促成可能产生意想不到效果和影响的科学发现和创新？哪些科研问题将来可能会改变人类现行价值观并激发更高想象力？NSF如何更加重视科研投资的社会影响力，提高显示度？当代科学和工程研究越来越基于计算密集和大数据密集的科研，大大加快了科学发现和创新的步伐。NSF及其科研共同体如何充分利用这种新趋势？

　　Cordova主任说，NSF目前预算为74.6亿美元，要攻克上述重大挑战性问题，现有预算是远远不够的，必须注入新的资金。这既要靠联邦政府投入，也需要私人企业和私人基金会投入。

若干启示

　　习近平同志提出的“问题导向”，“面向世界科技前沿、面向国家重大需求、面向国民经济主战场”等科技创新思想已成为中共中央、国务院《国家创新驱动发展纲要》提出的首要基本原则；《纲要》提出到2020年进入创新型国家行列、2030年跻身创新型国家前列、到2050年建成世界科技创新强国“三步走”目标。“问题是创新的起点，也是创新的动力源。”我国科学基金、国家科技计划、中国科学院、科技部等，应明确提出“三个面向”的重大科技创新问题群，明确主攻方向，以问题带学科，力争有所突破，形成科技创新竞争优势。各科技部门应有分工，比如国家科学基金提炼的重大科技创新问题群，重点应放在“面向世界科技前沿、面向国家重大需求”，优先资助“顶天立地”的项目。

　　借鉴NIH“共同基金”和NSF“奠基性基金”的做法，我国科学基金、国家科技计划、中国科学院设立类似基金，为采取非对称科技创新赶超策略的、从事有可能出现“领跑”、带来“开天辟地”效果的科研工作者和科研团队提供高强度、长周期的经费支持。比如，对类似韩春雨基因组编辑新技术的高创新性、高风险性研究，可采用该基金的资助。

　　重视对“会聚”科研范式、项目及其资助评价机制的研究，鼓励和支持会聚性科技创新。

　　（作者系williamhill官网教授）

编辑：苑苑