作者：MS_Sophie 2022.1.07 版权所有，未经允许请勿转载 欢迎留言、讨论
【在哲学的思辨中遨游，从哲学角度审视一门学科的发展】
摘要
范式的存在对科学的发展起到规范和约束的作用，本文首先通过范式哲学模型对科学研究进行了思考，进而对自己的学科—材料科学领域的新旧范式进行归纳。并从范式的哲学角度对化学催化领域对现有研究与评价体系进行了归纳，探讨该领域未来的科学创新趋势。整篇从哲学视角出发审视和阐述材料科学与催化领域的发展模式，提出了自己的思考。
关键词：范式革命 材料科学 科学创新 哲学思考
现代科学发展是在“范式”的约束与规范下展开进行的。范式是一种对本体论、认识论和方法论的基本承诺，是科学家集团所共同接受的假说、理论、准则和方法的总和，也可以认为范式是科学家们的一种共同信念。范式可以理解为一个学科研究的基础模型，包含了一个领域的专业理论知识、已取得的重大科学成就，以及科学共同体之间已达成共识以及共同使用的计算、仪器测试方法等，形成了研究领域较稳定的研究体系。科学领域的成员通过对范式的学习掌握该领域的研究内容与主要科学问题，学会解决同类问题的方法[1]。在范式哲学模型中，科学的质变创新是靠范式革命来完成的，即根本性的创新必然伴随范式的转变。
范式革命的基本框架可被概括为：1) 常规科学时期，即稳定发展时期。在此期间发生的科学创新可称为“量变”的创新；2) 科学革命时期，在此期间充满辩证与冲突。旧范式的弊端逐渐显现，一些科学问题不能通过旧的理论和方法解释和解决，学科的“质变”创新的萌芽也由此孕育而生，需要新的基石来支撑整个研究的大厦。3) 新的常规科学时期，新的学科理论与研究方法在矛盾、辩论与冲突中出现并获得认同[1]。新的研究框架及纲领在此后一段时间内处于稳步发展时期，如此轮回、周而复始。范式在科学领域表现为通用性及普适性，即任何领域的创新发展历程都可用范式革命的哲学模型进行归纳。材料科学为一门从物理、化学或机械的角度（三者所研究的重点不同）兼顾科学探索与应用研究的学科，其学科发展同样可以通过范式革命的角度来解读，旧的研究模式逐渐不能适应现代工业发展对材料研发的需求，科学家们对固有的研究体系进行改造进而引发了材料学的科学革命。
旧范式下的材料科学研究为“经验指导实验，实验推出理论”模型，遵循“加工-结构-性能-性质”的模式优化材料的性能、揭示材料优异性能的机理、探索新的材料[2]。即材料研究建立在大量的实验经验的基础上，通常是先依据经验合成或加工出材料，然后通过相应测试手段对材料的性能进行测试（通常包含力学、电学、磁学热学、化学活性等），对于深层次的科学机理解释则依赖于表征分析仪器，如X射线衍射仪、各种光学及电子显微镜、红外光谱及拉曼光谱仪等，这也对测试仪器的精度提出了很高的要求。
可见从理论根本上材料的研究高度依赖于人的经验与仪器测试的精度与稳定性，比如不同研究者采用同一种方法合成同一种材料，环境的差异（温度、光照、湿度、机械振动等）及操作习惯的细微差异就可能导致材料性能的改变，对于现象背后的机理的解释，研究人员往往不能准确判断出结果的差异是源于操作、外部环境因素还是科学机理的不同，这为现代材料的精准制备与制造带来了困难。此外，基于经验和实验探索新材料的周期较长，同时这种模式投入的前期研发成本较高，需要耗费大量的人力、与地球资源去“试错”。由于外部变量较多，甚至超出了研究者的预期，因此实验结果的可重复性往往也不容乐观。而现代材料学的研究已经从“摸着石头就能过河”的时期走到了“未知深水区”。老旧的“炒菜-品尝”模式已经不能满足现代工业对新材料研发高效、清洁、精准的需求。实现这一目标需要一种新的研究范式，即材料的理性设计。
从近代科学萌芽期到今天，人们对于材料的理解从宏观走向微观，从表象一点点深入到科学本质。近几十年科学家们在摸索、辩论中提出了一种借助计算机模拟，基于科学理论模型的新范式。这种范式从物理、化学的理论基石出发，经“理论-性质-结构-加工”的逆向研究模型实现对材料性能的评估与预测，还可对实际的材料加工制备提供理论基础，指导实际生产，最终实现材料的“理性设计”[3]。总结新范式相较于旧范式有以下三点显著优势：1）与旧范式相比，材料的“理性设计”可以利用理论模型对大数据进行处理、归纳与分析，获得可观测的性能指标；2）可通过以第一性原理为核心的电子结构计算，由表及里揭示材料的科学本质[2]。借助计算机对数据的高效处理能力，无论是对于庞大数据的归纳与分析还是对微观本质的科学分析，这种新范式都可在很大程度上解决旧范式不能解决的难题。3）此外，考虑经济、成本因素，由于计算机越来越便宜，且数据处理能力越来越强，相反新材料对于原料及工艺的苛刻要求导致前期试验成本愈发高昂[4]。基于以上三点优点，这种新范式现在被很多科学家接纳与应用，对理论计算的研究成果也呈现指数增长。
然而，不容忽视的是，这种新范式也存在具有挑战性的核心问题，比如原始数据是否全面、可靠，所采用的理论模型是否准确、可靠。如果计算模型与参数选择不当，会导致实验结果预期的偏差，对材料的加工、生产造成错误的指引。因此，很多研究者并不相信通过计算机模拟出来的实验结果，他们更相信实践得出的“真知”。理论模型与实践结果哪个可信度、效率更高的也在材料学界引起了激烈的辩论。目前，多数研究者的采用两者结合的方式。1) 实验得出结果后，通过理论计算进行科学机理的解释；2）通过理论计算先设计出材料的结构，对性能进行模拟，再通过实验对计算模型加以验证。综合理论指导实践，实践验证模型，各取所长将成为未来的研究趋势。
上文对材料学的科学范式进行了归纳。范式是某领域科学共同体所共有的思维模式，其中，评价体系是范式中重要的组成部分，下面将对材料学的分支-催化剂领域的评价体系进行归纳，对未来的范式创新提出见解。
现有的催化剂评价体系由三大支柱构成：催化剂的活性、稳定性、选择性。这三个指标构成研究的核心，科研人员通过对催化材料的设计，包含但不限于：化学元素置换、掺杂，界面、晶面调控，材料结构改性，来优化催化剂的这三大性能。在这种范式的规范下，研究者们可以“精而专”地进行改性研究，做“量变的创新”。然而，创新大多数局限于前人的框架之下，少有人质疑评价指标的全面性与合理性。范式是一种规范，同时也是一种约束，这种平稳发展的局面背后有两个可能的原因：1）目前学科领域的评价体系可以解释科研中遇到的问题，还没有足够的矛盾与冲突激发一场范式革命；2）创新的思考需要通过论文的形式发表得以被看到，而论文发表的决定权掌握在现有的科学共同体手中，新研究体系提出后没有得到科学共同体的肯定，因此没有被广泛了解与阅读的机会。一个学科领域的根本性创新不仅难在创新的着力点难以被察觉进而很难被提出，而且不容易被现有范式的科学共同体所接纳和传播，即驱动科学革命是一项艰难的历程，需要巨大的原始驱动力，而纵观历史一次又一次的科学革命就是在这种矛盾、批判中呈螺旋式推进的。
结论
从范式的哲学视角审视材料科学领域的发展，可以得到新范式：理论计算指导实验、高效预测实验结果虽然得到了多数科学工作者的认同，解决了旧范式：“实验推测理论”效率低下、可重复性差及前期研发成本高昂的难题。但新范式也存在不足：理论计算模型的可信度不高。因而，现阶段多数研究者采用各取所长，结合两者优势的思路进行研究。1) 实验得出结果后，通过理论计算进行科学机理的解释；2）通过理论计算先设计出材料的结构，对性能进行模拟，再通过实验对计算模型加以验证。现有的催领域评价体系局限于三个指标：活性、稳定性、选择性，范式既是一种规范，也是一种约束。科学创新不容易被现有范式的科学共同体所接纳和传播，因此驱动科学革命是一项艰难的历程，在批判和矛盾中螺旋式推进。
参考文献
[1] 成良斌等. 自然辩证法讲义.2021.12
[2] 武晓君, 杨金龙∗. 材料的理性设计与计算模拟.
[3] AgrawalA,ChoudharyA. Perspective: materials informatics and bigdata: realization of the “fourth paradigm” of science in materials science. APLMaterials, 2016, 4(5) :053208.
[4] 刘梓葵．关于材料基因组的基本观点及展望．科学通报,2013,58（35）：3618 3622.
