科學范式及科研范式研究綜述

梁政，張林山，鄒京希，朱全聰，張冀

（1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650011；2.云南電網有限責任公司，云南 昆明 650011）

0 前言

“范式”的理論最初是由美國著名科學哲學家托馬斯·庫恩于1962年在其著作《科學革命的結構》中提出，他認為“范式”具有以下兩個特征：它們的成就空前地吸引一批堅定的擁護者，使他們脫離科學活動的其他競爭模式；同時，這些成就又足以無限制地為重新組成的一批實踐者留下有待解決的種種問題[1]。因此，“范式”的含義可以概括為：一個科學共同體在某一專業或學科中所具有的共同信念，這種信念規定了該共同體的基本觀點、基本理論和基本方法，提供了共同的理論模式和解決問題的方向，從而形成該學科的一種信念系統，并為該學科的發展規定了共同的趨向。從本質上講，范式是一種理論體系、理論框架，在該體系框架之內的該范式的理論、法則、定律都被人們普遍接受。

可以看出，首先，范式是指在一段時間里為實踐共同體提供典型問題和解答的公共科學成就；其次，范式屬于科學共同體，包含了科學共同體的科學、哲學素養。范式的成型，是一個科學領域在發展中達到成熟的標志，范式會使得科學家把自然界的某個部分研究得更細致入微，而范式的轉變就是科學革命，一種范式通過革命向另一種范式的過渡，便是成熟科學通常發展的模式。本文首先介紹了科學范式的含義，對比了西方科學范式與中國傳統科學范式的特點和演變過程，然后介紹了科研范式的含義及現狀，最后對科研范式未來的發展進行了展望。

1 科學范式

1.1 科學范式概述

科學范式是指科學共同體所共同信奉與接受的理論體系，是科學家集團所共同接受的一組假說、理論、準則和方法的總和。不同歷史時期，不同文化圈層，構成了不同的科學范式。

科學的發展就是新范式通過科學革命取代舊范式，其發展模式大致可以表述為：前科學——常規科學——危機——科學革命——新的常規科學。前科學是指還沒有系統理論而眾說紛紜的階段，當一門科學有了系統理論后，科學便進入常規科學階段。在常規科學階段，科學呈現積累式發展，科學團體不會質疑范式本身，遇到異常狀況總是力求在范式內部作出調整與改進。隨著常規研究的深入，科學家團體必然會遇到一類無法用現有范式調整的反常現象，隨著這類反常現象的頻率增加，便會對現有范式產生危機，在該危機中，一切調整均無效，只能尋求一個新的范式來替代舊范式，即科學革命，各式各樣的新范式涌現出來并互相競爭，最后的勝利者成為新的主流科學，再次回到常規科學時期。

1.2 西方科學范式演變

在西方近現代科學的發展過程中，大致可分為以下3類科學范式[2]。

1.2.1 實證科學范式：牛頓范式

以牛頓《自然哲學的數學原理》為典型代表的科學范式，具有如下特點：

1）真實性，有明確的真實存在的研究對象；

2）實驗性，科學理論以實驗為基礎，實驗滿足規定的條件，并且實驗結果可重復；

3）定量化，定律和規律不僅定性而且要定量；

4）公理化，所有的概念、規律和推理都必須符合形式邏輯的規則，應用數學和邏輯推理，能從數量很少的幾個公理演繹出全部的定義、定理和推論；

5）可還原性，所有物體都可以分解為最基本的最簡單的元素——質點，物體可以用“質點組”的合成來代替，所有復雜的相互作用都可以用最基本最簡單的元素——作用力表示；

6）可預見性，在給定條件下，由已知的初態可以決定和預知今后任意時刻的狀態，用現在可以預見未來；

7）客觀性，實驗和理論結果具有可重復性，與時間地點，與任何人的觀點、看法無關，不以任何人的意志為轉移；

8）可實證性，理論的正確與否，可以通過實例來證實或證偽，只要有一個實例與理論不符就可以證偽一個理論，但要證實一個理論則需要所有的實例都與理論相符。

上述8個特征，即為牛頓范式的內涵。愛因斯坦的相對論否定了牛頓范式的時空觀，但遵守了牛頓范式的全部要求，在此基礎上愛因斯坦范式還體現了“簡潔性”的特點，并受到科學團體的認可與贊同。上述9個特征中最重要的是“可實證性”，即使其他各條不能全部滿足，但只要滿足了可實證性，仍可視為科學理論，因此，滿足牛頓范式的科學理論又稱為“實證科學”。

1.2.2 非實證科學范式：達爾文范式

非實證科學，以達爾文及其著作《物種起源》為典型代表。達爾文根據20多年積累的古生物學、生物地理學、形態學、胚胎學和分類學等領域的大量研究資料，提出了適者生存、用進廢退、遺傳變異的理論，定性解釋了物種起源和生命自然界的多樣性與統一性。但該理論的提出，并未進行實驗，也沒有定量化和公理化。相對于牛頓范式，達爾文范式的特點主要表現在：

1）適用于生物界的行為和現象，而牛頓范式適用于無機的自然界；

2）僅用3條原理就解釋了成千上萬的植物與動物，并且無一反例；

3）解釋了物種從低級到高級，從簡單到復雜的發展進程，但是“用進廢退”、“適者生存”的理論沒有實例或實驗可以驗證，且該理論不能定量化，不能按實證科學進行證實或證偽。

因此，以達爾文范式為代表的科學范式，又稱為非實證科學范式。

1.2.3 復雜性科學范式

復雜性科學是20世紀中葉在生命科學、生態科學日益發展的基礎上形成的科學理論，包括耗散結構理論、協同學、突變論、超循環理論、混沌理論、分形理論等。一般系統論認為，有機體都是以系統的方式存在，系統具有“整體性、關聯性、動態性、有序性、終極性”。復雜性科學理論又可稱為自組織理論：開放系統在遠離平衡的狀態下，如果系統存在著某種恒有的輸入，這種輸入作為一種外界干擾對系統的壓力超過一定的閾值，這時系統能夠通過內在要素之間的協同作用，通過分叉與突變，重新組織自身，形成新的有序結構，以適應環境的變化。系統這種能夠自行產生的組織性和相干性過程即自組織演化過程。系統正是這樣通過“自我選擇”和“環境選擇”，由低級向高級、由簡單向復雜，向著更加有序和更多等級層次的方向進化。

復雜性科學是從西方現代科學范式中發展出來的，是對近現代科學范式的轉型與超越，具體表現在：

1）從簡單性向復雜性轉型。在研究對象上，傳統科學范式關注的是事物存在的常態及事物之間相對穩定的聯系和變化發展規律；復雜性科學范式則關注世界存在狀態、存在形式的“復雜性”，將那些以前被視為奇異的、混亂的、突變的、數學性態“不好”的存在狀態納入認識的范圍。

2）由分析方法到綜合方法的轉型。復雜性科學范式不滿意近現代科學還原論的分析方法，而開始致力于綜合。

3）從線性思維到非線性思維、復雜性思維。近現代科學范式在考察事物、現象和過程時只注重分析系統中兩個或少數幾個因素之間的線性關系和單向因果鏈，是一種線性思維。復雜性科學范式則認為在有機系統中變量之間的關系并非等比的直線關系，系統內的各組分之間交叉往復、互為因果，需要以有機整體論思維方式對各組分進行綜合的考察。非線性關系表明有機系統是一種復雜性系統整體，因此，非線性思維實際上是一種整體性思維、復雜性思維。

4）由實體構成論向有機系統論的轉型。近現代科學范式主要是建立在近現代物理學基礎上的，它將不同層次的實體看作構成世界的基元，將世界看成是由不同層次實體構成的機械的物質世界。復雜性科學范式則主要建立在生命科學、生態科學基礎上，它將有機系統看作世界構成的基元，系統具有整體性、有機性等方面特征。

5）從機械決定論向自組織演化論轉型。復雜性科學認為因果決定性機制只是復雜系統自組織演化過程特定階段發生作用的機制，復雜系統自組織演化過程是因果決定性機制、隨機性機制、目的性和意向性機制共同作用的結果。系統演化具有隨機性、不可逆性、進化性，我們無法根據系統初始條件和既定的因果必然性規律預測系統未來的存在狀態[3]。

1.3 中國傳統科學范式

由于地理、氣候條件，政治體制，民族性格等差異，中國和西方在科學范式上有著明顯差異。就整個歷史而言，中國傳統科學范式長于直覺短于抽象，長于綜合而短于分析，長于工匠而短于理論[4]。

在近年來科學發展中，中國引入了西方主流科學理論、體系與成果，逐步向西方近現代科學靠近。而西方復雜性科學，在更高層面上，又與中國傳統科學在許多方面體現出共同特點。復雜性科學正逐漸開始意識到存在的多樣性、層次性、整體性及生成特征，與中國傳統科學逐漸趨于重疊。從中西方科學兩種不同的認識思維路線及科學發展的現實狀況（如圖1）而言，當代科學的發展呈現出中西科學范式融合的趨勢。

圖1 中西方科學范式的發展

2 科研范式

科研范式是指科學共同體為了使日?？蒲泄ぷ鞲咝в行蜻\轉所依賴與普遍采用的一套規則體系的集合，包括研究模式、科研體制、組織模式、研究方法、評價體系、研究工具等內容。科研范式是關于科研有效、合規的一組被認可與接受的規定，它受到社會、經濟、文化、政治、國際環境以及個體偏好等的影響。下面從研究模式、科研組織、科研體制、評價體系等方面展開分析。

2.1 研究模式

計算機科學家、圖靈獎得主、關系型數據庫的鼻祖格雷將人類的科研范式總結為4種（見圖2）：描述自然現象的經驗科學，也叫第一范式；使用模型或者歸納法進行科學研究的理論科學，也被稱為第二范式；采用計算機進行模擬復雜現象的計算科學，也被稱為第三范式；依賴海量數據的數據探索，也叫第四范式或大數據范式。

圖2 四類研究范式示意

1）第一范式：經驗科學

在近代理論科學范式誕生之前，經驗科學范式是西方科研范式的全部，也是西方科研范式的最初形態。以實驗材料或者自然現象為研究對象，偏重于描述和研究明確具體的事物，從而也被稱為“實驗科學”。

2）第二范式：理論科學

根據對數據與實驗的分析和研究，以模型建立和數學的分析比較、對假設演繹證明以及對實驗結果進行歸納分類的研究方法，構建了一套全新的從假設理論到設計實驗， 最后通過建立模型、實現量化研究、輸出結果的研究范式即理論科學。這種科研范式側重于理論總結和普適性，不再以實用性為導向。

3）第三范式：計算科學

計算科學可以視作理論科學的延續和發展，根本在于計算機的發明和廣泛使用實現算力上的突破，這種范式仍舊是以 “假設理論、設計實驗、建立模型、量化研究、輸出結果”為主要研究方法，區別在于在實際應用層面，計算科學范式是對不同學科和不同學術領域進行計算機模擬和其他形式的計算。

4）第四范式：大數據科學

前三種科研模式往往采用“選取樣本”，通過研究樣本來推測整體的科研方式，因此也稱之為“抽樣式科研”。抽樣式科研的科學性取決于“樣本”和“整體”的一致性、同質性。但事實上，樣本和整體的一致乃至同質其實并不是普遍現象。“結構整體論”認為只有樣本具有 “結構代表性”的時候，通過樣本研究整體才是合適的。而“有機整體論”則認為，樣本就是樣本，局部就是局部，樣本或局部永遠不可能與整體同質。

大數據以囊括近乎“整體”的數據而實現現實世界的網絡鏡像，通過改變傳統數據生成方式、儲存方式、傳輸方式以及處理方式，使得“鏡像世界”也變成了科學研究的對象，由此誕生的科研范式被學者們命名為“大數據科研范式”。

雖然大數據看似囊括了所有樣本，但它只是接近完全歸納，而不是真正的完全歸納，因此從本質上說仍屬于不完全歸納法的范疇。另一方面，所有數據都帶有或多或少的人類主觀印跡，信息技術平臺也是人類設計的產物，必然帶有人類的價值觀，以此為依托的大數據范式的客觀性自然有待商榷[5]。

2.2 科研組織

科研組織化、建制化，是科技與經濟發展到一定階段的歷史產物，是科技、社會不斷發展的必然要求。

現代科技組織從20世紀60年代至今，大的科研項目單靠一個組織、甚至一國很難完成，集團化、舉國體制、全球合作計劃、跨國科技組織溝通協調逐漸成為趨勢，科研規模更加擴大，組織結構柔性化，科研效率更大程度提升[6]。

科研組織從個人到團體，從個人興趣到職業化（見圖3），雖然極大地推動了科學研究的進展，但是也出現了很多弊端：

圖3 科研組織方式的發展過程

1）難以做到真正的自由探索；

2）形成了封閉式科研體系[7]；

3）科研活動逐漸遠離社會民眾。

2.3 科研體制

科學研究在20世紀中葉開始逐漸轉變成為一種國家主導的建制化活動。這種轉變的主要推手是1945年美國科學研究發展局主任Bush提交給美國總統羅斯福的一份科技發展戰略報告“Science, the Endless Frontier”（《科學：無盡的前沿》）。該報告指出，科學進步是國家繁榮和安全所必不可少的，因此，科學是政府應當關心的事情[8]。隨著美國在第二次世界大戰后成長為世界科技強國, 這種舉國體制的科研范式也成為了國際主流。

布什報告對美國科研體制的影響主要有3點：一是建立了，一個可以獲得充分獨立撥款的聯邦層面的機構——國家科學基金會，其宗旨是充分保障科學家的科學研究自由，以及為科學家的培養提供資金和制度支持；二是由政府主導，加大了對基礎研究的投入；三是確保了科學共同體的自主性和探索的自由性[9]。

新型舉國體制應當能夠有機整合個人研究模式與集體研究模式，以應對在舉國體制模式的影響下，研究自由度普遍不足的缺陷[10]。

2.4 評價體系

布什報告提出了基于科研人員的評價而提供不同等級的資助和待遇的功利化策略。更重要的是，這種人才等級制被設計成一個流動的模式，進而產生一種從一個低等級升至高等級的“向心力”——科研 人員要有自己的職業規劃，從“學生”到“學者”再到“學術權威”。研究者的科研等級確定和流動離不開相應的評價指標和評估活動。由此產生了相當復雜的評估體系乃至評估“文化”[12-14]。

3 結束語

隨著科學技術的不斷突破，科研范式也將繼續演變。研究模式方面，交叉學科的發展，以及機器學習在各個科學和工程領域的應用，將成為未來的第五大科研范式——AI for science（科學智能）；科研組織方面，全球合作、跨國科技組織將成為趨勢；科研體制方面，將整合個人研究模式與集體研究模式，在保持國家主導的同時，保證一定程度上的科研自由度；未來的評價體系將更加注重研究理論與實際的統一，最大限度的規訓科研人員做最有價值的科學研究。