杨文采院士：再谈科技创新思维的模式

来源：科技导报

作者：杨文采

杨文采，地球物理学家，中国科学院院士。曾任国家现代地质勘查工程中心主任，中国地球物理学会和中国地质学会常务理事。现任浙江大学地球科学学院教授，《地质论评》主编。研究方向为地球物理正反演、地球成像和大陆动力学。

在《从作用量原理看模仿型与创新型科技发展模式》（《科技导报》2023年第4期）中，笔者讨论了科技创新（简称科创）的2种不同模式，现进一步讨论科创思维的内容和层次。人的意念中有一种有价值的存在——追求真善美。真（truth）指人追求真理的意念和行为。科创思维推动知识的积累和科技的进步，创造更加接近真理的科学理论和应用技术原理。

科创的起点是站在巨人思维成果的基础上，探寻他人还没有发现的更理性、更客观、更精准或者更系统的自然规律。常见的科创思维模式包括以下5个不断推进的层次。

1）质疑，对已有的观念与理论进行质疑，检查自己学习得来的知识有没有问题。例如，牛顿认为哥白尼的太阳系行星运动理论是正确的，然后问：地球为什么会围绕太阳有规律地旋转？动力是什么？质疑就是站在巨人的肩膀上提出疑问，想他人之不想，发现问题，予以完善、发展。

2）创新概念，对事物的组成、结构、属性和行为特征形成更为精准的概念。例如，牛顿想到对物质运动速度要有更为精准的概念来描述，这就是导数。但是为了推出导数的概念，还要对极限和连续进行精准的定义。

3）创新模式，认知事物发展演化的全过程。例如，牛顿从试验数据推测到物质运动的加速度和作用力成正比，他探讨出一个刚性质点的简约模型，指出运动的加速度和作用力成正比的比例系数为质点的质量。后来，爱因斯坦又从刚性质点的简约模型，质疑牛顿理论的过分简约的问题。

4）创新理论，认知事物发展演化内在的规律和机制。例如，牛顿从概念和模型的创新推导出经典的力学理论；爱因斯坦经过创新光速运动概念和模型，推导出广义相对理论。

5）应用创新，以创新的普适性理论为根据，联系具体应用的问题，更新应用技术的理论根据，发展应用技术的新原理。应用创新的目的是要做他人之不做，发明新技术原理。模仿型科技创新就是应用他人的理论创新进行的应用创新；这个层次的研究是促进科学理论创新转换为生产力的关键步骤。改革开放以后，中国在应用创新方面取得了伟大的成果，典型的例子如中国的高铁。

从层次（1）到层次（4）的研究称为从“0”到“1”的基础科学研究。由于参加的群体增加一个级次，层次（5）的研究又称为从“1”到“10”的应用科学研究，它和从“10”到“100”的新技术研发一起，统称为“科技研发”。在西方，从“1”到“10”的应用科学研究通常在大学进行，受企业资助；而从“10”到“100”的新技术研发在企业研发部进行，计入企业运行成本并予以免税。

值得指出的是，一度被热议的“元认知”概念，其实并不是一个新概念。“元认知”英文是“metacognition”，“cognition”翻译为“认知”，而词头“meta”有多个含义，主要含有“变”的意思。“metacognition”的定义是通过有意识的自我检测思维调整和改变自己的认知，从而修改行动计划和行为模式。早在2500年前，孔子就说，君子要“吾日三省吾身”，意思是知识分子每天都要自觉检测自己的思想意识，以更好地实行“齐家、治国、平天下”的理想。儒家的自省认知理念，在中国人头脑中早已经存在，“metacognition”的理念和中国人的自省认知理念本质上一致。因此，“metacognition”就是自省认知，我们不必引进“元认知”这样的所谓“新概念”。西方人强调的是用力量和竞争取胜，不重视自省，所以很晚才意识到metacognition。

科学知识是人类认知思维和科学实验取得成果的积淀。中国大陆在地理上有发展农业的良好自然环境，可以企望天人合一、风调雨顺，通过自省认知来维持可持续发展。因此，以往中国人缺乏努力追求力量来在竞争中取胜，科学理论创新相对缓慢。现在，中国已经通过自省调整改变了传统的认知思维，推行发展科技创新型社会的政策导向，对改善科技原始创新环境一定能够产生强大的推动。中国的年轻人一定要自强不息，努力创新科学概念、科学模式、科学理论和科学应用原理，为建设创新型的世界强国努力奋斗。

从作用量原理看模仿型与创新型科技发展模式

在分形理论中，大数定理描述了各态遍历规律，表示为系统演化过程中发生事件的特征量γ（如作用量）与事件发生频数N之间的关系满足N=C/γD（C为比例常数，D为分维数）。它说明，发生频数极小的重大突发事件，其作用量非常巨大（如外星体撞击地球）；而发生频数极大的波动起伏事件，其作用量极小（如空气分子的布朗运动）。

对宏观物理系统，有一条描述事件发生的最小作用量原理。根据大数定理和最小作用量原理，系统演化过程中发生的最小作用量的事件一定很多，作用量越大的事件其发生的概率一定越少。但是牵动系统高层次的小概率突发事件不能服从最小作用量原理，而要运用最大的作用量。

在20世纪，中国流行的模仿型科研模式属于发挥最小作用量原理的研究模式。由于当时中国科技的落后，形成了“从西方文献中选择研究课题，买西方仪器观测数据，在西方期刊中发表论文”的大概率小作用量的模仿型科技发展模式。这种模式在当时对中国科技的发展发挥了促进作用，但是也显现出一些弊端。

这种模仿型科研模式的项目众多，对项目评价的必要性很大。因此，科技管理部门对科技界施行“五唯”评价，以发表论文的数量、刊物等级和引用率等为主要指标。在这种刚性指标规定下，学生为了毕业而写论文；教师为了晋级与获得科研经费而写论文。于是，全国的SCI论文数目飞长，管理部门的业绩快速显现。虽然科学研究通过最小工作量取得重大发现是不可能的，但是通过最小工作量发表SCI论文是完全可能的。其定量指标只鼓励科技人员为了评优晋级写论文，不鼓励他们去创新科学概念、模式和理论，对国家的科技原始创新事业有明显危害，尤其是对科学理论创新非常不利。

科学的概念和理论创新是全球技术革命和工业革命的起点，现在中国开始了科技创新的时代，需要培养有追求真理的奉献精神和懂得如何质疑现有理论进行科学认知的创新型人才。中国在建设世界现代化强国时，必须改变模仿型科技发展模式，激发国家的科技创新活力，才能进入世界先进行列。从现代化的历史看，国家的科技创新需要从创新型的教育改革开始；以培养大批创新型人才为目标，探索中国发展创新型世界强国的新思路。

大数定理表明，小概率事件的原始创新成果的出现要求投入大作用量，这是原始创新要遵循的大作用量原理。科技创新不能完全模仿他人与前人，要独力思考、求知求是。科学认知的指导原则是实事求是、精益求精、开拓尺度、全面系统。创新的科学认知要经过质疑、观测实验、建立模型、建构理论、验证理论等一系列环节，要想通过最小工作量取得重大发现是不可能的。中国需要有一批既爱国勤奋又有理性、童心和超越功利的专家群体，并全力支持他们去科学研究，这样不仅会有大量优秀的论文，对国家的科技原始创新事业也会有明显促进。敢于付出大作用量的科学研究人才，才能形成小概率而大作用的创新成果。

在第二次世界大战后，美国科学研究的目标不是追求论文世界第一，而是追求科学和力量的世界第一，即在所有科学领域学术水平都领先，目的是维持美国的世界霸权地位。有5000年文明的中国永远不要把追求世界霸权作为进行科学事业的目标，我们从事科学研究的目的是开拓和优化人类可以共享的知识宝库。如果一个国家的文明转向于把科学和教育变成完全实用的工具，智力的提高就会被扭曲与异化，这个国家就很难真正成为世界一流。用实用的态度来对待科技人才，也不可能真正完成新时代科技创新的历史使命。

今天我们面临的基础科学软弱、原始创新乏力等问题，不能再采取实用主义的科研管理和科技评价政策，人为地制造科技创新的障碍。今天中国高层已经推出“破五唯”的政策导向，对改善科技原始创环境一定能够产生强大的推动。