中國網/中國發展門戶網訊 現代工程深刻影響著社會發展進程。工程技術的每一次重大突破，均催生全球性科技革命和產業變革，并產生一批工業強國。“當今世界，新一輪科技革命和產業變革正在重構全球創新版圖、重塑全球經濟結構。”工程科學和自然科學是現代工程的理論基礎。隨著社會生產力的不斷提高，人們開展工程活動的難度和復雜性也隨之不斷凸顯，使現代工程科學不斷向系統化、協同化、社會化發展。同時，工程科學不斷提升科學研究的復雜性和精密性，逐步向“大科學”模式轉變，極大增強了人類認識自然的能力。

基于我國國情來看，工程科學幾乎涉及國家生產生活的方方面面，支撐著國民經濟和國防建設事業的發展，是推動我們全面建設社會主義現代化強國、實現中華民族偉大復興中國夢的重要基礎。但在工程科學研究方面，我國仍然存在著許多短板和不足。2014?年習近平總書記在中國科學院第十七次院士大會、中國工程院第十二次院士大會上指出：“多年來，我國一直存在著科技成果向現實生產力轉化不力、不順、不暢的痼疾。”其中一個主要原因就是工程科學研究相對滯后于現代工業的快速發展。雖然近年來我國基礎研究的經費投入不斷增加，工業生產的規模與品種不斷擴大，但作為工業發展重要基礎的工程科學研究，仍存在許多基本科學原理、科學問題、科學思維和科研范式沒有取得明顯進步和突破等問題，這已成為我國科技創新鏈的薄弱環節。2021?年習近平總書記在中國科學院第二十次院士大會、中國工程院第十五次院士大會和中國科學技術協會第十次全國代表大會上進一步指出：“要大力加強多學科融合的現代工程和技術科學研究，帶動基礎科學和工程技術發展，形成完整的現代科學技術體系”。

回顧工程科學的發展歷程，在充分把握工程科學的內涵、發展階段與現代特征基礎上，從源于工程、服務工程的角度出發，聚焦國家的工程重大需求，借鑒主要國家發展工程科學的經驗和做法，探討工程技術中的共性科學問題。加大對工程科學問題的研究，不斷提升我國科技實力和科技創新，這對于我們抓住新一輪科技革命和產業變革機遇，用工程科學推動科技創新、加快建設科技強國、實現高水平科技自立自強具有重要意義。

工程科學的內涵、發展階段與現代特征

工程科學是人類在生產實踐過程中對改造自然手段方法的知識總結、提煉與升華，在推動生產力發展方面起著最直接的作用。回溯幾次工業革命的產生、發展及代表性發明的應用概況，能夠為我們準確把握工程科學的內涵、發展階段與現代特征提供重要依據。

工程科學的內涵

錢學森?1947?年在浙江大學、交通大學和清華大學所做的“工程和工程科學”講演和?1948?年發表的文章中均就工程科學的科學內涵及其重要性予以明確。20?世紀?50?年代，錢學森又提出“技術科學”的思想，強調“自然科學、技術科學和工程技術三個知識部門同時并進，相互影響，相互提攜”。

正如錢學森在《工程與工程科學》中指出：“在科學與工程技術之間已經形成了一個獨立的學科體系，這就是工程科學。”他認為，自然科學研究的主要目的在于發現和掌握自然界存在和發展的基本規律。相對于自然科學，工程科學是研究工程技術的一般規律，是工程中運用的綜合性的知識體系。也就是說，自然科學是一門認識自然的科學，工程科學是利用和改造自然的科學。通過工程科學帶動自然科學的發展，不僅能夠幫助自然科學獲得更多的科學發現、科學原理和技術創造，還能夠有效地將自然科學成果轉化應用。

工程科學的發展階段

縱觀工業革命的歷史進程，工程科學的形成和發展離不開自然科學，并經歷相輔相成、互相促進的歷史過程。

18?世紀?60?年代，第一次工業革命在英國發生；蒸汽機的發明和使用，使大機器生產成為工業生產的主要方式；自然科學中的科學技術原理被大范圍應用并指導人們開展工程活動，這為工程科學的建立提供了重要基礎。同時，第一次工業革命的生產實踐也催生了熱力學這一物理學重要分支學科。在這一時期中，工程科學進入簡單機械動力的發展階段。

19?世紀?70?年代，電力的發明與應用引發了以電力為中心的第二次工業革命。以蒸汽機為主要機械動力的生產方式被電器和內燃機的生產方式所取代，人類進入電氣時代。這個時期，各種新技術、新發明層出不窮，并被廣泛應用于工業生產中。新興工業，如電力、石油、化工和汽車等，都要求實行大規模的集中社會化生產。工程科學在大規模的集中社會化生產中得以不斷發展完善，工程科學進入近代發展階段。

20?世紀?40?年代，隨著原子能技術、計算機技術的發明和應用，以及人工合成材料、分子生物學和遺傳工程、空間技術和海洋技術等高新技術的產生，引發了第三次工業革命。這標志著人類社會從機械化、電氣化的時代進入到另一個更高級的信息化時代。在這一時期中，工程科學進入以信息技術、新材料技術、新能源技術和生命科學技術為基礎，以材料、能源、信息一體化發展為標志的現代工程科學的發展階段。

這些工業革命的技術發明和工程活動案例表明，工程科學的發展不僅能極大提升國家、地區工業的規模和水平。更為重要的是，進入?21?世紀以來，在新一輪科技革命和產業變革中，國家、地區還可以獲得更多自然科學、工程科學和工程技術的新發現、新發明、新理論、新范式和新創造等，并培養出一大批具有創新思維的科學家。通過工程科學帶動自然科學的發展具有深遠意義。

工程科學的現代特征

如前所述，工程科學是具有豐富科學內涵和技術內容的、同社會生產緊密結合的基礎性科學。現代工程科學不斷發展吸收其他學科的科學要素和理論精華，主要呈現?3?個重要特征。

社會化大生產向系統化、協同化發展，決定了工程科學具有系統性特征。工程科學在產生和發展的過程中，始終與生產領域緊密聯系，是要解決如何將科學技術應用到生產領域的一系列理論問題。從實踐角度來看，工程活動和工業生產中往往涉及大量具有不同特征、不同性質的系統要素。因此，首先需要工程科學對此進行分析和研判，然后用系統科學的理論和方法組織工程活動，最終形成一個符合生產目的、具有特定功能的工程實體。具體來講，工程師會按工程需求進行系統和全面的分析，提出工程方案的可行性、實現途徑和風險化解措施，為工程實施提供科學和有效的方案。用系統工程方法實現整體最優，而不追求單個要素的最優。

時代發展和科技進步使工程科學具備了管理、改進、實施復雜工程的能力，決定了工程科學具有復雜性特征。錢學森在《工程與工程科學》中指出：“一個工程科學家提供的服務能夠澄清使人高度困惑的工程問題，并且能夠被用來避免工程設計中出現更多的錯誤。”當前，現代工程科學已經進入了以新一輪科技革命和產業變革為依托，向復雜系統開發、組織和運行管理發展的新時期。在這一變化中，傳統工程科學的專業理論與實踐也在不斷發展完善。以現代復雜工程系統的開發與建設為例，現代工程科學往往需要相關研究或工作人員不僅運用前沿技術對復雜系統工程的基本特征做出科學定量研判，還需要通過長期的運行和迭代改進復雜工程系統的開發與建設。

現代工程活動范圍和涉及學科領域的不斷擴大，決定了工程科學具有綜合性、交叉性特征。一個具體的工程活動和工程對象，往往涉及不同的科學領域，早已超出傳統的工業領域覆蓋范圍。因此，既需要聯合不同領域的科學家去解決同一個系統工程問題，又要在交叉融合中實現應用創新，形成科學活動、技術活動、社會活動、管理活動、文化活動集于一體的綜合體系。例如，由于涉及地質學、水利學、建筑學、電力學、材料學、生態學、經濟學、社會學等學科，我國的三峽水利工程是典型的多學科綜合交叉創新的產物，從而使這一工程在建成后既符合社會發展需要，又能發揮更大的經濟效益。隨著工程運行涉及的生態安全和倫理等問題逐漸凸顯，人們開始在哲學層面對科學技術的目的和手段進行反思。在工程科學同哲學的交叉融合中，產生了工程哲學這一新的交叉學科；而工程哲學的不斷發展，又從理論和認知方面回答了“工程科學是什么”“我們需要工程科學去干什么”等問題，從而促進了工程科學的進一步發展。

工程科學的發展需求及目前存在的突出問題

工程科學是適應現代工程發展要求并從現代科學中分化、獨立出來的基礎科學研究領域。工程科學將面向世界科技前沿、面向經濟主戰場、面向國家重大需求和面向人民生命健康，聚焦航天、核工業、信息、人工智能、先進制造等國家戰略安全基礎核心領域，以及類腦智能、量子信息、未來網絡、深海空天開發等前沿科技和產業變革領域，布局實施一批重大專項和科研項目，產生一批重大原創科技成果，催生一批新興未來產業，從根本上解決關鍵性技術和“卡脖子”技術。只有以工程科學為基礎和先導，大力發展原創性工程技術，確保關鍵核心技術自主可控，才能夠擺脫西方國家的制約，實現高水平科技自立自強，真正成為工程強國，從而助力我國從大國向強國邁進。通過自然科學、工程科學和制造基礎的協同發展，支撐國家重大科技工程和科技強國建設。

總體上看，我國在不同階段針對制約科技發展的關鍵問題，從急起直追、填補國內空白到在國際上占有一席之地，逐漸奠定了我國的科技基礎。特別是黨的十九大以來，我國大力加強多學科融合的現代工程和技術科學研究，充分發揮新型舉國體制的優勢，大力支持周期長、風險大、難度高的戰略性科學計劃和科學工程。在《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和?2035?年遠景目標綱要》（以下簡稱《“十四五”規劃和?2035?年遠景綱要》）中，明確提出強化國家戰略科技力量，“在事關國家安全和發展全局的基礎核心領域，制定實施戰略性科學計劃和科學工程”。

2021?年，我國在研發方面投入的資金達到?2.79?萬億元人民幣，研發投入增速比上一年加快?4?個百分點，基礎研究經費比?2020?年增長?15.6%，特別是在空間探測、核物理、量子科學、生物工程等多個原始創新領域取得了新的突破。然而，目前我國科技水平與美國仍有明顯差距，缺乏原始創新，高端器件和裝備幾乎全部依賴進口，在核心軟件、關鍵器件和基礎材料等方面頻頻被“卡脖子”，嚴重威脅國家安全和經濟發展。更為重要的是，我國缺乏前沿技術或顛覆技術創新，尚未形成引領未來的科技能力。現有科技計劃仍未解決基礎研究和應用研究相對割裂的問題，主要表現在?3?個方面。

在戰略層面，缺少面向國家重大需求的頂層設計和規劃，基礎研究布局重視自然科學和交叉科學，但對工程科學的布局比較薄弱。“成熟一個啟動一個”的自底向上的專項設立模式，容易造成“煙囪林立”和“木桶效應”。國家科技戰略規劃和資源配置體制機制亟待完善，對創新驅動發展戰略的頂層設計及重大任務的路線圖和時間表有待進一步制定和明確。

在實施層面，短期內貫通基礎前沿到應用示范，客觀上會急功近利，削弱基礎研究的支持力度，缺乏對基礎科學問題和關鍵性、顛覆性技術的長期持續攻關，存在基礎夯不實、打不牢的問題。如：基礎研究的財政投入力度不夠、支出結構有待進一步優化，對基礎研究的優惠政策不夠完善，缺乏社會捐贈和基金機制等多渠道投入，支持基礎研究的投入機制不夠持續穩定。

在科技攻關方面仍需強化問題導向。在對國家發展戰略、提高人民生活水平等方面最緊急、最緊迫的研究領域上，缺乏應對突發性事件的科技支撐能力。特別在當今世界經濟陷入低迷、新冠肺炎疫情影響廣泛深遠的日趨復雜的國際環境下，我國在石油天然氣、基礎原材料、高端芯片、工業軟件、農作物種子、科學試驗用儀器設備、化學試劑等關鍵核心技術上有待進一步突破。

與此同時，在向工業化、市場化、信息化、社會化、生態化發展的過程中，對我國大力發展工程科學、服務于全面建設現代化社會主義強國提出了更高要求。工程科學發展到今天，所具有的交叉性和綜合性的特征，要求我們必須關注和支持相關領域學科，使工程科學更加適應時代發展、更加符合我國社會主義初級階段基本國情，樹立新時代工程觀，貫徹創新、協調、綠色、開放、共享的新發展理念，需要結合哲學、人文、社會等學科對工程活動進行綜合考量和評判，為我們能夠有效避免在開展工程活動中出現的相關社會問題提供重要思想和理論指導。

工程科學發展計劃的國際經驗

根據國情和實際的需要，國際上各主要國家和地區重點部署新工程技術、新產品的前期探索研究（即競爭前的研究），制定實施了一系列工程科學相關戰略規劃，并列入國家整體科技發展戰略規劃之中。

從美國、歐盟、英國、俄羅斯、日本等世界主要國家和地區在工程科學相繼發布的發展戰略規劃（計劃）來看（表?1）：一些規劃（計劃）是多國家聯合制定的，如英國、德國、法國、荷蘭、瑞典、丹麥、捷克等?20?多個國家共同制定的《歐盟研究基礎設施路線圖》；一些規劃（計劃）是通過一些具體職能部門來發布的，如美國國防部發布的《競爭時代國防部技術愿景》、美國國土安全部發布的《人工智能/機器學習戰略計劃》等。總體上看，這些規劃（計劃）基本上都涉及工程科學的最前沿和新興的技術與方向，對保持主要國家和地區的全球領先地位起到了重要的推動作用。

特別是當前，面對中美競爭態勢，美國拜登政府大幅增加基礎研究投入，美國眾議院提出《美國國家科學基金會（NSF）未來法案》，將大幅增加經費并成立“科學與工程解決方案”新部門，強化自然科學與工程科學的交叉融合，促進美國國家科學基金會解決社會實際問題。這也是美國發展工程科學戰略舉措的典型例子。

實踐表明，這些國家和地區制定國家層面的發展戰略規劃（計劃），為本國（地區）工程科學的發展提供了重要資助和支持。這些規劃的內容有?4?個方面的特點。

工程科學發展戰略規劃（計劃）的制定和實施采取系統全鏈條式管理模式。為了減少相關規劃（計劃）從制定到實施過程的不必要環節，各國（地區）負責規劃和路線圖制定的相關機構同時也擔負著對工程科學的協調或管理職責，使國家重點實施的相關工程科學項目從納入路線圖、批準到資助，再到設計、建設、運營、結束的全過程（全周期）都能夠在相關機構的監督和管理下順利進行。同時，這些機構往往建立了對工程科學的發展規劃（計劃）的監測、評估及定期更新的機制，以保證其制定和實施的科學有效性。

工程科學發展戰略規劃（計劃）的制定和實施具有長期性和連續性。根據各國實際國情，在國家優勢領域上重點布局，基于當前國家的科技實力、科研背景、政府愿景和國內外面臨的復雜形勢和挑戰，制定工程科學優先發展方向。并在實施過程中，對優先發展方向進行長期穩定的支持。

工程科學發展戰略規劃（計劃）的制定強化專家參與的咨詢模式。各國（地區）在制定這些規劃、計劃的同時，吸納廣泛的利益相關方參與到決策、管理和監測評估工作中，邀請來自不同機構和不同領域的專家參與其中，吸收并采納各領域各學科相關方面的意見，使制定的規劃（計劃）更能兼顧各方利益、實施和運行更為科學合理。

工程科學發展戰略規劃（計劃）的制定兼顧科學性與風險性。各國（地區）相關機構或部門篩查和選擇工程規劃（計劃），首先考慮的是入選的規劃（計劃）是否能夠實現重大科技突破和解決現實問題；其次兼顧考慮經濟效益和技術風險。

建議與思考

根據《“十四五”規劃和?2035?年遠景綱要》中關于加快建設世界科技強國、強化國家戰略科技力量、全面塑造發展新優勢等要求，針對我國工程科學發展的突出問題，從宏觀政策和發展戰略出發，提出以下建議。

將工程科學納入《基礎研究十年規劃》，融合發展自然科學和工程科學，有機構成我國戰略性基礎研究體系。2021?年習近平總書記在中國科學院第二十次院士大會、中國工程院第十五次院士大會和中國科學技術協會第十次全國代表大會上指出：“現代工程和技術科學是科學原理和產業發展、工程研制之間不可缺少的橋梁，在現代科學技術體系中發揮著關鍵作用。”應在《基礎研究十年規劃》中加大對工程科學的支持力度，強化問題導向，針對國家戰略需求和全球重大挑戰，部署工程科學項目；促進自然科學和工程科學有機融合、協同發展、互為支撐，催生原始創新和顛覆性技術；解決高端科學儀器、工程母機、工業軟件等“卡脖子”問題；激勵企業開展工程科學基礎研究、技術創新、成果轉化、產業化等全鏈條科技創新活動，夯實企業創新主體地位。

以國家重大科技專項為牽引，優先布局事關國家科技安全的工程科學，支撐我國科技強國建設。工程實力是國家的脊梁和基石，是推動經濟增長的“倍增器”。工程科學直接支撐國民經濟和國防建設，是全面建設社會主義現代化強國的基礎。以國家重大科技專項為牽引，聚焦事關國家科技安全和發展全局的核心領域，加大對工程科學投入力度。鼓勵“勇闖無人區”甚至“發現無人區”，為培育原始創新和新興產業提供堅實的理論基礎，通過“跨代”“換道”等方式，從“跟跑”轉變為“領跑”，實現高水平科技自立自強，助力我國從大國向強國邁進。

在重大科技工程實施中，針對基礎性問題，布局自然科學和工程科學研究，并建立長效穩定、滾動發展的支持機制。未來我國國家重大科技工程將面臨“無人區”挑戰，無國際成功經驗可以借鑒，需要突破一系列基礎性問題。需充分發揮我國新型舉國體制優勢，圍繞重大科技工程實施，布局自然科學和工程科學研究，組織國內優勢力量協同攻關；并建立長效穩定、滾動發展的支持機制，對取得階段性重大科技成果，要簡化立項程序，直接滾動持續支持。

在重大科技工程實施過程中加大開放力度，匯聚全球科技資源，提升我國國際影響力。面對深空、病毒、災害等全球共同挑戰，實施國際化的重大科技工程，深化全球合作；從重大科技工程中提煉基礎科學問題并向全球發布，邀請各國科學家共同參與研究，加大開放合作力度，提升我國國際影響力。

（作者：李培楠 中國科學院科技戰略咨詢研究院，包為民 中國航天科技集團有限公司，姚偉 中國空間技術研究院錢學森空間技術實驗室；《中國科學院院刊》供稿）

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