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跨學科思想建設

 鈴兒響叮當 2006-09-18
   現(xiàn)代科學的學科發(fā)展正處于高度發(fā)散與高度聚合相伴共生的特殊時期,跨學科研究則是學科聚合的具體體現(xiàn)??鐚W科研究是指科研主體在科學分化的基礎上,打破不同學科之間的界線、跨越不同研究領域而進行的一種科學創(chuàng)造活動,是解決復雜的科學技術問題和社會問題而達到不同學科相互滲透的一個重要手段[1]。一般情況下,科學研究的跨學科性主要體現(xiàn)在兩個方面:一是由于研究對象具有高度復雜性和綜合性,任何單學科都難以完成研究任務,而必須依靠多學科的交匯、融合才能揭示復雜現(xiàn)象的本質;二是研究主體運用的研究方法具有高度的集成性和相互借鑒滲透的重要特征。相對于傳統(tǒng)的研究模式,跨學科研究在解決經(jīng)濟建設和社會發(fā)展重大綜合性問題的過程中具有越來越明顯的優(yōu)勢,引起了科學界的廣泛關注。下面我們以火災科學、體育科學、海洋科學等跨學科研究領域作為例證進行分析,以期揭示出跨學科研究的規(guī)律性。
一  現(xiàn)代科學聚散共生的特征:跨學科研究的前提
   跨學科研究活動早在17、18世紀就已開始萌芽,當時主要集中在科學史研究和科學分類研究等少數(shù)幾個領域,屬于初級的、自發(fā)的發(fā)展階段[2]。但是到了20世紀60年代,跨學科研究得到了突飛猛進的發(fā)展,并受到了科學界的極大重視,這絕不是偶然現(xiàn)象,而是由現(xiàn)代科學學科發(fā)展聚散共生的重要特征決定的。目前,現(xiàn)代科學正處于高度分化和高度綜合相伴共生的新時期,一方面,由于先進實驗技術和精密觀察工具的出現(xiàn),人類對客觀物質世界和主觀思維領域都有了更加深刻的認識,科學分化也因此而越來越細,形成了包含數(shù)千門學科的龐大知識體系;另一方面,由于客觀世界與各門學科間相互聯(lián)系和相互轉化的復雜性、科研方法的多樣性以及科研目的的綜合性,人類逐漸認識到,依靠單一的學科知識體系,無法更深入揭示研究對象的本質特征,學科間的交叉、滲透和綜合成為一種新的必然趨勢。這種情況決定了很多重大的理論和現(xiàn)實課題必然具備跨學科特征,解決這些綜合性復雜問題不能僅僅依靠傳統(tǒng)的科學研究模式,而必須從不同的學科領域,運用不同的科學理論進行跨學科研究才能實現(xiàn)。因此,現(xiàn)代科學聚散共生的發(fā)展趨勢是跨學科研究的必要前提:科學發(fā)散為跨學科研究提供了多角度、多學科的視野,而科學聚合則為跨學科研究尋求具體的實現(xiàn)途徑?;馂目茖W由長期的緩慢進展到20世紀80年代的異軍突起充分表明了這一點。
   火災科學誕生于20世紀80年代,它是隨著現(xiàn)代科學技術的日臻完善形成和發(fā)展起來的,是一個新興交叉的工程科學領域。鑒于火災始終是生命安全和社會發(fā)展的巨大威脅,人類很早就試圖研究火災現(xiàn)象,以期進行有效防治。但長期以來,由于受到科學發(fā)散程度的限制,很多相關學科還遠遠不夠成熟,人們只能著重于研究和制造滅火的技術設備,制定各種消防法規(guī),而沒有能夠去深入地揭示火災發(fā)生的機理和規(guī)律,這樣就導致火災的防治工作停步不前。20世紀以來,隨著現(xiàn)代科學發(fā)散和聚合的趨勢進一步凸顯,與火災科學相關的各門基礎學科理論特別是燃燒學、科學計算技術、系統(tǒng)安全科學、非線性動力學、信息技術和宏觀與小尺度動態(tài)測量技術的日臻完善[3],人們?yōu)閺牟煌慕嵌妊芯繌碗s的火災現(xiàn)象搭建了多學科平臺,同時通過學科間的聚合滲透,跨學科研究火災過程具備了必要前提。
   火災科學橫跨基礎自然科學、工程技術科學以及人文與社會科學三大領域,它的跨學科性是火災現(xiàn)象復雜性的具體體現(xiàn)。在火災科學基礎理論中,火災發(fā)生和發(fā)展過程所產(chǎn)生的煙氣的成分及其對生物體的毒害機理一直是重要的研究對象。隨著新的裝飾材料和建筑材料的不斷出現(xiàn),建筑火災中產(chǎn)生了大量的有害氣體CO和HCN等。CO是一種窒息性氣體,它主要是通過和血液中的血紅蛋白Hb結合成碳氧血紅蛋白HbCO,使血液喪失正常的供氧功能,這就造成了生物的缺氧死亡。HCN與前者有所不同,它的毒害機理是同對生物體的氧化作用緊密相關的。生物體生命活動中最基本的供能方式是生物氧化,在這一過程中,存在于線粒體內膜的呼吸鏈發(fā)揮著至關重要的作用。HCN氣體在進入血液后迅速分解出CN-(氰基),它與呼吸鏈中氧化型細胞色素aa3的輔基鐵卟啉中的三價鐵離子Fe3+緊密結合,中斷了細胞色素氧化酶至氧的電子傳遞,組織細胞無法攝取血液中的氧,造成了需氧生物體的窒息[4]。對于有害氣體的毒性與毒害機理,我們就必須借助于化學動力學、熱化學和生命科學等學科的理論知識,進行跨學科研究才能實現(xiàn)。
同樣,在火災安全技術層面研究中的學科交叉性也十分突出。目前學術界廣泛關注的阻燃技術開發(fā)過程中,雖然所使用的無機或有機阻燃物提高了聚合物的阻燃性能,但排放出大量的有害氣體會造成環(huán)境污染,不符合智能化與潔凈化的滅火要求,而聚合物/層狀無機物納米復合材料則是一種既能起到很好的阻燃效果又不會造成環(huán)境污染的新型材料。納米復合材料是指將材料中的一個或者多個組份以納米尺寸均勻地分散在另一組份的基體中,在形成這種結構的同時,材料本身的性能也將發(fā)生很大的變化。如尼龍-6/蒙脫土(4.2%)納米復合材料的拉伸強度比純尼龍—6增加50%,而且聚合物的玻璃化溫度比純尼龍?zhí)岣呒s90℃[5],大大提高了材料的阻燃性能。材料化學與納米技術給阻燃材料的開發(fā)開辟了新的領域,提供了廣闊的應用前景。
   人文與社會科學在火災科學的研究體系中同樣起著非常重要的作用。由于火災的發(fā)生與防治是一個社會問題,與人類的活動密切相關,因此需要從人文科學、社會科學中汲取豐富的營養(yǎng),而同時人文與社會科學的成熟完善也為火災科學跨學科研究提供多種可能。如火災發(fā)生后,人員如何逃生是火災科學的重要課題之一,對于這個問題的研究主要就是基于災害心理學,通過建立各種場合下的火災逃生模型,來測試建筑物相對于緊急狀態(tài)是否合理以及探求人員疏散的最優(yōu)化策略。對于火災防治的管理模式需要吸收現(xiàn)代管理科學的前沿理論成果,運用管理  學的方法達到科學管理的目標。
  從以上分析中不難發(fā)現(xiàn),由于其研究對象的復雜性,火災科學研究涉及與諸多學科的相互交叉、滲透和融合,需要從不同學科領域中吸收和借鑒理論知識和研究方法,而現(xiàn)代科學聚散共生的發(fā)展趨勢使得這些相關的學科體系非常成熟與完善,為火災科學的跨學科研究提供了必要的條件和前提。

二  科學研究方法的移植再生:跨學科研究的手段
  科學方法的跨學科運用是自然科學歷史發(fā)展的必然[6]。從科學發(fā)展的歷史來看,如今已經(jīng)非常普遍和實用的如觀察、實驗和模擬等研究方法,最初也只是在某一門或幾門學科內創(chuàng)立和發(fā)展,經(jīng)過其他學科的借鑒移植,逐漸擴散到整個科學領域,成為通用的研究方法。由于跨學科研究的對象高度綜合,所涉及的學科理論種類繁多,從不同領域借鑒和移植成熟精致的研究方法能夠達到事半功倍的效果。對于從不同科學體系進行研究方法的移植再生,體育科學為我們提供了典型案例。下面通過對體育科學幾種重要的研究方法的描述,我們可以看出科學研究方法的移植借鑒對于跨學科研究的重要意義。
  體育的產(chǎn)生是一個長期孕育演變的過程,早在原始社會時期就已出現(xiàn)體育運動的初級形態(tài)。長期以來,競技體育的競爭性使得人們試圖對體育運動進行深入研究,盡管如此,具有真正意義上的體育科研卻直到20世紀初才開始萌芽。而作為體育研究的理論結晶,體育科學也直到20世紀中后期才取得了相對獨立的地位,形成一門具有特定研究對象、包括眾多分支學科的龐大知識體系??梢院敛豢鋸埖恼f,不同領域科學研究方法的移植再生在體育科學獨立化、科學化進程中扮演著不可或缺的角色,同時也成為其進行跨學科研究的重要手段。
   體育科學以運動著的人作為自己的研究對象,研究對象的自然屬性與社會屬性的雙重復雜性決定了其必然同時涉及自然科學、社會科學兩大科學門類,具有自然性和社會性的雙重特征,也決定了在體育科學的研究過程中必須從其他自然科學學科和社會科學學科移植借鑒并綜合運用多種研究方法。根據(jù)在感性認識與理性認識兩個不同階段中所使用研究方法性質上的差異,我們將體育科研方法劃分為感性認識方法(數(shù)據(jù)搜集方法)和理性認識方法(資料分析方法)兩大類型[7](圖1)。

⑴感性認識方法
感性認識方法又稱為資料搜集方法,目的在于為體育科研提供詳盡而精確的數(shù)據(jù)和資料,主要包括觀察法、實驗法、訪談法、文獻資料法、引文資料搜集法等。不難發(fā)現(xiàn),在感性方法中,有從自然科學學科中移植再生的研究方法,如實驗方法、觀察方法;同時也有從社會科學學科中借鑒滲透的研究方法,如文獻資料法、引文資料搜集方法等。其中,實驗方法在感性認識方法中占據(jù)著突出的地位,是運用最為廣泛的一種科學方法。
實驗方法包括人體實驗方法、動物實驗方法和教學實驗方法三種形式。早在20世紀初期,人們就廣泛使用近代實驗科學成果來開拓體育研究的新領域。近幾十年來,隨著生物化學實驗研究中的色譜儀、分析儀和電子顯微鏡等各種高分辨率的實驗儀器被引入體育科學研究中以來,體育科學的實驗設備在分析速度、數(shù)據(jù)處理以及檢測范圍等方面均達到了較高水平。實驗方法成功的跨學科運用使體育研究獲取了近代自然科學的精髓,并由一門“顯學”轉變成一門科學。
⑵理性認識方法
理性認識方法又稱為資料分析方法,它是在體育科研的感性階段中占有大量的原始數(shù)據(jù)和資料的基礎上對其進行分析和加工以建立體育科學理論的重要手段。體育科學在其創(chuàng)建初始階段移植借鑒如歸納法、演繹法、預測法、邏輯法、比較研究等多種理性方法,事實證明這對于尚還稚嫩的體育科學快速成熟有著非常重要的意義。近年來,體育科研的一個重要趨勢就是定量化分析的加強。隨著數(shù)學模型法、模糊數(shù)學法、數(shù)理統(tǒng)計法、回歸方程分析法等數(shù)學方法在體育科學研究中運用越來越廣泛,控制論、信息論、計算機仿真方法開始被滲透到體育研究中也成為可能,生成了如體育統(tǒng)計學、體育計量學、體育運動生物力學、體育系統(tǒng)過程、運動器材學等一批新興交叉學科,極大地促進了體育科學的發(fā)展。
從體育科學成功地移植再生其他學科研究方法的案例中可以得出結論,對于跨學科研究,借鑒和運用其他學科的研究方法往往可以省去在本學科體系內部從頭發(fā)展類似的方法,為跨學科研究提供有效的工具和手段。但是要值得注意的是,研究者不能把單學科的研究方法簡單地運用到跨學科研究中,而是要結合具體的研究領域,通過移植、滲透和綜合各種單學科研究方法,使之“再生”,并得到科學共同體內部的肯定和公認,達到它山之石,攻己之玉的目的。
三  T型研究主體的觀念碰撞:跨學科研究的動力
    美國科學學與情報科學家普賴斯(D.Price,1922-1983)曾在20世紀60年代提出“大科學”這一概念,指出隨著科學社會化和社會科學化的程度不斷加深,科學逐漸從“小科學”時代過渡到“大科學”時代。其中,大科學時代的一個突出特點是科研活動不再是分散的、單純的個人行為,已經(jīng)演變成為一種跨學科、聚焦型、多人員參加的集體性協(xié)作。另一個主要特征就是對科學研究主體提出了更高的要求,而具備“T”型知識結構的跨學科人才將會在這樣的時代起著核心作用。
    所謂“T”型知識結構是相對于“┃”“━”兩種類型而言的。“┃”型是指研究主體擁有深厚的專業(yè)背景知識,但是精而不博,知識面比較狹窄;與“┃”型相反的是,“━”型研究主體雖然具備廣博的知識,涉及面很寬廣,但是由于缺乏理論深度,因此很難在某個專門領域內取得突破性進展。“T”型則將兩種類型結合起來,橫向代表研究者具有廣博的一般文化知識、相關或邊緣知識;縱向代表研究者在某一專業(yè)領域知識的深度與層次。形成“T”型知識結構可以有兩種方式:一是個體研究者既在自己的專業(yè)領域內有著深厚的基礎和特殊的才能,同時對相關的領域又有比較全面的了解,具備開闊的科研視野和敏銳的洞察力。二是通過來自不同研究領域的專門人才組成具有跨學科性質的科研機構?!癟”型結構的研究主體包括個體研究者與研究團體都擁有跨學科特性的知識儲備,因此在進行跨學科研究過程中,他們思想觀念的碰撞比別人更容易產(chǎn)生智慧的閃光和創(chuàng)新的火花,從而形成跨學科研究持續(xù)的動力源泉。
⑴研究個體的知識儲備
任何一個認識主體都處于人類社會的背景中,背景化是科學認識主體的重要特征。不同文明形態(tài)的人類社會造就科學認識主體不同的哲學觀背景和不同的理論知識背景,科學史表明,那些善于對不同哲學形態(tài)及不同科學理論博采眾長、兼收并蓄的研究者可能會作出科研中的重大突破,我們從1901年到2000年這一百年間諾貝爾科學獎獲得者知識交叉背景分析中得到準確的驗證[8]。
我們以25年為一個時間段,分析具備知識交叉背景諾貝爾科學獎獲得者人數(shù)占整個諾貝爾獎獲得者人數(shù)的百分比。1901-1925年間,獲獎人數(shù)74人,交叉學科人數(shù)22人;1926-1950年間,獲獎人數(shù)88人,交叉學科人數(shù)34人;1951-1975年間,獲獎人數(shù)143人,交叉學科人數(shù)58人;1976-2000年間,獲獎人數(shù)161人,交叉學科人數(shù)79人。這四個時間段具備知識交叉背景諾貝爾科學獎獲得者人數(shù)占整個諾貝爾獎獲得者人數(shù)的百分比分別為29.73%、38.64%、40.56%和49.07%,呈現(xiàn)出穩(wěn)步上升的趨勢,表明科學認識主體知識背景的交叉對于促進不同學科間滲透和融合,推動原創(chuàng)性科研成果的出現(xiàn)具有非常重要的意義。
⑵研究機構的組織協(xié)同
雖然跨學科人才在科研活動中起著非常重要的作用,但對于一些重大的研究課題,僅僅依靠個體研究者的單兵作戰(zhàn)還是遠遠不夠的,必須把優(yōu)秀的科研人員組織起來,協(xié)同作戰(zhàn),采取聚焦型研究方式以尋求科學前沿的突破和進展。下面以我國火災科學的重點科研機構——中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室為例,指出研究機構的組織協(xié)同對于跨學科研究的重要意義。
中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室于1989年由我國政府正式批準建立,并于1995年11月通過驗收。在整個大科學系統(tǒng)中,火災科學國家重點實驗室是一個優(yōu)秀的跨學科人才的集合體,也是一個有序的、具有自組織功能的科學研究子系統(tǒng)。根據(jù)研究方向的不同,火災科學國家重點實驗室可以劃分為建筑火災研究室、工業(yè)火災研究室、火災化學研究室、森林火災研究室、火災數(shù)值模擬研究室、火災探測研究室以及火災風險性能化評估研究室等七個研究室。其中,每個研究室都有一至兩名通才型的學科帶頭人,并下轄一個由博士、碩士組成具有層次性的研究團隊。這樣,通過組建跨學科的研究課題組來構建更加龐大的跨學科性知識結構,把不同專業(yè)的研究者集中在同一個研究方向下進行跨學科研究,合理的機構設置和組織協(xié)同使得以火災科學國家重點實驗室為代表的中國火災科學研究在短短十幾年里就走在世界前沿。
四  一體化新學科體系的建構:跨學科研究的目標
    跨學科研究的最終目標,是在不同學科領域的交匯點上構建新的交叉學科體系。19世紀前,新興學科產(chǎn)生一般通過科學分化。而進入20世紀后,隨著學科間橫向聯(lián)系與滲透的不斷加強,傳統(tǒng)學科界線不斷被打破,大量邊緣學科、橫斷學科和綜合學科等交叉學科群體不斷涌現(xiàn),跨學科的研究模式逐漸起著決定性的作用。作為一個在20世紀中期崛起的新興交叉學科門類,海洋科學由最初的自然地理學的子學科逐漸發(fā)展成為獨立的并具有眾多分支學科的綜合性現(xiàn)代海洋科學體系,這一例證充分顯示出跨學科研究模式在發(fā)展新興學科乃至構建新的交叉科學體系均發(fā)揮著的重要作用。
   海洋科學是研究發(fā)生在海洋中各種自然現(xiàn)象和過程的性質及其變化規(guī)律的知識體系。由于研究對象的復雜性特征,海洋科學研究對多學科交叉與協(xié)同提出很高的要求。20世紀60年代以來,由于對海洋資源和海洋環(huán)境問題重要性的充分認識,不同學科領域的科學家們在各自的專業(yè)背景和原有的學科基礎上,分別運用本學科的理論和方法,開展海洋調查研究和海洋開發(fā),逐漸形成了諸如海洋物理學、海洋地質學、海洋生物學、海洋化學、海洋工程學、海洋災害學和海洋法學等一系列分支學科。這些分支學科試圖從不同的角度,運用不同的理論和方法,分門別類地對海洋中各種自然現(xiàn)象和過程進行研究。在這個階段,各個分支學科把整個海洋科學肢解成為一個個專門課題進行獨立研究,因此還只是一個多學科的集合,并沒有形成完整的學科體系。然而,正是這種高度分化的離散性特征,使得海洋科學研究在各自分支領域內相對獨立,不斷發(fā)展。
   構建完善的學科理論體系是海洋科學跨學科研究的最終目標。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,隨著研究的深化和各分支學科的不斷成熟,人們逐漸認識到不能把海洋研究簡單地分解成某些單一學科問題的集合,海洋科學也不是一系列分支學科的簡單疊加。因此,各分支學科內部以及分支學科之間開始通過跨學科的研究模式,努力實現(xiàn)從學科的分散狀態(tài)向聚合狀態(tài)的轉變。目前,海洋科學已初步形成自己的學科規(guī)范,構建出學科體系的基本框架——基礎海洋學和應用海洋學兩大門類[9](圖2)。其中,基礎海洋學又稱為理論海洋學,主要以發(fā)生在海洋中各種自然現(xiàn)象和過程作為自己的研究對象,以認識海洋為目標,包括物理海洋學、化學海洋學、生物海洋學、海洋地質學、區(qū)域海洋學等11門一級分支學科;應用海洋學則以海洋開發(fā)為己任,利用基礎海洋學的研究成果來為人類服務,主要包括海洋法學、海洋醫(yī)學、海洋經(jīng)濟學、海洋工程學、海洋氣象學等12門一級分支學科。基礎海洋學和應用海洋學下屬的一級學科又繼續(xù)分化派生出二級分支乃至三級分支,形成一個龐大的學科群體,通過跨學科研究模式而構建出海洋科學的學科體系。

     通過對火災科學、體育科學以及海洋科學的實證性分析,現(xiàn)代科學新的研究模式——跨學科研究的特征與規(guī)律已經(jīng)基本被揭示出來。但在從“小科學時代”向“大科學時代”的轉型階段,同時學科發(fā)散與學科聚合的共生時期,如何對過去分散的、單純的個人行為研究模式進行揚棄,使得跨學科研究能夠在推動科技進步、解決人類文明和社會發(fā)展的出現(xiàn)的重大課題的過程中發(fā)揮更有效的作用,仍然會成為科學共同體關注和討論的熱點問題。

參考文獻

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