技术科学的历史表现形态及启示

陈 悦，林 原

（大连理工大学科学学与科技管理研究所&WISE实验室，辽宁 大连 116024）

党的十九届五中全会首次提出“把科技自立自强作为国家发展的战略支撑”。时隔半年，习近平总书记在两院院士大会和中国科协第十次全国代表大会上又发出了“实现高水平科技自立自强”的“进军号”和“动员令”，并首次明确指出，“要大力加强多学科融合的现代工程和技术科学研究，带动基础科学和工程技术发展，形成完整的现代科学技术体系。”这些新的提法和论断体现出党中央察势和驭势的科学研判与谋略以及对科学技术发展规律的准确把握，其中蕴含着深刻的技术科学思想。

钱学森先生于半个世纪之前就提出了技术科学思想。基于科学与技术的互动关系，他指出在基础科学和工程技术之间有一类相对独立的学问，它是基础科学和工程技术之间的有机组合，这类独立的学问有一个名称，即“技术科学”。他本着“技术科学是工程的理论”这一观点，将“技术科学”对应为英文“Engineering Sciences”，即技术科学和工程科学二者等价且内涵一致。钱学森先生以马克思主义哲学为指导，运用实践论和系统论的观点，创造性地提出了现代科学技术体系的“基础科学—技术科学—工程技术”三层次纵向结构，明确了技术科学在现代科学技术体系中桥梁纽带的地位和作用。

我国已经建立了比较完整的科学技术体系，是世界上为数不多的学科建设较为全面的国家之一，技术科学理念在各个时期的科技发展规划中都有所体现，科技实力正处于从量的积累向质的飞跃、从点的突破向系统能力提升转变的重要时期。纵观历史，人类的认识与实践活动正是通过由科学与技术互动而形成的技术科学在不断前进。技术科学在现代科学技术体系中的“桥”的角色正是提升科技实力和系统能力的重要把手。它不仅是解决当今“卡脖子”问题的关键，更是在新一轮科技革命中把握主导权的关键。技术科学的发展是构建完整的现代科学技术体系的根本所在，而完整的现代科学技术体系才能孕育和支撑具有颠覆性意义的科技创新。本文梳理了技术科学的历史表现形态，以期为我国当代技术科学发展提供一些启示与思考。

1 技术科学的思想渊源

技术科学的思想最早可以追溯到17世纪哲学家培根提出的“自然哲学实践论”。他认为自然哲学的目标不应该是简单地为认识而认识，而应该是给人类生活提供新的发现和力量，进而去支配和改造自然。培根在他的《新大西岛》中描述了一所乌托邦式的教学科研机构“所罗门宫”，研究人员在这里利用自然哲学知识改进引擎、机器、大炮、时钟和船舶。培根的“自然哲学实践论”尽管在他的有生之年没能得到真正实践，但却促成了英国伦敦皇家学会的诞生（1662年），并奠定了20世纪兴起的工业研究实验室的理论基础。事实上，在培根提出将科学应用于机械技艺的同一时期，笛卡尔、波义尔、莱布尼茨和牛顿等自然科学家也逐渐发展出了一种机械论，即将自然视为装上了发条的巨型机器，这种类比也反映了当时的科学与技术正相向而行。

伽利略是第一个将实验引入力学研究的科学家，他的工作对于推进后来技术科学的发展意义非凡。早先人们认为，机器是以某种“欺骗”自然的方式进行工作的巧妙装置；但伽利略认为，机器只是将自然的能量转化为可用的形式。他利用阿基米德杠杆原理证明，在理想的无摩擦条件下，使机器运动的力和使其保持平衡状态的力的大小是一样的。这种几何方法使得伽利略计算出了一台理想机器是如何进行力和运动转换的，并通过与理想机器运行效果的对比，对实际机器的运行效果进行量化评估，从而产生了“效率”的概念。伽利略还分析了规模效应，解释了为什么不能通过简单地将同比例放大的所有零件组合在一起而生产出同比例的机器，由此开启了材料强度的研究。此外，伽利略使用几何方法证明，大炮的射弹会遵循抛物线路径，并计算出不同射程的仰角，从而开启了运动学的研究。

2 技术科学的兴起（1830—1925年）：基于科学和实验

18世纪，技术的迅猛发展引爆了工业革命，工业革命带来的社会经济变革催生了技术科学在欧洲的兴起。焦炭取代木炭促使了钢铁的生产，蒸汽机的发明促使了纺织工业的机械化和铁路交通的出现，工业化的发展形成了工厂制的集中生产方式，这些都改变了18世纪至19世纪初的社会。对工程师而言，使用传统的经验法则或试错法进行蒸汽机、远洋铁皮船舶、铁路和大型铁桥等的生产或建设，已变得不切实际，而且代价高昂。恰逢此时，许多科学新发现无法直接应用于技术，这使得科学家对科学实际应用的兴趣倍增，并开始向工程师学习。例如，牛顿力学可以解释作用于两个原子之间的力，但它无助于解决铁梁复杂的载荷问题；波义耳定律可以解释理想气体的压力与体积的关系，但几乎无法阐释蒸汽是如何在蒸汽机中工作的。由此，欧洲诞生了一大批研究更具技术含量的科学研究组织。其中，英国侧重于向新兴资产阶级传播和普及牛顿自然哲学原理（如共济会小屋、咖啡馆讲座、异议学会、力学研究所和月光学会等地方学会）；法国更强调通过开展科学和数学教育从国家层面促进科学在技术中的应用（如1746年组建的道桥部队和1747年成立的皇家桥路学院）。这些学术性组织促进了系统测试的发展、新概念的创造和图形分析，标志着技术科学的兴起。

2.1 材料强度和结构研究

这个时期的工业发展和军事发展都对结构复杂的大型机器及交通运输工具有很大需求，大尺度材料强度测试便应运而生，弹性理论取得重要进展，与材料强度和弹性理论密切相关的结构研究也有新的进展。19世纪，柯西（Augustin Cauchy）基于伯努利兄弟（Jacob Bernoulli&John Bernoulli）、丹尼尔（Daniel Bernoulli）和欧拉（Leonhard Euler）等人的研究，提出了应力和应变的概念，而这些概念大大简化了当时英国工程师们对结构的分析；英国的兰金（W.J.M.Rankine）和麦克斯韦尔（James Clerk Maxwell）提出了平行投影和倒数的概念，建立了复杂结构与简单结构相关的图形方式，为研究复杂结构中力的作用提供了新方法。

2.2 机器研究

为了满足资本主义工业化对制造业发展的新需求，科学家和工程师开始对理解和改进机器产生了浓厚的兴趣。18世纪，关于机器的研究大都集中在水车上。英国的斯米顿（John Smeaton）进行了一系列的水车实验，认识到要想把工程实践同理论联系起来，还需要某种更好的计算基础。因此，他发明了一种装置来测定速度与“机械动力”消耗之间的关系，也由此创立了“参数变化”这一技术科学中的重要方法。到了19世纪，机器相关的实验和理论研究的结合使得工程师们用“效率”来分析机器，这也成为技术科学的一个基本概念。法国的蒙格（Gaspard Monge）认为，理解机器最好的方式就是把它视为将一种运动转换为另一种运动的部件，并开发出一个类似于林奈植物分类的机械装置分类体系，后来发展成为运动学。19世纪中叶，剑桥大学的威利斯（RobertWillis）观察到，机械装置的动作独立于给定动作的施加，开始通过分析机械部件的运动关系来研究机械原理。19世纪下半叶，机械原理的研究从单个部件转向集成系统。1868年，英国物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell）通过对机械调速器的分析形成了最早的反馈控制理论。

2.3 热力学的建立

工业革命的生产实践对高效热机的需求很大，这就激发了人们对热机背后科学原理的研究热情，从而刺激了热力学的发展。法国工程师卡诺（Nicolas Léonard Sadi Carnot）根据工程师在水力方面的工作经验，提出了一组类似的条件，以实现热机的最大效率，即众所周知的卡诺循环；1848年，英国工程师开尔文（Lord Kelvin）又根据卡诺定理制定了热力学温标；1850年和1851年，德国数学家克劳修斯（Rudolf Julius Emanuel Clausius）和开尔文先后提出了热力学第二定律，并在此基础上重新证明了卡诺定理；1850—1854年，克劳修斯根据卡诺定理提出并发展了“熵”，用来描述耗散热量的“等价值”。尽管热力学理论起源于对蒸汽机的研究，但科学家们很快就意识到能量和熵的概念不仅适用于热现象，而且可以广泛应用于科学技术现象，这也使热力学成为真正的技术科学。

2.4 流体力学的诞生

为了改进水力工程、设计出更好的船舶以及更深刻地理解弹道学，就需要对物体在流体中的运动行为进行理论和实验研究。流体力学的理论研究主要是在欧洲大陆进行的，代表人物有伯努利兄弟、丹尼尔、达朗贝尔和欧拉。与此同时，英国人正在进行一些重要的实验研究，特别是关于物体在空气中的运动。例如，罗宾斯（Benjamin Robins）使用类似钟摆的装置和旋转臂机构来研究空气阻力如何影响炮弹。后来，欧拉使用罗宾斯的数据发展了弹道学的数学理论。与技术科学的其他领域一样，19世纪的工程师们开发出了一种更图形化的方法来解决流体力学问题，这在数学理论和实际实验数据之间架起了一座桥梁。例如，兰金为造船业引入了“流线”的新概念，成为技术科学的一个基本概念。

3 工业科研时期的技术科学（1850—1925年）：基于产业的科学

技术科学的早期形成主要源于学术性研究机构，但18世纪后叶和19世纪初期的技术科学越来越多地与工业研究实验室联系在一起，这使得技术科学具有了“基于产业的科学（Industrybased Sciences）”的特征。18世纪后期，人们对化学和电磁学的深刻认识促成了大量科学产业（Science-based Industries）的兴起。化学的发展促成了煤焦油染料、勒布朗制碱法、索尔维制碱法、赛璐珞和塑料等的新发明，这些新发明又成为杜邦、巴斯夫、拜耳、法本和柯达等大公司的立业根基。电磁学中电磁感应现象的发现也迅速促成了电报、电话、电动机、电灯和发电机等新发明，这些发明又催生了西联汇款、美国贝尔电话、爱迪生通用电气、西屋电气、德律风根和西门子等大公司的诞生。随着这些以科学为基础的工业的兴起，实业家们意识到新的发现和发明并非源于个别发明家的灵光乍现，而是由一群研究人员通过合理规划的研究实现的。由此，由不同学科背景的科学家和工程师组成的团队式工业研究实验室纷纷诞生，这促使技术科学逐渐具有了产业基础特征。除了工业研究实验室，大学也开始建立与产业密切相关的实验室和研究站。

3.1 化学工业

19世纪化学工业的发展多归功于德国化学家李比希（Justus von Liebig）在德国吉森大学建立的化学实验室，他发明了大量的仪器和方法供学生分析有机化合物。值得一提的是，他将专注于特定问题研究的系统教学法引入实验室，这标志着技术科学的发展从基于理论实验转变为基于产业。李比希实验室培养了整整一代的化学家，其中，霍夫曼（August Wilhelm von Hofmann）是李比希一个重要的学生，他的学生帕金斯（William Perkins）在1856年发现了能够将纺织品染成亮紫色的苯胺，巨大的商业成功激发了英国和法国寻找新染料的热情。霍夫曼通过对第一种苯胺染料进行化学分析，研发出了一种可以创造彩色染料的方法。19世纪70年代，德国开始将理工院校从大学中剥离出来，创造了一种结合理论的系统实验工作模式，把学术界和工业界联系了起来。以工厂为中心的德国工业研究实验室因需满足商业需求而持续创新，不断生产出更便宜的新产品，从而获得了极大的商业成功。工业研究实验室促使学术界和工业界之间建立新的联系。随着工业研究自主性的增强，化工企业变得更加依赖从大学和技术院校毕业的学生，尤其是拥有博士学位的毕业生；而成功的工业研究实验室也给大学和技术院校带来了压力，后者通过调整课程以适应行业的发展需求。德国的大学和技术院校的大多数教师都有在工业研究实验室工作的经历，因而他们大部分的科研成果都应归类为基于产业的科学。化学染料的持续创新很快促使了其他有机化学品的发展，尤其是药品、赛璐珞和塑料，也带动了重化工产品的发展，如碱、酸、化肥和炸药。拜耳、爱克发、柯达和杜邦等公司均仿照化学染料行业的实验室建立了工业研究实验室。

3.2 电气工业

19世纪电气工业发展时期的典型人物是爱迪生，他在美国新泽西州建立了私人实验室（1876年），它不同于以往的工业研究实验室，也不属于任何公司（但却是公司实验室的原型）。爱迪生实验室的一个重要特征是团队研究，这一点与化学工业研究实验室是一样的。这是因为工业系统中出现的新问题是不能依靠个别发明者和传统试错法得到解决的。电气工业并非基于单一发明，而是基于一系列的发明而形成的系统。19世纪80年代和90年代，激烈的市场竞争导致很多公司进行了合并，但由于许多原始专利即将到期，许多大公司仍面临着诸多不确定的挑战。电气企业为了通过专利控制来占据市场份额，并能够进行持续创新，需要一种新的办法来管理发明和创新过程，这就导致美国几家领先的电气公司在20世纪初创建了工业研究实验室。1900年，通用电气公司实验室在柯立芝（William Coolidge）博士和欧文·朗缪尔（Irving Langmuir）博士的带领下发明了一种新的充满氩气的钨丝灯泡，其在与欧洲金属丝灯泡的市场竞争中占据了主导地位。柯立芝和朗缪尔的工作不能简单地归类为科学到技术的应用，他们所做的基础研究一直是在解决实际问题的背景下进行的，他们不仅创造了新的科学知识，同时也解决了实际问题。

电气工业研究实验室虽有德国化学工业研究实验室的影子，但还有其他一些重要的特点。①多学科性。团队成员包括物理学家、化学家、冶金学家、机械工程师和电气工程师等。②防御性。化工实验室的目标是开发新产品，而电气实验室的研究大都致力于通过专利控制和专利干涉使公司占据主导地位或垄断地位。③整合性。德国化学工业的基础研究大部分是在大学里进行的，但由于电气工业的基础研究和应用研究不得不同时进行，电气工业实验室对于二者的整合发挥了重要的作用。20世纪初，许多公司如美国电话电报公司、西门子公司、飞利浦公司和美国西屋等，都通过建立工业研究实验室来应对市场压力。这些工业研究实验室没有遵循纯科学研究范式，而是开发出新的技术理论和设计方法，即基于产业的技术科学。

4 政府资助时期的技术科学（1900—1945年）：基于军事的科学

20世纪前半叶，政府的军事科技导向对于塑造技术科学发挥了重要的作用。政府尽管对科技发展的资助力度和规模都极为突出，但并不是为了科学事业而支持科学，而是将科学视为一种可以受政治权力操控的类似于技术的知识形态。20世纪发生的两次世界大战让我们深刻领会到了科技与国家权力之间的关系，战争要求社会上的所有元素，包括科学和技术，均须作为战争资源加以利用。在两次世界大战中出现的“军事-工业-学术”综合体将技术科学进一步塑造成基于军事的科学。

4.1 化学武器研究

由于一战爆发后不久战争便陷入了僵局，冲突双方开始调动科学家参与战争以打破僵局，化学在第一次世界大战期间发挥了特别重要的作用。为了满足对被封锁物品的替代品、新型高爆炸药、毒气及其防御手段等的战时需求，双方政府努力促成了政府研究机构、大学和化工企业之间建立联系。例如，在德国，哈伯（Fritz Haber）帮助德皇威廉研究所变成了为军队化学战服务的研究机构。尽管一战被称为化学战，但政府也鼓励其他科技领域的研究。例如，马可尼公司为英国皇家海军提供通信设备；德律风根公司为德国海军提供类似服务等。

4.2 雷达和原子弹研究

尽管政府在一战期间就开始资助和管理科学与技术间的互动，但在二战期间政府的资助发生了质的变化。一战中，与化学武器同时发挥作用的无线电通信和飞机并没有起到决定性的作用，但二战时一些官员开始认识到二战的结束可能取决于尚未被发明的武器系统，并且需要通过科学、技术和工业的协作来满足军事需求。1940年，即在美国参战之前，一群科学家和工程师便说服罗斯福总统建立国防研究委员会（NDRC）以指导战时研究；后来美国又建立了科学研究与开发办公室（OSRD），负责管理和监督NDRC。由于时间紧迫，NDRC决定不再建立自己的实验室，而是与大学及产业界合作，使用他们的实验室和工作人员。这种将大学、产业界和军事相连的组织机构为军方生产了大量武器系统，助力盟军赢得战争——其中最重要的是雷达和原子弹。

5 战争后的技术科学（1945—2000年）：基于技术域的科学

两次世界大战深刻地表明了几乎不存在“纯粹”的科学研究，即使是深奥的且看似与实用无关的核物理学也催生出了核武器，它不仅结束了第二次世界大战，也定义了二战后的冷战。二战后科学研究的关注点不再是自然本身，而是某项技术，如核反应堆、导弹或计算机。聚焦于技术的科学研究导致了以技术为核心的知识域的出现，这些技术域均体现出科学技术一体化的深刻内涵。二战后的冷战使得政府对科技的资助力度持续增强，由政府支持和管理的科学技术研究机构也相继成立。例如，美国海军成立了海军研究局（ONR），空军创立了兰德公司，国会创立了国家科学基金会（NSF）、国家航空航天局（NASA）和原子能委员会（AEC）。在此阶段，这些机构向工业界和大学投入了数百万美元资金，重点资助核武器、固态电子学、火箭、计算机科学、生物技术和纳米技术等的研究。技术科学呈现出基于技术域的科学特征。政府亦以此种方式实现对科学技术研究方向的指导和把控。与此同时，欧洲也走上了类似的道路，建立了欧洲核研究中心（CERN）、欧洲航天局（ESA）和法国国家科学研究中心（CNRS）。

5.1 核武器

原子弹加速了二战的结束，这导致美国和苏联将发展重点放在研制威力更强大的核武器上。早期研究主要集中在武器用的钚增殖反应堆或为潜艇提供动力的小型反应堆，但到了20世纪50年代中期，为了响应“原子换和平”计划，相关研究开始转向动力反应堆的民用领域。这些研究使得物理学与技术的关系更为密切。哈佛大学在1946年将工程科学系改为工程科学和应用物理系，不久后康奈尔大学也建立了工程物理系。核物理学也通过新式实验设备（如战时微波研究产生的粒子加速器及最初用于核武器或探测导弹的探测器）被技术所改变，对技术的依赖开始影响核物理理论的发展。此外，这些新式的实验设备是如此庞大、复杂和昂贵，所以一般由国家甚至国际实验室的研究团队进行管理。

5.2 空间竞赛

与核武器研制密切相关的是运载核武器的导弹。德国在二战期间成功研制出V-2导弹，刺激了战后弹道导弹的发展以及美苏之间的太空竞赛。导弹的发展为核武器的运载和卫星的发射提供了手段，而卫星可用于通信和侦察。太空和平与科学探索一直是美苏军备竞赛的副产品，而太空竞赛将政府、军事、学术和工业研究结合在一起。与核研究一样，太空计划改变了科学的性质，其中，高度依赖探测技术的行星科学和天文学尤为明显。新型行星探测器和太空望远镜的研制需要一支由天文学家、物理学家、航空工程师、机械工程师、电气工程师和计算机科学家等组成的跨学科团队来完成，而且大部分设备的建造需要政府的资助。因此，空天技术的研究必须由国家或国际实验室来管理。

5.3 固态电子学

20世纪二三十年代，物理学家将量子力学的理论应用于固态材料，开始研究半导体材料的电子行为。战时对雷达的研究使人们对半导体的性质有了新的认识。战争结束后，贝尔实验室成立了一个由理论物理学家和实验物理学家组成的跨学科研究团队，相继研发出点接触型晶体管和结型晶体管。美国军方是晶体管发展背后的主要力量。陆军通信兵对通信设备的小型化特别感兴趣，在高成本限制晶体管民用时期，军队成为晶体管的主要消费者。同时，军方推动了电子工业从锗转向硅，硅更适用于导弹和核动力船舶的生产制造。军方还鼓励向工业界和大学传播有关晶体管的知识。朝鲜战争结束后，随着军用晶体管市场的衰落，民用市场逐渐出现，如助听器和收音机。20世纪50年代下半叶，肖克利离开贝尔公司，在斯坦福工业园创建了一家新公司，旨在促进大学和私营企业之间的合作，这是硅谷的开端。晶体管新市场的出现促使晶体管电路制造的改进。1959年，德克萨斯仪器公司的基尔比（Jack Kilby）和加利福尼亚州费尔柴尔德半导体公司的诺伊斯（Robert Noyce）分别独立发明了集成电路。

5.4 计算机和计算科学

现代计算机是科学和技术结合的产物，它的发展催生了一门新的技术科学，即计算科学。在核心存储器、晶体管和集成电路完善计算机硬件的同时，计算机软件也得到了重大发展。随着人们认识到计算机本质上是对符号的操纵，可以通过“编码”将指令输入机器中并得到执行，更高级的编程语言（如FORTRAN和COBOL）被开发出来，能控制多个程序运行的操作系统也被创建出来。计算机硬件和软件相结合，促使计算机科学的兴起，这是一门典型的以人工制品为研究对象的技术科学。到1968年，计算机科学领域的许多人都不再关注计算机本身，转而将计算作为研究焦点，即开始对算法进行研究。这个关注点的变化进一步混淆了科学与技术之间的区别，因为计算既可以看作是人对事物的构建，即技术，也可以看作是数学分支，所以具有科学基础。到20世纪末，计算的思想被用来模拟物理和生物现象，包括人类智能。维纳（Norbert Wiener）和毕格罗（Julian Bigelow）在二战期间对高射炮所做的研究促使了机器控制和反馈数学理论的发展，成为控制论的基础。从1950年起，受维纳的影响，图灵（Alan Turing）提出了计算机可以显示出智能行为的想法，这奠定了人工智能领域的发展基础。

5.5 材料科学

量子力学在固体中的应用使人们对原子结构和材料整体性能之间的关系有了新的认识，这使设计特定属性的材料成为可能。人造卫星发射成功后，美国国防部高级研究计划局（DARPA）即对开发能够在导弹和太空等极端环境中使用的功能材料产生了兴趣。美国政府通过DARPA资助了一些大学的跨学科材料研究实验室，支持电子显微镜、X射线衍射和核磁共振等新技术的研发。激光、超导和纳米技术都是材料科学研究取得的重要成果。

5.6 生物技术

生物技术是以生命科学为基础，利用生物（包括生物组织、细胞及其他组成部分）的特性和功能，设计、构建具有预期性能的新物质或新品系，并与工程原理相结合，加工生产产品或提供服务的综合性技术。生物技术与计算机科学及材料科学密切相关，它深刻地体现出技术科学基于技术域的特征。生物技术的发展主要源于DNA双螺旋结构的发现（1953年）。基因密码的破译为生物技术开辟了新的应用领域。随着第一家基于基因工程的公司Genentech（1976年）的成功，大量新公司如Biogen和Amgen相继成立，并且许多公司是由大学研究人员创建的。很多大学也开始创建实验室，其目的是创造新的生物技术产品，这进一步模糊了工业研究与学术研究、纯科学与应用科学之间的界限。2000年，在政府和私立部门的共同推动下，人类基因组测序草图绘制完成，这是一项规模宏大、跨国跨学科的科学探索工程。

6 当代的技术科学（2000年至今）：基于工程技术多学科会聚融合的科学

随着人与自然以及人与人之间矛盾的日益复杂化，人类所面临的能源、资源、人口、健康、信息、安全、生态与环境、空间、海洋等一系列重大问题均无法通过单学科、跨学科，乃至交叉学科式的科研活动得以解决。2001年，美国在“会聚四大技术，提升人类能力”的圆桌会议上首次提出了“会聚技术”的概念，强调纳米技术、生物技术、信息技术和认知科学的协同融合式发展。这个“会聚”发展将显著改善人类生命质量，提升和扩展人的技能。它将缔造全新的研究范式和全新的经济模式，大大提升整个社会的创新能力，从而增强国家的竞争力，也将对国家安全提供更强有力的保障。2016年，Science杂志在技术展望栏目刊登了诺贝尔奖获得者夏普（Phillip Sharp）的一篇文章，再一次提出要会聚物理学、生物医学和工程学等学科和技术以解决医学健康问题。中国科学院科技战略咨询研究院肖小溪等指出，融合式研究的特点在于融合创新价值链、学科、权益相关方等多种要素，瞄准重大应用问题。会聚和融合所对应的英文单词都是convergence，是指不同学科、不同技术和工程的交叉融合。其中，会聚更强调解决实际问题的目的性，融合更强调解决问题的知识、方法、手段和路径的交叉重构。在科技创新驱动经济社会发展的大趋势下，发展前沿技术无疑成为各国的重要战略。但当今以技术科学为基础的技术创新战略，并非独限于一门技术科学的前沿领域，而是要着眼于当代各门技术科学及其前沿技术交叉融合的新态势。

当今，技术科学是一门广泛的学科，融合了许多不同的科学原理和作为工程技术基础的相关科学，它将工程、生物、化学、数学、物理学与艺术、人文、社会科学等知识相结合，以应对最严峻的挑战并增进全球福祉。其多学科融合不仅体现在自然科学（如数理化天地生）内部的知识融合，还体现在“科学—技术—工程”的纵向知识融合；而且随着工程的价值性和目的性日益被重视，社会科学的知识融合也逐渐增强（见图1）。其中，尤为强调技术体系和工程控制系统，强调整体设计和优化研究，强调自然科学与人文社会科学的融合。

图1 现代工程技术学科知识体系结构图谱①

人工智能是当代最具代表性的技术科学，它是核心算法与应用场景协同作用的结果，汇聚了大数据、云计算、物联网等数字技术，已经在物质生产技术体系的矛盾运动中表现出极其强大的主导趋势。人工智能强大的融合（嵌入）能力（见图2，基于人工智能专利和ISI-OST-INPI分类体系），使其一旦被应用于其他技术领域，便不再以“人工智能”冠名。例如，应用到汽车驾驶领域，便成为“无人驾驶”；应用到医疗领域，便成为“智能医疗”等。

图2 人工智能技术嵌入图［10］

7 启示

纵观技术科学发展的历史形态演变，要理解今天的技术科学不能仅停留在对科学与技术关系的认识上，还要关注科学、技术、工程的一体化关系。科学研究的社会化程度日益增强，导致现代科学技术的发展对大科学工程的依赖性增强，工程更强调价值和系统能力。尽管技术科学的表现形态在变化，但其本质是不变的，即指有应用导向的基础研究和有基础理论背景的应用研究相结合而形成的系统性知识。技术科学研究的问题一般源于工程实践活动，其探索和挖掘的依据是基础科学理论，最终形成的是对于工程技术的原理性认识，它能为解决一类工程实践问题提供理论支撑。

技术科学的存在是为了更好地服务于工程技术实践。在工程实践中，工程师们必须关注整个系统以及各个细节，这就需要不同领域的专业知识，也就有了不同工程的分类，如机械工程、化学工程、电子与电气工程、土木建筑工程、计算机科学与工程、航空与航天工程、生物工程、环境工程、核工程等分支领域。从研究对象来看，技术科学大致可以分为物理性的技术科学和系统性的技术科学两大类，它们分别对应工程和技术体系中的结构与功能。前者包括力学、电磁学、热力学、流体动力学等学科中与工程技术相关的物理定律，后者包括控制理论、信息理论、计算理论、估计和信号处理理论等工程各分支领域的固有理论。与物理性的技术科学不同，系统性的技术科学是从物理属性中抽象出来的，更专注于系统的功能属性。依据系统科学理论，结构决定属性，属性与环境共同决定功能，因而结构和外部条件是功能的决定性要素。在技术科学中工程技术的目的性概念常用函数来反映，而这很少会在物理学中出现。功能或目的是工程的核心所在，因为工程或技术系统的作用是提供服务，工程师负责设计系统的结构，使其能够提供令人满意的服务。

7.1 将高质量发展的产业转型升级需求作为技术科学研究的战略导向

历史上任何时期技术科学的产生、发展和繁荣都与社会发展需求密切相关，任何科学发现和技术发明都必须同现实的工业技术和产业发展相匹配，才有可能转化为创新竞争力。这意味着必须充分认识中国自身的产业发展状况、市场需求特征和具体升级诉求，深刻认识和掌握现阶段产业升级所面临的技术瓶颈和未来发展的关键之处，并以此为基础开展技术科学研究，做真正的中国技术科学研究。技术科学连接着基础研究和工程技术，因而其有可能成为举国体制和市场机制的结合点，从而最大限度地发挥中国的体制优势，加快产业转型升级。另外，从历史的角度来看，技术科学的发展愈发依靠政府的力量，因而要重视国家战略需求对技术科学的引导，把国家重大建设工程作为发展技术科学、提升自主创新能力的重要载体。

7.2 建立新型研发机构来承担技术科学的研究任务

历史上任何时期技术科学的发展都源于一种能够将理论研究与生产实践相结合的研究机构。它既不是企业，因为企业更多的是关注科研成果的应用，靠近创新链后端；也不是高校，因为高校更擅长基础研究，靠近创新链前端。那么，对于新兴工程技术领域一些尚没有成熟的技术科学研究应该由谁来承担呢？我国正在建设不同于传统研发机构的新型研发机构。它的投资主体相对多元，既有政府，也有企业；在管理体制上拥有相对独立的财权和人事权；在研发活动中学术自主权相对较大。这些新特点，使其在开展周期较长的基础研究、交叉学科研究、工程化与中试、产业化推广等活动时独具优势，适合承担技术科学研究的任务。

7.3 完善与现代工程及技术科学发展相匹配的学科布局和教育体系

现代科学技术体系几乎囊括了现代人类认识世界、改造世界的全部知识，它是认知层的“知识体系”与应用层的“研发体系”有机结合而形成的统一体。我国日益突显的“卡脖子”问题均来自工程技术的前沿实践，需要在自然科学基础理论的指导下，利用大量源于工程技术实践的数据（经验）进行建模，以形成工程技术原理性知识，即技术科学。我国在研发体系中的技术科学研究较为薄弱，而在知识体系中又缺乏对现代技术科学相关学科的及时布局，尚未形成一个完整的知识体系，因而对技术科学人才的培养与现代工程和技术科学发展状况是不相匹配的。在技术科学教育中，不仅要重视物理性的技术科学教育，还要重视系统性的技术科学教育。科学、技术与工程一体化的发展趋势，使得创新人才必须在“基础科学—技术科学—工程技术”和“自然科学—社会科学—人文科学”纵横交错的知识体系框架下进行培育，这样才能为未来的引领性发展提供必要的人才储备。要充分认识到技术科学在当今科学和技术会聚融合中的关键性作用，给予战略性、前沿性和综合性的工程技术充足的应用场景，促进技术科学的发展，深入实施技术标准战略，提升国家竞争力。

注释：

①基于WoS数据库收录的ESI学科类别“Engineering”下的905本期刊于2013—2020年引用的1 299 435篇文献，绘制期刊共被引图谱（期刊被引频次高于2 000次），以直观地显示现代工程技术之间的融合态势。