大科学的技术创新范式及演化动力分析.pdf
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1、大科学的技术创新范式及演化动力分析战略与决策大科学的技术创新范式及演化动力分析张毅,闫强1(1.北京邮电大学经济管理学院,北京100876)摘要:以演化动力学视角对主要国家和地区的大科学演化过程进行分析,提出大科学技术创新的主要条件、范式及动力机制。研究发现:外部压力、规模投入、适度聚集、有效组织、基础理论和技术的准备是大科学的高效创新的主要条件;大科学的技术创新存在组合创新、颠覆式创新和需求拉动创新3种主要范式;不同国家和地区的要素票赋、大科学投入水平、技术创新方式的相互作用,形成美国、中国、欧洲、日本以及原苏联等的演化路径。研究结论进一步深化了大科学的技术创新理论,对中国的大科学建设及新型
2、科技举国体制具有比较重要的实践意义。关键词:大科学;创新范式;演化动力;大规模创新;科技举国体制中图分类号:G315文献标识码:A文章编号:1 0 0 5-0 5 6 6(2 0 2 3)0 6-0 0 0 1-2 5Analysis of technology innovation paradigm andevolutionary dynamic of big scienceZHANG Yil,YAN Qiang(1.School of Economics and Management,Beijing University of Posts and Telecommunications,Be
3、ijing 100876,China)Abstract:This paper studies the evolution process of dfferent types of big science from the perspective of evolutionarydynamics,analyzes the internal and external driving forces of technological innovation of big science,and thenestablishes the innovation paradigm and dynamic mech
4、anism model of big science.It is found that large-scale andintensive resource investment,effective organization,preparation of basic theory and technology,and strong externalpressure are the preconditions for efficient innovation of big science;There are three main paradigms in the technologicalinno
5、vation of big science:realizing the scale efficiency of technological innovation through multi-path exploration andsystematic organizational division of labor,promoting the emergence of disruptive innovation through fierce collision andfull communication in multiple frontier fields,promoting the ind
6、ustrial incubation of new technology and extremetechnological demand through a large number of industrial demand;The economic development level of differentcountries and regions,the investment level and innovation mode of big science and the promotion of big science toindustry and economy have evolv
7、ed into different models of big science and industrial economic development.Amongthem,Silicon Valley is a model of common prosperity of big science,technology and industry.The research conclusionfurther deepens the innovation theory of big science,and has important practical significance for Chinas
8、big scienceconstruction and the national system of new science and technology.Key words:big science;innovation paradigm;evolutionary dynamic;large scale innovation;national system of scienceand technology收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 3修回日期:2 0 2 3-0 5-1 5基金项目:国家社会科学基金重点项目(1 7 AGL026)。作者简介:张毅(1 9 7 8 一),男,江苏徐州人
9、,北京邮电大学经济管理学院博士生,研究方向为创新管理。通信作者:闫强。2中国软科学2 0 2 3年第6 期大科学对于提升国家整体科技实力、突破关键核心技术、保障国家战略安全以及经济的可持续发展都具有重要意义 1-4 。自2 0 世纪4 0 年代以来,曼哈顿计划、雷达工程、阿波罗计划等系列大科学的成功为美国取得巨大的战略优势,推动美国科学研究和大学快速崛起,催生核能、宇航、卫星通信、计算机等一系列技术和产业,孵化一批以硅谷为代表的高科技创新中心,为美国的长期繁荣奠定了坚实科技基础 5-6 。中国的大科学建设也由两弹一星向太空探索、粒子物理、生物、气候变化等领域全面展开,探索并形成了具有中国特色的
10、解决重大核心技术的科技举国体制和方法 3-4 1 。同时,由于大科学投人巨大,对经济社会也存在极高的成本和不确定性。1 9 9 4 年,欧洲核子研究中心(CERN)开展大型强子对撞机项目,涉及2 5 0 多个研究所和企业以及2 30 0 多名物理学家和工程师 8 美国耗资上百亿美元的攻克癌症计划、挑战者号航天飞机以及日本高清晰模拟电视系统、第五代计算机等项目均由于不同原因宣告失败;原苏联在核物理及航空航天等领域大量投人,虽然取得了战略和科技优势,但也造成原苏联经济结构严重失衡,并最终导致经济和社会的崩溃 。可见,大科学建设同时具有高投人、高收益和高风险的特点,如何充分发挥大科学的技术创新优势,
11、解决关系国家战略和经济发展的关键核心技术,并尽量降低和避免大科学的风险和不足,对于新型科技创新举国体制建设至关重要。Pricel101提出大科学的规模扩张以及知识的指数增长以来,大科学技术创新就一直备受关注。目前对于大科学技术创新的研究主要从技术创新、组织模式、创新生态等方面展开:技术创新研究主要分析大科学对颠覆式技术突破的加速1-1 、技术创新的规模增长和扩散(6.1 3-1 4 1 以及关键核心技术的后发追赶 1 2.1 5 ,并通过大科学的投产出分析大科学的技术创新与转化 1 6-1 7,但对于大科学中创新要素的相互作用及创新机制缺少分析。组织模式研究通过不同组织形式的案例研究,以三螺旋
12、理论分析政府、大学、企业等不同主体的合作与互动,从而实现知识的创造、转化和应用 1 8 ,但三螺旋理论主要通过美国硅谷等区域产学研合作的研究而提出,对于科技水平较低的后发经济体缺乏解释力。可见,组织模式理论对于大科学技术创新研究由科学和技术等创新要素分析深人到组织层面,但仍然没有解释大科学创新的组织动力机制。创新生态研究以生态演化的理论视角,分析科研机构、产业、市场等要素和主体组成的网络系统及其演化,并提出大科学推动形成类似硅谷的产学研共同繁荣的生态体系1 6 1.0-2 0。创新生态通过不同创新要素和主体之间的关系研究,进一步深化了技术创新和组织模式研究,但也没有明确大科学的创新要素相互作用
13、以及大科学的技术创新与产业孵化机制6 ,尤其是大科学技术创新的规模效率、颠覆式创新以及对产业孵化和升级的动力机制,因而很难解释类似硅谷的产学研繁荣以及其他国家和地区大科学的不同演化路径,仍然需要对大科学的创新要素、组织模式、外部资源之间的动力机制进行系统性分析。本文以演化动力学视角,通过对主要国家和地区大科学演化过程的对比分析,提出大科学技术创新的主要条件以及范式,构建大科学技术创新的系统动力机制,进一步完善大科学的技术创新理论,对中国大科学建设及高水平科技创新具有重要的实践意义。一、文献回顾(一)大科学的概念与内涵大科学概念最初主要用来描述曼哈顿计划等工程的规模庞大、投入巨大、人员众多,以及
14、科学研究的工业化趋势并以知识指数规律增长 1 0 ,但对于大科学的内涵并没有明确的界定,大科学的概念被广泛用在从核武器研究、太空计划、粒子加速器、人类基因组计划等生物基因工程、天文望远镜、大型产业计划等系列大规模研究项目、基础设施以及产业计划 2,7,2 1-2 2 。聂荣臻元帅在两弹一星等战略工程研制过程中开创了中国大科学的现代组织管理,并提出大规模科学技术工程的概念;钱学森院士进一步从研制目的和系统复杂性等方面阐释大规模科学技术工程的内涵,提出大规模科学技术工程对国家安全和国际地位的重大影响 2 3-2 4 。从大科学的演化历史看,大科学在二战及冷战期间的高能物理以及太空探索项目主要为了战
15、略作用,冷战结束后转向高新材料、分子生物、生命科学等前沿创新领域 2 5 ;从大科学的功能大科学的技术创新范式及演化动力分析战略与决策与目的看,美国与原苏联主要为了战略竞争 9.6 ,欧洲、日本、中国主要为了科学探索和产业技术创新(6.2 1 。可见,从系统工程的角度看大规模科学技术与大科学的内涵基本相同,大科学主要是通过大规模工业化的科学研究实现国家战略、科学探索、产业发展的大型科技创新工程。本文将采用该概念内涵对大科学界定,并分为战略型、科学型与产业型3种类型,进而对不同类型大科学对比分析。(二)大科学的技术创新大科学的技术创新主要从技术创新、组织模式和创新生态3个理论视角展开。技术创新视
16、角主要是对大科学的不同技术创新模式进行研究。大科学通过创新资源聚集快速提高技术创新水平,加速核武器、雷达、航空航天、半导体制造等核心技术的突破皮 2,7,1 1-1 2,2 1 ,以及通过关键核心技术创新过程中相关技术的大量创新,形成大科学的非核心技术及衍生技术的创新与扩散 1 3。在后发经济体的技术追赶情境下,大科学还成为计算机、半导体、高铁技术等产业技术的主要追赶模式 7.1 2,2 1。可见,大科学既加快重大创新的突破,又由于大量技术的组合 2 7 ,在创新过程中涌现大量衍生技术。组织模式视角主要是通过对美国的大学与军工复合体 3.1,2 6 、日本的产学研政 2 1 原苏联的国家集中式
17、科研体系 9.1 、中国的科技举国体制 7.1 5.2 8 、欧洲的大科学国际合作 2.2 1 等案例研究,进一步从组织层面分析大科学技术创新的大规模组织机制,提出大科学的有效组织促进不同创新主体之间的频繁交流、分工合作和知识扩散,从而推动颠覆式创新的产生以及提高整体协同性与创新效率,并进一步提出三螺旋理论,认为产学研的不同合作创新主体之间的互动,实现了科学、技术与创新的转化与应用 1 8 ,但组织视角仍然没有对主体之间的动力机制进行分析。创新生态视角主要是以生态演化视角对大科学创新的不同要素和主体构成的复杂系统进行分析。由于大科学具有显著的组织复杂性和技术复杂性 1 9 ,同时具有集成性、开
18、放性和协同性,形成不同创新主体的创新生态 2 0 。黄振羽 进一步提出美国大科学的大量聚集催生了产学研共同繁荣的生态体系,并从不同主体之间的互惠关系分析产学研的合作创新,但仍然无法解释整个生态繁荣的机制。可见,目前研究对于技术创新的内在机制探讨由创新要素向组织模式以及创新生态逐步深化,大科学通过大规模资源投人和有效组织,加快科学向技术的转化和核心技术突破的速度,并带动产学研的共同进步和生态繁荣,但对于大科学中大规模的创新要素的相互作用以及技术创新的产生机制还缺乏深人分析。(三)大科学的动力机制除了对大科学技术创新的创新模式、组织模式以及创新生态等视角的研究,目前大科学的动力机制研究主要分析大科
19、学技术创新的经济社会等外部影响:美国大科学推动产学研相互促进和共同繁荣,带动了硅谷及波士顿1 2 8 公路附近地区高科技产业的繁荣 6.1 4 ;日本半导体企业的联合创新计划促进日本半导体产业世界领先的地位 2 1 ,并在九州岛地区形成半导体制造、材料和设备产业的聚集【30 ;中国的高铁企业通过产学研的合作创新,加快核心技术的后发追赶,获得世界领先的竞争优势 1 2 。目前,多数研究认为大科学通过资源的密集投人提高创新效率 3,然而大科学的巨大投人也给国家和社会带来巨大的负担和风险,美国超导超级对撞机由于不断增长的巨额费用而不得不取消 2 6 ,日本高清电视、超级计算机等大工程投人最终失败 3
20、0 ;原苏联由于在核科学和航天技术的巨大投人,虽然在相关领域形成较强的竞争力,但对经济和社会造成沉重负担 9 。因而,大科学的技术创新能有效促进产业升级和经济增长,同时其大规模投入也对经济社会产生重大影响,过度投资甚至抑制了经济社会的健康发展,但目前研究缺少大科学的技术创新与产业升级和经济发展之间影响机制的深人分析,即通过大科学技术创新的内外部因素的交互作用的系统性研究,进而分析大科学与产业经济的整体演化机制二、研究设计(一)研究方法以演化动力学视角,结合访谈和二手数据分析的方法,对主要国家和地区的大科学演化过程进行对比研究。由于大科学具有超大规模、复杂性和整体性,综合访谈及各种公开数据分析可
21、以4中国软科学2 0 2 3年第6 期形成对研究对象的全面和系统的认识,并以量化数据对构念进行测度,提高质性研究的可信度 31 ;采用半结构化访谈对部分大科学工程情境恢复和补充,并对各方材料进行“三角验证”32 ;采用演化动力学对大科学技术创新进行结构化分析,逐步形成大科学技术创新的系统动力理论,进一步提高了质性研究的严谨性 33,并对建立的大科学演化动力模型进行实证检验和仿真分析。(二)数据收集主要数据来自访谈以及各种二手数据,共收集不同领域的典型大科学样本39 7 个,全面和系统构建了大科学技术创新的数据库。如表1 所示,一手资料包括中国科学院高能物理所、中国信息通信研究院、国际商业公司(
22、IBM)、诺基亚(原贝尔实验室)、华为等大型研究机构和企业共计1 2 位研究人员的半结构化访谈;二手数据包括美国、中国、欧盟(英、法、德)、日本、原苏联(俄罗斯)等主要国家和地区的大科学建设及管理机构的公开资料,主要学术期刊关于大科学的研究文献,以及典型大科学的研究专著。表1主要数据来源说明资料类型资料来源内容高能物理所(2 名)、信息通信研究院(3名)IBM(2 名)、诺2019一2 0 2 2 年,对两弹一星、SAGE、中国3G等重要项目研发访谈基亚(2 名)、华为(3名)共1 2 位研究人员过程进行情景恢复和相关二手数据核实美国:能源部、国家航空航天局、国防部、国防高科技研究局、主要国家
23、和地区的典型重大工程建设的数据及文件,包括曼哈国家科学基金会、国家卫生研究院、海洋大气管理局、地质调顿计划、MIT雷达、人造卫星、载人航天、国际空间站、载人登查局;中国:科技部、教育部、国家发展改革委、国家自然科学月、两弹一星、集成电路、超级计算机、大型强子对撞机、粒子加公开资料基金委;欧洲:科研基础设施战略论坛、欧洲宇航局;英、法、速器、散列中子源、伽利略计划、核聚变计划、卫星探测计划、望德主要科技管理部门;原苏联(俄罗斯):教育科学部、科学远镜计划、石墨烯、人类基因组、人脑计划、全球气候变化等不院、国家原子能集团公司;日本:文部科学省、经济产业省同领域的大科学工程,以及各国家和地区的大型科
24、技计划主要中文核心期刊关于大科学的研究文献1 35 篇,检索截止时知网(关键字:大科学、大规模创新、重大工程)间为2 0 2 2 年1 2 月1 7 日学术文献WOS(关键字:big science,large scale innovation,mega pro-主要外文学术期刊关于大科学的研究文献2 7 1 篇,检索截止时ject)间为2 0 2 2 年1 2 月1 7 日关于典型大科学工程及研究机构的专著共2 2 5 本,包括曼哈顿、MIT雷达、阿波罗登月、两弹一星等典型大科学工程以及林肯专著实验室、贝尔实验室、卡文迪什实验室、理化学研究所等研究机构的相关研究(三)数据处理通过对主要国家和
25、地区的大科学数据梳理,对比分析不同国家和地区大科学的发展和演化过程,进一步分析不同类型大科学的演化路径、技术创新、扩散路径以及对产业和经济发展的影响,如图1 所示。逐步浮现大科学技术创新的系统动力机制、主要条件及创新范式,其中理论的发现和形成,与数据的收集和分析不断迭代直至理论饱和。半导体硅计划制造业扩展伙伴计划国家纳米计划芯片及科学计划产业型大科学钢铁、化工、电气等重点工程超大规模集成电路计划微电子、通信、信息技术战略计日本系列科技及创新计划产业技术创新电子器件晶体管半导体小型计算机个人计算机互联网智能终端人工智能高新技术产业广播电视移动通信光纤传输GPS新材料生物制药需求拉动路径2技术扩散
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