基于智库双螺旋法的科学概念创新问题辨析与影响因素分析

■ 沈湘 张朋 杨国梁

1.中国科学院文献情报中心 北京 100190

2.中国科学院科技战略咨询研究院 北京 100190

0 引言

科技创新是社会发展的力量源泉。自改革开放以来，我国科技发展取得长足发展，近10年在化学、物理、材料和数学等学科领域的SCI论文发表总量已跃居全球首位，在自然指数（Nature Index）年度榜单中仅次居美国、全球高影响力期刊发文量位居全球第二。然而，科学论文发表数量和论文期刊影响因子并不等同于科学研究的社会影响力，能代表学术成果对科技、经济、社会带来的影响或产生的效益[1]。我国重大原创性成果相对缺乏，科学理论、原创思想是中国科学家提出来的还非常之少[2]。为实现我国从科技大国向科技强国的转变，高质量的科学创新研究成果是关键。在科学创新研究质量的诸多影响元素中，科学概念创新（Scientific Conceptual Novelty）占据至关重要地位[3]。提高科学概念的创新能力，正确有效开展科学概念创新活动，不仅能够提高科研人员的学术创造力和学术影响力，也能提高国家的科学竞争力，最终增强国家的经济竞争力和政治影响力。因此，分析科学概念创新的影响因素、形成过程和最终目标以及探索科学概念创新的有效思维方法对于加快推进我国高水平科技自立自强、建设世界科技创新强国具有重要意义。

智库双螺旋法始于研究问题、终于解决方案，秉持问题导向、证据导向和科学导向的智库研究理念，为智库研究实践提供了思维方法、指导方法和操作方法[4][5][6][7][8][9]。本研究在智库双螺旋法指导下，针对科学概念创新存在的现实问题，采用资料收集、文献调研、文本内容分析等研究方法完成收集、处理和分析资料的基础，遵从“解析-融合-还原”的智库双螺旋法外循环过程逻辑对科学概念创新进行系统整体视角的影响因素解析、融合以及问题导向的可能解决方案的思考。基于解析问题的4个步骤（定义问题-描述问题-构建框架-形成子问题集）[10]，首先界定了科学概念创新的定义和意义，然后分析了科学概念创新的主观性和客观性，并采用“相互独立，完全穷尽”（Mutually Exclusive Collectively Exhaustive,MECE）分析法和逻辑树分析法[11]进一步对科学概念创新的主观影响因素和客观影响因素进行细化分解及作用机制阐述，最后融合各影响因素总结出科学概念创新的形成过程并对科学概念创新的最终目标进行了演生思考以探索解决问题的可能途径，旨在助力我国创新体系建设，为提高我国全方位的科学创新能力提供信息启示。

1 科学概念创新的概念界定

1.1 科学概念创新的定义

科学概念创新是科学活动中的、观念上的、理性认知上的创造性思维活动，即提出一个新的科学概念[12]。科学概念创新一般有两种形式：一种是在原有科学概念的内涵和外延基础上进行拓展并赋予新的涵义；一种是停用原来的科学概念，基于不同的内涵和外延引入一个新概念[13]。跟科学技术创新相比，科学概念创新属于理论创新，但是以现有科学技术作为基础，来源于对科学技术活动的实践过程和客观发展规律的认识、思考、提炼、总结、推理、演绎和升华。科学概念创新和科学技术创新互为前提，互相促进和共同发展。

1.2 科学概念创新的意义

现代科学技术特别是信息通讯技术的高速发展，带来了迅猛的知识迭代以及新概念和新名词层出不穷。从积极的方面来看，科学概念创新蕴含着“与时俱进”的哲学观，拓展或赋予了传统科学概念新的内涵和外延，继而让传统科学概念焕发新生，对科技发展具有重要推动意义。科学技术的发展史，也是科学概念的发展史。从消极的方面来看，各种文字游戏、主观随意的想象、空洞抽象的概括、内涵难界定的科学概念创新，不仅带来了认知困扰、认知误区，还可能在不同程度上导致人力、物力、资源浪费并阻碍科技发展。

为加快推进我国高水平科技自立自强，科学概念创新应至少具有以下3种意义之一：（1）改变思维模式，引领新的发展潮流。例如，继互联网和移动通信之后，“物联网”开启了万物互联时代，引发了新一轮的信息技术革命和产业革命。（2）开辟新的研究领域和突破方向。例如，英国物理学家康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）和安德烈·海姆（Andre K.Geim）提出“二维材料”概念全面打开了之前被忽视的研究领域，引发了材料学科领域的研究新潮流。（3）推动世界格局改变，甚至颠覆人类的生活方式。例如，美国前总统克林顿及副总统戈尔根据劳伦斯伯克利国家实验室研究人员提出的“信息高速公路”概念，提出美国和全球信息基础设施发展规划，并在世界范围内掀起了信息基础设施建设高潮，由此引领人类进入信息社会[14]。

2 科学概念创新的主观性和客观性分析

从认知科学理论出发，概念是主体反映客体的本质属性的一种思维方式，具有抽象性与普遍性的特点，是用语言符号表达的科学抽象产物[15]。数理逻辑和分析哲学的奠基人戈特洛布·弗雷格（Gottlob Frege）认为，在语言分析中始终要把心理因素和逻辑因素、主观因素和客观因素进行明确区分，语词的意义分析需要结合特定的命题或语境，且不能忽视（抽象的）概念与（具体的）对象之间的区别[16]。科学概念创新作为一种语言活动和表达行为，是科研人员对科学技术活动的理性认知，是人的主观思想和科学实践活动相结合的产物，受到科研人员的主观性和科学技术的客观性的综合影响[17]。

2.1 科学概念创新的主观性

科学概念是科研人员作为认知主体，以高度概括的形式抽象反映客观世界。科研人员提出新的科学概念、科学理论和科学发展规律，是科研人员对科学技术的新认识，是科研人员大脑的思维和决策活动结果，带有鲜明的主观性特征。

主观性作为创作主体在群体中的特殊表现，强调创作主体在认知和实践过程中的知觉能力、形成概念的能力和使用符号的能力等因素的综合作用。通常而言，主观性具有3方面特点：第一，认知活动的自我性、能动性。认知活动带有显著的个人特色，在一定程度上具有不可公度性[18]，即不同人的认知活动没有可以复制或类比的框架、不同人可能会对同一概念及其内涵产生不同的理解。这如同英国物理学家和科学哲学家迈克尔·波兰尼（Michael Polanyi）提出的隐性知识概念[19]。迈克尔·波兰尼将知识分为显性知识和隐形知识，隐性知识是高度个体化、认知相对比较复杂且难以编码及沟通共享的知识，特指个人头脑中掌握的经验、技能和思想等因人而异[20]。第二，认知活动的创造性、超越性。创造性描述两件事物之间的关系，如认知及其认知对象，其中一样超过另一样或外在于另一样。认知对象可以是存在于客观环境界的东西，也可以是超越感觉的东西，还可以是超越世界的存有物。认知活动是充分发挥人的主观能动性的结果，源于现实，又高于现实。认知的创造性也暗示两事物之间是不连贯或断层的。第三，认知活动的自由性、随意性。这可能会带来认知活动的可错性，因为没有正确认识客体而导致错误。

在科技创新驱动下，当科学技术发展到一定阶段、新知识积累到一定程度，将导致新的科学概念的产生，这是科学概念创新的一种理想情景。然而在个人情感偏好、加强话语权或争夺利益等主观因素影响下，不同领域的科研人员通过充分发挥个人主观能动性，对相似的科学技术内涵进行抽象化，创造出相似或彼此联系的科学概念。例如，research front、frontier research area、emerging research domains,emerging research area等[21][22]，disruptive technology、revolutionary technology、radical technology等[23]，interdisciplinary、multidisciplinary、cross-disciplinary等[24]。

2.2 科学概念创新的客观性

科学概念创新是科研人员在现有科学技术的基础上，根据个人实践经验总结现有研究框架并设想未来发展走向的一种理性认知。现有科学技术是客体，是一种客观存在。客体不仅是具体的物质性实在（如遗传物质DNA），也可以是非物质的精神性实体、关系性存在（如万有引力定律）。客观具有客观性，即外在独立性、知识的真理性和逻辑性。

客观性主要有两层含义：第一，从客体方面说，客观性指客体对于主体的外在性、独立性。由于客观外界环境或创造环境的不同，用同一物理符号表征的科学概念可能具有截然不同的内涵，从而产生一词多义的现象，即语境敏感性[25]。第二，从主体方面说，客观性指主体对客体的认知是经过实践检验为正确的、符合客体实情的、真理性的，是能够揭示事物本来面目、本质和规律的认知，不依赖于任何人的一时想法。从客观本质上来说，创新的科学概念和原有的科学概念具有一定相关的理论方法和认知基础。

受到“因人而异”的主观性因素影响，科学概念创新的现象非常普遍。但是，科学概念的生命周期有长有短，科学概念的生命力受到一些客观因素的影响。比如，新的科学概念是否概括了原有概念无法概括的现象，是否提出了原有概念没有涉及的思路。

3 科学概念创新的主客观影响因素及其作用机制

从认知论的角度出发，科学概念创新本质上是一种科学抽象活动和思维过程，是人脑对历史资料、所处环境等客观外界信息的获取和加工，在一定心理结构和规则操作下，对贮存的和外来的信息按照认知主体的意志进行调用、改组和重新构建的过程，涉及逻辑思维、形象思维、灵感思维等主观思维途径[15]，用于表达思想、证明真理。科学知识的真理性通常还需要在认识和实践的反复循环迭代中接受考验并进一步发展。

3.1 主观影响因素

人类认知世界、反映客观存在的思维方式主要有感知思维、逻辑思维、形象思维和灵感思维等。感知思维是一种初级的思维方式。在人们认识世界初期，只是把感性材料组织起来并形成有条理的感性认识。人对客观事物的认识一般需要经历从感性认识到理性认识两个阶段。理性认识是感性认识的高级发展阶段。在科研人员从事概念创新的科学抽象活动中，需要运用逻辑思维、形象思维和灵感思维等方式获得普遍的、一般的和本质的认识，实现感性认识到理性认识的质的飞跃。而新概念的提出及其发展，更是离不开综合性、集成性的创造性思维。

3.1.1 逻辑思维

逻辑思维，又称抽象思维，是以感性认识为基础，运用科学概念、科学判断、科学推理等方式透过表象或意象、抽取本质的思维方式，包括形式逻辑、数理逻辑和辩证逻辑等[15]。逻辑思维舍弃事物的个别形态，精确、系统和有条理的概括出同一类事物的本质属性，具有连续性、严密性、规范性的特点。

逻辑思维是人类智力和神经系统发展到高级阶段的产物。爱因斯坦认为，“科学家的目的是要得到关于自然界的一个逻辑上前后一贯的摹写。”从奥裔英国科学哲学家卡尔·波普尔（Karl Popper）的著作《科学发现的逻辑》[26]来看，逻辑思维能力也是科研工作者研究素养的重要标志。

3.1.2 形象思维

形象思维，又称直感思维，是在认识过程中对表象或意象进行取舍和重构，通过想象、联想、类比等形式，具体、直观、生动地反映客观事物基本特征的思维方式[15]。形象思维以个别形态表现同类事物的共同特征，具有形象性、概括性、创造性和艺术性的特点，在文学艺术和科学技术中广泛应用。

通常而言，利用逻辑思维对已有科学知识进行归纳和演绎常常难以摆脱原有的科学研究范式，而形象思维是新概念产生的重要机制。例如，法拉第凭借想象力，用生动直观的磁力线来刻画磁场，并在此基础上提出了“电磁场”概念；“信息高速公路”概念也是综合形象思维的产物。

3.1.3 灵感思维

灵感思维，又称顿悟思维，是在意外的刹那间、突然涌现的使冥思苦想的问题得到瞬间解决和直接判断及理解的思维方式[15]。灵感思维是一种非逻辑的思维过程和无意识智慧，是显意识和潜意识互相交融的结果，可视为隐性知识的迸发，具有突然性、偶然性、独创性、模糊性的特点。灵感思维在科学研究中起着重要的革命性作用，是科学发现和技术发明过程中的先导、桥梁和触媒。灵感思维的模糊性和逻辑思维的精确性的有机融合，可为科研人员开展科学研究提供强大的认识工具。

灵感和直觉是灵感思维的两种主要形式，受到科学巨匠爱因斯坦的盛情赞美。我国著名科学家钱学森和波普尔、库恩等科学哲学家也极为推崇灵感。国学大师王国维以形象思维描绘了灵感产生的3个阶段：“古今之成大事业、大学问者，罔不经过三种之境界：‘昨夜西风凋碧树。独上高楼，望尽天涯路。’此第一境也。‘衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴。’此第二境也。‘众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在，灯火阑珊处。’此第三境也。”[27]也就是说，灵感的产生，首先需要站在高处提出问题，即使经历质疑、无人同行；然后需要对问题进行长时间的辛苦思索却仍不得其解；最后在某个不经意间灵感就会突然到来，使问题得到瞬间解决。直觉作为灵感思维的另一种表现形式，受到当代决策心理学家、德国马克斯·普朗克人类发展研究所格尔德·吉仁泽（Gerd Gigerenzer）的大力宣扬，其认为直觉是基于个人经验和价值观总结出的简单且有启发性的经验法则构成的适应性工具箱根据实际决策情景调动而产生的合理决策[28][29]。从灵感和直觉的思维产生过程来看，通常两者都严重依赖丰富的经验和长期的信息积累，是对辛勤的科学思维活动的奖赏，往往需要依靠实践去激发、在充足的大脑信息网中去捕捉。

3.1.4 创造性思维

创造性思维，又称创造思维，一般指开拓领域新认识的思维形式。创造性思维具有高度的综合性和集成性，是集中概括了逻辑思维、形象思维和灵感思维等各种思维方式的精华后反映出的整体思维成果，其本质特征是新颖性和开创性[15]。创造性思维是创新的关键和核心所在，新概念的提出和发展离不开创造性思维。

创造性思维具有逻辑和心理两重性。一般来说，逻辑思维因为其连续性和严密性而缺少突破性，而形象思维和灵感思维因为其概括性或模糊性存在不同程度的随意性而可能导致认知错误。由于创造性思维是各种思维方式综合运用的结果，凝聚了各种思维方式的优势和精华，既具有逻辑思维的严谨性，也具有形象思维的生动性，还具有灵感思维的创造性、超越性，在科学研究活动中具有很高的价值。正如我国科技情报先驱者包昌火认为“创造性思维过程包含直觉的洞察和灵感的迸发、想象的发挥与模型的构想、类比的跨接与思路的外推、归纳的概括与假设的试探、演绎的联接与溯因的沟通、分析的还原与综合的归纳、反馈的利用与控制的运筹，最后通过不断的试错与逼近，形成新的概念框架和理论体系”[30]。在很大程度上，创造性思维是引导新概念、新方法、新设计、新决策、新理论、新思想等产生的思维机制[31]。

3.2 客观影响因素

人的感觉、知觉、概念、范畴、规律和全部科学认识都是客观存在的反映，都是自然界的现实事物和现实过程的复写。科学概念创新的思维过程也是对历史资料、外界环境和科学发展规律等客观存在的概括性反映。

3.2.1 历史资料

存在于各种载体（如书刊、电子存储媒介、光盘等）里的历史资料里的数据和信息，如国内外期刊、会议论文、学位论文、专利、标准等科技文献资源里记载的理论、假说、概念、规律、方法和事实等及其概括反映的客观世界的本质，是影响科学概念创新的客观因素。唐朝著名诗人杜甫在《奉赠韦左丞丈二十二韵》里提出：“读书破万卷，下笔如有神”。科学巨匠牛顿曾说：“如果我比别人看得远些，那是因为我站在巨人们的肩上。”当代德国决策心理学家格尔德·吉仁泽也表示：“对新领域的任何一种探索都必须建立在前人探索的基础之上，并借鉴当代有关专家的知识和经验。”[32]这些证据表明，新的科学概念基于传统科学概念的总结、拓展、延伸甚至颠覆，是建立在传承前人先贤和借鉴当代专家研究成果的客观基础之上。

3.2.2 外界环境

概念创新的人类机体总处于一定的环境之中，人的思维活动和行为既受到机体本身的影响，同时也是适应外界环境的结果。穆荣平等研究表明，杰出科学家通常在一流的学术环境中成长起来，其涌现表现出较强的群落效应和明显的师承关系[33]。

外界环境包括物理环境和文化环境。一方面，人类的认知过程总是受到所处时代和环境的发展水平、尤其是科学技术的发展水平的限制；在不同的科技发展阶段，人的心智分别被类比成火漆、机器、电话交换台和计算机软件。另一方面，科研人员所处的国家体制、社会机制、历史、经济、政治和教育等文化环境因素，也深刻影响着科研人员的思维方式。实验哲学研究表明，不同文化、不同经济地位、不同教育背景的被调查人群，在考虑同样的知识论问题时有不同的理解[34]。理查德·尼斯比特（Richard Nisbett）等心理学家在21世纪初的跨文化心理学研究中表明，东方人和西方人在感知、注意和记忆等重要认知环节方面存在系统性差异，不同文化和思维方式将影响人的语义直觉。德国马克斯·普朗克人类发展研究所的Machery Edouard和3位美国语言哲学家受此启发，基于问卷实验调研对和专名指称问题相关的语义直觉进行了测试，认为中国人普遍持有整体性、关联式的思维方式和描述性直觉，而西方人普遍持有分析性、因果性的思维方式和“因果-历史”直觉[35]。

此外，外界环境对科学概念创新的客观影响也体现在同样的术语可能因语言表达环境或研究创造环境的客观差异而具有截然不同的内涵，比如“普朗克”在不同的环境中分别表示一个人或测量尺度。也就是说，不同的科研人员可能在各自外界客观环境影响下使用同一术语表达不同概念内涵。

3.2.3 科学概念发展规律

科学概念的形成需要一个孕育和精确化的发展过程。事物发展总是量变与质变、渐进与革命、连续与间断、肯定与否定的辩证统一。基于研究对象的科学抽象活动往往也不是一蹴而就，而需要经过曲折、反复、螺旋上升的多次思维创造过程。毛泽东同志在《实践论》中写道：“实践、认识、再实践、再认识，这种形式，循环往复以至无穷。”

随着科学的发展，同一概念的内涵和外延有可能会发生动态变化并不断发展，逐渐出现更高水平的概括。1777年，法国化学家拉瓦锡首次提出“氧化（Oxidation）”的概念，指物质和氧通过化学反应结合。此后的一个多世纪里，随着化学知识的不断增长和逐渐深入，“氧化”这个专业术语的概念内涵也在不断拓展，不仅包括物质同氧化合，而且包括物质失去氢，还被一般的定义为元素失去电子[36]。科学家在长期、丰富的实践基础上，运用各种逻辑方法对科学概念雏形进行反复的推敲和琢磨，可进一步将初步概念发展成深刻概念。正如德国著名物理学家、量子力学的重要创始人之一马克斯·普朗克所说：“在科学史中，一个新概念从来都不会是一开头就以其最完整的最后形式出现的，象古希腊神话中雅典娜一下子从宙斯的头里跳出来那样，都将经历曲折的发展过程”[37]。

4 科学概念创新的形成过程和最终目标

综合科学概念创新的主客观影响因素，作为一种创造性思维活动，科学概念创新的产生和形成过程可总结为4个发展阶段：

（1）科学问题提出阶段。科研人员通过资料积累和知识获取提出新的科学问题，从而导致对于新的理论或方法的追求。新问题可能源于新的科学研究发现或是旧理论的缺陷。虽然在这个阶段认知主体还不确定新理论或新方法的具体特征和基本规律，但是为新理论的选择机制准备了明确的评价准则。

（2）试探性解答阶段。科研人员采取各种方法，制定策略、构思框架、建构模型、考虑方案，对问题进行各种试探性解决。在这个阶段，认知主体集中注意力对新的科学问题进行思考，不时有一些解决方案浮现出来，但因为不完全满足新理论的评价遴选机制而被否定。经历长时间思考和多次信息搜索，不仅提高了正确答案的评价值，在思考中得到的不完全正确答案也使问题需要解决的核心更为突出。

（3）新概念明朗阶段。科研人员萌发出正确答案并继续酝酿和形成较系统、完整的新概念雏形。在这个阶段，前期有意识的思考不断逼近正确答案，使得认知主体在显意识和潜意识间，由于外界环境的触发或大脑内部思想火花的激发，经常出现灵感和直觉，表现为认识发展过程中的质的飞跃。

（4）新概念验证和修正阶段。科研人员对明朗阶段获得的新概念雏形运用逻辑思维或实验手段进行验证和证明，对灵感思维结果的真伪进行科学的分析与鉴定，收敛创新的风险和不缺定性，进一步修正和完善以形成最终理论产品。最终形成的新科学概念及其凝缩的科学原理通常既有理性的创造性思维活动作为其创新的基础，又有经验事实作为其归纳概括和逻辑完备性的基础。随着新概念及其理论产品的公开发表与交流，其他研究人员的关注和反馈、相关研究成果和技术发展也将持续促使新概念进行改进和完善，从而体现科学概念的发展规律。

一般来说，科学概念创新的最终目标应是开创一种科学研究范式。美国物理学家和科学哲学家托马斯·库恩在《科技革命的结构》中指出，能称为范式的研究具有两个基本特征：范式研究取得的成就，一方面空前吸引了一批坚定的拥护者脱离与之相竞争的其他科学活动模式，另一方面也足够无限制为重新组成的一批实践者留下一些有待解决的问题[38]。科学研究范式需要形成对应的科学共同体，也离不开科学共同体的共同建设，而成熟的科学研究范式是包含定律、理论、原则、价值和方法等的综合体系。可以理解的是，比科学概念创新更为艰难、复杂、费时、费力的科学工作，是如何用新的科学概念来影响更多的研究人员形成科学共同体，并将其逐渐发展成一个成熟的科学研究范式从而赋予新科学概念更长久的生命力。这个过程往往不仅受科研人员个人、科研团队和科研机构层面的影响，还受科研管理机构、国家层面的综合影响。

5 总结与展望

科技创新是科技发展的核心驱动力。除了技术创新实践成果，创造性地提出一个新的科学概念也能推进科学发展。面对层出不穷的科学概念和我国重大原创性科学理论、原创思想相对缺乏的问题，本研究在智库双螺旋法的指导下，首先基于问题解析法界定了科学概念创新的定义和意义，分析了科学概念创新的主观性和客观性，并进一步分解了影响科学概念创新的主观因素和客观因素，然后融合各影响因素对科学概念创新过程进行了归纳演绎，总结出科学概念创新过程需要经历“科学问题提出-试探性解答-新概念明朗-新概念验证和修正”4个发展阶段。研究认为，科学概念是科研人员基于历史资料，在外界环境影响下，遵从科学概念发展规律，在严谨的逻辑思维、生动的形象思维和突发性的灵感思维综合作用下的科学抽象产物。综合性、集成性的创造性思维是科学概念创新的关键。科学概念的生成和创新是科研人员创造性思维活动和客观存在两者的完美结合，是一个需要在实践中不断观察、思考、假设、求证和归纳的复杂过程。而科研人员从事科学概念创新活动的最终目标应是形成具有一定规模的科学共同体，继而开创出一种成熟的科学研究范式。

致谢：特别感谢中国人民大学哲学院刘永谋教授对本研究的指导。