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科学的金字塔
zdwang 2009-4-21 08:10
科学的金字塔
— 将物理之炬烧得更旺些 王 振 东 诺贝尔物理奖获得者丁肇中先生,在“我所经历的5个物理实验”(科技导报2006年24卷11期)一文中给出了一个科学金字塔图形 并指出科学金字塔的高度在增大(新的应用在不断扩大),金字塔的底部也在不断拓宽(基础研究越来越走到了科学金字塔最外面的角落)。丁肇中先生还肯定地说:“我认为,没有任何理由断定今后科学金字塔不会继续拓宽和长高。” 从这个金字塔图形看,科学网中点燃的物理之炬不妨可烧得更广、更旺些!可以有特别关注的一些问题(如现列出的25个问题),但似也不必过于局限这些问题。丁肇中先生给出的科学金字塔,是否可作为大物理火炬的参考!
个人分类: 科海拾贝|11878 次阅读|3 个评论
自然科学基金申报——对基础研究的再认识
pony911 2009-3-12 22:36
2009年度的自然科学基金申请工作在学校的层面上,告一段落了。今年抱着学习的态度,努力地挣扎了一番。之所以说是挣扎,是因为自己这个工科背景浓厚的同志,实在是在基础研究的大门前,徘徊的太久了。虽然也是博士出身,但真的只能说是完成了论文,对基础研究有了一点点接触。而其中的真谛,虽然听前辈讲过很多,自己的实践,确实是还很匮乏。 但是,作为研究型大学的教师,如果不能够具备良好的开展基础研究的能力和素养,确实是一种遗憾。就像教学一样,它应该是一种义务,一种必须做到,必须体验的事情。不过,也许是因为现在太多急功近利的氛围,让我们很多想做到这些事情的老师,反倒有些迷失了。 幸好,这次自己终于坚持了下来。虽然,自然科学基金成功的几率微乎其微。虽然,自然科学基金已经成为了新的一种被大家追捧的潮流性指标。虽然,自己还对基础研究那回事儿,对自然科学基金有太多的不明白。但是,一切都重新开始了。 从开始的时候,自己就清楚,像所有没有尝试过的事情一样,会很难,但是,一定要坚持下去,坚持就是胜利。无论结果如何,过程总是一种锻炼和提高。虽然,申请书还有那么多缺憾,但是,我和学生理解了更多需要完成的事情。当然,那都不是可以一蹴而就的。慢慢积累吧。研究,确实是一种生活,而不是简单的工作或任务。如果,你不把它当作自己所选择的生活的一部分,那么,可能永远也无法真正敲开那扇门。 从自然科学基金到基础研究的一般,我想应该坚持几个简单而具有挑战性的习惯: 静心,学习,提问,思考,实践,写作,发表,交流。 每两个字后面,都承载了很多需要坚持的事情。任意一个环节松懈了,都是要命的。 就基金的准备而言,其实它和形成一个研究方向,选择一个研究课题,准备一个实验,发表一篇论文一样,需要: 瞄准一个方向,充分的积累和调研分析,把这个方向上所有的历史、现状和未来看明白,盯住; 瞄准现阶段的困难或缺陷,提出准确的问题; 分析可能的方法; 围绕问题和选定的方法,提出解决的思路,并据此,思考行动的计划。 整个过程里,需要大量的学习。从而,天天让自己明白,学,然后知不足。并激发不断的循环。从一个问题到另一个问题,再到另一个问题,不断前进...... 这个过程中,耐得住寂寞,坐得住板凳,是必,必,必~~~~须的! 真的喜欢,这样的生活......尤其是,那些陪我一起走过一段段成长路程的可爱的朋友们所谓的我的学生。其实,倒是我从他们那里学到了很多。当然,我们的学习是双向的。我不会吝啬自己的那一点点积累。
个人分类: 交流|3817 次阅读|1 个评论
340次香山科学会议对海水养殖可持续发展提出许多新的见解
zhuangzm 2009-3-8 17:12
养殖规模大、产量大是我国海水养殖业的突出特点,由此带来的一系列问题严重地制约着海水养殖业的可持续发展。在2月11日至13日举行的以可持续海水养殖与提高产出质量的科学问题为主题的香山科学会议第340次学术研讨会上,与会专家对海水养殖可持续发展、研究和构建适应我国国情的理论技术体系提出许多新的见解。 大力推动生态系统水平水产养殖新理念的发展 会议针对制约产业健康发展相关问题基础研究薄弱的现状,从满足我国食物安全和生态安全的国家需求和发展现代海水养殖产业需求出发,瞄准我国海水养殖可持续发展和提高产出质量预期目标,进行了深入的探讨,与会专家形成了对未来十年乃至更长时间内我国海水养殖可持续发展研究的优先发展方向、主要科学问题以及研究对策等问题的基本看法。 1. 生态系统水平的水产养殖研究是我国海水养殖可持续发展基础研究新的发展方向。 发展生态系统水平的水产养殖是保证规模化生产和实现可持续产出的必由之路。它不仅是国际水产养殖发展与研究的新趋势,同时也是由于我国海水养殖所特有的种类结构与生产方式所必须做出的选择。目前,我国海水养殖中贝藻养殖产量占总产的90%, 鱼虾约占10%, 养殖方式以粗放式养殖为主,这种现状在短期内不会发生根本的改变。因此,需要引入新的理念,去推海水养殖的可持续发展。过去10年,在健康养殖发展中已有了一些初步的积累,那么, 在海水养殖进入新一轮发展的时候,需要大力推动生态系统水平的海水养殖研究新理念的发展,为海水养殖可持续发展提供坚实的科学支撑。 2. 深入开展海水养殖系统综合协调机制的研究。 发展生态系统水平的水产养殖研究,必须开展整体、系统水平的研究,必须开展海水养殖的生命过程、生态过程及其相互作用的过程与整合研究,研究其综合协调机制,赋予 制种/调水/给饵/供药/管理/收获 等生产关键环节在系统中的作用内涵。另外,还需建立海水养殖相关学科综合交叉研究机制,发展诸如基因组育种学、生态免疫学、营养生态学、系统能量学等交叉学科,实现海水养殖科技的跨越式发展。 3. 需要实施单种精作的研究策略。 事实上,这已经是国际上渔业发达国家成功的作法,如挪威对大西洋鲑的研究、美国对沟鲇的研究。选择有代表性的养殖种类开展深入研究,不仅是应对海水养殖基础研究新发展方向及其相关主要科学问题的研究需要,同时也有助于解决我国海水养殖可持续发展中出现共性问题。通过点面结合,做深做细,有效提高我国海水养殖研究工作的系统性和精准性,逐步形成具有中国特色的海水养殖科技研发体系,推动养殖产业向现代化方向发展。 4. 海水养殖品种的多样化仍然是我国海水养殖发展的主流模式。 它不仅是我国海洋生物物种和环境的多样性所决定的,同时也是我国市场需求和饮食习惯的多样化所决定的。但是,在开发和研究新的养殖品种时,从可持续发展的角度,需要同时兼顾优质高效和环境友好两个方面的需求。 30 个值得关注的科学问题 多年来,我国海水养殖产业的发展,对养殖系统的高效产出强调有余,而对可持续性和产出质量重视不足,这是产业发展中出现一系列问题的根本原因。海水养殖相关的研究工作必须针对海水养殖可持续发展和保障产出质量的关键科学问题开展基础和应用基础研究,为建立可持续发展的、高质量的海水健康养殖体系提供理论指导和技术支撑。与会专家围绕5个中心议题进行研讨,提出影响我国海水养殖可持续发展和提高养殖产品产出质量的30个科学问题。 1. 认识优良性状的遗传机理和分子调控机制。 主要包括基因组学研究、海洋生物生产性状遗传与环境相互作用、数量性状遗传分析与分子育种技术结合、抗逆遗传基础和分子机理研究等5个科学问题。 2. 研究饲料要素与营养匹配的代谢基础。 主要包括主要代表种营养需要和饲料原料消化率数据库的完善、营养代谢和基因调控、影响植物蛋白源饲料效率的分子机制、水产动物糖利用能力、营养素与水生动物的免疫、抗病力的关系和作用机制、水产品品质形成机理以及与饲料组成和投饲策略的关系和有害物质积累和代谢机理等7个方面的问题。 3. 重视养殖系统微生物群落及其生态功能与作用机理研究。主要包括 养殖系统中的微生物密度感应、微生物群落结构与演替规律、养殖系统微生物多样性、生物絮团的群落结构、形成机制及其生态功能、微生物增强的水产养殖模式、原理与生产潜力和生物絮团技术及其应用等6个关键科学问题。 4. 关注养殖投入品的环境效应及其对产品质量安全的影响研究。主要包括 海水养殖系统中危害因子的变化规律与转归途径、主要污染物危害机理与生态学过程、危害因子对质量安全的影响与调控机制和海水养殖系统中危害因子的生物蓄积特异性与分子基础等4个关键科学问题。 5. 加强复合养殖系统的生物地球化学过程与生态调控机制研究。 主要包括生物圈背景下海水养殖业可持续发展的原理与途径、养殖生态系统生物地球化学循环、全球变化背景下水产养殖系统和产品质量的响应、海洋生态系统背景下海水养殖活动与邻近环境的相互作用、半人工养殖系统的代谢驱动力和调控机制、浅海复合养殖系统持续高效产出关键过程与机制、海湾养殖环境修复原理与技术和异养型(肉食)自持综合养殖系统构建的原理与技术等8个问题。 注: 香山科学会议是我国科技界以探索科学前沿、促进知识创新为主要目标的高层次、跨学科、小规模的常设性学术会议。香山科学会议实行执行主席负责制,以评述报告、专题发言和深入的自由讨论为基本方式,探讨科学前沿与未来。香山科学会议由科技部(原国家科委)在中国科学院的共同支持下于1993 年正式创办,相继得到国家自然科学基金委员会、中国科学院学部、中国工程院、教育部、解放军总装备部和国防科工委等部门的资助与支持。创办18年来,迄今已召开了340次学术研讨会。 本次会议是继1998年召开的走向2l世纪的中国蓝色农业第108次会议之后,12年来第二次全面研讨与海水养殖相关科学问题的我国高层面科学会议。
个人分类: 海水养殖|4473 次阅读|0 个评论
什么是“本真信息”?
geneculture 2009-1-22 16:31
如何从“杂多信息”中抽象或提炼出“本真信息”及其配套的“形式信息”和“内容信息”?这才是真正的信息学所要研究的。其中,一般信息学主要研究“本真信息”,部门信息学则主要研究与“ 本真信息 ”配套的“形式信息”和“内容信息” 2010年新增内容: 【专家评语摘要】 他(博主邹晓辉)这次在大会的简短发言给与会者留下了十分深刻印象。通过从 意义 ( Meaning )这一人文、社科和哲学三个领域共享 核心概念 的分析入手,他 (博主邹晓辉) 创造性地 建立了 “语义三棱”模型,不仅发现了“义”这个“物、意、文”之外的 第四范畴 ,同时还发现了“物、意、文、道”四个基本范畴的构成,而且还进一步系统阐述了“物之理、意之义、文之法、道之本”这样的 本真信息 (本质),在某种程度上加深了我们对 意义 研究和 语言哲学 的认识。 博主补充说明 :如果说 “物、意、文、 义 ”构成 “ 语义三棱 ”, 那么,也就可以说 “物、意、文、 道 ”构成 优化的 “语义三棱”, “ 理、义、法、道 ”则进一步 构成 “ 融智三棱 ” 。 http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=207378 附录: Science and Philosophy of Information“信息学报”网址: http://survivor99.com/entropy/2008_Informatics.htm “信息学基础研究”(ISBN 9787533870911)网址: http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=44731 “创造性合作型生产式教学模式初探”网址: http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=51056 “融智学的十个知识创新点”网址: http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=51055 在数学上,关系是对如等于 = 或序 等二元关系的广义化。 k 元关系在数学上有两种常见的定义。 定义1 在集合 X1、…、Xk 上的关系 L 是指集合的笛卡儿积的子集,写成 L ? X1 × … × Xk。因此,在此定义下, k 元关系简单是个 k 元组。 第二个定义用到数学上一个常见的习惯-说“某某为一 n 元组”即表示此一某某数学物件是由 n 组数学物件的描述来判定的。在于集合 k 上的关系 L中,会有 k+1 件事要描述,即 k 个集合加上一个这些集合笛卡儿积的子集。在此习惯下, L 可以说是一个 k'+1 元组。 定义2 在集合 X1、…、Xk 上的关系 L 是一个 k+1 元组 L = (X1, …, Xk, G(L)) ,其中 G(L) 是笛卡儿积X1 × … × Xk的子集,称之为 L 的“关系图”。 http://zh.wikipedia.org/wiki/关系_(数学) http://en.wikipedia.org/wiki/Relation_(mathematics)
个人分类: 学术研究|2064 次阅读|2 个评论
讨论基础研究不等于基础学科--二答饶毅公开回复
eucommia 2008-12-8 22:28
文前说明:最近我与饶毅教授有着很好的交流,但他总觉得我是在为我一个实验室争地位,为我一个实验室要特殊政策,许多评论者也这么看,饶在来信中多次强调政策不是对我一个实验室的,对谁都一样,我也从来没有否认这一点。因此我在此郑重声明:如果仅为我一个实验室,我就不用费这么大的劲。但我认为这是全国大学教育改革中普遍存在的问题,因此有必要在全国讨论,只有全国问题解决了,我的实验室和类似的实验室的问题也就都解决了,这是关系到我国的基础学科建设问题,不是我的实验室对国家多重要,而是基础学科对国家非常重要。最近,国内的有关报刊记者采访饶毅教授,但从没与我交流过,有一记者要电话采访我,我说我老了反应慢,希望用E-mail提问题我回答,就再也没消息了。Nature亚太地区通讯员说要介绍我与饶毅的辩论,说是电话采访也可以,E-mail采访也可以,我当然还是回答用E-mail,我本来还想写篇博文说说他们的求实精神。谁知给我发来问题后几小时就来催,说必须当天给回答,他们要定稿,当时我看到时我这里(澳大利亚)已快夜里11点了,我都快70岁的人了,我还要命呢,只好回绝他。实际人家稿子已发出来了,只是来做做样子的。而且所有记者的文章都把我当成了反对改革的守旧势力代表,我就奇怪大家都在说我们的科技界太浮躁,功利主义盛行,妨碍了原始创新的产生。可是当我对改革中有可能助长这一现象的措施提出批评,并提出建议时,怎么就成了反对改革的守旧势力呢。多亏我与之讨论的饶毅教授是清醒的,虽然开始时不太高兴,但还是在听我的意见。 饶在公开答复的第二段中说;学院绝大多数实验室都做基础研究,都是基础学科,所以谈不上赶尽杀绝基础学科。学院资源有限,不可能同等支持所有学科。冷门学科,如果确实有前景、有意义,有人、有能力,可以发展。 总体上说这句话没什么不对,但是这里有一个概念值得商榷。按照这句话的逻辑,基础研究就是基础学科,但是根据我的理解,这是两个不同的概念。关于基础研究的概念,在我的博文自然科学基础研究项目的管理必须适应其探索性和不可预测性中谈到:自然科学中的所谓基础研究就是以自然现象形成原因为研究对象的科学研究。其研究成果就是对自然现象形成原因提出解释,也即所谓的理论,其表现形式就是研究论文的发表。这是国家自然科学基金资助的主要对象,也是国家重点基础研究和发展规划项目以及攀登项目的主要资助对象。但是此类基础研究的水平在一定程度上反映一个国家、一个地区、一个大学、一个科研单位的科研水平,也反映了它们潜在的生产力水平。所以饶毅说的学院绝大多数实验室都做基础研究,确实如此,北大生科院的实验室基本都是做的基础研究和应用性基础研究(如国家863项目和转基因专项项目),只有少数实验室在做或部分做应用研究。由此也可看出,基础研究是相对于应用研究而言。应用研究的成果就是具体的新技术、新方法或科研、生产或生活中应用的新产品,这里通常有专利的形成。从逻辑上讲,基础就应对应上层,实际上任何应用研究都是在原已研究清楚的基础理论基础上发展出来的,如在遗传理论的基础上(也可以说是在遗传理论的指导下)发展出了杂交育种的应用研究,随着遗传学理论研究的深入,又发展出了辐射育种、化学诱变育种等应用研究,到了上世纪末,又发展出了基因工程、分子工程等应用研究。正是由于细胞潜在全能型学说的提出和研究的深入才发展出了细胞和组织克隆技术等的应用研究。所有这一切都揭示出,应用研究是基础研究的上层,因此按照逻辑推理,也可将应用研究叫做上层研究。当然在文明史上,早期的应用研究并不是在基础理论研究搞清楚之后,才在其指导下研究开发新技术,有的是先发明了新技术,随后才逐步研究清楚其原理,及基础理论的。但是随着科学技术的发展这种发明已越来越少,现在已几乎成为不可能。而最早的基础研究完全是凭个人的兴趣,因此只有那些家庭经济雄厚的公子哥才可能进行。由于随着科技的发展基础研究对应用研究的重要性越来越明显,关系也越来越密切,对基础研究的支持也越来越得到企业的支持,更主要的是国家的投资。 基础学科的概念则是就学科说的。根据新华词典的解释:学科:①学术的分类。指一定科学领域或一门科学的分支。如自然科学中的化学、物理学;社会科学中的法学、社会学等。 ②教学科目的简称,也称科目。教学中按逻辑程序组织的一定知识和技能范围的单位。如中小学的数学、物理、语文、音乐等;高等学校心理学系的普通心理学、儿童心理学、教育心理学等。如果去查汉英词典,其解释是knowledge;study;subject,确实与研究有共同之处。但从中文解释看,学科和研究是完全不同的两个概念。另外,从逻辑上讲,既然有基础学科就应有对应的上层学科,后者是在前者基础上产生的,没有前者就没有后者,就像基础研究和应用研究的关系一样,好似一幢建筑,如果地基打不牢,或把地基挖空,上层建筑就会坍塌。就整个文化来说,或就整个教育来说,语言文字是基础学科,从小学到中学,甚至从幼儿园开始就开始学习认字写字,学造句、学习范文、学习写作,这早已是共识,从来没没人试图把它们改革掉,只有在文化大革命中陈伯达说过,中国人还用学中文,大学办中文系真是笑话(大意如此,原话无从查考)。在自然科学中,数理化是基础学科,好像也已是共识,而且现在还越来越一致,近年来数理化基础有所加强(最少生科院是如此)就是证明。但就生物学中的基础学科来说,好像就出了点问题。这可能是因为随着科学的发展,特别是20世纪下半叶以来生物学的发展真有点神速,基础学科和上层学科在急速地发展变化着,有些原来的上层学科变成了基础学科,新的上层学科中又包含了原来基础学科的部分。 为了说明基础学科和上层学科的变化历程,不妨先回顾一下科学发展史。在古代文明中,是把人类社会和自然界放在一起来研究的。东方文明,包括中国的文明史中就没有专门研究自然科学的科学家。把人类社会和自然界人为分割开来,也就是自然科学的诞生,是现代文明,也可以说是西方文明的产物。最早的自然科学只有一门。就是以整个自然界为研究对象的博物学。随后又把自然界分割为有机界(生命的)和无机界(非生命的),也就是生物学和物理学的分家,生物学又分成了动物学和植物学。继之,植物学又逐步分出了分类学、系统学、形态学、解剖学、胚胎学、细胞学、生态学、遗传学、生理学、生物化学、分子生物学和生物物理学等数十个分枝学科。这些学科间的不同就在于研究对象的不同,相应的研究方法也不同。而且学科越分越细,研究对象愈来愈小。其中最早产生的是形态学和分类学,因此它们无论在动物学中还是植物学中都是最基础的学科,而在此基础上发展出来的生理学、遗传学也就成了当时的上层学科,但随后在生理学基础上又发展出了生物化学和生物物理学也就取代它们而成为新的上层学科,它们也变成了基础学科,但当在此基础上又发展出分子生物学之后,生物化学和生物物理学也变成了基础学科。因此也就很容易给人造成一个错觉,研究对象愈小的学科愈先进,愈高级。这是按照西方文化的认识论和方法论必然得出的合乎逻辑的结论。植物形态学包括了形态学、解剖学和胚胎学,当然就被这些人归为古老落后的学科。正如张昀(1998)在他的《生物进化》一书中所说:传统的(应为西方文化的)认识模式(认识方式)本质上是还原主义的。这种认识模式的指导思想是:复杂性乃是简单性的叠加,复杂过程可视为简单过程的特例。在这个原则指导下,科学研究强调分解或还原,即将复杂过程逐级分解为相对简单的、小的组成单元或因果链上的片段,然后再把这些单元或片段叠加或连接起来。 这种认识模式可简单地概括为1+1=2模式,在哲学上应属于机械唯物论的范畴。按这种认识模式看来,中药是乱七八槽一锅汤,是不科学的。这就是前一段国内出现中医不是科学怪论的原因。科学是什么,科学就是经过实践证明的理论,理论是对实践在认识上的飞越。按照1+1=2的模式去认识简单的无机界时是有效的,在开始认识有机界时也是有效的。因此在自然科学发展初期起到了促进作用。与东方文明中综合的认识模式比起来有着很大的优势,对每一个事物、每一种现象的认识比较具体可行,而用综合的认识模式去认识一个具体的事物、一种具体的现象时就会感到无从下手。不然就提出一些抽象的概念对一些规律进行总结,如中医中药就是如此,看病治病都是从整体出发,从内外因素、以及身体各部分的相互关系出发对病因作出判断,下药也是对身体各脏腑进行调整,正如有的中医学家所说,中医是根据人体的变化判断病,通过调整身体各部分间的平衡治疗病,同一种病,对不同病人就有不同的治疗方子,一个病人的治疗过程中也要随着人体状况的变化改变药方。而西医则是根据引起某一器官病变的外因判断病,通过铲除病因治疗病,不管什么人只要得了同一种病就只有一种药方,而且自始至终都是这一方子。也就是平时所说的头疼医头,脚疼医脚。这可能就是为什么自然科学发源于西方文明而不是东方文明的根源之一。就是到现在,在自然科学研究中的这种认识论和方法论仍然占着优势。但当认识无机界复杂的物质运动形式时这种认识模式就显得无能为力,当用来认识物质运动的最高形式-生命活动的整体规律时就更显得乏力。要完成这些认识过程就只有两个方法可以采取,一是坚持1+1=2的模式,最后只能求救于上帝。二是放弃这一模式,采用辩证唯物主义的认识论和方法论,也可以简单地概括为1+1或2模式。或简称1+12模式。其中有的只在解决某一具体问题时采用这一模式,过后又回到了前一模式,如牛顿提出三大定律时和爱因斯坦提出相对论时,都是冲破了这一认识模式,但在别的问题上仍然信仰上帝。有的是彻底采用这后一种模式,但由于时代的限制,这类科学家很少。但是生命科学中实际上是不存在1+1=2的模式的,如衣藻(Chlamydomonas)是单细胞的绿藻,与它同属团藻目的实球藻(Pandorina)是由与衣藻结构和形态相似的32个细胞组成的多细胞群体的绿藻,但32个衣藻决构不成一个实球藻个体,一个实球藻细胞也不可能成为衣藻。较高级的多细胞生物就更不是多少个细胞的简单相加,而是首先由结构和功能特异的细胞按一定的程序组成组织,不同的组织按一定的程序组成不同的器官,不同的器官也是按一定的程序组成植物体,而且各部分间还有着各种复杂的联系。我们认识人体结构时都是通过尸体解剖,但尸体不等于活人,即使把活的人体分解成各种器官得到的是尸块,即使再加起来也还是尸体,而成不了活人。植物也一样,不是将根、茎、叶简单地加在一起就是植物体。嫁接是将一株植物的茎与另一株植物体的根连接在一起,但只有这两部分的相关组织真正发生联系(愈合)(如维管组织桥的建立、次生胞间连丝的形成),生理生化过程也统一进行之后,植物体才真正成为一个植物体(崔克明 2007),否则就一部分(接穗)或全部死亡。因此在研究生命科学时如果一直坚持1+1=2的认识模式是不可能认识生命活动的本质的。因此可以说分子生物学是以分析为主的科学达到了顶峰。 虽然分子生物学的研究远远没有结束,就是21世纪也不会完全结束,但对它的研究热已在逐步降温,而以综合为特征的研究,也就是以1+12的认识模式认识生命活动规律的分枝学科已逐步升温,形成新的研究热点。这包括了在植物学中的植物发育生物学(个体发育)、植物系统发育生物学(植物进化生物学,包括植物分类学)、植物生态学、环境植物学等(Cui Hu 2002),这些就是新的上层学科,也可以称之为新兴学科,它们是在原有各个基础学科的基础上发展起来的。饶毅在公开答复中为了证明他重视基础学科而举了引进 保护生物学人才的例子,但从上述分析可以看出,保护生物学属于环境生物学的范畴,是近年才在上述基础学科的基础上发展起来的的一个新兴学科,应属于上层学科,而不属于基础学科,动物学中也一样。只是由于保护生物学形成不久,研究难度较大,研究的人还少,文章的引用率较低,但并不是引用率低的学科都是基础学科。这些新发展起来的学科取代分子生物学而成为新的上层学科,从而分子生物学也就成了基础学科之一,分子生物学在诸多基础学科中是最晚形成的,也是作为上层学科时间最短的一门学科。在众多的基础学科中,一些在发展过程中间产生的学科,如植物生理学,随着研究的深入,无论从研究手段看,还是从研究内容看,大部分都已分别发展为生物化学或分子生物学的范畴,表面上看起来,已很难找到植物生理学所特有的内容,好像已走向消亡,而由它发展出的生物化学和分子生物学将其取而代之,这与它所采用的研究手段和研究内容都具有中间过渡性有关。而最早产生的形态学和分类学(特别是经典的形态分类),以及较后产生但具有较大独立性的遗传学和细胞学则是基础中的基础,没有这些基础,几乎是什么研究也很难取得重大成果,甚至会得出错误的结论。 为了说明基础学科在现代科学发展中的重要性,将以作者熟悉的植物形态学为例来说明,动物解剖学、组织学、胚胎学以及遗传学和细胞学等基础学科的问题我想也差不多。正是在前述这种科学发展的历程中诞生了专门描述植物的外部形态和内部结构(器官、组织和细胞水平上)的植物形态学,使用的方法最早是单靠肉眼观察、进而用放大镜、显微镜和电子显微镜观察,为了能在显微镜、电子显微镜下观察,就发展出了一套与之相配套的制片方法:石蜡切片、塑料薄切片和超薄切片。为了记录观察结果,最早使用手工根据观察到的形状绘制成图,并产生了各种工具,如显微绘图仪,进而是显微照相仪和光镜及电镜专用照相机。这里必须指出,这些方法是为形态学研究服务的,如果只学习制片方法,不学习形态学基础知识,一是切片做不好,二是即使做出切片来不认识各种结构,也不知怎么描述,甚至描述错了,还有的自作聪明,乱起名字,别人也不知你讲的是什么。另外即使做好切片,不会记录图像也枉然,所谓记录图像就是绘图或照相,不能把照相看得太简单,只有懂得照相的基本原理才能制作出清晰漂亮的照片,将欲表达的内容表达清楚。由于研究材料的软硬、着色性质等与制片有关的性质千差万别,使得这些方法至今不可能完全机械化、自动化,始终带有手工劳动的特点,不能像生化和分子生物学实验那样只要严格按说明书的说明做就能做出漂亮的实验结果。与动物相比,由于植物体,特别是高等植物的植物体本身是不能主动移动的,其细胞、组织和器官结构,甚至其代谢途径都会随着环境的变化而发生一定程度的变化,这就使得对它们的辨认产生了难度,只有长期研究积累了丰富的经验后才能较准确地辨认,因此使研究方法带有手工劳动的性质,这也是为什么许多学生不愿意干这行的重要原因。 只有熟悉形态学,才能准确地辨认各种细胞、各种组织和器官的结构,试验处理后发生了什么变化才能一眼看出,才能有新的发现。否则就会视而不见,只能人云亦云,痛失良机。另外,还必须有整体观念,当看一张切片时脑子里要时刻有所做切片的植物整体形象,要想到所观察的切片是从这一整体中的哪一部位、哪一方向切下的,从而从一片片的平面形状再构成一个整体应是什么样子。所以经常要切三个切面:横向、径向和弦向,用三个切面的图像重构立体结构。这方面急需对植物学有兴趣的做图像处理的数学家与对数学有兴趣的植物形态学家合作开发用于将一张张横切面图合成一立体图,或将少数几张三切面的图像合成一立体图像,这将对未来的植物发育生物学的研究具有重要意义。即使有了合适的软件,切片也还是要一张张切,一张张观察,要搞清楚细微结构,电镜观察用的超微切片也要把一个器官一张不拉的切完整切好,这没有点切片的真功夫,没有手工绣花那样的细心和耐心是做不到的。 从上述分析就可看出,不仅现代植物科学的各分支学科间的交叉渗透会越来越多,与其他学科的交叉也越来越多,而且原来各个学科间的界限将越来越不清楚。研究的课题将以生命运动中尚未认识的问题作为研究对象。因此以植物的个体发育作为研究对象的植物发育生物学、以植物的系统发育为研究对象的植物系统发育生物学、以植物间的相互关系及植物与其它生物和非生物环境间的相互关系为研究对象的植物生态学,以及植物与环境,特别是与人类社会的关系为研究对象的环境植物学已成为植物科学研究的热门领域。这些学科就是新的上层学科。 植物发育生物学是从分子生物学、生物化学、细胞生物学、解剖学和形态学等不同水平上利用多种实验手段研究植物体的外部形态和内部结构的发生、发育和形态建成的机理及其过程的调控、影响其过程的内外因素等的科学。这是在植物形态解剖学,植物生理学,植物生物化学,遗传学,分子生物学,生物物理学等众多学科基础上发展起来的一门边缘学科。是农、林、牧和药材生产管理的基础,发育生物学已是生物学中继分子生物学后的另一个热点。将利用生物学中多种技术与实验手段,研究各种植物体、器官、组织和细胞的分化和建成的形态、生理和分子机理。总之,这既是一古老的又是日新月异不断发展的一门新型学科。并非只有用分子生物学手段研究发育问题才是发育生物学,实际上分子生物学实验技术只能是诸多实验技术之一,只用它是不可能解决任何发育生物学问题的。因为解决任何发育生物学问题的前期工作必须用形态解剖学和细胞生物学方法,当然最后的解决还必须用分子生物学方法结合形态学方法,如原位杂交、免疫定位等。但如果仅用分子生物学方法,就是克隆出某个或某些基因,也很难搞清所克隆的基因在发育中的功能。这就是为什么现在许多欲搞发育生物学的分子生物学家都在寻找搞形态解剖学的合作伙伴。从现在的发展趋势看,研究发育生物学问题有两条路线,一是从形态解剖学入手,先搞清形态发生问题,然后再逐步深入到分子生物学,搞清形态发生的基因调控。另一条则是从分子生物学入手,先把基因的结构搞清,然后研究它的功能,逐步追踪到该基因在形态发生过程中何时何处表达,以及在形态发生中起什么作用。这两条路线各有利弊,应互相取长补短,而不应互相排斥。 一个形态解剖学家研究发育生物学,就必须逐步了解,进而熟悉生理学、生物化学和分子生物学的基础知识和实验方法,以及与自己的研究领域有关的最新进展(不一定都要亲手去做这些实验,就像指挥员不用亲手拼杀一样),如果做到了这些,那么他与分子生物学或生物化学出身的人相比,其优势就在于整体观念强,容易发现结构上的细微变化,统领全局的能力强,是科研中的帅才,而不仅仅是给别人当配角。许多重要的影响时间长的理论都是这类人提出的,如细胞的潜在全能性学说的提出者Haberlandt的代表作就是《植物生理解剖学(Physiological Plant Anatomy)》(Haberlandt 1990)、提出细胞编程死亡概念的文章也是以形态学研究为基础(Kerr et al 1972)。就是最早提出遗传三大定律的孟德尔也是观察的形态变化(孟德尔, 1957)。达尔文进化论的提出也是凭他对生物形态的观察(Darwin 1996),细胞学说的提出更是基于对诸多生物解剖结构的观察。这里应当指出,就我们以植物形态学出身的人来说,最大的障碍是害怕生物化学或/和分子生物学,甚至不敢触及基因表达的原位杂交和蛋白质的荧光标记,但必须走出才有出路,走出的办法就是首先与生物化学家和分子生物学家搞合作研究。不走出去已很难发较高水平的文章。我们实验室从上世纪80年代末开始与搞植物生理学和生物化学的研究者协作,后又与搞植物分子生物学的研究者协作,才使我们的研究道路越走越宽,发表文章的档次不断提高,但这些文章又都是以植物形态学为基础的(Cui et al,1989,1995;崔克明等,1999;Cao et al, 2003; Du et al, 2006; Hou et al, 2007; Li et al,2004; Li et al, 2007; Mwange et al,2003a,b, 2005; Pang et al, 2008; Wang et al, 2002a,b, 2003,2007,2008a; Xu et al, 2004,Pang et al, 2008),申请到的项目也由仅为自然科学基金面上项目和高等学校博士点专项科研基金,发展到了863项目、973项目和自然科学基金重点项目。就生物化学和分子生物学出身的人来说,最大的障碍是把形态学看得太容易,把形态学与切片技术划等号,就是对切片技术也看得太容易。 上世纪50年代之后,真正高水平的单纯以形态学研究为内容的文章已不多。最有名的就是Gunning实验室在上世纪70年代发现的传递细胞(Pate et al, 1970;Pate, Gunning, 1972)。再就是2007在《Journal of Plant Research》上发的一篇关于古银杏树上一种瘤状结构的文章(Barlow Kurczynska,2007)。但许多发育生物学领域高水平的研究都离不开形态解剖这个基础(Bonke, 2003; Greenwood et al, 2005; Casson et al, 2005; Ito, 2004)。 在植物中现已将拟南芥、水稻、杨树和葡萄的基因测序差不多完成。但这只是把它们具有的基因数及每种基因的碱基序列搞清楚了。这也只相当于把这四本书(一种植物比作一本书)的字的写法、结构搞清了。但绝大多数字的读音和意思还不清楚,更不知这些字如何组成句子,又如何组成段落、章节等。也可以说还不懂这种语言的语法。现在只有很少的基因既搞清了结构也搞清了功能,还有些基因是只搞清了它与植物某一发育过程有关,但并不清楚它在这一发育过程中到底起什么作用以及如何起作用。如根据突变体克隆到一些与花芽分化有关的基因,与棉纤维伸长有关的基因,与性别决定有关的基因、与植物细胞PCD有关的基因等等。这些基因在发育的什么阶段起作用,在那些细胞的分化中起作用,起什么作用,以及是否对器官的建成起作用这些都需要搞清基因的表达时间、位置及敲除后对结构的影响等,这些都需要通过形态学观察来确定。近年发展出一些与植物发育生物学有关的分子生物学研究的新技术,如原位RT-PCR(Endo et al, 2008; Wieczorek et al, 2008),RNA表达的原位杂交(Hou et al, 2006),蛋白质的免疫荧光标记(Hou et al, 2006),与形成层活动有关的分子生物学研究中使用的弦向冰冻切片取材结合微量分析技术(Hertzberg et al, 2001),更是以形态学为基础的。再如与发育密切相关的细胞质遗传的研究更离不开细胞超微结构的观察(Ji et al, 2004; Hu et al, 2005; Liu et al, 2004a,b; Sodmergen, 2002)。 植物系统发育生物学是研究植物的起源及其进化的科学。这里引用张昀(1998)在《生物进化》一书的内容简介中的一段话:进化论是生物学中最大的统一理论。生命科学各个层次的研究以及各分枝学科体系的建立无不以生物进化的理论为其指导思想,它又同时吸收与综合生物学各学科的研究成果。另一方面,现代的进化论已不仅仅是一种思想理论,对生物进化的研究已成为一个专门的学科领域,即研究生物进化的历史过程、进化原因、进化机制、进化速率、进化趋向、物种的形成和灭绝、系统发生以及适应的起源等内容的进化生物学。 这门学科在植物方面包括了系统植物学和植物分类学,因为各种生物的分类都是以进化论作为指导思想,研究各个分类单位间的区别和关系。最早就是以植物的外部形态作为分类标准,逐步发展到辅以解剖学、胚胎学、化学成分、生物化学和分子生物学等多种手段的综合利用。但这并不等于说形态学指标就不重要了,甚至认为没用了。因为不管采用什么方法仍是以形态分类为基础。但是就一个种或一个属的分类地位及其在系统演化中的作用究竟如何,还要将对它不同层次上的研究综合起来分析才能得出较切合实际的认识。从而认识植物在与环境(包括生物和非生物两个方面)的相互作用中由简单到复杂的进化历程及其生理生化和分子机理。近年已越来越多的使用形态解剖特征的比较,甚至是发育过程的比较来研究进化生物学。上世纪90年代后期以来路安民实验室从系统发育的角度对一些植物类群的花发育过程进行了一系列比较研究(Feng et al, 1995; Feng Lu, 1998; Liu, Lu, 1999; Liu et al, 2001; Chen et al, 2001; Ge et al, 2002, 2003, 2007; Yang et al, 2002a,b; Ren et al, 2004; Zheng et al, 2004; Li et al, 2003, 2005; Chang et al, 2005),近来国际上的相应研究也在增加(Narita Takahashi , 2008; Zhou Fu,2008),对植物系统发育生物学的发展做出了重要贡献。另外,比较木材解剖学历来就是研究植物系统发育的一个重要方面(Carlquist, 1988),IAWA Journal是发表此方面研究最多的杂志(Esteban et al, 2007; Palhares et al, 2007; Sudo,2007; Stepanova et al 2007)。而发育胚胎学在此方面的研究中更是不可或缺的重要方向(Spillane et al 2007; Bies-Etheve et al, 2008; Schallau et al, 2008; Das et al, 2008; Bush et al, 2008)。经典的形态分类研究不仅在该领域有着不可替代的作用,就是对植物学其他领域的研究同样具有重要意义,无论对于发育生物学,还是生态学,还是环境生物学,都要首先搞清楚研究对象的分类地位,否则你的研究结果是无人相信,也毫无意义。这里还是主要请分类学家用经典的形态分类的方法作出鉴定。对于对国家自然资源的调查了解更是以形态分类为主,所以自然科学基金中有一笔是专门资助此类研究的。足见此基础学科的重要性。 植物生态学是研究植物与植物、植物与其它生物,以及植物与非生物环境(如温度、光、水等因素,纬度和海拔高度等也可分解为这些因素)之间关系的科学。这也是一门多学科交叉的科学,不仅与植物学各分支学科交叉,而且与数理化各学科相交叉。就植物本身来说,也可从不同层次去研究,所以又分为个体生态学、种群生态学、群落生态学,以及研究生物与环境间通过能量流动和物质循环而相互作用的生态系生态学。其中许多研究都离不开形态解剖学基础。 就植物个体来说,又可从外部形态、内部结构(解剖学)、细胞生物学和分子生物学等不同层次去研究。因此可以说在未来的生态学研究中也不仅将应用过去在生物学研究中所用过的各种实验方法,还将用到生物学研究中没有用到过的或将要新出现的一切新的、或非生物学所用的一些手段。利用植物形态解剖学特征研究植物生态学是早就存在的一个领域(王勋陵,王静, 1989),不过近年又有了新的进展(费松林等 1999;方精云等 2000),而且还大有发展的势头(Syroset al, 2006; Malik, 2008; Han et al, 2008; Baer et al, 2008)。 研究植物与人类生存环境间的关系。这里除了植物学内各学科及生物学各学科的交叉外,还将与社会学、历史学和人类学等社会科学交叉。包括人类的活动对生物多样性的影响以及生物多样性的变化对人类社会的影响等。当然也包括了生态学的内容,即植物与植物间的关系,植物与其它生物间的关系,植物与人类间的关系。饶毅在公开答复中所举的保护生物学就属于此一领域,研究的是濒危物种及其保护,当然是一重要领域,给予支持绝对没错。这个学科是一个非常复杂的系统科学。在这一领域的研究中植物形态学也占有着重要地位,每年都有大量的这方面的论文发表。这些文章既有与我们生活密切相关的(Madzhugina et al, 2008; Mommer et al, 2006; Preece West,2006; Roggy et al, 2005),也有与我们的生存环境密切相关的(AbdElRahman, Krzywinski, 2008; El-Mowelhi et al, 2006;Kuo et al, 2005; Meier Leuschner, 2008; Ramirez et al 2008; Tolsma et al, 2007; Xie et al, 2007)。是很值得有关领域学者进入的领域,更是国家应该支持的领域。 环境污染与植物修复是环境植物学的一个重要组成部分,此方面的研究也是近年国内外的一个研究大热点(Arduini et al, 2006; Brock et al, 2006; Li et al, 2005c; Manciulea Ramsey, 2006; Madzhugina et al, 2008; Schaider et al, 2006; Semmartin et al, 2008; Sridhar et al, 2005; Su et al, 2007; Tewari et al, 2008; Wang et al 2008b; Wang et al, 2004),是需要搞形态学的与搞生物化学与分子生物学的人进行协作研究的一个领域,这也是大有前途的一个领域,不仅有重要理论意义,而且有着巨大的商业前景。这里面需要做的形态学工作非常多,如植物吸收转化有毒气体(甲醛、甲苯、二甲苯、二氧化硫、一氧化氮和二氧化氮等)的关键酶(如甲醛脱氢酶、二氧化硫氧化酶等)在什么器官、什么组织、什么细胞和什么细胞器起作用以及如何起作用,转运重金属的特异蛋白(如金属硫蛋白、络合蛋白等)在哪里合成、那里起作用,以及重金属在哪里积累,又如何区隔化等。这些在研究植物修复机理和在实践中的应用上都是必不可少的。就是在通过转基因技术提高植物修复能力的研究(Van Aken, 2008)中植物形态学者也可以大有作为。 综上所述,新发展起来的新兴学科,也可是说是上层学科不仅是由基础学科发展而来,而且它的进一步发展也离不开基础学科的支持。在以前的发展过程中每一个基础学科都有自己的研究领域,用本学科特有的实验手段研究特定的内容,如植物形态学就是用切片、染色、观察的方法研究特定植物或在一定实验条件下的形态结构变化。正如前述,由于植物体不能像动物体那样可自由移动以逃避不良环境,无论外部形态还是内部结构都会随着环境条件的变化而发生一定的变化以适应变化的环境,从而造就了植物形态结构的多样性比动物丰富多彩得多。即使这样,经过一百来年众多植物形态学家的艰苦劳动,再有新的重大发现已很难,几乎已成为不可能。植物分类学也一样,但是就资源资料的积累来说确是必要的,对了解国家的资源,认识资源,保护和开发资源都具有重要意义。这也就是为什么授予《中国植物志》《中国主要经济植物染色体图谱》等图书编辑者国家自然科学奖的原因。但就参加这一工作的研究者来说既不可能发什么高影响因子的文章,即使发表了,它本身的引用率也不会高。更不可能发对学科有着重要影响的文章,但他们却在这项重要的基础性工作中做出了自己的贡献。如果按饶毅领导的改革模式,这类研究是没有自己的发展空间的。当然作为从事此方面工作的人来说不应该只要求领导照顾,而应该走出自己发展的道路,不能固守自己熟悉的研究手段和研究内容,要向其他基础学科学习和借鉴,走进新发展起来的综合性的新兴学科。十几年来我们实验室就是在与搞生理生化和分子生物学的国内外同行的协作中走上了植物发育生物学的研究之路,而且在其中充分发挥了自己植物形态学的特长,还带动了国内不少实验室走上了这一条道路。当然,作为基础课是永远不会被取消的,学生如果没有此方面的基础,他们学的知识就会成为空中楼阁,真正成为墙上芦苇,头重脚轻根底浅,山中竹笋,嘴尖皮厚腹中空。文革前北大强调三基(基础理论、基础知识和基本技能)教育的历史经验也证明了是正确的,我自己就受益于这一教育理念。如果教基础课的人不从事有关的科研,他们的课是教不好的,最多成为一个教书匠,而且会成为应试教育的工具,因为不清楚书本上的知识从何而来,而容易将书本上的知识当成教条来教,是会误人子弟的。因此作为大学,或大学的学院应该组织基础课老师参加有关的研究课题,或支持他们自己开展一些有关课题的研究,教基础课的老师如果自己没有课题,也应积极主动地联系参加有关的科学研究,这就是我在前一篇博文中为什对大学学院实行PI制表示怀疑的原因之一。 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科学=毛毛虫:胡须=前沿VS虫体=基础
大毛忽洞 2008-12-8 12:37
科学=毛毛虫:胡须=前沿 VS 虫体=基础 科学体系就像一只毛毛虫,那白色的毛就像是所谓的前沿,而黑黑的虫体却像是传统的基础。 由于赶时髦的导向,现在研究前沿的人特别多,而研究传统基础的却很少。换句话说,现在研究毛毛虫身上的胡须的人很多,而研究毛毛虫肉体的却很少。 有的人研究胡须上的二次胡须,被吹捧为所谓的前沿的前沿。 如果没有毛毛虫肉体,你那胡须往什么地方插啊! 参考文献: 直面传统学科危机:不要等到羊去牢空
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迟发的后记
郝炘 2008-11-21 12:54
9 月底温家宝总理接受访谈并答应给《SCIENCE》写一篇社论,可谓布鲁斯艾伯茨担任《SCIENCE》总编(Editor-in-Chief)后在中国得到的一份见面厚礼。 这是艾伯茨担任《SCIENCE 》总编后第一次来中国。此前,他和夫人曾多次来访,尤其是在他担任美国科学院院长的1993到2005这12年间。他们第一次来中国是1982年,他的夫人贝蒂艾伯茨是亚洲艺术专家,9月份来赶上首都博物馆为奥运举办的《中国记忆5000年文明瑰宝展》等特别展览,非常高兴,接连两天去首都博物馆。第二次我陪她去,她对中国的出土文物如数家珍,比我知道的多得多,与其说我陪她参观展览,不如说她给我当导游。 《SCIENCE 》总编的任务之一是写社论,他不可能每周自己写,一年51篇社论他写不过来,所以需要邀请他人来写。这次来访,一是邀请温家宝总理为《SCIENCE》撰写社论,二是希望能访问温总理,这两个目的都实现了。 按惯例,《SCIENCE 》向总理办公室提交了一份采访提纲,总理办公室最早安排的时间是9月29日下午3点,因为那天晚些时候有一个国庆招待会,温总理只有45分钟的时间见面,只能是礼节性拜访,不可能长谈。9月29日中午,总理办公室通过卫生部工作人员来电话,问专访能不能推迟到9月30日上午,这样可以安排两个小时,因为温总理看了采访提纲后很愿意多谈谈。 中国总理愿意与一位科学家畅谈,深深打动了艾伯茨,他对《SCIENCE 》的出版者、美国科学促进会的工作人员说:想象一下一位美国总统用两小时会见一位中国科学家,这是非同寻常的。访谈整整进行了2个小时,不过由于需要翻译,实质性交流的时间没有那么长。 10 月17日,《SCIENCE》在发表了专访的一个印刷版,受版面限制长度为3页,《SCIENCE》在其网站上登了略长的电子版。新华社也发了专访的一个版本。两个版本的不同之处是,《SCIENCE》的版本略去了一些开场白,比如温总理说的:如果我不从事政治的话,我也可能成为一位很好的科学家。温总理还说: 我今天把你们作为朋友倾心交谈,我们彼此之间都不必拘束。您可以问我问题,也可以追问我问题。 (新华社发的变成了您可以问我问题,我们也可以讨论问题。) 话虽是这样说,但出于外交礼节,场面还是比较拘束,除了温总理、艾伯茨、和中方翻译外,没有别人讲话。有点遗憾的是,翻译对有些英文的理解有问题,个别地方没有译对,成了所答非所问,因此《SCIENCE 》发的增强版也不是全部的采访内容。 新华社和《SCIENCE 》的版本不同地方还有:温总理介绍在中国农村运用科技的情况,是在艾伯茨说他看到一些 科学在印度 农村有意思的应用之后。 艾伯茨讲了一个例子:驱动 印度绿色革命的科学家之一 M. S. Swaminathan , 成立了一个把科学带给穷人的机构,通过无线网络使大学和研究机构的科学家与印度农村的穷人、主要是妇女建立联系,帮助她们搞基于科学的小企业。 艾伯茨 然后说:您也许可以送一些中国科学家到印度钦奈附近考察这个项目。 温总理说,印度他去过,如果再去也许可以去考察这个项目,不过他也想介绍一下中国农村运用科技的情况。温总理然后说:我曾经讲过穷人经济学和穷人教育学的观点,因为在中国乃至世界,穷人还是绝大多数。我们的经济发展和教育发展要面向穷人。今天我还想补充一个观点,就是我们的科技工作也要面向农村,面向广大穷人。 《SCIENCE 》发表时删了这段话。 新华社发的版本有些地方还改了艾伯茨的原话,比如新华社版本上艾伯茨说:真正的创新都是来源于20 到25年以前的基础科学研究,我们担心美国缺乏对基础科学研究的支持。如果没有对基础科学研究的支持,如何能开创一个具有创新能力的未来? 艾伯茨的原话: 在美国,我们经常谈论这样一个事实:纵观历史,真正的创新都起源于 20 到25 年前做出来的基础科学研究成果。 基础科学研究的是宇宙间的天地万物,过去一直是出乎意料的创新的源泉。我们担心对基础科学支持不够,就不会有创新的未来。特别是在基础科学领域里,世界各国的科学家可以很容易地进行合作,因为研究的是不涉及知识产权的基础问题,是完全开放的,其伟大使命是增加人类对世界的认识。 新华社版本上艾伯茨说:我的经验告诉我,发展基础科学是培养优秀青年科学家的最佳途径,因为他们可以通过团队工作来培养自己的才干,然后在此基础上进一步从事应用科学研究。 艾伯茨原话 : 我的经验告诉我,基础科学是培养最优秀的青年科学家的最好途径。基础科学能培养一大批杰出人才,有了这种训练,这些人可以更好地从事应用科学研究。 对创新人才培养的问题,温总理说,首先要从孩子做起,使他们从小就养成独立思考的能力,在他们进入中学、大学后,使他们能够 在自由的环境下培养创造性、批判性思维。 国内经常提科学素养。其实,独立思考和批判思维就是科学素养,文科理科的人都需要。
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《科学》总编谈基础研究
jianxu 2008-11-8 18:25
2008 年 11 月 6 日 的 《参考消息》报道了该报驻华盛顿记者对《 Science 》总编布鲁斯 艾伯茨( Bruce Alberts ) 的专访。其中有一小标题为 必须脚踏实地进行基础研究 的段落。总编先生关于基础研究的见解,如果能够引起有关方面的重视,那将对我们的科学发展大大有益,但愿外来和尚念的经能有人听。 文中这样写道: 《参考消息》: 您认为中国未来的科技发展面临哪些挑战,应该着重在哪些方面加强力量? 艾伯茨: 首先是重视基础科研。 中国在科学和技术领域总投入中,只有 5% 放在了基础科研领域。相比之下,美国这一比例为 17.5% 。 因此中国应该继续加大在基础科研领域的投资,这一点至关重要,因为 那些能够改善人们生活条件的新发明和新发现往往都是源自几十年前的基础科研投资。 基础研究是一项长期投资。为未来的重大科学进步奠定基础,因此绝不容忽视。中国未来长期的繁荣,将依赖于科学领域的深入创新,而 创新只能来源于那些最基础的科学新发现 ,这些都是无法提前预知的,必须踏踏实实地进行基础研究。( 本人评论:看来急功近利使不得 。) 第二,创新要从儿童期教育抓起,让他们从小学会独立思考和创造性地解决问题;要培育和支持那些年轻的科研人员,他们代表了世界科学的未来。因此为那些非常优秀的青年科学家提供具有竞争力的,以科研成绩为衡量基础的科研资金,这一点也非常重要。这样能够鼓励年轻的科研人才敢于冒险,勇于创新。我认为,让那些最杰出的年轻人在他们自己的想法基础上进行独立的研究工作,对于任何一个国家的科学未来都至关重要。( 本人注:不知道什么年纪才算年轻?不明白什么是以科研成绩为衡量基础的科研资金。) 第三,中国应该继续保持开放,更加开放,这样科研人员才能够自由地往来于各个国家与同行交流合作。这种自由的交流不仅对于科学进步至关重要,而且中美科研人员之间建立起友谊和信任的私人桥梁对于世界的未来也很重要。 (本人一点抱怨:在美国的私人桥梁很多,只是美国佬审批签证实在是麻烦,让人不爽。) 相关链接: 科学网 温家宝会见美国《科学》杂志主编 科学网 《科学》总编 布鲁斯 艾伯茨 教授专访:善待最优秀的人 一位真正的科学家 奥巴马回答《自然》与科学相关的26个问题
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基础科学研究和基础科学研究者
wangdh 2008-10-29 23:32
基础科学研究和基础科学研究者 (王德华 2008.10.29) 马大猷先生 2005 年 8 月 16 日在《科学时报》上发表了一篇文章:基础研究探源。文章中有如下论述: 根据爱因斯坦的意见,基础研究 ( 是 ) 根据自然现象 ( 或实验 ) 寻求新科学知识,主要(特征)为: (1) 提出新问题,即文献中没有解的新问题,或另有新解的旧问题,即谁都不知其解的问题。只有新问题才能求得新结果。 (2) 深入思考,考虑与问题有关的现象和理论,以及解的可能方向。 (3) 大胆设想,想出解决问题的关键。这主要需要科学家去想并作出判断,因此须要求研究者: 一是具有好奇心、创造性和想象力,即有创新能力。 勤勤恳恳只能严格照章办事的人就不适于基础研究工作 。相反,思想活跃,往往异想天开并常出怪主意的人可能更为适合。 二是对科学和科学研究有浓厚兴趣。科学研究或基础研究,是创造新科学知识的工作,这和科学本身不同,研究者必须对科学研究有兴趣,把科学研究取得成果作为最大的兴趣和报酬,而 以科学研究为职业的人不适于此工作 。 三是科学知识和研究经验丰富。这要求具有博士等学位。 随感: 马大猷先生的这篇文章对基础研究的特点、从事基础研究的人员素质,以及管理人员对于从事基础研究人员的服务和考核方式等等,都进行了独特精辟的分析。十分欣赏和感叹大师的观点。文章的全文如下。相信从事基础研究的老师们和研究生们都会有较大的触动。 爱因斯坦说过:提出一个问题要比解决一个问题困难得多。自然提出和发现一个重要的有意义的科学问题,要比解决一个问题意义大得多。在一个学科领域内,这部分科学家应该是具有天赋的,尽管说是 99% 的汗水加 1% 的灵感,可是这 1%的灵感 就不是 99% 的人所具备的。但是这 1% 的 科学家是不能离开那 99% 的科学家的工作基础和工作积累,离不开这些人群勤勤恳恳的实验求证工作。不管是1%,还是99%,既然从事科学研究,就应该具备提出问题和发现问题的能力,这是基本素质。 提出问题后,下一步自然就是解决问题。大胆假设,小心求证。解决问题的途径可能是没有任何线索,也可能是众多小道,如何选择?这就需要智慧。智慧哪里来?丰厚的知识积累,敏锐的思维,周密的逻辑。敢想他人不敢想,敢为他人不敢为。心灵手巧,喜欢思考,喜欢动手,喜欢探索。为何如此:兴趣。兴趣是解决问题的钥匙,兴趣是一切创新的根本。没有兴趣,生活无味,工作索然,得过且过,马马虎虎,粗心大意,怎么会有好结果? 勤勤恳恳只能严格照章办事的人就不适于基础研究工作?不是很理解马老的含义。勤勤恳恳、严格照章办事也是科研的基本素质。细想想,科研队伍中还是需要一批这样的学者的。 以科学研究为职业的人不适合基础研究工作?也不是很理解马老的内涵。当今社会,科学研究已经是一种社会行为,群体行为,社会需求,大众需求,也当然是一种职业。从事这种职业的人群,需要特殊的素质。毫无疑问,研究者必须对科学研究有兴趣,把科学研究取得成果作为最大的兴趣和报酬,这样才能体会到科学研究的真正兴趣。采取短平快,发表豆腐块,应付检查和考核,已经完全背离了科学研究的真谛。 (王德华 2008.10.29 ) *************************************************** 基础研究探源 中国科学院资深院士 马大猷 基础研究目的是处理自然现象 ( 或实验 ) ,以寻求新的科学知识,如新的理论、规律、技术、方法等,所以基础研究和科学技术一样,也是第一生产力。求得新的科学知识必须基于基础研究,别无他法。这些科学理论规律等是本来存在的,不是人造的,人只是将其找了出来,所以基础研究的成果称为发现。开发是把科学知识转化为实物,如仪器、设备、产品、设计方法等,是实际的第一生产力,其成果则称为发明。加强国家科学技术自主创新能力,只有靠加强、推广基础研究,加强发明创造工作。国家的科学水平和经济水平根源都来源于基础研究 ( 见《科学时报》 2005 年 7 月 15 日 A4 版 ) ,来源于发明创造。 为了加强和推广基础研究,现将其性质和特性介绍如下,以作参考。 了解基础研究 根据爱因斯坦的意见,基础研究根据自然现象 ( 或实验 ) 寻求新科学知识,主要为: (1) 提出新问题,即文献中没有解的新问题,或另有新解的旧问题,即谁都不知其解的问题。只有新问题才能求得新结果。 (2) 深入思考,考虑与问题有关的现象和理论,以及解的可能方向。 (3) 大胆设想,想出解决问题的关键。这主要需要科学家去想并作出判断,因此须要求研究者一是具有好奇心、创造性和想象力,即有创新能力。勤勤恳恳只能严格照章办事的人就不适于基础研究工作。相反,思想活跃,往往异想天开并常出怪主意的人可能更为适合。二是对科学和科学研究有浓厚兴趣。科学研究或基础研究,是创造新科学知识的工作,这和科学本身不同,研究者必须对科学研究有兴趣,把科学研究取得成果作为最大的兴趣和报酬,而以科学研究为职业的人不适于此工作。三是科学知识和研究经验丰富。这要求具有博士等学位。 基础研究工作主要是脑力劳动,主要靠人想,而拼体力解决不了需要思考的问题 。什么时候想得出 人都不知其解,而可能有解 的新问题,想出解的可能方向,以及想出关键的设想,都是很难预知的。解决问题,某些只要几分钟,有的甚至几天几个月也解决不了。常常有人谈起偶然性、必然性、灵感等等,在基础研究工作中,这些都有。不过有一个必要的前提,就是基础研究工作必须集中精力和注意力。基础研究工作没有上班下班之分。既然要产生新思想、新知识,不通过完全集中精力认真思考是不可能的,到了下班时间就不再想了是不可能的。甚至在睡眠时间也常会想起重要问题,下意识并不完全停止活动。精力集中是非常重要的,只有精力集中,偶然性、灵感才有可能。所以研究工作必须有学术自由,科学家应能完全自主决定工作计划,选择或改变问题,决定研究路线以及实验方法等,在基础研究工作中,必须享有完全自由、不受任何干扰。但是,可以接受适当的研究任务。在科学家的专业范围内提出研究要求是对科学研究最大的支持。 举一个简单的例子。大型厅堂内的混响问题很重要。但是直到 19 世纪末还没有人能解决。美国哈佛大学物理系讲师赛宾接受任务,解决大教室中不能讲课的问题。那时美国已了解混响和吸声材料有关,但不知是何关系。于是赛宾就开始做实验,求混响时间与吸声材料多少的关系。他从 1895 年起,每隔一天晚上做实验,以免干扰学生上课,白天还要教书,一共研究了五年。三年里已测了十几个房间,几千组数据,于是该处理数据了,但数据画到坐标纸上一直找不到规律。有一天,他深夜工作,正好他母亲在旁,他忽然大喊: 妈妈,尤瑞卡 (Eureka) 。 Eureka 是什么?原来希腊时代,希腊王怀疑给他加工王冠的工匠赚了他的黄金,要求大哲学家阿基米德给他证明。这无头案真无从下手。一天,阿基米德在洗澡时发现有浮力,真是喜出望外,大喊 尤瑞卡 。根据浮力,他算出王冠中含金量百分之几十,含银量百分之几十。完成任务只用了 3 天。赛宾也是这样,他忽然想到,空屋里还有吸收,加上空屋吸收,总吸收量和混响时间恰成反比,解决了他的问题,喜出望外。他的 尤瑞卡 用了 5 年。两个都是重大问题,解决靠集中精力、深入思考后的偶然、灵感。赛宾只有几个符号的混响公式开创了建筑声学,并且开创了应用科学的 20 世纪。其研究结果可直接应用,浮力的研究也是如此。 基础研究需要全神贯注,需要系统、深入、认真的工作 。有时,工作中发现一个小问题,特别是解决了重大问题后发现有些不正常,必须注意。研究工作中,发现任何问题 ( 不管多么小 ) 都是不容易的,绝不能忽略,忽略了可能很严重。例如,著名科学家若里奥 居里在 1930 ~ 1932 年间用 粒子轰击轻元素时,发现有某种辐射,不认为是重要问题。 1932 年,查得威克重复同样实验,仔细测量了该辐射而发现了中子,因而获得了 1935 年诺贝尔奖。著名高能物理学家赵忠尧院士 1930 年在国外时,发现重元素对硬 射线散射时有一种特殊辐射,并伴随特殊吸收,认为是一般问题。两年后,安得森继续实验,证明是带正电的轻粒子,因而发现了正电子,于 1936 年获得了诺贝尔奖。在基础研究中,像陆游的《游山西村》诗中说的 山重水复疑无路,柳暗花明又一村 的情况还是常见的,绝不可漏过。 电子计算机是 1946 年宾州大学一位研究生发明的。 ENIAC 重 30 吨,由 18000 个电子管制成,计算速度每秒 5000 次,当时的价格为 48.7 万美元。使用时每 7 分钟坏一个电子管,还要配上庞大的冷却系统。这样的机器只能由国家制备一个,而且使用不便。当时,人们并未把它放弃,而是继续开发改进。现在,电子计算机已成时代特点,台式微机只需几百美元,速度达每秒几千万次,成为个人设备。所以,基础研究结果不考虑经济问题。只要是新一代的东西就值得做,经济或任何其他问题以后再研究解决。任何情况,遇到问题就要研究,研究好了就是科学的进步。如果知难而退,则将一事无成。 基础研究要不要保密?不 ! 互相讨论有好处。参加讨论会、学术会议,一般不谈细节,可以谈题目、方法等。同样,做不同问题研究的人也可以互谈细节。讨论可以互相启发,不但谈未来工作,也可谈具体问题。有人提一个无关的问题,也可能使你在自己的工作中受到启发。有了成熟的东西马上发表,保护你的知识产权。但你不可能希望人家教你。做研究工作,失败的机会比成功的机会要多,因为人的思想总不能一下子就符合客观规律。做了多年工作以后,知道某做法多半要失败,这就是研究工作的经验了,谁都没有成功的经验。 基础研究工作创造新的科学技术,既有甘苦,也有乐趣。 领导基础研究工作 基础研究工作主要在人,多少钱也买不来 。有些领导同志以为,任何单位或个人,只要给钱就可以负责任何研究工作,这是错误的。基础研究工作首先要求保证学术自由,研究人员在其具体工作范围内完全自由,不受任何干扰。领导要为研究人员准备轻松的生活和工作环境,支持其工作。研究人员有责任在完成研究工作后,写出研究论文或报告,并且在年末写出年度总结 ( 简单说明研究工作的成功和失败 ) 。此外,不向研究人员作任何要求。领导主要为研究人员个人及研究单位作出评价,并负责研究人员的聘请、升迁、奖励、退休等工作。根据同行评议作出决定。同行评议聘请三五位资历较高的大同行科学家进行,不开会,进行书面评议,完全以业绩为准,绝对保密。对研究人员作出评价和比较可能形成压力,但是压力有助于研究工作。奖励和评比是主要的领导方法。 (科学时报 2005 年 8 月 16 日)
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自然科学基础研究项目的管理必须适应其探索性和不可预测性
eucommia 2008-10-24 13:57
自然科学中的所谓基础研究就是以自然现象形成原因为研究对象的科学研究。其研究成果就是对自然现象形成原因提出解释,也即所谓的理论,其表现形式就是研究论文的发表。这是国家自然科学基金资助的主要对象,也是 国家重点基础研究和发展规划项目 和攀登项目的主要资助对象。但是此类基础研究的水平在一定程度上反映一个国家、一个地区、一个大学、一个科研单位的科研水平,也反映了它们潜在的生产力水平。而相关国家管理部门对此类项目的管理水平和管理方式又直接影响着此类项目的完成情况,也可以说对此类项目的发展起着导向作用,因此很有研究的必要。本文将从被管理者的角度对此作一些探讨,以供管理部门的领导们参考。 1. 自然科学基础研究的研究对象 自然科学基础研究(以下简称基础研究)的研究对象是自然现象的形成原因,如人类的起源、生命的起源和进化、宇宙的形成和发展、地球的形成,苹果为什么会从树上掉下来,植物为什么是绿色的,花为什么会五颜六色,花是怎么形成的,千姿百态的叶子又是怎么形成的也就是我们平常经常说的诸多自然现象形成的机理或机制二字。这种研究随着时代的的发展和研究的逐步深入,研究的对象也在不断深化、发展。以作者熟悉的植物学为例,最早人们只是出于对植物的兴趣,或者为了寻找食物或药物,为了认识区别植物,就要描述植物各部分的形状,这就是植物形态学的发生。在此基础上人们又想了解植物体各部分是由什么组成的。就是在这种探索中与对动物的类似探索中发现了细胞,提出了细胞学说。在对生物是从哪里来的问题的探索中,达尔文经过环球考察和对考察结果的分析提出了生物进化论。另一方面,Mendel(孟德尔)在对子代为什么会与父母代有许多相似之处的思考中经过豌豆杂交实验及对实验结果的科学分析提出了颗粒遗传理论。G. Haberlandt又根据细胞学说有关细胞是组成生物的基本单位的理论,推测出生活细胞可以发育为完整的植物体,这就是细胞的潜在全能性学说。后来的DNA双螺旋学说也是在对遗传理论的不断探索中得出的。现在正在各个领域进行着更加深入的研究,如现在在植物发育生物学中有关细胞为什么会自杀-编程性死亡,这种死亡程序是由哪些基因编制而成以及怎么编制而成总之,这类研究的对象并不是解决人类各种生产或生活中尚未解决的问题,因此研究的结果也不会产生与人类生产或生活直接相关的新技术。其研究结果只是对有关自然现象作出科学的符合实际的解释,即提出相关的假设或理论,其表现形式就是在相关杂志上发表论文。当然一个重要理论的提出和证实会引起一系列重大的的技术革命和革新,但那还需要一系列在此类成果的基础上进行的另类科学研究,即应用基础研究和应用研究、新技术开发研究等。不过,也正是由于这种潜在的引起新的技术革命的可能性,现在的研究者已不完全是在兴趣的驱使下进行研究,资金的来源更不是自己掏腰包,而是由国家、地方或企业集团根据其未来产生新技术的可能性大小进行风险投资,研究者根据自己的兴趣利用这种资金进行研究。 2. 基础研究的探索性和取得成果的不可预测性 基础研究的研究对象就决定了其研究特点。由于研究的是自然现象形成的机理,其探索性和所取的结果的不可预测性就比新技术、新方法的研究大得多。正是由于这种探索性和取得成果的不可预测性,极少能使其整个研究路线按预定计划进行,而多数情况下要中途改变研究计划。这种改变往往是重大的改变,而且往往意味着新理论的创立,改变的愈大所创立新理论的创新性也愈大。这是因为我们原来对某一自然现象的认识(假说、理论、模型、公式等)来自于原来的实践(对大量有关现象的观察、研究、试验等),因此并不能函盖一切未来的实践。所以在未来的实践中必然会出现一些不符合原来的认识的现象,即不符合原来的假说、理论、模型、公式等的现象。也正因为如此,才有实践认识再实践再认识的认识规律。现以我自己的研究经历说明这一点,当1978年我刚听说杜仲剥皮后可以再生新皮时,我和我的老师都跟据当时的植物学知识推测,可能杜仲比较特殊,剥皮后树干中的分生组织-形成层留在了剥皮树干的表面,由此形成层活动产生了新的树皮。但当我们对杜仲剥皮再生过程进行解剖学研究时,发现杜仲剥皮时只有很少的形成层细胞留在了树干表面,而且这些细胞和其它暴露在表面的细胞一起很快栓质化死亡而形成保护层。事实上是由较深层的未成熟的木质部细胞恢复分裂直接形成了新的形成层。开始时我和我的老师都不相信这一结果,于是第二年又剥了更多的树,做了更大量的切片,结果证明确实如此。这才在我们的文章中提出了杜仲剥皮后是由深层未成熟木质部细胞恢复分裂产生新形成层的理论。后来为了证明此理论的普遍性,我和我的学生们又对几十种植物进行了实验研究。当我在我家的院内剥了两棵核桃树作实验时,按我对杜仲剥皮再生研究中的认识,剥皮后一个月时看到树干表面已再生了很厚的新组织细胞,只不过其表面比杜仲绿得多,没有多想就把包裹的塑料薄膜揭掉了。没想到揭膜后不到一周,整棵树就死了。这就说明对杜仲的认识不完全适用于核桃,初步分析可能是核桃的再生新皮分化较慢。为了搞清是不是慢,以及为什么慢的问题,第二年又剥了几株,并延长了包裹塑料薄膜的时间,并对第一年死的和第二年没死的都做了解剖学研究。研究结果表明,核桃树皮剥落的位置与杜仲不同,由于其木材的孔较大,树皮是从未成熟木质部中剥落的,表面不仅没有留下形成层细胞,就是留下的未成熟木质部细胞也不多。这些细胞不分裂或分裂少数几次后就栓质化而死亡,参与了保护层的形成。而更靠里的细胞已是接近成熟或已成熟的木质部细胞,已失去了脱分化形成形成层的能力。由这些研究结果和随后的更深入的研究,我们在文章中提出了细胞分化的阶段性和其间存在一临界期的假说。当从动物细胞生物学中引入细胞程序死亡的概念后,又假设死亡程序的启动可能是细胞分化的最后阶段,并假设细胞死亡程序的启动可能就是细胞分化临界期的结束。当我们对杜仲未成熟木质部细胞在剥皮后的脱分化过程进行超微结构研究和细胞程序死亡检测时发现,死亡程序进行到较后期的未成熟木质部细胞还能脱分化,这就再一次证明我们原来的假设有误。从而又把这一假设改为细胞分化的临界期可能处于细胞死亡程序执行中的某一阶段。这一过程就充分说明,虽然我们每一个研究开始前都有一个假设,但研究结果却很少有完全证明原来的假设的,要么原来的假设全错,要么原来的假设部分错,当然全错的机会也不多。也可以说绝大多数研究中都会出现失败,而且对这些失败的总结,往往会带来理论上的更大创新。这就是成语失败是成功之母的哲理所在。在我二十几年的研究生涯中只有一个研究课题基本证明了我原来的假设。也正因为如此,在基础研究的过程中,改变原有的研究计划是常有的事。而且这种改变往往会带来更大更重要的创新成果。 与此不同,新技术、新产品的开发项目虽然也存在不确定性和不可预测性,但相对于基础研究项目来说就小得多。这是因为多数情况下,这种项目是在现有的理论指导下进行的。因此可基本按原定计划进行就可完成,当然执行中也会有小的失误,需要对原计划进行修正,但一般不会有大的修正。如果出现了较大的误差就说明原有的理论存在问题,进一步的研究就应属于应用基础研究了。而应用基础研究的探索性和成果的不可预测性就与基础研究相似了。 与基础研究相反,工程设计和施工项目的实施中就不允许改变计划和设计,因为这种项目必须按已证明无误的理论、公式进行,设计完成后的施工过程更要严格按设计进行,一旦随意修改设计就可能造成严重的质量问题。这也就是近年来在土木工程中出现豆腐渣工程的主要原因。 3. 基础研究在新技术形成中的作用 虽然基础研究成果本身并不直接形成什么新技术,但在其成果-新理论的指导下却可产生众多的用途广泛的新技术。一个新理论的产生会引起一系列的技术革命,正是在能量转化和能量守恒理论的指导下发明了各种发电技术和各种能源驱动的机器;在光的两重性理论的指导下发明了现在的各种光学仪器;在植物营养理论的指导下发明了现在农业上不可缺少的化肥。同样,如果没有遗传理论和细胞学说的建立和发展,就不会有现在农、林、牧业中的应用至今、深刻影响了人类生活的常规育种技术的发明和发展、及广泛应用;如果没有遗传理论、细胞学说和细胞的潜在全能性学说的提出和不断发展、逐步完善,就不可能有今天的生物技术。总之一种新理论的提出和证实对社会进步和发展的影响是巨大的、长远的,是任何新技术所无法比拟的。尽管爱因斯坦相对论的提出证明了牛顿力学三大定律只在一定范围内适用,但至今它还在指导着诸多领域新技术的发明和改进。遗传理论、细胞学说的提出和不断发展、逐步完善不仅指导了农林牧业上杂交育种技术的发明和发展,也指导了辐射育种、化学诱变育种、多倍体育种和单倍体育种等诸多育种技术的发明和发展。现在医学上采用的试管婴儿技术和性别鉴定技术、遗传病的诊断和治疗技术也是在这些理论指导下产生的,就是现在方兴未艾的转基因技术和克隆技术的诞生和发展也是在这些理论的指导下发生、发展的。由细胞学说衍生出的细胞潜在全能性学说和由遗传理论衍生出的DNA双螺旋理论更是现代生物技术中基因工程、细胞工程、克隆技术的指导思想。而且这些理论还有一个共同特点,就是无论这个理论的提出者是植物学家还是动物学家,他们的理论都证明对植物、动物和微生物都适用,也就是说适用于整个生物界。第一个提出遗传理论的是研究豌豆杂交的Mendel,50年后许多植物学家和动物学家重新发现和发展了他的理论,细胞学说是植物学家M. J. Schleiden和动物学家T. Schwan差不多同时提出的,细胞的潜在全能性学说也是植物学家G. Haberlandt提出的。这就告诉我们一个道理,最具原始性创新的理论的适用范围是远远超出提出者的研究范围的,它的适用时间几乎是无限的,当然其中还包括了后人的不断发展和完善,因为对绝对真理的认识过程是无限的,每一个科学家只能认识其中的一部分相对真理。以上事实说明,现在的基础理论研究早已不是王孙公子们根据自己的好奇和兴趣进行的高级游戏,而是将深远影响人类社会发展和进步的伟大事业。因此对此类项目的投入和管理就具有了巨大的社会意义。 4. 基础研究项目的管理必须适应其探索性和成果的不可预测性 任何科研项目的管理都必须适应其特点,否则不仅不能促进科研的进展和成果的获得,反而会阻碍科研的进展、打击科研人员的积极性,对科研事业造成不可弥补的损失。例如对一个工程项目,如果管理者不严格按原设计对施工情况进行检查,可能就会造成严重的工程质量问题。而与此相反,如果对基础理论项目也如此管理,就可能不仅不能促进创新成果的获得,反而可能打击创新的积极性,阻碍创新成果的获得。这是因为,在科研项目执行前所提出的假设只是根据以前自己和别人的实践推测出的,不符合实际的可能性很大,验过程中发现原来的假设不对是常有的。而且这种实验的失败往往意味着将有新的更大创新理论的出现。这时如果根据实验结果,改变原来的计划,就有可能获得更大更新的创新性成果。如果管理部门在对该项目的中期检查中因实施者改变原计划而判为不合格而停止资助,那么就有可能将那更大更新的创新性成果扼杀在摇篮中。如果研究者为了继续获得资助而弄虚作假,就可能促成科研道德的沦丧,虚假成果的出现。而且在实际操作中,这种虚假成果往往因为符合一般人的认识很容易检查通过。如果科研者对自己的实验结果充满信心,又是具有高尚科研道德的人,他可能去尽量说服项目管理者,就是说服失败,他也会在艰难环境中继续自己的研究,但那就不知要将成果的获得推迟多少年。如果这种情况发生在完成项目的验收中,同样会造成科学上的悲剧。因为任何创新都意味着违背常理,很难为按常理思维的人接受。如果因研究者没有按原计划完成,而是按改变的新的计划作出了新的成果而被否定之,那就更会打击科研者的创新积极性。 综上所述,基础研究项目中获得最具原始性创新成果的,往往是在科研过程中根据实验结果修改了原计划的项目。因此在这类项目的管理中就不能把是否完成原计划作为中期检查和终期验收的重要指标。对那些在研究过程中因有新的发现而改变原有计划从而有可能获得更大更新成果的项目,不但不应给打低分而停止资助,而是应给最高分优,还要在可能的条件下加强资助强度。而对那些只是按原计划完成再没有新的发现的项目只能给良的成绩,维持原资助强度,甚至根据进展情况(不可能有新的突破的)适当减少资助。只有这样,才能在基础理论研究中不断取得原始性创新成果。 http://www.sciencenet.cn/bbs/showpost.aspx?id=32209 http://www.51xuewen.com/Blog/B_aShow.aspx?blog=cuikmID=4842
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钱永键:很多中国人可能因为我是华裔而受到很大鼓舞
麦立强 2008-10-8 22:22
org 瑞典皇家科学院8日在斯德哥尔摩宣布,日本科学家小泉修(Osamu Shimomura ),美国科学家马丁.查尔菲(Martin Chalfie)和美国华裔科学家钱永键(Roger Y. Tsien)三人因发现和应用荧光蛋白而共同获得2008年诺贝尔化学奖。 虽然早有传言说中国导弹之父钱学森的堂侄钱永键因其利用水母发出绿光的能量用在实验中有望获得诺奖化学奖,钱永键在回答人民网记者电话采访时还是觉得有些惊讶。 点 击 图 片 看 原 图 中国导弹之父钱学森的堂侄钱永健 虽然有谣传和预测,但我还是没有想到真的能获奖。钱说。 可能因为我是华裔,很多中国人可能受到很大鼓舞,希望更多的中国年轻人也投身到基础理论研究中来。 http://www.popyard.com/cgi-mod/newspage.cgi?num=234796r=0v=0
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有感于日本科学家获得2008年诺贝尔物理学奖
陈学雷 2008-10-8 04:42
今年的诺贝尔物理学奖给了日本科学家,美籍的南部阳一郎以及小林诚和益川敏英。李淼兄可以自豪了,小林和益川是他预言(见http://limiao.net/1020)的粒子物理人选,南部他也提到了,虽然因为他把南部和Higgs 捆在一起而觉得今年还不会获奖,不过人家诺奖委员会考虑得挺周到的,以南部的高龄,要等到LHC 运行结果出来与Higgs 一起获奖,这个风险挺大的,现在与小林和益川一起得奖,也可谓众望所归。最失落的恐怕是Cabibbo,今年没和小林、益川一起上,看来以后也是无望了。 日本科学家的获奖,让我想起一种我少年时代(80年代)极为流行(但今天也还时常见到)的观点。那时候,日本的经济很发达,技术也很先进,但诺贝尔奖还不多,给人的印象是其基础科学水平也不过尔尔。因此有人说,中国应该向日本学习,先不要搞基础科学,最好的人才应该都去搞应用技术,这样才能象日本一样迅速发展起来。我当时听了这种观点也觉得很有道理,可是一来出于自己的天性对理论的兴趣太浓,二来我的手太笨,要搞应用技术确实力不从心,因此还是学了理论物理, 只能用这样的观点宽慰自己:既然我动手不行,可见我不是最好的人才,还是让更优秀的人去学应用技术吧。但每每也不免有点愧疚,觉得自己学的好像是个没用的学问,到时还得让人民白白花钱养活着。 后来学了点理论物理课后,就知道这种说法至少是缺乏事实根据的,日本在20世纪初就有长冈提出与卢瑟福类似的原子模型,30年代就有汤川预言介子的存在,40年代有朝永完成量子电动力学重整化,60年代有南部的自发对称破缺,70年代有小林和益川关于CP 对称破缺的工作,这还只是进入教科书的经典之作,其他的基础科学研究不知有多少。现在,小林和益川获得诺贝尔奖,可以说是水到渠成。日本哪里是不搞基础科学?只是基础科学不象应用科学那样立竿见影,发展需要时间,动手虽早,但要成为一流强国也要很长时间。中国如果不及早搞基础科学,要等经济发达了再动手,更不知要耽误多少年!这几年国家经济好了点,刚往科研上投了点钱(和日本比还只是个零头),就有人整天在那追问中国科学家为什么还不得诺贝尔奖,而忘记了十年树木,百年树人这样一个最简单的道理。 再后来,了解到历史上的所谓李约瑟问题:为什么中国古代有灿烂的文明和很多先进的科技,却始终未能发生科学革命,产生近代科学?对于这一问题,有多个角度、不同层次的解答,但我国古人太过注重实用,而对于纯粹理论、终极问题缺乏弄清楚的兴趣无疑是直接原因之一。呜呼,人皆知有用之用,而莫知无用之用也,两千多年前的庄子就已指出了国人思想认识上的这一弊病,然而古来多少文人雅士,徒知吟咏庄生之词句,而不解其中之真谛,令人扼腕而叹惜。 更可笑的是,时至主张自主创新的今日,有些人还以为基础科学理论无用,评判的标准不应是诺贝尔奖,而是对中国经济发展有什么用之类似是而非的观点依然能赢得不少人的喝彩。明明是基础研究的项目,如果不生拉硬扯上点应用前景,就往往得不到资助。究竟什么时候,中国人才能真正明白无用之为用,方为大用?
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艾滋病疫苗研究陷入误区?
songshuhui 2008-9-2 15:12
DNA 发表于2008-06-26 星期四 16:27 分类: 医学 | | 美国国家卫生院(NIH)每年对艾滋病疫苗研究的投入达6亿美元,其中临床研究占去三分之一,但是目前来看并未取得很令人振奋的成果。相反,最近两位研究艾滋病的资深专家公开批评现在艾滋病疫苗研究正在陷入误区。 这一批评其实是针对于去年一项规模庞大的艾滋病疫苗临床研究的失败而发在艾滋病机理尚未完全清楚的状况下就将艾滋病疫苗投入临床试验,甚至连疫苗会引起怎样的免疫反应都不清楚,这样的急功近利给临床研究带来了不可知的风险。 事实上,艾滋病疫苗的试验结果表明,给艾滋病感染高危人群(多为性工作者)注射该疫苗非但对预防艾滋病病毒感染毫无作用,反而增加了试验人群中带有高水平感冒病毒Ad5抗体的人感染艾滋病的几率,而这是研究者们万万没有料到的。 有免疫学家认为,当人体被感冒病毒Ad5感染(也就是得了病毒性感冒),免疫T细胞被激活后带有免疫记忆;如果 注射艾滋病疫苗(一般疫苗都是灭活的病毒,可以激活免疫反应,但是不会感染细胞),带有免疫记忆的T细胞被激活,表达更多的细胞表面受体CD4和CCR5 而这些正是艾滋病病毒攻击免疫T细胞的标识分子(艾滋病的可怕就在于该病毒摧毁了人体的免疫系统,艾滋病病人不是死于艾滋病本身,而是死于各种病菌病 毒的感染所导致的并发症)。这就好比感冒病毒把这些免疫细胞发展成地下党员,而艾滋病疫苗这个奸细非但不给免疫细胞提供反击艾滋病病毒的军火,还在这些免 疫细胞的脸上烙上我是地下党员,等凶神恶煞的艾滋病病毒来了就将地下党员一举绞杀。 如今,科学家们不得不承认,目前真正能在临床上应用的艾滋病疫苗还是个海市蜃楼,还需要更多的基础研究来阐明艾滋病疫苗在分子、细胞以及生理水平上的免疫机理。对于美国国家免疫和传染疾病研究院(NIAID)来说,则需要平衡与协调基础研究和临床研究之间的合作与发展。 相关链接: http://sciencenow.sciencemag.org/cgi/content/full/2008/205/1 http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/318/5853/1048 http://jingliumm.spaces.live.com/ 标签: 临床研究 , 医学 , 基础研究 , 艾滋病疫苗
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基础研究与应用研究究竟谁更重要?
热度 4 jianxu 2008-8-23 14:33
通常,如果在一个研究单位里,有做 基础研究 的,也有做 应用研究 的,便会不可避免地发生这样的争议,二者究竟谁更重要? 确切地说,前者指是科学研究,而后者则是工程研究,其追求目标与使命实际上有着本质上的区别。就材料研究而言,便有 Materials Science and Engineering 。搞工程研究的人也常说自己是在搞 科研 ,其实 科研 是 科学研究 的简称或者口语。 研究 ¹ 科研。 研究除了 科研 之外,应该还有其它的内涵 。事实上, 科研 一词在很大程度上已经被滥用和误用了。 所以才出现了一些或许原本不应该发生的事情。 搞基础 的人常常会自认为水平高,能发表几篇论文(高与低,要看你在和谁比,应该与那些做 science 的高手比); 搞工程 的则认为,你们的这些论文有什么用,解决不了任何实际的问题,纯粹是可有可无(或者干脆是垃圾)(你当然也应该与那些做 engineering 的强手们比,看看你是否真正解决了实际的问题)。这样的 口水战 与 文化冲突 大概会是一种极为普遍的现象。发生在一个学术单元内,无非是为了在有限的空间内与资源上挤兑别人,发展自我(利益集团)。就个体而言,人生短暂,鱼和熊掌能够兼得者,实在是凤毛麟角。 以史为鉴,可以知兴亡;以人为鉴,可以明得失 。 在 Robert W. Cahn 教授所著的《走进材料科学》一书中,讲述了一段 20 世纪初发生在美国大学里的故事。十分值得回味,也似乎回答了我们的问题,即 这个问题是困绕学术界的永恒争论。也是一个终究无法解决的问题。因为双方都是正确的,只有随着时间的流逝,方能够日渐淡化这种分歧 。 20 世纪初,物理化学作为新学科被承认有两个标志:它的三个奠基人 (本人注:指荷兰人范特霍夫、瑞典人阿累尼乌斯和德国人奥斯瓦尔德) 赢得了诺贝尔奖和美国工业界令人鼓舞的实证。当然,第三个标志就是物理化学作为学科在大学里的设置。 19 世纪末,奥斯瓦尔德的学院积极推进物理化学这一名词的使用。在美国,奥斯瓦尔德的另一位学生、伟大的化学家 Arthur Amos Noyes ( 1866-1936 ) (本人注:书中可能有误,写为 William Noyes ) 经过多年卓绝的奋斗,在麻省理工学院( MIT )建立了物理化学学科。 在 20 世纪初的时候,基础研究在 MIT 还不为人们所重视。 Noyes 不得不投入个人的资金去在 MIT 建立一个物理化学的研究生院。最终,他的努力使他精疲力竭,于 1919 年离开 MIT 搬迁至西部的加利福尼亚 (本人注:加州理工学院) ,与大师 Gilbert Lewis ( 1875-1946 )等人一起来建立物理化学学科。 (下图为Noyes肖像) 。。。。。。 与物理化学相同,化学工程初步作为一门学科起始于 19 世纪 80 年代,但它形成适度的体系却花费了相当长的时间。实际上,最早系统地尝试发展一门工程领域的分支学科,来集中研究大规模制造工业化学原料问题的是波士顿工学院( MIT 的前身)。根据有关化学工程早期历史的记载( Cohen , 1996 ),在美国,最早以化学工程命名的课程,是由 波士顿工学院 的 Lewis Norton 于 1888 年组织开设的。如同许多其他美国化学家一样, Norton 也是在德国获得的化学博士学位。值得注意的是,这门新学科首次亮相的迹象是以在大学授课的方式,而不是像物理化学那样,以研究项目的方式。 正是这种差异,埋下了当 波士顿工学院转变为 MIT 的时候,化学工程师和物理化学家之间发生激烈争执的种子。 Norton 开授的课程 将机械工程与普通化学、理论化学、应用化学的背景知识融会贯通地结合起来 。 Norton 英年早逝后,有争议的化学工程这门课程也只得由化学系来兼授。一直到了 1921 年,才赢得了 William Walker 的支持。 William Walker 也是一位受过德国教育 (本人注:哥廷根大学博士) 的美国化学家。他也是化学家到工业界去咨询、以此来搞副业赚钱的始作俑者。 从 20 世纪初,由于在发展目标上水火不相容的分歧,使化学系形成了分别由 Arthur Noyes 和 William Walker 为首的两个派系。 他们之间的口水战在 Servos 的书中( 1990 )也有着详尽的记述。 Servos 在书中这样写到: MIT 是否应该扩展成为一个以科学为基础的综合性大学(这样的大学在 20 世纪初还是凤毛麟角)?那么它需要拥有一个以基础研究为导向的研究生院和一套根植于基础科学的本科生教学;还是应该发扬光大其重点培养工程师和发展 应用科学的 传统? 基础科学是通向最终目标的工具?还是它自身也应该变成目标? 这个问题是困绕学术界的永恒争论。也是一个终究无法解决的问题。因为双方都是正确的,只有随着时间的流逝,方能够日渐淡化这种分歧。 (上图为William Walker肖像) Noyes 为了建立起 物理化学研究进行着卓绝的奋斗。如前面所示,甚至不惜投入其个人的钱袋。而 Walker 则坚定不移地集中于 研究工业界的问题、成本分析,更广泛地让学生们掌握吨级规模的生产,而不是试管生产那样的小玩艺儿。他以此来蚕食、消耗 Noyes 。 Walker 以工业为导向的方式使学习化学工程专业的学生数量持续增加( 20 年内增加了七倍)。因此, Noyes 的影响逐渐衰退,而 Walker 的影响不断壮大。正如我们已知的, Noyes 最终 失望地到此为止,去了加州里工学院。 加州里工学院是另一种类型的学术机构。起初,它只是一个不显眼的地方技术学院,在一批基础研究科学家的持续领导下,以基础与实用相融合的理念向前发展。 材料科学与工程的奠基者们也不可避免地面临着 同样的强烈分歧, 如同 Noyes 和 Walker 之间所发生的一样。 备注:( 1 )在 8 月 15 日 发布的由上海交通大学高等教育研究院世界一流大学研究中心独立研究完成的 世界大学学术排名 500 强 ( ARWU ) 2008 年最新排行榜中,麻省理工学院和加州理工学院分别排在第五和第六位。 ( 2 ) 关于 Noyes 在加州理工的故事,可链接: http://pr.caltech.edu/periodicals/CaltechNews/articles/v33/n4.noyes.html
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“两头在外”的基础研究之痛(三)
sunapple 2008-7-1 14:38
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“两头在外”的基础研究之痛(二)
sunapple 2008-5-27 17:08
纵观我国目前形成的 两头在外 的基础科学研究形态- - 仪器买进来,文章发出去 ,这种模式的成形历史可以追溯到上世纪九十年代中期教育部高水平大学评比的南北之争。当时南京大学为与北京大学及清华大学一争高低,在缺乏地理优势等的前提下,提出以发表 SCI 论文代表学术水平为标准的评价模式,并很快得到大学界的响应和认可,随后形成共识并逐渐条文化和可操作化,在国内重点大学和中科院得到推广,进而波及全国的大学和研究机构,形成了基础研究领域唯 SCI 和 EI 的权威性评价标准。应当说,这个评价模式尽管过于简单,但由于计算影响因子和论文篇数简单方便、可操作性强,同时也确实具有相当的合理性,这种评价模式在我国形成的最初十年中,伴随着我国基础科学研究的粗放经营阶段,对我国科学研究起到了相当的积极和正面的促进作用,让国内科学工作者打开眼界并找到了与国际同行接轨的路线。在最初粗放经营的量的扩张的十年中,南京大学、北京大学、中国科技大学、清华大学、复旦大学、浙江大学等等诸多院校形成了竞争局面,极大促进了国内高校科学研究风气的形成,同时也让政府和社会接受、认可和使用了这种评价标准和模式。随着国内大学排行榜的兴起,这种模式又得到进一步放大,成为全社会评价大学与研究机构水平的不言而喻的标准。 在这种评价模式与标准的刺激和推动下,为能够短平快地发表高水平科研论文,购买科学研究仪器而非自主研制或仿制科研仪器与设备便成了不二法门的捷径。要知道,自主研制和装备科研仪器不仅需要十年生聚的真功夫,还需要整个国家的工业体系尤其是精密制造、电子与自动化、特种合金与新材料等相关领域的协调配套布局发展,才能够取得真经修成正果,如现在的德国、日本和美国等已经修成正果的仪器与装备输出国家,由于进化出了比较完整的现代工业体系,拥有从头制造现代工业制品包括仪器装备的能力,从而奠定了成为发达国家的坚实基础。显而易见,目前流行在我们大学与研究机构里的两头在外的科研模式是很难有助于进化出上述体系的,对我们国家科技创新与现代化而言,其贡献极易成为水中花镜中月,同时对发达国家却起到了实实在在的锦上添花的作用,换用笔者曾经聆听过的国内一位让人尊敬的院士的话说就是我们的基础科研无偿为发达国家的科学研究起了探矿作用,我们轰轰烈烈付出,收获却不在我们这边。 无论从哪方面讲,我们这种两头在外的基础科研模式,在利益指挥棒的放大作用之下,历经二十年发展到现在,从初期的开风气之先的 SCI 论文的量的扩张开始,到目前积弊丛生虚糜国帑,已经到了不得不进行质的提高的改革的时候了。
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“两头在外”的基础研究之痛(一)
sunapple 2008-3-20 13:23
作为从事基础研究的科研人员,许多同事、朋友在忙于课题、基金和论文的同时,实际是很茫然的,对国内基础研究状况痛心疾首,自己所做的科研和国家与社会所期待的科技创新与进步,表面上看尤其是局外人看来好像是正相关的--论文越多档次越高则我们的创新能力就越强,技术进步就越有后劲,但实际上在对科学技术有深入认识尤其是关心国家科技进步的局内人看来,我国目前的基础科研状况十分堪忧--从整体上考察基础研究几大环节,不难发现我们 两头在外 --科学研究所需要的手段即科学仪器尤其是高精尖科研装备和高品质试剂等等,几乎全部国外进口,科研经费很大一部分用于从欧美日等国家购买仪器装备,然后研究结果经过整理成文又投到这些国家的 知名国际刊物 发表,并以此为荣且形成了相应的评价体系。纵观这个过程, 两头在外 --仪器买进来,文章发出去 ,实际上与我国的科技创新与进步是负相关的,是没有希望的一种模式。在这种模式下,发表论文越多档次越高也只不过是一种 殖民科研 ,表面看似乎增能强我国的创新能力,但从本质和深层次看,反而断送了我国的科研与创新能力。 科学仪器研制与装备能力,反映了一个国家的硬体和软体科技实力,如果不致力于自行研制装备关键科研仪器,而是依赖于从发达国家购买,我们就永远不能获得这种能力。一方面购买这些高精尖仪器用去我们很大一部分科研经费,对国内仪器研制与装备釜底抽薪,一方面这部分经费变成了发达国家相关仪器公司的利润并使得他们更有条件与财力进行升级与研发,对我国仪器研发与装备形成垄断与压制状态,最终让我们相关产业削弱与死亡,把我国锁定在科技链条的最低端,断送了我们科技创新的根本。 科学论文的发表与出版,不仅涉及到版权等知识产权,更重要的是关系科技成果传播垄断权。目前我们大部分的可以说是最好的科研结果几乎都发表到欧美 国际著名期刊 上,这无异于我们把果实放到别人的篮子里。现在世界远未大同,知识产权与贸易禁运等大棒年年飞舞,我们总是受害者,可悲的是,在我国最近二十年来形成的莫名其妙的并不反映国家利益的科研评价体系之下,我们把基础科研成果放到别人的篮子里,并以此相高,让人无法理解! 这种两头在外的基础科研状况,在广大科研人员的忙碌操劳之下,国家和社会最终得到什么?国家振兴与科技创新岂非缘木求鱼?我们需要怎样的改变?需要改变什么?抛砖引玉望大家关注。
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美国能源部:电能存储中的基础研究需求报告(前言)
热度 1 gxxiong 2007-9-13 16:11
             前言 现代经济发展依赖于现成、易得的廉价能源。当今,世界的能源供应主要是以化石燃料为主。美国国家面临双重的能源困境:一是由于二氧化碳排放造成的全球气候变暖,这是一个国际性的问题 ; 另一个是我们对外国石油的依赖所造成的脆弱。分布式二氧化碳排放是这种困境的一个重要组成部分。内燃机中汽油的燃烧是分布式二氧化碳排放的一个主要来源,这些汽油主要来自国外石油。二氧化碳的另外一个主要来源是发电所使用的化石燃料的燃烧。使用不产生二氧化碳的原料发电的新技术将可为缓解目前的困境提供潜力,例如太阳能、风能、核能、插入式混合电动车(汽车)或全电动汽车(电动车)。 然而,实现这一愿景的主要挑战是发展有效的电能储存( EES )系统。现在的电能存储器件通常是化学存储 ( 电池 ) 或电化学电容器 (ECs) ,都不能满足未来的能源存储需求。可充电电池类型的便携式电储能系统为移动电话和笔记本电脑方面的无线革命提供动力,现在也使混合电动车( HEV )成为可能。这些发展刺激着在争取实现并联式混合动力汽车 (plug-in hybrid electric vehicle , PHEV) 方面的国际竞争,这将使得计算机能全部利用在非繁忙时段电网存储下来的电力来驾驶工作。然而,目前的电池技术只能提供有限的车辆性能,在一个充电周期内可驾驶距离还不到 50 公里 。因此,要发展实用高效并且可靠的运输系统的并联式混合动力汽车 (PHEV) ,还需要发展增强的电能存储器件。 电能存储对从太阳、风或核原料所发之电的日夜不停地有效传输也是非常重要的。举例来说,要把利用太阳产生的电能用于夜间,就必须要有电能存储器件。由于在一天中能源需求的高峰在白天,而在夜间低需求时生产的电就需要有效地存储起来以备高峰之需。在当今的供电网格中,短时间的能量波动也是一个非常重大的问题。为此,要减轻这种波动就需要使用电能存储设备。目前电能存储系统远远无法满足这些未来电力供应的需要。没有这些先进的电能存储系统,就无法实现向未来的,非二氧化碳发电新技术的转变。 因为清洁电力的发电效率和使用对这个国家来说是非常重要的,所以电能存储被认为是国家所需要的关键技术。不幸的是,近 200 年来,电池技术还没有太大实质性的改变。电解电容存储是一个较新的技术,但它有许多与电池共同的特点。在这两个系统中,都发生许多复杂和相互关联的化学和物理过程,然而,我们对这些过程的了解却相当有限。了解这些过程,对打破现在的技术障碍是非常重要的,并有望提供未来电能存储系统的新概念。 电能存储系统的基础研究需求研讨会的目的就是要确定能为指导电能存储系统重大技术改进提供科学依据的基础研究需求和机会。在研讨会之前,能源部基础能源科学办公室 (BES) 与能源部的能源效率和可再生能源办公室 (EERE) 、能源部电力提供和能源可靠性办公室 (OE) 密切合作,分别从与电力输送与分配相关的应用前景展望来清晰地确定电能存储未来的需求,并查明关键技术空白。此外,还请电能存储产业和应用研究实验室的负责人编写技术资源文本,《电能存储方面的技术和应用的研发需求》 ( 本报告附件 ) 。它为与会者在开会时展开研讨提供了基础。在研讨会上,由来自 DOE 的 EERE 和 DOE 的 OE 的代表,以及由专家所做的关于锂离子电池及电化学电容器的发展现状的大会报告,和日本电容器和混合能源综述报告等都给大会提供了额外的观察视角。 研讨会成立了两个独立的专题讨论小组分别对电能存储系统的类型、化学存储和电容存储进行评估。本报告也分为相似的两个部分。这两个系统的类型都是基于电化学,但是电池能量存储是以化学反应物的形式储能的,然而电化学电容器是直接以电荷的形式储能的。对这两个领域,专家组都提出了优先的研究方向 (PRDs) 。然而,与会人员认为,在这两个领域所需要的关键基础研究方面有显著的重叠。为此,成立了第三个专家组来确定可望为满足未来电能存储技术需求提供重要突破的最高优先的交叉 ( 跨学科 ) 研究方向。 研讨会专家小组指出,最近在纳米科学、新型分析技术和可用于理论、建模与仿真的先进计算能力方面的进展,为发展未来电能存储系统所需要的特定的、多功能材料和相关的化学过程 提供了前所未有的机遇。有了这些能力,就可以实现一个设计电能存储系统的全新范式。该结果将是设计多功能、自修补、自我调节的系统,它将比现在的技术有更高的能量和功率密度、更快的再充电时间,和更长的寿命。 人们强烈认识到,满足未来电能存储需求的重大进展不能通过对现有技术作增量改进性的改变来实现。只有通过能够洞察所获得的电能存储系统中的物理和化学过程的基础研究才能获得。将要获得的这些知识对发展新材料和电解质所需要的突破非常重要。这些突破是实现实用化的电动车和对太阳能和风能所发电力分配的唯一通路。此外,该小组指出,最近的发展已经促进了跨学科的合作,将物理、化学、材料科学和计算科学带入到电化学领域。这些合作预示要将把存储化学能和物理能的器件支撑科学深深地移入到电化学电池中。这些努力可以预期在我们这一代和能量使用中将有一个范式的转移;将把世界从将要发生的能源困境中解脱出来。
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美国能源部:电能存储中的基础研究需求报告(执行总结)
gxxiong 2007-9-11 17:08
电能存储中的基础研究需求 ――美国能源部关于电能存储中的基础能源科学研讨会 2007 年 4 月 2 日 - 4 日 美国能源部科学办公室 执行总结 在未来的 50 年内,随着对低排放甚至零排放能源需求的快速增加,世界能源消耗预计将成倍增长。为满足这样的需求,就需要对有效、洁净和可再生能源有更深入的理解。基于电的能量可以从可再生资源中生产出来,比如太阳能、风能可以提供满足未来能源需求的巨大潜力。然而,对产自于这些间接的、可再生原料的电能需要有效的电能的存储( electrical energy   storage (EES) )。为满足商业及居民网格中的应用,必须保证每天 24 小时不间断供应,即使是秒级的波动都会引起严重的供电中断,导致每年估计有数百亿美元的损失。因此,为使大规模的太阳能或风能发电进入实用阶段,满足连续能源需求和有效标度这些能源的循环特性,发展新的电能存储技术将会是至关重要的。另外,从今天的混合动力电动汽车到充电式油电混合车或全电动汽车,都迫切需要电能存储系统性能的进一步提升。 改善电能存储系统的可靠性和安全性,还必须要防止过早,有时甚至是灾难性的,设备失效。化学能量储存装置(蓄电池)和电化学电容器( ECs )是当今电能存储系统发展中的两种领先技术。这两种技术都是基于电化学的原理, 其根本区别就是电池是将能量存储在能产生电荷的化学反应物中,而电化学电容器则是直接以电荷的方式储能。 目前的电能存储技术远远不能满足在交通运输、商业及住宅应用方面对电能效率的需求。比如,如果要广泛使用全电动/插入式混合电动汽车以替代汽油动力汽车,就需要大幅度地提高电能存储设备的能量、功率密度和 更快的充电时间。 虽然电能存储设备已有几十年了,但对控制其操作、性能的局限性和失效等方面的原子及分子过程的理解仍有很多空白。 为揭示控制这些复杂并且相互关联过程的背后的基本原则,必须尽快开展相关的基础研究。 基于弥补当前电能存储技术中的空白,满足未来的能量存储需求,可以提出一些能对这些过程给予深入理解的新概念。美国能源部科学办公室下的基础能源科学办公室于 2007 年 4 月 2 日 - 7 日召开了一个研讨会。会议的主要任务是确定在电池、电容和相关的电能存储中的基础研究需求和机会,重点放在可能会对电能的高效存储和释放产生潜在的、长期的和重要影响的新的或新兴科学的挑战。在研讨会之前,基础能源科学办公室与能源部的能量效率和可再生能源办公室、能源部的输电与能源安全办公室密切合作,分别从对 X 输送和电能分配相关的应用前景展望来明确界定未来对电能存储系统的需求,确定关键技术上的差距。 另外,还聘请电能存储工业和应用研究实验室的负责人来准备技术资源文件,电能存储中的技术和应用研发需求。该文件为参加研讨会的专家提供讨论的基础,并为基础研究讨论的深入开展提供资料。 应邀参加研讨会的与会人数有130多人,其中有来自于大学、国家实验室和业界的代表,也有大量来自于日本和欧洲的科学家。 研讨会开始时的全体会议抓取发展未来电能存储所需要的技术、研究和发展方面目前的发展现状,请与会代表来确定关键的优先研究方向,特别是拥有能为所需的,将会为电能存储的革命带来进展的领域提供支持的方向。 部分代表被安排在两个专题小组中讨论,一是重点讨论电能存储的主要类型,二是化学能量存储和电容能量存储;第三个小组重点讨论将对实现满足未来电能存储需求的技术突破至关重要的交叉研究。闭幕全会总结了化学能量存储和电容能量存储专题组确定的最急迫的研究需求。在本报告中,由小组成员确定的研究方向分为三个部分,分别与三个研讨组的发现相呼应。 化学储能专家组提出为满足未来电池所需要,有更高的能量和功率密度,可以实现数千次的安全、可靠的充放电循环,相关的研发进展将把材料推进到稳定性的边缘。对化学储能方面的一个重大挑战是在保持稳定的电极与电解质界面的同时,开发出能存储更多电能的能力。作为有潜力极大提高能量和功率密度的最新进展就是纳米结构多功能材料方面的进展。 然而,要了解纳米尺度的现象必须充分利用发生在纳米尺度的独特的化学和物理性质。 此外,迫切需要建立对电解质及电极材料相互依存特性的基本认识,尤其是对于控制电荷从电极到电解液转移的特性的认识。 结合新的计算能力和原位分析工具,能为设计具有期望的物理和化学性能的新型 多功能纳米材料打开新的途径,由此带来性能的极大提高。 电容储能专家组认为,一般来说,电化学电容器比电池有更高的功率密度,也有亚秒级的响应时间。然而,目前的能量存储密度比电池低,不足于在很多方面应用。至于电池,对高能量密度的需求需要开发新的材料。相似地,在电解质方面,在确保稳定性的同时,还需要增加电压和电导率。理解材料在电极-电解质界面是如何存储和转送电荷这个问题是非常重要的,并将需要对电荷转移和运输机制有基本理解。利用特定的高表面积构筑技术合成纳米结构电极的能力为在单个位点存储多电荷提供了潜力,可望增加电荷密度。 添加表面功能,也可有助于提升高的和可重复性电荷存储能力,以及快速充放电功能。新的计算和分析工具将促进为有效的电容电荷存储的而进行的新材料的结构优化设计。这些工具能为多功能材料的合理设计提供必要的基础。同样, 这些工具还将为获得具有更高的电压,更高的离子电导率,以及宽范围的电化学和热稳定性的电解质而建立的物理和化学标准提供分子水平上的见解。 第三个专家组提出了四个会为满足未来电能存储技术需求起关键作用的交叉研究方向: 1.表征技术的发展 2.纳米结构材料 3.创新电解质 4.理论、建模与仿真 新一代的分析工具可以使人们得以对储能装置运作背后的物理和化学现象进行深入洞查。这个信息将会促进未来电能存储系统所需要的过程及新材料的发展。为迎接未来电能存储系统开发的挑战,需要新的短至飞秒的时间分辨、跨越原子和界观尺度的空间分辨的原位光子和粒子显微、光谱和散射技术。这些测量的技术和方法对实现合理设计电能存储系统的能力是 非常重要的,包括具有最佳性能的材料和新结构的设计。这个信息将会帮助人们确定失败模式背后的深层原因并提供改进的方向。 能量存储系统的性能受限于其组成材料的性能,包括活性材料,导体,和 惰性添加剂。最近的研究表明,材料结构的合成控制(包括孔隙大小、结构和组成;粒径和组成;和小至纳米尺度的二维电极结构)可以导致关键储能指标方面的转型突破,比如:容量、功率、充放电速度和寿命等。 对复杂性不可简化的模型系统的调查研究将需要与定义明确的结构相关联的理论与实验间的紧密耦合来阐释基础材料的性质。为发展具有自愈合、自调整、能容错、能螯合杂质、和可持续的(sustainable)多功能材料还需要一些新的方法。纳米科学方面的新进展为发展能同时优化离子和电子传输和能力的、具有革命性的三维结构提供了特别令人振奋的可能性。要设计具有长循环寿命和高的储能能力的电储能系统,就需要对电荷转移和传输过程有基础性的理解。电极与电解质间的界面是惊人的复杂性和具有动态性。为能精确地控制电子和相伴随的离子的转移路径,需要能对界面的动态结构进行表征。在电荷的输运和转移过程中,要有新的能力来实时观察发生在电极表面的结构和动态组成。基于这种基础材料的知识,可以为生产能存储高能量密度和长循环寿命的材料发展全新的材料概念。化学和电容储能装置共同的特征是在充放电循环中,电解质在电极间转移离子/电荷。能在较宽的的温度范围里提供高电导率的理想电解质是它在电极表面是化学和电化学惰性的,并在本质上是安全的。在能源储存系统中,电解质往往是薄弱环节,既限制了电储能系统的性能,也限制了其可靠性。 目前,对发生在电解质体系――离子/离子,离子/溶剂,和离子/电极――中的五花八门的相 互作用了解甚少。基础研究将为设计新型电解质提供知识,比如离子液体和纳米组份聚合物电解质等,并将提高电解质的性能和寿命。 为做出能导致下一代电子储能系统的重大突破性发现,需要对过程和材料的复杂性有深入的理解。基础理论方法和计算技术方面的进展将为对这些过程和材料的理解提供独一无二的机会。 理论、建模与仿真可以有效补充实验工作,可以提供洞察机制,预测趋势,鉴别新材料和指导实验。集成不同时间和长度尺度方法的大规模多尺度计算具有提供对一些过程的基本理解的潜力,这些过程有如:在电极材料中的相变过程,在电解质中的离子传输过程,在界面上的电荷转移过程,和在电极里的电子传输过程等。在电能存储方面的革命性的突破已经被挑选出来,这或许是这个国家未来能源安全中最重要的需求。 基础能源科学研讨会关于电能存储领域的基础研究需求会议的结论认为,为明日的储能需求所需要的突破是在现存的技术方面所进行增量性的、改良性的改进是不可能实现的。进一步地说,这些突破将只有通过开展对电储能背后过程进行深入理解的基础研究才能实现。反过来,这些基础研究又将利用革命性的新材料和化学过程促进新的电储能概念的发展。最近的进展已经提供了合成具有特殊性能的、具有特定结构的新型纳米材料的能力;在原子和分子水平上表征材料和动态化学过程的能力;以及用现代的计算工具来模拟和预测结构和功能间关系的能力。总的来说,这些新的能力为填补电储能器件方面的技术和性能差距提供前所未有的潜力。
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基础研究,自由选题与自由探索
gxxiong 2007-9-10 13:42
多年来,无论是国际上,还是国内,对如何支持基础研究经常不有同的看法,不同的声音。 科学,与其它事物一样,其实都有其自身的发展规律。只有充分、深刻地认识他,才能做到按客观规律。 在美国,对科学发展模型的认识,经历了从科学发展的线性模型到巴斯德象限,再到美国竞争力计划中对巴斯德象限模型的新理解( 相关的PPT中所表述的内容)。现在的基础研究、应用研究之间及研究发展的规律肯定已不再是以前的线性发展模式了。科学家不同的研究动机,兴趣,所处的时代甚至生存环境都会影响到科学家研究的深度、发展方向等。 有人说,今后基础研究的支持重点更多的应是需求导向的基础研究,再也不应该强调自由探索方向的基础研究了。 我理解,大家常说的需求导向,是指根据国家需求,凝练其中的科学问题,开展相关的研究。不再强调自由探索的基础研究是指不能由科学家根据自家的兴趣,随便提出科学问题,申请相关部门的资助。 这里有点概念上的问题,很容易让人误解。项目申请中的自由探索(可能实际上应是自由选题)与基础研究中的自由探索。 我认为,基础研究(或许应是所有的研究)必须并且只有通过科学家的自由探索才能有望成功。科学家若没有思想上的自由,学术上的自由,不能根据自己的判断去探索,科学研究怎么可能会有创新!所以,学界或领导层在谈论自由探索时,千万别给科学家们造成误解! 不能把自由选题与自由探索混为一谈。
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