学科交叉实验室的建设与研究

序言：写作是分享个人见解和探索未知领域的桥梁，我们为您精选了1篇的学科交叉实验室的建设与研究样本，期待这些样本能够为您提供丰富的参考和启发，请尽情阅读。

在“大科学”时代，科学研究变得更加复杂、开放和交叉。在科技飞速发展和全球竞争日益激烈的形势下，越来越多的科技创新产生于传统学科的交界处。为适应大科学时代发展趋势，国家实验室作为一种新的科研活动组织模式应运而生[1]。国家实验室作为科技创新体系的重要组成部分，可以解决经济社会发展中的重大科技问题，也有利于开展多学科交叉项目联合攻关。目前，北京中关村国家实验室、昌平国家实验室、怀柔国家实验室和上海张江实验室已经挂牌成立，正在凝练任务、聚集力量。科技发展日益呈现出多学科交叉的趋势，国家实验室作为开展基础研究的重要基地，其目的之一就是促进学科交叉，而且国家实验室也具有许多有利条件开展学科交叉研究[2]。

1国家实验室开展学科交叉的基本认识

1.1学科交叉的概念

学科交叉是“学科际”或“跨学科”的研究活动。学科交叉是基于众多学科之间的相互作用交叉形成的理论体系，进而构成交叉学科，众多交叉学科又构成了交叉科学[3-4]。路甬祥院士认为，学科交叉产生了众多交叉科学前沿，其结果导致的知识体系构成了交叉科学[5]。可见，学科交叉不等于交叉学科，交叉学科是多个学科相互渗透、融合形成的新学科，它来自被交叉的原有学科，但又不同于已有学科。近年来，随着学科交叉不断深入发展，其在解决社会问题、促进科技创新方面作用更加突出[6]。学科交叉已经成为当代科学发展的重要特征之一。交叉学科研究也得到了越来越多的重视，其“破除学科壁垒、突破学科界限、以重大问题为导向、以创新为知识生产方式、多维主体共同参与科学研究”的形式弥补了单一学科研究的不足，在一定程度上能够避免各学科间的脱节现象[7]。在新的科学范式下，多技术跨界融合和多学科交叉会聚将会成为常态，并且不断催生出新的学科前沿、新的科技领域和新的创新形态。两个或多个学科的交叉点最有可能形成新的科学生长点，交叉领域获得诺贝尔奖项的比例逐年增加。

1.2国家实验室开展学科交叉研究的优势推动科技创新需要加强学科交叉，国家实验室开展学科交叉研究具有以下几方面的优势[8-9]。

（1）具有新型学科管理体制机制的优势。国家实验室在组织管理、人员考评、利益共享和分配、资源配置方式等方面不同于现有科研机构，实行“联合、流动、开放、竞争、合作”的运行机制，更有利于资源优化组合、研究人员沟通交流、寻求交叉联合等。

（2）具有搭建学科交叉研究平台的优势。国家实验室学科门类比较齐全、综合性强，能将研究人员、资金和科学仪器设备等有机结合起来，为组织研究人员进行交叉学科研究、提高学科交叉研究水平搭建了良好平台。

（3）具有整合科技资源的优势。国家实验室作为多学科交叉融合的研究平台，通过统筹、优化、配置创新资源，在更高层面上组织学科交叉，提高了不同实验室协同攻克瓶颈型、卡脖子型或战略性等重大科学问题的能力。

（4）具有集聚学科交叉人才的优势。交叉学科相对单一学科而言，有利于突破人才培养的局限。国家实验室凭借自身平台优势，汇集了一批来自不同学科的高层次人才，为跨学科研究提供了良好的人才基础。同时依靠实验室的大科学装置，扩大了拔尖创新人才培养的空间，拓宽了交叉人才培养的路径。

2美国国家实验室开展学科交叉研究的经验

“二战”后美国国家实验室快速发展，如劳伦斯伯克利实验室（LawrenceBerkeleyNationalLaboratory，LBNL）、洛斯阿拉莫斯实验室（LosAlamosNationalLaboratory，LANL）、阿贡国家实验室（ArgonneNationalLaboratory，ANL）等，主动对接国家战略需求，凝练前沿领域重大科学问题，研究领域逐渐交叉、融合，整体上呈现出了跨学科、多领域的特征[10]。国家实验室会根据研究项目需求，组建不同学科研究小组，开展学科交叉研究。美国国家实验室在长期的管理和实践中，形成了许多值得借鉴的促进学科交叉融合的经验，在学科交叉研究方面也取得了大量成果。

2.1注重国家实验室学科交叉的建设与布局

美国国家实验室主要开展基础和应用基础研究，研究领域广泛，覆盖科技创新的全链条，多学科交叉优势明显。如布鲁克海文国家实验室（BrookhavenNationalLaboratory，BNL）拥有多个科学研究中心，中心研究方向涉及分子影像、核成像、同步辐射、计算科学等，为学科交叉提供了前提。橡树岭国家实验室（OakRidgeNationalLaboratory，ORNL）主要在新能源、纳米技术、复杂生物系统和先进材料等领域开展研究，尤其是在能源、环境等交叉领域取得了重要成果，解决了美国面临的很多科学难题。多年来，美国国家实验室不断优化结构，形成跨学科、多部门的综合性大型实验室，许多科研项目都是在不同部门共同支持下开展完成的[11]。如劳伦斯国家实验室一直坚持多学科交叉合作，1931年1月第一台回旋加速器的诞生标志着物理学和工程学合作的成功，这也是劳伦斯实验室多学科交叉合作的开始，为实验室以后开展学科交叉研究奠定了良好的基础。

2.2优化组织机构，促进学科交叉创新

不同科研组织机构的特点、形式各不相同。国家实验室作为大型科研机构，为有效提高科研工作效率，产生更多成果，一般选择跨学科、矩阵式组织结构。在美国，大型综合性的国家实验室一般采用矩阵式组织结构，既有利于实现学科之间、项目之间的交叉融合，也易于在科学家、工程技术人员、管理人员之间建立起密切的合作关系，促进科学交流。为促进协同创新，美国利用虚拟国家实验室形成了多主体、跨学科的科研需求响应机制，促进信息共享、激发创新思想、提高创新能力[12]。在20世纪90年代末，桑迪亚国家实验室（SNL）、劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）和劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）共同组建了虚拟国家实验室，通过多学科交叉融合研究和协同创新合作，经过多年努力突破了极紫外光刻技术，在集成电路领域取得了重要成果[13]。

2.3与紧密大学合作，培养交叉学科队伍

在美国，从曼哈顿计划开始，大学就一直是实验室的重要合作伙伴。美国国家实验室基础研究的活力在很大程度上依赖于与大学的合作，如加州大学伯克利分校与劳伦斯实验室、麻省理工学院与林肯实验室等。加州大学化学系教授和物理学教授可以共同在劳伦斯实验室开展科学研究，并欢迎其他学科的教授随时加入研究项目，为实验室形成多学科交叉合作研究平台创造了机会[14]。综合性大学多学科优势明显，优秀科研人才集聚，便于国家实验室组建学科交叉研究队伍。在管理方面，如美国国家高磁场实验室考虑到有些项目学科交叉特性较强，允许研究人员可以承担不同组的多个研究任务，例如，一位科研人员既可以是直流磁场设施的负责人，也可以担任凝聚态研究组的负责人，从而增加了学科交叉的可能性。

2.4依托大科学装置开展前沿综合交叉研究

大科学装置具有突破技术发展瓶颈的强大支撑能力，为跨学科研究提供了最为有效的平台。美国国家实验室依托最先进的大科学装置（如直线加速器相干光源（LCLS）、散裂中子源（SNS）、相对论重离子对撞机（RHIC）等）在交叉领域开展研究，促进了多学科交叉融合，取得许多突破性成果[15]。大科学装置集群为不同学科交叉融合和科研人员之间协同工作提供了良好的平台，有利于开展大跨度的多学科交叉研究。大科学装置的资源稀缺性和公共属性决定了其开放性，通过大科学装置的开放共享可以促进实验室与科研院所、高等学校、企业等的相互交流，有助于推动多种学术思想碰撞，发现更多的学科交叉点。

2.5加强实验室开放，注重交流合作

学科交叉融合需要不同思想的碰撞、不同文化的交流。学术研究需要有更多探索新领域、新理论和新方法的勇气，在科学共同体中形成一种有利于交叉科学发展的宽容环境，通过国家实验室开展交流合作，营造自由探索的环境，促进学科交叉。美国国家实验室通过开展学术座谈会、互访交流和交叉学科论坛等，促进不同学科之间的研究人员沟通与交流，为解决重大学科交叉问题提供思想源泉[16-17]。自由的学术氛围、多学科的交叉合作和卓越的领导者是劳伦斯伯克利国家实验室成功的关键。美国国防部从2015年开始，每两年举办一次实验室开放日，即“美国军方科学大会”。通过举办实验室开放日活动，向社会各界介绍国家实验室的研究项目及技术转移的成功实例，对外集中展示创新性成果，寻求技术研究合作伙伴等[18]。

3基于学科交叉的国家实验室建设建议

3.1我国国家实验室基本情况

我国国家实验室建设经历了多个发展阶段，取得了一系列的成果。在强化国家战略科技力量的背景下，国家实验室建设正在进一步推进，同时也被赋予了“战略科技力量”的使命，将在支撑我国科技自立自强方面起到重要作用[19]。目前已成功组建的部分国家实验室包括怀柔实验室、中关村实验室、昌平实验室、张江实验室、合肥实验室、鹏城实验室等，几家实验室的基本情况如表1所示。

3.2国家实验室开展学科交叉的建议

学科交叉促进了新兴研究领域的发展，推动了基础研究的创新与实践，并赋予传统研究领域新的内涵，两者相互统一、相辅相成。从美国国家实验室发展历史来看，学科间的交叉融合促进了新兴研究领域的兴起，带动了一批以学科交叉为特色的实验室发展，如劳伦斯伯克利实验室、林肯实验室等均是促进多学科交叉融合的典范。结合我国国家实验室发展实际情况，提出以下建议。

(1）加大学科交叉支持力度，引领原始创新。国家实验室通过承接国家重大科研任务，聚焦学科交叉前沿，进行跨学科、大协作、高强度的协同攻关，实现更多颠覆性技术的突破。首先，国家实验室在基础前沿性的交叉科学研究方向上展开布局，围绕国家重点领域的核心技术和关键问题凝练出国家实验室重要任务，并在科研条件、人才配备、资金投入等方面予以支持。其次，在国家实验室内部组建跨学科、综合交叉的科研团队，形成不同知识背景或研究方向的专业人员组合，加强协同合作，共同推进交叉科学发展。如怀柔国家实验室所在的北京怀柔综合性国家科学中心规划建设5个大科学装置和10余个交叉研究平台（表2）。国家实验室在聚焦主攻领域及重点子领域的基础上，可充分利用现有交叉研究平台，打破学科壁垒，推动多学科深度交叉融合，形成新的学科增长点。

(2）灵活搭建组织架构，促进跨学科项目合作。国家实验室承担的任务往往是大型复杂的多学科交叉项目，需要建立多主体、跨学科的科研需求响应机制。为适应国家实验室完成复杂性任务的需求，可以构建“核心+基地+网络”的体制机制，提高实验室运行效率。“核心+基地+网络”是指以国家实验室为核心开展重大科学问题、核心关键技术的研究；以研究基地、中试基地和成果转化基地等分担某些研究子项目，放大和熟化一些科研成果；按需整合相关领域科研院所、高校、优势企业等资源形成网络，通过协作攻关、优势互补，实现实验室跨部门、跨机构、跨领域协调、集中力量干大事的初衷。国家实验室从项目类型或学科交叉的角度组建研究小组（或团队），形成多学科交叉合作的方式，有助于发挥群体优势开展联合攻关。为完成紧急大型学科交叉科研项目，国家实验室可从其他实验室或大学抽调科研人员，临时组建研发团队，根据任务明确分工，共同推进项目完成。

(3）加强与大学的合作，培养交叉复合型人才。高校具有人才集中、学科门类相对综合的特点，是交叉人才培养的重要基地。国家实验室可以从学科融合的角度，积极引进学科交叉人才、培养复合型人才，共同推动多学科交叉研究的发展。通过对美国国家实验室的成功经验分析可以看出，实验室发展与大学密不可分。我国正在建设的几个国家实验室周边区域内拥有大量的创新型大学和研究所，为开展学科交叉研究提供了资源（表3）。国家实验室在主要的学科领域或新兴的交叉学科领域布局优势明显，通过与大学各学科间人员的相互交流和合作，支持具有学科交叉性质的研究队伍，扩大研究广度，增加研究深度，提高跨学科合作成功的可能性。发挥国家实验室培养学科交叉团队的重要作用，将研究和教育结合起来，通过高质量完成学科交叉项目培养复合型人才、“T型”研究人才等。

(4）增加学术交流，促进多学科领域交叉创新。在重大科研项目协同攻关过程中，国家实验室不同部门研究人员及不同实验室人员之间的相互交流与合作，可以达到取长补短的效果。不同领域的研究人员之间通过交换意见，能够激发创新思维，把其他学科的研究方法运用到本学科，有利于产生新的边缘学科，创造出新的理论知识。表4列出北京怀柔、上海张江、安徽合肥等地的国家实验室已经建成或正在建设的部分大科学装置。充分发挥大科学装置优势，结合国家实验室战略目标和任务设定，聚焦重点交叉研究领域开展科研活动，推动国家实验室、大科学装置与前沿交叉研究平台深度融合，形成能够支撑跨领域、交叉性、综合性的前沿技术研发能力。

4结语

美国国家实验室成功的重要原因之一是重视多学科的交叉与融合，提前在科学前沿和交叉学科领域进行布局，其成功经验为我国依托国家实验室推进学科交叉融合、提升科技创新能力提供了借鉴。目前，我国正在推进国家实验室建设，要充分发挥国家实验室对学科交叉的促进作用，培养、集聚一批复合型交叉人才，加快高水平科研成果产出，助力实现科技高水平自立自强。

参考文献

[1]刘国瑜，赵珩.基于学科交叉的国家重点实验室建设研究[J].实验技术与管理，2008,25(6):165–167,180.

[2]王孜丹，杜鹏，马新勇.从交叉学科到学科交叉：美国案例及启示[J].科学通报，2021,66(9):965–973.

[3]张雪，张志强.学科交叉研究系统综述[J].图书情报工作，2020,64(14):112–125.

[4]许海云，尹春晓，郭婷，等.学科交叉研究综述[J].图书情报工作，2015,59(5):119–127.

[5]路甬祥.学科交叉与交叉科学的意义[J].中国科学院院刊，2005,20(1):58–60.

[7]韩启德.科学基金推进交叉科学研究大有可为[J].中国科学基金，2021,35(2):169.

[8]聂继凯，石雨.中美国家实验室的发展历程比较与启示[J].实验室研究与探索，2021,40(5):144–150.

[9]武晓娜，谢祥，肖尤丹.美国劳伦斯伯克利国家实验室安全管理模式及启示[J].实验技术与管理，2022,39(8):239–244.

[10]刘云，翟晓荣.美国能源部国家实验室基础研究特征及启示[J].科学学研究，2022,40(6):1085–1095.

作者:西桂权 刘光宇 李辉 单位:北京市科学技术研究院 科技情报研究所