基础科学前沿发展预测的原则与方法，本文主要内容关键词为：基础科学论文,原则论文,方法论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
预测的科学性、准确性除了受预测对象的复杂性及预测者的主客观条件制约外，合理使用科学的预测方法，也具有十分重要的意义。
在基础科学前沿发展可预测性研究中，我们剖析了基础科学前沿发展的可预测因素、因素间的关联作用，并找出了预测的着眼点。在此将进入预测理论、原则的提炼，并建构新的切实可行的预测方法。
1 预测理论及方法的借鉴
从古至今，人们从经验预测到科学预测，创造了几百种预测方法。据统计，仅科技预测方法就有百余种，大致可以分为传统预测方法和现代预测方法两类。
当科学还处在小科学时代，以科学家个人兴趣爱好为动力的传统研究方式时，科学假说是科学发展的重要形式。从预测的角度看，提出科学假说的过程，实质上是对研究对象深层本质和规律的一种预测，所以称这种始于传统科学研究中的预测方法为传统科学预测方法。这种方法是以认识主体的思维活动为动力，以认识对象的过去时、现在时信息为基础，以对象的新苗头和观察实验所得到的新信息为线索，形成的对对象事物尚未充分显露的深层本质和规律的创造性、超前性认识。传统科学预测的认识主体是科学家。
随着科学自身发展到大科学时代，科学预测也从传统预测发展为现代预测。现代科学预测不但包含着传统的假说式单项预测，而且发展到学科预测、多学科预测、跨学科预测、综合预测等多种预测形式，表现为预测领域的广泛性、专业性、系统性、综合性。
基础学科的发展预测，由于预测因素的多重性和相互作用的复杂性，给它的预测特别是定量预测带来了很大难度。尽管如此，由于把握基础科学发展趋势的重要性，人们还是做了大量工作，不仅在理论上取得了一定成果，而且相应地创造出不同的预测方法，取得了一些较好的预测成果。
（1）关于科学理论发展趋势的研究
科学理论是自然界客观规律的主观表达。正如恩格斯所说，自然界“是一幅由种种联系和相互作用无穷无尽地交织起来的画面”。人类用分析的方法一部分一部分地去认识它。到了一定程度再进行同类综合。就这样分析、综合，再分析，再综合，逐步向自然界的深度和广度进军。每深入一步，便留下相应的科学理论，渐渐地形成了枝繁叶茂的自然科学理论体系。20世纪以来，自然科学的发展又出现了高度分化与高度综合的新趋势，学科专业间的交叉渗透与整合，产生出大量边缘学科、交叉学科及横断学科。科学理论在改造自然中的作用越来越突出，从而刺激着人们把握科学理论发展趋势及规律的愿望。正如人们之所以要攀登珠穆朗玛峰，是因为它就在眼前。尽管前进的路上充满艰难险阻，但攀登者的脚步总是向上延伸的，并终究可以到达光辉的顶点。人们在探索科学理论发展规律的道路上，也已留下了不少成功的脚印。
①关于带头学科理论
自然科学的发展与进步，是科学实验与科学理论之间，相互联系与作用的结果。但是，在人类社会发展的不同阶段，由于科学自身发展的水平不同、社会对科学理论的需求不同、所提供的支持条件不同等等因素的共同作用，会使不同学科理论的发展出现不平衡现象。领先发展的学科不但在认识自然、改造自然方面提供新理论、新方法，而且它的理论和方法往往可以成为其它学科的解释性基础或借鉴，从而带动其它学科的发展，故称为带头学科。
前苏联学者凯德洛夫在本世纪70年代提出了带头学科更替理论，指出自然科学理论学科间发展的不平衡现象，表现为总有一门或一组学科走在前面，成为带头学科，其带头时间随着时间的发展和科学发展的动态变化而更替，并且给出了计算更替时间的经验公式：
200
△t[,n]＝────。尽管该公式还显得很粗糙，有待改进。但凯德洛
2[n-1]
夫指出了带头学科的带头时间具有随时间的延续和科学的加速发展而逐次倍减的趋势，而且只要是带头学科，它必然处在社会实践需要与科学发展逻辑的交汇点上。这一思想对于学科前沿发展预测，具有重要意义。
②关于当采学科理论
我国学者赵红洲在研究科学发展规律时指出，常规科学阶段成果卓著的学科，称之为当采学科。当采学科量变的积累速度高于其它学科，因而出现质的飞跃的可能性也大于其它学科。显然，当采学科的前沿也是学科发展预测追踪的目标。
③关于科学中心及其转移理论
日本学者汤浅光朝系统地研究并提出了科学中心转移理论。他运用数理统计方法，对处于科学中心的国家的科学家人数、年龄、科学发现和科学发明的数量等数据进行处理，提出作为世界科学中心的国家，其对世界科学的贡献，应超过当时世界科学成就的25%，而且一个国家保持科学中心的时间平均为80年。
科学中心及转移理论启示我们在预测学科发展趋势时，首先应注意当时的科学中心国家的科学发展动态。当今世界科学中心仍是美国，并可能在20世纪末21世纪初转移他国。因此，我们预测21世纪学科前沿发展趋势，既要认真分析研究美国科学发展趋势，找出它的带头学科，又要注意追踪下一个科学中心国家的带头学科。因为科学中心国家的科学前沿与世界科学发展前沿，应具有较大的共同性。
④科学知识增长的定量规律
美国科学史家D.普赖斯曾以科学杂志和学术论文数量作为知识量的指标，描述了科学发展的加速规律，并指出科学知识量的实际增长是呈逻辑斯蒂指数型曲线形式，当曲线按指数规律发展到饱和的中点时，会出现振荡性自然控制，猛烈地振荡导致反曲实现，科学便获得了新的生命力，开始新的指数增长。这就是说某学科领域的知识产出量接近或达到饱和时，将是新突破的前夜。
⑤科学选择理论
随着科学的发展，研究领域不断拓宽，科学家的兴趣及探索能力也在不断提高，而社会所能提供的研究条件是有限的，这就引出了科学选择问题的研究。60年代以来，以美国著名物理学家温伯格提出的选择准则最受欢迎。
温伯格准则的基本观点为两部分，即：
·内部准则：可望在基础研究方面迅速取得概念性进展并对邻近学科领域有所贡献。
·外部准则：对于最紧迫的社会或经济问题具有潜在的应用可能性。
温伯格认为选择涉及到对科学的实际资助，所以外部标准，即社会需求显得更为重要。
预测是选择的重要依据，而选择会成为优先支持的对象，获得优先支持的领域则最可能成为国家或世界科学前沿的突破点。
（2） 科学理论发展的动力、机制和规律
西方科学哲学把这方面问题作为自己的研究对象，从整体上揭示科学发展的动因。
①以石里克为首的逻辑实证主义强调科学的发展是经验积累与逻辑实证的结合，而把科学发展的社会的、经济的、文化的、历史及心理等因素排除在自己研究范围之外，认为这些因素与科学发展无直接关系。具有很大片面性。
②以波普尔为代表的证伪主义，反对把可证实性作为判断科学理论真伪的唯一标准。认为科学的发展不是仓储式的积累，而是从问题到新的问题的不断深化过程。问题是科学发展的动力，批判、证伪、革命是科学发展的机制，科学假说在科学发展中具有重要作用。
③以库恩为代表的历史主义派别，则将考察科学的视角从逻辑取向转变为历史取向，认为科学知识是一种历史产品，科学活动是一种社会事业，研究科学发展必须同时考虑科学证明（主观）和科学发展（客观）两方面的因素。这样，就把对科学的考察建立在了较全面的主客观因素的综合作用基础上。库恩深刻地指出，科学的发展是动态的、变化的，影响科学发展的诸要素也是动态变化着的，并提出以“范式”（科学共同体的信念）的变化来描述科学发展规律的模式：前科学→常规科学（形成范式）→反常→危机→科学革命（新范式战胜旧范式）→新常规科学。库恩的科学发展模式中以科学的常规积累和革命变革的更替为机制，以反常和危机为动力，以科学共同体的信念—范式的转化为标志，把科学发展视为科学进步（内部因素）与社会心理因素（外部因素）的辩证统一的作用结果。
这里我们不讨论库恩否定科学的客观真理性、主观主义和片面性。就他所提出的科学发展模式的合理性而言，对预测方法论研究是有其重要借鉴意义的。
·他把科学发展的客观因素找了回来；
·他指出了科学发展的量变与质变的关系；
·揭示了科学发生质变的动因是反常；
·指出了危机是科学革命（质变）的前夜，科学发展前沿的根据。
显然，反常和危机对科学发展不是灾难，而是动力是好事。
把普赖斯的定量分析同库恩的科学革命发展模式结合起来考虑，可以发现，科学发展的常规阶段，其知识量是呈指数增长的，而当出现反常和危机时，正是指数规律被中断而出现反曲振荡时期，一旦振荡成功，即实现了科学革命，进入新的常规科学阶段。其科学发展危机时期，对应着相应的科学理论产出趋于饱和。显然理论知识产出量增长的极限，预示着科学革命的即将到来。
（3）科学预测方法分析
科学预测方法按其运用的范围可以分为三类：
一类为适应某种具体的科技预测任务而设计的预测方法，称之为局部预测方法，它只适用于一个具体特定领域的预测。
另一类称之为中间预测方法，它适用于二个以上相类似的预测对象领域。
通用性较广的预测方法，或可以适用所有的科技预测领域的方法，叫做全科学预测方法。
由于基础科学预测的复杂性，其难度较大，目前还不具备形成自己的局部预测方法的条件。但可以借助全科学预测方法并结合自己的规律及特点，加以发展，达到预测目的。
目前已有的全科学预测方法不下十几种，比如，分析鉴定评价法、类推法、专家评估法、集体评估法、德尔菲法、马尔可夫预测法、网络分析法、系统动态分析法等等。通过对科学理论发展规律的剖析及全科学预测法的研究，我们认为，以科学发展规律为依据，将已有的预测方法加以改造并联合运用，可望收到较好的预测结果。
2 基础科学前沿发展预测原则与方法
根据对已有科学预测理论及方法的研究，针对基础科学研究的特点及发展规律，我们认为，目前的有关预测仍需采用定性与定量相结合、直观经验与科学探索相结合的方法进行，并设计以下两种预测方法：
·因素关联与组合序列法（双重德尔菲法）
·增长极限预测法
前一种方法是定性与定量相结合进行预测，以统计手段得出定量结果的直观综合探索型预测方法。它即适用于一个国家的基础学科发展预测，也适合世界总体自然科学理论发展预测，后一种为新的定量预测方法，更适用于某一特定研究领域的突破趋势预测。当然，对于大量领域突破预测的整合排序，也可以形成学科发展趋势预测。
为节省文字，在具体阐述两种预测方法前我们先将预测的指导思想、理论根据及预测着眼点等归纳如下：
（1）基础科学前沿发展预测的指导思想
①未来不是真实的存在，只有它成为现实才是存在。我们只能研究事物未来可能的想法，未来世界将从今日世界产生，现在是联系过去和未来的桥梁。
②科学预测结果是尚未付诸实践的认识，是未来实践的指导思想。科学预测既要反映科学理论的发展规律，又要符合主体的愿望和需求，应是事实价值与认识价值的统一体，并具有超前性、创造性、非精确性和待检验性。
③人类的预测能力随着时代的进步、科技的发展而提高，在即将跨入21世纪的今天，基础科学前沿发展的预测是可能而又可行的。
④基础科学前沿发展的预测，要以科学实践为基础，科学发展规律为依据，科学情报资料为前提。
⑤社会发展对科技的需求，以及社会对科学技术的重视、干预和支持程度，已成为科技发展特别是基础科学发展的决定性、制约性因素。
（2）基础科学前沿发展预测的理论依据
①基础科学发展的基本动力是：认识目的、实用目的和备用目的，及三者的综合作用。
②基础科学理论是突破性、创造性与继承性、连续性的辩证统一体。
③基础科学理论的发展是内外因素的互相联系与互相作用的结果。
（3）基础科学前沿发展预测的着眼点
①科学理论的突破与创新，需要调动理性思维去揭示隐藏在经验事实背后的基本规律。
②当今技术攻关的难点呼唤理论的新突破。
③科学理论的发展符合量变到质变的规律，新的生长点可能在旧理论无法解释的事实中。
④科学理论的综合与再创造是科学发展的重要形式之一。
⑤不同学科理论的交叉渗透是新理论萌生的沃土。
⑥学科中心国家的带头学科和当采学科应是今日的前沿。
⑧常规科学理论受到新的实验事实的威胁而出现理论危机时，正是新理论诞生的前夜。
⑨某研究领域的知识产出达到饱和状态，即出现增长的极限，预示着理论突破即将来临。
⑩优秀科学家及学术带头人在科学理论创新中具有突出作用。
现在将两种预测方法概要介绍如下：
（1） 因素关联与组合序列预测法
基础科学发展前沿预测包括具体学科的发展预测和整个基础性学科发展趋势预测两个部分。整个基础性学科发展预测只能建立在各具体学科发展预测的基础之上。其预测范围可以是一个国家，也可以是全世界。据此，我们设计了因素关联与组合序列预测法，亦称双重德尔菲预测法，它由两级德尔菲预测组成。
·一级德尔菲预测具体学科内各专业领域发展前沿出现新突破的可能性
·二级德尔菲预测整个基础性学科发展前沿的趋势和情形（带头学科）
二级预测以一级预测的结果为前提。
①一级德尔菲预测的任务是预测基础性学科内各专业领域的发展趋势。因此，应在正确把握预测对象学科现在发展情况的基础上，综合考虑学科发展的内部因素N及外部因素W的相互联系与作用，找出学科未来发展中的主流、变化、难点与主攻方向，其目的在于回答该学科在哪一专业领域，在什么时间可能出现新的突破，以及在未来某段时间各专业领域的发展状况及趋势，找出带头专业领域。为适应该预测任务之需要，我们设计了“学科专业领域可能实现突破创新时间表”、“预测专家基本情况及对各专业预测权威性调查表”、“预测信息汇总表”以及“学科发展趋势汇总表”等表格，成为整个一级预测的中轴和依据。
对预测信息的处理，采用时间排序法。在对数据做加权处理后，按时间先后排序，以时间序列的中位数表示专家预测的集中点，以上下四分点表示预测意见的分散程度。经过二至三轮预测，取得较好的收敛效果后就可借助学科发展趋势汇总表浓缩预测结果。也可以绘制彩色直方图，用直方的高度表示突破时间的中位数，用百分数标示该时间可能突破的平均概率，以红橙黄绿青蓝紫表示突破时间的先后，形成一目了然的学科专业发展趋势图。
此后，应做出学科发展预测评价。根据预测指导思想、预测参考资料、专家预测信息处理结果、预测实施中的操作、特殊情况处理及数据处理中的附加因素，评价学科发展预测的准确程度，做出文字分析评价，指出预测时间内学科专业发展趋势及前沿带头专业。〔1〕
在各个学科分别完成预测的基础上，可对各个学科的预测加以比较，形成基础科学发展趋势的粗浅意见，供二级德尔菲预测参考。
②二级德尔菲预测的任务是预测整个基础科学前沿的发展趋势及带头学科。其预测对象可以是所有基础性学科，也可以对纯基础性学科或应用基础学科分别进行，视需要而定。
二级德尔菲预测以一级德尔菲预测结果为前提，综合考虑学科间的相互作用及影响，考虑宏观环境（国家或世界）因素W[,2]， 运用顺序比较或等级排队方法，找出各学科在基础科学发展中的相对重要性（某段时间内）。为此，我们设计了“基础性学科一级预测结果的评价排队表”、“预测信息汇总表”、“学科方案相对重要性评价一览表”等表格，成为二级德尔菲预测运行的中轴和依据。请专家结合自己的学识、经验和预测执行小组提供的参考资料，按其各学科的相对重要性及对其它学科的影响、对整个基础性科学发展的贡献等方面，考虑在未来一定时期内，哪一学科成果会最突出，哪一学科将发展最快并成为带头学科，以此为各学科方案评分，如0—100分，分数越高代表重要性越高，或按各学科方案的重要程度进行等级排队，排在第一位的最重要，依次往后重要性渐低。一般经三轮专家预测评分，意见相对集中，便可结束问题调查。由预测执行小组运用数学工具对预测信息进行处理，得到以下指标：
N[,j]：某学科方案得分的算数平均值；
K[,j]：某学科方案得满分的频率；
B[,j]：某学科方案预测结果的变异系数；
W[,j]：专家预测的协调系数；
：预测某学科专家权威性加权平均数。
各指标的具体计算方法及与预测结果的关系，详见成果报告的第三部分。
根据上述定量指标，并考虑预测中的特殊情况及处理等因素，对专家预测结果做综合分析，做出基础性学科内各学科相对重要性排序，指出带头学科或学科组，描述预测时间内基础性学科发展的趋势，也可以用彩色直方图直观地加以反映。将预测结果报告提交有关决策、规划部门参考。
（2）增长极限预测法
该方法根据D·普赖斯的知识产出（论文、著作、 研究成果）的指数增长率，以及库恩的科学革命理论发展模式设计的。处在常规科学时期的知识产出量按指数增长，出现反常和危机时，知识产出趋于饱和，出现增长的极限。显然，增长极限的出现，预示着科学革命的来临，即是新突破的前夜。如能求得出现极限增长所对应的时间，那么就可以知道了该学科领域可能出现新突破的时间，即实现了对某学科某领域发展趋势的预测。可见，该方法可用于基础学科的任何研究领域的预测。
我们设计了预测“学科领域近期知识产出汇总表”，可将从各种不同渠道搜集来的知识产出量数据填入该表，以便进行数据处理。
具体数据处理应对论文、著作、研究成果分别进行，然后求它们的加权平均值。如可以给论文的加权数为α[,1]＝0.5， 著作的加权数为α[,2]＝0.2，研究成
以下用论文为例，介绍四种模型。
①常规时期的指数模型
常规时期论文产出增长迅速，其增长率比较稳定，遵循指数规律，数学模型为：y[,t]=ae[bt]，式中y[,t]代表t年论文的产出数量；a、 b为模型参数，可根据近期论文产出数量的资料， 运用二次移动平均法加以确定。再由lny[,t]＝lna+bt的关系，求出特定的y[,t] 值所对应的时间。〔2〕
②危机时期的修正指数模型
某研究领域由常规时期进入危机时期，知识产出量会逐渐降低，并趋于饱和，这时应用修正指数模型加以描述，即y[,t]＝L+ab[,t]。式中：L为常数（称增长极限），a＜0,1＞b＞0。 可以将预测领域论文产出的历史数据按顺序分为三段，建立三元联立方程组，求解可得L、a、b的值。将其代入修正指数模型，便可求出特定的y[,t]所对应的时间。〔3〕
③逻辑斯蒂曲线模型
根据D·普赖斯的理论， 科学知识的实际增长情况遵循逻辑斯蒂曲线规律，其数学模型为：
数，并使其等于0 ， 可求出曲线的拐点所对应的时间t[,1]＝lna／b，即是该领域出现反常危机后，经反曲振荡成功，而进入新的常规增长时期的时间。用同样方法求出著作、研究成果数量达到饱和所对应的时间t[,2]、t[,3]，再考虑加权因素，最终求得
即为该研究领域可能实现新突破的时间。
以上我们介绍的四种增长极限法的数学模型，在具体预测时可根据预测领域的特点任选，也可对模型做适当修改，以更符合预测对象的规律。
注释：
〔1〕详见本课题报告第三部分。
〔2〕〔3〕详见课题报告第四部分。