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我国从古至今基础研究的六个阶段 精选

已有 7844 次阅读 2023-2-13 09:07 |系统分类:观点评述

我国从古至今基础研究的六个阶段

 

基础研究最早出现在《科学:无尽的前沿》这份报告中,是作者范内瓦·布什在二战时作为罗斯福总统的科技顾问,为总统制定战后的科技发展规划时,首次提出了基础研究这个词。

基础研究是认识自然和社会现象、规律和原理的过程,在古代中国和西方都有这个过程,只不过没有像现代分工明确的专门从事基础研究的科学家。古代认识现象、规律和原理的人常常是哲学家、官员、郎中、老师、星相学家、博物学家、诗人、作家等,如阿基米德(论浮力、论平板的原理)、墨子(墨经)、亚里斯多德(气象学、物理学)、刘徽(九章算术)、欧几里得(几何原本)、托密勒(天文学大成)、宋应星(天工开物)、沈括(梦溪笔谈)、贾思勰(齐民要术)等。

我国古代到现代的基础科学研究可以分为六个阶段。

第一个阶段:领先阶段(从远古到明朝中期)

这一阶段社会经济发展一直处于世界前列,生产力发展水平长期领先于世界,在庞大的经济规模支撑下(GDP长期占世界的50%以上),诞生了一系列基础研究成果,如《墨经》、《九章算术》、《黄帝内经》、《天工开物》、《梦溪笔谈》、《齐民要术》、《算学宝鉴》、《本草纲目》等。《墨经》主要聚焦认识论﹑逻辑和自然科学问题,对影、小孔成像平面镜凹面镜凸面镜成像进行定义和论述,还说明了焦距和物体成像关系,对力的定义、杠杆、滑轮轮轴斜面及物体沉浮、平衡和重心都有论述。这些理论比古希腊几何学之父欧几里德(约公元前330~275,名著有《几何原本》、《光学》)的几何学和物理学早百余年。《黄帝内经》成书于西汉,虽然没有西方《医学原本》早(公元前377年),但该书的医学成果形成很早,总结了自黄帝以来医学理论和实践成果,对东亚人口健康(人口远超西方和阿拉伯)和其他医学发展起着巨大贡献,在那个时候,人口就是生产力。王文素的《算学宝鉴》利用了导数,比牛顿和莱布尼兹早。《九章算术》最早提到分数问题,还在世界上首先论述了负数及其加减运算法则,它的出现标志着中国古代数学形成了完整体系。之后东汉刘洪发明了算盘,使算术运算效率得到很大提高,一直到计算机问世之前,算盘都是最好的运算工具。算术和算盘的发展,对社会和经济管理发挥了重大贡献,因此,中国在1840年之前,一直都是GDP大国,最高时达到世界的80%。

虽然有学者认为,中国古代的数学、物理和西方比,在公理、演绎、推导和实证方面不足,但是这些成就在当时是领先世界的。特别是在这些理论的指导下的发明创造和应用技术,就远超西方。如在《黄帝内经》理论指导下针灸的发明,在《九章算术》理论指导下算盘的发明(实际上算盘的发明比中国四大发明中火药、指南针对社会经济的发展贡献要大)。在《墨经》诞生前已有的杠杆原理指导下,鲁班发明的石磨、碾子磨、水车磨,是当时先进的机器,对粮食加工,促进人消化吸收食物,保证身体健康具有重要意义;还有旋转运动变成直线运动的机器,如类似蒸汽机的水排鼓风机的发明,促进了炼铁业;明代旱舡可以有500-3000匹马力,可以进行大批量运输。由于磨是一种来自中国的先进机械,在西方关于机器的词都是由ma“磨”, china构成的:“机器”的拉丁语machina,“机器”的意大利语macchina,“机器”的法语Machine,“机器”的英语machine,“机器”的德语Maschine。甚至有人提出最早的蒸汽机是中国人发明的,后来才传到西方,被申请了专利。通过阅读《洛阳伽蓝记》、《中国的100个世界第一 》、《西方文明的东方起源》、《中国——发明与发现的国度》、《冬官纪事》等著作,可以发现,中国在宋朝和明朝就发明了蒸汽机。实际上,中国古代还有影响世界的88种重要发明,如二十四节气、织布机、钢铁冶炼、船舶水密舱、蚕桑制丝、水稻种植、养鱼、养猪、杂种优势利用、法医学体系、经脉学、豆腐制作、硝灰做肥料、油漆、伞、古代可以跳舞唱歌的机器人(伶人)、火箭、铁犁、降落伞、墨水、扬谷风柜、白兰地和威士忌、密封实验室、定量制图法、催泪弹、自动控制机、纯硫提取法、火柴、枪炮、火焰喷射器、链式传动装置、眼镜、古代直升机、水雷、机械钟等。这些发明支撑了社会经济的各个方面, GDP在1840年前一直占世界最大比例。

第二个阶段:愚昧落后阶段(明朝后期到晚清睁开眼睛看世界的350年间)

明朝中后期,社会矛盾不断激化,农民起义风起云涌,内忧外患,经济发展停滞。政敌为了削弱明朝实力,树立对手,把中国式蒸汽机、船舶图纸送给西方传教士。这也是西方海洋文明快速崛起的一个重要原因。中国式蒸汽机没有发扬光大,类似于上世纪60-70年代的运十大飞机看不到前途而被终止一样。大清建立后,国家稳定,社会经济得到恢复和发展。一些学者对基础科学开展了有效探索,如戴煦对幂级数的研究成果比法国数学家的成果早29年,明安图最早研究卡塔兰数,至少比欧拉早十年,更比卡塔兰本人的研究早一个世纪。方以智的三棱镜能把光分成五色,比牛顿分光实验早30年;孙云球发明探照灯比俄罗斯人早98年;黄履庄发明世界上第一辆自行车;薄珏制造千里镜用于发炮比西欧各国早15年;清朝炼焦的方法比欧洲早146年;王锡阐天文学研究成果与欧洲天文学成果相比,不相上下,还略胜;张履祥在《补农书》中总结的小麦移种技术,比国外早300年;陈司成在世界上最早用砷剂治疗梅毒病,早于西方近百年。

然而,尽管清朝使领土增大了不少,但大搞文字狱,在知识分子中造成了极大的恐慌。知识分子不敢发表任何论述,生怕一不小心跌入文字狱的深渊。在满清文化压迫下,文化科技遭到了残酷的催残与扭曲。知识分子丢掉气节,只会死板呆滞读心学之书,一味遵从谕旨,没有思想没有节操,不敢创新、不敢利用前朝的优秀成果。文字狱销毁了大量明朝的珍贵文化和科技典籍,也包括前朝前代的宝贵科学文化遗产,特别是乾隆年间,以修改《四库全书》为由,大肆搜捕珍贵的历史文化典籍,然后销毁,根据研究,共销毁明朝书籍15万卷,档案1000万份,明朝的先进文化科技几乎销毁殆尽。除了文字狱,清朝还夜郎自大,以天朝大国自居,看不起西方科技,认为是奇技淫巧,闭关锁国

可以说这个时期,清朝不仅吃前朝的老本,而且还不断退化,但是西方现代科技则突飞猛进,如牛顿力学诞生、达尔文进化论成书、显微镜发明、电磁感应现象、细胞、原子分子发现、元素周期表形成、欧姆定律、热力学建立、尿素的合成等一系列重大发现。

蒸汽机.jpeg

                                                               中国古代蒸汽机


第三个阶段:科学救国阶段(从睁眼看世界到1949年)

1840年第一次鸦片战争是对梦中大清的第一次打击,林则徐认识到中国科技已经落后,开始探求西方新知识。他编译了《四洲志》,这是中国第一部系统的世界地理志书,对晚清洋务运动起着启蒙作用。林则徐为官清廉,主张学其优而用之,学习西方文化、科技和贸易,被誉为开眼看世界的第一人。之后,魏源编著了《海国图志》,在序言种写道:“是书何以作?曰:为以夷攻夷而作,为以夷款夷而作,为师夷长技以制夷而作。”这是向西方学习先进知识的最早倡议,之前国人在科学和技术上对待西方都是唯我独尊的态度。

洋务运动时期,冯桂芬、郑观应、王韬、薛福成、马建忠等早期维新思想家继续发展了“师夷长技以制夷”的思想,认为欧美之所以强大,是因为他们讲求“格致之学”。所谓“格致”就是西方自然科学和技术,犹如“琢玉”的利器,建屋之栋梁,所以他们大声疾呼要发展科学技术,提出系列“变法”、“图强”思想,呼吁翻译大量西方科学著作为国人学习之用。1845年之后,著名数学家李善兰翻译了很多数学著作,如徐光启没有翻译完的《几何原本》后九卷,翻译了《代数学》、《老解析几何、微分和积分学》十八卷,“微分”和“积分”两个数学名词,是李善兰根据外文数学含义首创,来自成语“积微成著”。据东汉徐岳《数术记遗》中载:“不辨积微之为量,诅晓百亿于大千。” 数学里常见的名词:“常数”、“几何学”、“轴”、“系数”、“函数”、“渐近线”、“法线”、“微分”、“积分”、“平行”、“根”、“方”、“方程式”、“多项式”等都是他创译的。他是西方科技著作翻译第一人,他建立的“李善兰恒等式”在国际数学界还引起了广泛兴趣。徐寿则翻译了26部造船类、机械类、化学类的西方书籍,在Nature 发表了第一篇中国作者论文,用近代科学方法矫正一个古老的定律。

洋务派也接受“师夷长技以制夷”的思想。曾国藩、李鸿章极力主张使用和生产西方先进军事技术,分别在安庆和上海开办军械所和洋炮局,之后,江南制造总局、江陵机器局、福州船政局、天津机器局等兵工厂相继成立,而且通过购买德国军舰,建立了北洋水师。19世纪70年代后,民用技术成为洋务运动的重点。

这一时期,洋务派还官派留学生到美国和西欧学习先进科学技术和军事技术。1872-1875年每年派30人,总共350人,留学15年。留学生中有詹天佑、康绍仪、严复等。以私人途径留学的有孙中山、武廷芳、王韬等。八国联军攻占北京后,清廷被迫实施“新政”,中国和日本属于同一种文化,日本的政治体制更适合中国,因此派遣了不少留学生到日本留学,私人途径留学的也大幅增加,1906年留日学生高达1.2万人,辛亥革命前达到3.9万人。晚清留学教育促进了中国教育和科技近代化发展,留学归国人员开办了西式学堂和研究机构,促进了教育科技的改革。辛亥革命之后,留学途径除了官派、自费外,还组织了勤工俭学留学模式,使之前主要是富家子弟得以留学的形式变成寒门学子也能留学,出国留学的人数大幅增加。这个时期学成回国成为大家有梁启超、鲁迅、李大钊、陈独秀、辜鸿铭、郭沫若、李达、蔡元培、束星北、熊庆来、陈建功、华罗庚、李四光、章鸿钊、吴大猷、竺可桢、吴有训、叶企孙、严济慈、侯德榜、苏步青、茅以升、梁思成等。

这个阶段能出国留学的学子,家庭经济条件都很好,或者在经济上由官方和组织支持,学习过程和学成回国,其人生目标比较纯粹,就是为了追求救国的科学真理,因此,心无旁骛,笃定而行,最后做出了创新性成果。当然,客观上留学归国者由于其数量很少,是社会各领域的精英学者,收入高,可以“不为稻粱而谋”,这也促进了追求一流科学。

第四个阶段:科学报国阶段(从1949年到1987年SCI引入中国阶段)

新中国建立后,国家又送了一大批留学生到苏联东欧留学,为了报效祖国,民国出国留学和建国后送出的留学生大批回国,在教育和科学研究领域大显身手,在各行各业科学研究中成为学术带头人或研发工作的负责人。由于当时受西方国家的封锁,西方的先进科学研究方法和成果,主要由留学生带回,并教授给学生,到1962年第三个五年计划结束,我国基本上建立了完整的基础研究学科体系,包括数学、物理、化学、生物、西医、地理学、气象学、水利工程学、农业科学、林业科学、畜牧兽医学等。这个时期,涌现了一大批著名的科学家,如钱学森、邓稼先、王淦昌、郭永怀、周光召、钮经义、袁隆平、屠呦呦、钱伟长、钱三强、吴文俊、陆家羲、冯康、唐敖庆、王岳等。

这一阶段又可分为三个阶段:   

(1)1949-1966年文化革命之前

新中国成立之初,4亿人口中有八成是文盲,人均受教育年限仅1.6年。高等学校仅有205所,专门的科学研究机构才有30个,高等教育毛入学率仅为0.26%,全部在校生不足12万人,其中工科在校生只有3万人。1952年,教育部根据“以培养工业建设人才和师资为重点,发展专门学院,整顿和加强综合大学”的方针,在全国范围内进行了高等学校院系调整工作。到1965年,全国高等院校达到了434所,增加了2倍,科学研究机构达到1700多个,基本上形成了完整的学科研究体系,培养了一大批科学研究新生力量,科学技术研究人员达到245.8万人。这一阶段在基础研究上取得世界级或者是诺贝尔奖级的研究成果主要有牛胰岛素合成、反西格玛负超子发现、沙眼衣原体病理,以及哥德巴赫猜想的证明,填补国内重大空白的成果是原子弹、导弹、火箭理论的突破,万吨水压机理论的发展和第一台电子计算机研究成功。

(2)1966-1976文革期间

尽管这个时期科学研究受到干扰,但科学研究也取得了一些重要成就,如氢弹理论突破、人造卫星理论突破、庆大霉素研制成功、成功进行地下核试验、杂交水稻三系配套成功、青蒿素提取成功、世界首次单倍体育种成功。

(3)1977-1987年间

  随着改革开放,科学春天的到来,激发了科技人员的积极性。这个时期产生了不少成果,如不相交斯坦纳三元系大集、辛几何算法、东亚大气候环流模式、人工合成酵母丙安酸转移核糖核酸、人工合成青蒿素、分子轨道图形理论等。

  这个阶段的科学家具有很强的报效祖国的意识、科学精神和牺牲自我的气概,即使在非常艰苦的条件下也在开展科学研究,人生目标就是追求科学真知。当然,当时国家是一穷二白,国家不可能为他们提供良好的物质条件,但是他们回国前就了解,或者接受任务前就知道条件艰苦。他们无怨无悔,甚至在不公正对待下也勇往直前,忘我工作,如著名数学家陆家羲,在包头中学当老师,60年代就解决了一个世界性的数学问题,可惜国内专家看不懂,70年代被外国人解决并发表了,他就没有得到应有的承认。但是“苦心人,天不负”,他的组合数学论文发表,震惊了数学界,其成就不亚于华罗庚和陈景润,可惜英年早逝。这个阶段科学家的标签可以用敢于选择世界一流问题研究。

第五个阶段:科学模仿阶段(1987年SCI作为评价工具到现在阶段)

随着改革开放,我国研究生和大学生数量不断增长,特别是1987年之后,研究生和本科生数量爆发性增长,高等学校数量增加到了2000多所。高等教育从少数精英教育发展到国民教育阶段,大学、研究所,甚至企业大量招收研究生,开展基础研究和应用基础研究,基础研究队伍空前扩大。也是在1987年后,国家开始通过自由申请和专家评审的方式对基础研究进行资助,设立了多个资助渠道。这些举措对保证基础研究队伍的资金支持起到了重要作用。

上世纪80年代,改革开放后出国的留学生有一部分开始回国工作,逐步把西方各学科最新的科学问题、研究方法和成果介绍到国内,这些回国人员很快成为基础研究骨干。1988年,南京大学率先引入SCI(Science Citation Index,即科学引文索引)、1989年中文期刊推出CSCD(Chinese Science Citation Database,收录的刊物被称为核心期刊),用SCI和CSCD收录和引用数量,作为职称评审、学位授予、人才认定的评价标准。SCI是全球最著名的检索工具,通过检索功能,可查找相关研究课题早期、当时和最近的学术文献,同时获取论文摘要或全文。CSCD是最全的中文论文检索工具。SCI通过论文的收录和被引用频次等的统计,对学术期刊和科研成果进行评价,从而评判一个国家或地区、科研单位、个人的科研产出绩效、学术水平。由于当时缺乏客观有效的科技评价体系,SCI论文指标凭借透明、简单、客观等优势,迅速得到广泛应用。

但是后来的一些做法导致了SCI评价的缺陷。一是导致偏向于数量而忽视质量,因为评职称、项目、人才都要求一定数量的论文,很多机构每发表一篇SCI论文常常有奖励,因此数量多,容易得到好的评价结果,奖励也高。二是从事基础研究的人员,工资不是很高,通过研究一些较简单、西方人正在研究的或提出的科学问题,很快就能发表SCI论文,就可评上职称、帽子、项目,提高收入,如果研究学科最难的或者特别新的问题,一方面,难于攻克,产出论文少;另一方面,特别创新性的成果,有悖于现有理论,反而不好发表,一般是创新性在60-90分的好发表,1-60分和90-100分的难发表,因为科学真理往往少数人先发现,而评审发表是多人评审,需要多数同意。例如,生态学领域中生态文明的研究,本是我国一个原创领域,但是在西方主流生态学杂志上是难发表的。三是要发表SCI论文,必须长期读SCI收录杂志,SCI收录杂志质量当然是高,特别是影响因子高的,对科学研究质量具有提升作用,但是长期读SCI杂志,也会养成从杂志中找问题,脱离实践,形成跟踪研究的习惯,发表论文能力强,但是到实践中,什么都不会。

实际上,在整个自然科学基础研究中,从上世纪80年代开始到现在,数学、物理、化学、生物、环境等都是围绕或者是跟踪西方提出的科学问题、研究方法和学科范围开展研究,不像文科如历史、哲学、文学、经济学有自己原创的科学体系。尽管这一阶段也有不少重大的基础研究成果,如量子霍尔效应、量子纠缠、中微子振荡、铁基超导、黄土第四纪地质学、澄江动物群大爆发、结构生物学、淀粉人工合成等,但是和这一阶段投入的人力和资金是不匹配的。考虑到西方对于基础研究并没有“卡脖子”,西方的各种基础研究成果可以通过杂志、网络获取,不像工程技术一样被限制,因此,此阶段基础研究成果可能还不如科学报国阶段在世界上的显示度。然后,被卡脖子的工程技术方面的研究进展则显得更快,如航天技术、超级计算、北斗系统、核电技术、光伏技术、新能源汽车、新式驱逐舰、盾构机、高铁、海洋深潜、新型航母等。

阻碍科学模仿阶段向下一个阶段发展的主要制约因素是下列这些方面:(1)大部分基础研究工作,都是对国外发表的、已经提出的科学问题,采用国外建立的方法进行验证性和重复性研究,然而发表论文,是一些“短平快”的研究,这样可以快出论文和成果,完成个人、机构、学科评估、博士点评估、学校双一流评估。(2)原创性、长期性、重要性科学问题研究,不是短期能出成果,一般几年才能出一篇论文,无法满足一年一次,五年一次个人、学科和机构的量化考核要求发表很多论文的方式。爱因斯坦、屠呦呦主要创新性的论文才6篇,如果用现在的量化考核方法考核他们成名前的研究工作,是无法通过考核的,目前我国的教授一般都是发表上百篇论文,有的是几百篇。要求太多的论文是无法集中精力创新的。(3)目前科研领域还没有解决科学家与科学家之间、科学家与管理者之间的利益冲突,在项目申请、成果评价和人才帽子评价中,“利益输送”还没有杜绝,以前叫“跑部(厅或局)钱进”,需要对项目管理者、评审专家打招呼、走关系,因此,真正能做出创新研究的科学家常常拿不到,评不上,黄如、徐匡迪批评的,很多真正能开展创新研究的人没有拿到资助。(4)有权势的学者由于能够动用各种资源(包括利用别人的成果等),在申请项目和成果评价时,往往对其创新性和重要性评价过高,而无权势的学者的项目申请和成果则评价较低,公正性和客观性受到影响,阻碍了创新的积极性,不利于人才脱颖而出。这里有两个非常典型的例子,一个是解决了世界数学难题的数学家,包头中学的陆家羲,一个是福建微生物研究所开发出庆大霉素,拯救无数生命的王岳。(5)全国的大学和研究所进行基础研究的人力资源和设施没有很好的整合来攻克世界级的科学问题,以及关系国计民生和国家安全的重大基础科学问题,目前我国基础研究队伍非常庞大,但研究的都是一些边角料问题,或者没有集中兵力找到关键的问题进行研究,列如超微空间距离压缩问题、针对操作者失去意识的航母俘获理论等,要整合资源,学习国外学者每天(咖啡时间谈天说地)利用各种机会持续讨论科学问题的习惯,革除好想法闷在肚子里,开学术会议主要是建立人脉的坏习惯。(6)目前使用的中小学和大学教材教内容简洁,乏味,门类多,不同课程重复多,缺乏对科学发现历史、贡献和研究中奇闻轶事的叙述,不适合培养学生的科学兴趣和科学精神,特别是对于“硬课”,要学习国外把教材编得很厚,学生看了之后,就像看历史故事一样的吸引力,培养科学兴趣。(7)用SCI、CSCD评价学术成果,对于成果的基本质量控制、外行评内行、数量评价,不可否认是有效工具,暂时也不能废除,因为外行科技管理者可以简单的通过收录、引用和影响因子直接判断,但是一流成果要通过成果内容来评价其意义、价值、方法先进性、影响力等,当然引用高也能显示意义、价值和先进性,但是一般性知识和数据引用也很高,何况还有“贿引”,数据造假等,所以SCI评价只能是基础性评价,关键的创新性评价是定性的内容本身。用项目评价人也是不对的,数学、纯理论研究可以不需要项目就可做出创新性成果,如中学老师陆家羲,而且这些领域竞争非常激烈,非常优秀的人才也常常申请不到项目。(8)创新性的成果首先多发表在中文期刊上,发英文要首先在预发表平台发表,再投稿,不然创新性的东西常常会被西方学者审稿中剽窃,失去首创性。目前都发SCI英文论文,实际上为西方收集了大量研究数据,支持了他们在此基础上的创新和应用。

由于上述问题,我国基础研究目前仍然停留在科学模仿阶段,什么时候结束,还有待观察,关键是要解决上述存在的问题后,才能步入下一个阶段。这个阶段可能也是科学发展中不得不跨过的阶段。

  第六个阶段:独立创新阶段

   独立创新阶段最显著的特点是建立起自己的自然科学知识体系,这个体系是在现有西方科学体系基础上,系统梳理出各学科的知识,包括科学问题、方法体系和研究成果,在各学科领域,提出不同于西方的科学问题、研究方法,并获得创新性的研究成果,形成不同学科自己独特的科学知识体系。比如数学领域,组织力量对P与NP问题、黎曼假设、杨米尔斯与质量差距、Navier–Stokes方程、霍奇猜想、伯奇和斯文顿-代尔猜想、超维空间的距离压缩等,提出自己的方法,使一些问题得到解决,中国学者尝试提出新的数学问题,让全球数学家探索,这是站在数学最前沿的重要表现。又比如在生态学领域,在西方建立的种群、群落、生态系统、景观生态理论和方法基础上,和我国科学家建立的生态文明、流域生态学、景感生态学等理论充分交叉,完善自己创新的理论体系,在西方理论基础上发展新的理论。

  要尽早进入独立创新阶段,实质性的科学公正、科学兴趣、科学精神和科学交流即“四科”的大环境养成是重要的。目前这些方面正在有所改变,如“破四唯”,但是要实现“四科”和“破四唯”仍然是任重而道远,估计2040年第一次鸦片战争200年后可以进入独立创新阶段。

 




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