美国国家实验室的建设经验及其对中国的启示[1]

鲁世林  李 侠

（上海交通大学科学史与科学文化研究院）

摘要：管理模式、核心能力及战略计划是影响国家实验室发展的三项关键要素。基于对美国能源部、国土安全部和航空航天局及下属国家实验室的最新资料和数据的挖掘发现：在管理模式方面，美国国家实验室属于垂直式矩阵管理体制，多数关键实验室直接隶属于政府部门，严格实行实验室主任负责制。在核心能力方面，实验室整体上规模较大、质量较高，人员种类配备合理，学科范围涵盖广泛；一般都具有强大的自主研发的大型科研装置及科研设施；财政经费充足且来源广泛，按照大项目制进行统筹规划使用；实验室构成政府多样化任务攻坚体系，与大学及行业关系紧密。在战略计划方面，将短期计划与长期计划相结合，通过绩效目标和年度绩效指标来衡量实现战略目标的进度。我国国家实验室建设在未来的运行方面需要不断借鉴国外先进经验，持续创新、变革与完善。

关键词：国家实验室，管理模式，核心能力，战略计划

中图分类号：G322.24                              文献标识码：A

《中华人民共和国2020年国民经济和社会发展统计公报》数据显示，截至年末，我国正在运行的国家重点实验室522个^[1]。目前我国正在大力推进国家实验室建设，且已取得一些成绩，如青岛海洋科学与技术试点国家实验室的试点与运行^[2]，但总体来说，国家实验室还处在起步过程中。根据2017年10月科技部、财政部、国家发展改革委员会三部门出台的《“十三五”国家科技创新基地与条件保障能力建设专项规划》，在“建设目标”部分明确了要布局建设若干体现国家意志、实现国家使命、代表国家水平的国家实验室，并明确了前期批准立项的国家实验室、国家实验室（筹）、国家研究中心全部纳入国家重点实验室管理序列^[3]。由此可见，国家实验室的建设将是未来实现科技自立自强目标的重要一环。

国家实验室是国家实现自主创新能力突破及推动经济社会发展的重要杀手锏和助推器，对国家实验室建设来说，管理模式、核心能力及战略计划影响着国家实验室的发展节奏、发展能力和发展方向。美国目前仍然是基础研究水平和自主创新能力最强的国家之一，来自多个联邦政府部门的国家实验室为美国的科技领先奠定了重要基础。本文基于美国能源部、国土安全部和航空航天局及下属国家实验室的最新资料和数据，探究国际一流的国家实验室的管理模式、核心能力及战略计划，以期为我国国家实验室体系建设提供借鉴。

一、管理模式：国家实验室的优化发展

1.宏观管理体制

美国国家实验室的宏观管理体制属于垂直式矩阵管理体制，层次清晰、权力分散，主管部门与宏观管理部门基本合二为一，主管部门包括联邦各政府部门，依托单位复杂多样，财政经费预算通过联邦政府部门受到国会的监督与审批。美国国家实验室的主管部门如国土安全部还下设专门管理所属国家实验室以及协助处理不同主管部门所属国家实验室之间关系的国家实验室办公室（Office of National Laboratories, ONL），进行相关任务和项目的设计、合作与交流，实现合作共赢、避免重复设计。^[4]美国国家实验室的宏观管理体制在一定程度上避免了多头管理、效率低下、重复设计的问题。美国国家实验室的宏观管理体制如图1所示。美国联邦政府不同部门下属的国家实验室采用不同的管理模式。美国能源部国家实验室除国家能源技术实验室之外全部采用政府所有、管理外包的模式，承包方有研究型大学、企业、科学学会，承包单位包括爱荷华州立科学技术大学、芝加哥大学阿贡有限责任公司、布鲁克海文科学学会、费米研究联盟有限责任公司等，名称中带“国家”的都是多功能实验室，其他皆为单项目实验室，其组织结构如图2所示。^[5][6]美国国土安全部国家实验室于2002年才开始逐步建立，^[7]成立时间较晚，目前仍在运营和发展中，实验室均为政府所有、政府管理。国土安全部通过国家实验室办公室对下属的化学安全分析中心（Chemical Security Analysis Center）、国家生物防御分析与对策中心（National Biodefense Analysis and Countermeasures Center）、国家城市安全技术实验室（National Urban Security Technology Laboratory）、梅花岛动物疾病中心（Plum Island Animal Disease Center）、运输安全实验室（Transportation Security Laboratory）、国家生物和农业防御设施（National Bio and Agro-Defense Facility，目前仍在建设中）进行管理。^[8]美国航空航天局（NASA）下属十大国家实验室，分别为艾姆斯研究中心（Ames Research Center）、阿姆斯特朗飞行研究中心（Armstrong Flight Research Center）、格伦研究中心（Glenn Research Center）、戈达德太空飞行中心（Goddard Space Flight Center）、喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）、约翰逊航天中心（Johnson Space Center）、肯尼迪航天中心（Kennedy Space Center）、兰利研究中心（Langley Research Center）、马歇尔太空飞行中心（Marshall Space Flight Center）、斯坦尼斯太空中心（Stennis Space Center），十大实验室全部直接隶属于航空航天局，9个实验室直接向署长报告、1个实验室（喷气推进实验室）间接向署长报告，其组织结构如图3所示。^[9]可见，美国政府不同部门下属实验室管理方式各异，多数关键的实验室还是直接隶属于政府部门。

图1 美国国家实验室的宏观管理体制

图2 美国能源部国家实验室管理体制

资料来源：https://www.energy.gov/sites/prod/files/2021/01/f82/DOE%20National%20Labs%20Report%20FINAL.pdf

图3 美国航空航天局国家实验室管理体制

资料来源：https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/fy2021_volume_of_integrated_performance.pdf

2.组织管理结构

美国单项目国家实验室强磁场国家实验室是美国国家实验室与大学合作的典范，它是由洛斯阿拉莫斯国家实验室与佛罗里达大学及佛罗里达州立大学合作创建的。^[10]根据2021年的资料，实验室建立了直接隶属于实验室主任和实验室副主任的各类办公室，这些办公室涵盖实验室日常运营的方方面面；国家实验室严格实行实验室主任负责制，实验室主任在实验室发展事务方面拥有较大的权力，这些发展事务主要属于服务性事务而不是学术性事务；实验室还建立了以用户为核心的涵盖多种大型科研设施的各类用户项目；此外，实验室还拥有关键领域的三位首席科学家，但是其研究人员涉及自然科学、工程科学及人文社会科学等6个研究领域，具体如图4所示。^[11]国家实验室的组织管理结构较为灵活，都是为解决科研任务的目的而设立与调整的，很多实验室在开展科研任务时还会采用矩阵式内部管理结构，根据需要形成结合不同人才业务方向和能力的科研团队。总之，实验室主任负责制是保障实验室功能发挥的基础条件，能够避免实验室在人才引进、招生培养、财务资产等方面多头管理、权力重叠的管理弊端。可见，实验室主任既要拥有较强的学术能力，也要拥有较强的行政管理能力。相比美国国家实验室，我国国家重点实验室的实验室主任拥有的行政管理权力较少，实验室主任负责制并未完全有效落实。

图4 美国强磁场国家实验室的组织管理结构

资源来源：https://nationalmaglab.org/images/staff/searchable_docs/organization_chart.pdf

二、核心能力：国家实验室的关键要素

对于国家实验室自身发展而言，最重要的当然是国家实验室的核心能力，主要包括人力资本、核心设施、财政投入及协同创新。美国的国家实验室一般具有丰富的顶尖人力资本、世界性大型科研装置等核心设施、充足且持久的财政投入及合作共赢的协同创新能力。

1.人力资本

以美国能源部国家实验室为例，实验室少则几百人，多则上万人，拥有全职员工、联合教师、本科生、研究生、博士后和访问科学家等几乎所有类型的研究群体。最新数据显示，美国能源部国家实验室人员总数为72700人，其中高级领导（实验室主任、副主任等）为252人，一线和中级研究/技术管理人员5131人，运营（或研究支持）管理人员3264人，技术研究人员29026人，运营支持人员26193人，博士后3526人，研究生（实验室资助）2763人，本科生（由实验室资助，不包括由美国能源部直接资助的本科生）2545人，非技术研究人员所占比例60%左右。^[12]美国能源部国家实验室人力资本的具体情况如表1所示。^[13]除此之外，不管是单项目还是多功能国家实验室，能源部国家实验室人员的教育背景较为多样，实验室吸引了多个学科的高端人才。

表1 美国能源部国家实验室的人力资本

资料来源：https://nationallabs.org/site/wp-content/uploads/2021/01/DOE-National-Labs-At-A-Glance-Jan-2021-1.pdf

2.核心设施

美国的国家实验室一般都具有强大的自主研发的大型科研装置及科研设施，在强大的科研设施的支持下大批国际前沿性科学研究成果不断涌现，产学研合作中实验室拥有大型科研设施也使得研究人员能够具备解决现实问题的抓手，完成行业、企业无法完成的研究目标。以能源部国家实验室为例，各实验室都有大量在全球范围内领先的开展任务的独特设施（Mission Unique Facilities），如阿贡国家实验室拥有先进光子源、阿贡领导力计算设施、阿贡串列直线加速器系统等；布鲁克海文国家实验室拥有国家同步加速器光源、相对论重离子对撞机；费米国立加速器实验室拥有费米实验室加速器复合体；爱达荷国家实验室拥有瞬态反应堆试验装置、生物质原料国家用户设施等；劳伦斯伯克利国家实验室拥有先进生物燃料工艺示范装置、先进光源、伯克利实验室激光加速器、国家能源研究科学计算中心、88英寸回旋加速器等；洛斯阿拉莫斯国家实验室拥有集成纳米技术中心、洛斯阿拉莫斯中子科学中心；国家能源技术实验室拥有高性能计算中心等；国家可再生能源实验室拥有高通量太阳炉、可再生燃料和润滑剂研究实验室等；橡树岭国家实验室拥有高通量同位素反应堆、橡树岭领导计算设施、散裂中子源；SLAC国家加速器实验室拥有先进加速器实验测试设备等。能源部国家实验室的独特设备、技术市场亮点及研究亮点如表2所示。^[14]

表2 美国能源部国家实验室的独特设备、技术市场亮点及研究亮点

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3.财政投入

国家实验室因为主要的战略目标就是服务国家重大战略需求，因此来自政府部门的财政拨款必须是作为其最重要的经费来源。美国能源部国家实验室的财政经费及来源如表3所示。^[15]美国国家实验室在经费支持方面有以下特点：（1）美国国家实验室的财政投入按照大项目制（以项目耗时长、参与人员多、研究可持续、任务明确为特征）进行拨款，财政经费得到统筹与规划，经费分配与使用体系促使美国国家实验室能够集中力量着力攻关重大科学难题；（2）国家实验室的经费来源有部分来自与大型企业的合作，如美国能源部国家实验室来自企业的经费2019年已接近4亿元人民币；^[16]（3）美国国家实验室可以根据自身的发展需求及科研任务的完成情况进行财政经费的申请；（4）美国国家实验室的财政经费来源于多个部门和机构，不只是来源于某个联邦部委，而是通过不同部门和机构之间的合作获得了广泛的财政支持，在国家实验室合作方面能源部与国土安全部形成了紧密的合作关系。

表3 美国能源部国家实验室的财政经费及来源

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4.协同创新

以美国国家实验室为例，首先，美国能源部的国家实验室是在能源部的统筹下为满足国家的战略需求而设立，实验室的类型较为多样化（如图5所示），^[17]从科学到技术、从单一任务型到多功能任务型都有相应的实验室满足能源部的任务和目标。其次，为了避免研究任务的重复和低效，国土安全部与能源部通过国家实验室办公室等展开合作，实现了大型科研任务的合作共赢；美国能源部实验室还为其与美国国家科学基金会共同建设的下一代暗物质实验SuperCDMS-SNOLAB（the next-generation dark matter experiment SuperCDMS-SNOLAB）做出了贡献^[18]。此外，美国国家实验室与大学及行业之间的关系也是非常紧密的，它们通过聘任大学教师和学生、与企业签订合作研发协议及技术转化协议等在一定程度上充当了大学与行业之间的桥梁，美国能源部国家实验室在创新体系中与大学和产业的关系（见图6）^[19]。

图5 美国能源部执行多样化任务的国家实验室体系

资料来源：https://www.energy.gov/sites/prod/files/2021/01/f82/DOE%20National%20Labs%20Report%20FINAL.pdf

图6 美国能源部国家实验室在创新体系中与大学和产业的关系

资料来源：https://www.energy.gov/sites/prod/files/2021/01/f82/DOE%20National%20Labs%20Report%20FINAL.pdf

三、战略计划：国家实验室发展的内在推力

美国国家实验室依靠大项目制的运作方式着力解决联邦部委及国家的重大战略需求，项目的实施按照战略计划框架（Strategic Plan Framework）有序推进和实施，以《NASA 2018年战略计划》（NASA 2018 Strategic Plan）为例，包括NASA优先事项、顶级目标以及在整个机构范围内在不同层面朝这些优先事项取得进展的战略（如表4所示）。^[20]该框架顶部是NASA任务的战略目标（Strategic Goal），通过绩效目标和年度绩效指标来衡量实现战略目标的进度；年度绩效计划由绩效目标和可衡量的目标组成，这些目标符合NASA的预算并传达预期结果，该计划与完整的预算申请文件一起向公众发布。^[21]除了针对预算年度的绩效计划外，NASA还会重新评估和更新以往年份发布的绩效目标和计划，年度绩效计划更新可确保计划仍能准确反映预算、优先事项和方案计划（budget, priorities, and programmatic plans），NASA可以借此机会修改绩效指标说明、添加新指标或删除不需要的指标；从2020财年年度绩效计划开始，NASA修改了绩效目标的报告结构：以前NASA将绩效目标（performance goals）和年度绩效指标（the annual performance indicators）作为单独的计量单元，新的报告结构将年度绩效指标纳入了绩效目标，每个多年绩效目标都将有一个测量说明（measurement statement）和年度目标（annual targets），报告这一变化增加了数据透明度和计划实现结果的清晰度。^[22]

相较而言，我国国家重点实验室的发展计划一般以某几个研究方向为主进行项目研究，经费主要还是依托于课题组能够申请的各种基金、课题、项目等，基于科学研究问题开展研究；评估也较为看重实验室的学术水平，强调实验室承担项目和发表论文的数量和质量，以及在技术转化、人才培养、科普教育等方面的表现。与美国国家实验室相比，我国国家重点实验室缺少对于自身实验室开展科学研究的整体战略规划，缺少关于开展大型研究项目的长期目标及短期方案，缺少对于国家战略需求及经济社会发展需要的整体把握，这与主管部门对于实验室发展的规划统筹与战略目的不够清晰有很大关系，也与实验室的管理体制与运行机制有关，更与实验室领导能否准确把握实验室及相关领域的未来发展方向密切相关。可见，具有兼顾短期和长远目标的战略计划，对于国家实验室发展来说非常重要。

表4 美国NASA 2018年战略计划

资料来源：https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/fy2021_volume_of_integrated_performance.pdf

四、美国国家实验室建设的经验与启示

目前我国正在进行国家实验室建设的探索，可资借鉴的资源既包括三、四十年来我国探索国家实验室和国家重点实验室等方面的历史经验，也包括国际顶尖国家实验室建设的经验。虽不能以拿来主义的方式照搬美国国家实验室建设的模式和经验，但是那些具有共性的国家实验室经验仍然是值得我们充分借鉴的。

1.组织结构

我国国家重点实验室的宏观管理体制属于垂直式金字塔管理体制，层次分明、结构清晰，但是存在层级较多、多头管理的问题。目前国家重点实验室的宏观管理部门为科技部，科技部统筹和规划国家重点实验室的建设，主管部门主要为教育部和中科院，其他部门的参与度及主管的实验室数量较为有限。科技部委托国家自然科学基金委员会对国家重点实验室的建设情况进行定期评估，基于专家的同行评审的评估体系能够较好地关注学术成果的质量，但是评估体系中参与主体较少、评估方案及评估方法亟待体现国家目标与国家战略。借鉴危怀安等学者的研究^[23]，提出当前国家重点实验室的宏观管理体制如图7所示。需要提及的是，未来在国家实验室建设的战略安排上最高领导机构应该是国家科技领导小组，毕竟科技部的领导协调能力还是有限的。

图7 国家重点实验室的宏观管理体制

在组织管理结构方面，我国国家重点实验室多数依托于研究型大学和中科院设立，一般会直接隶属于大学或者隶属于学院（系、所），很多实验室不具有独立的财务、行政、人事等权力，实验室主任负责制落实情况不到位，因实验室行政管理权力较为分散导致实验室整体上不能够很好地“集中力量办大事”。就国家重点实验室内部组织管理而言，一般设有实验室主任1名和实验室副主任若干名，实验室主任和副主任负责统筹规划实验室的运行发展并处理实验室的各项事务，实验室根据研究方向一般拥有3—5个左右的研究团队，每个科研团队一般由1名学术经验丰富的教授或研究员主要负责具体研究方向的设计和研究内容的开展，不同研究团队之间交流的密切程度与实验室管理的紧密程度相关。实验室的固定人员是实验室开展学术研究的主力军，流动人员基本不会常驻实验室，他们与国际实验室流动人员相比与实验室的关系更松散。实验室也会下设办公室，办公室一般协助实验室处理科研事务、财务报销、交流访问等事务，与国际上的大型实验室相比办公室的总体规模和业务范围有较大差距。很多实验室还会因引进一些高层次人才造成各个人才团队各自为战的情况，影响实验室整体功能的整合与发挥。

2.核心能力

人力资本方面。从整体上看，按照人员总数包括固定人员和流动人员计算，我国学科型国家重点实验室每个实验室平均人数为145人，如果人员总数只按照固定人员来计算，学科型国家重点实验室每个实验室平均人数仅为90人^[24]，而美国国家实验室总人数一般为中国国家重点实验室的几十倍，相较之下我国国家重点实验室的规模过于偏小。此外，我国国家重点实验室除研究人员之外高级行政管理人员、普通管理人员、科研支持人员及大型仪器技术人员等比重严重偏低，数量较少。此外，我国国家重点实验室的科研人员学科背景较为单一，一般为相近学科和研究领域，实验室还远未形成跨学科的研究氛围，不同学科之间的耦合度远远不够。从总体上看，我国国家重点实验室不仅规模较小，而且实验室的人员学科多样性也不够丰富，这在很大程度上影响了实验室的运行效率和发展活力。因此，接下来我国建设国家实验室必须尽量做到整体上规模适中且人员质量较高、学科结构配置合理从而与“国家队”的称号相匹配。

核心设施方面。相较美国能源部国家实验室的核心设施可以发现，我国国家重点实验室在核心设施层面存在以下几个问题：一，实验室的核心设施数量不多，具有世界先进水平的大型科研设施还较少，一般每个国家重点实验室仅有一个左右的先进大型科研设施，而美国能源部几乎每个国家实验室都拥有一大批先进设施，因此需要进一步加强我国实验室大型科研设施建设以提高核心能力；二，尖端实验室的数量不够多，达到世界顶尖水平的关键技术还有待突破，这就非常需要加强实验室关键领域的基础研究；三，实验室内部以及实验室之间的协同创新能力有待提高，实验室核心设施不多、与其他实验室合作不足，以及评估体制造成的过分竞争导致实验室的协同创新能力较弱；四，实验室的技术市场亮点不明确，且有交叉重复的情况，而美国国家实验室一般都拥有自身明确的技术市场亮点及研究亮点，因此我国需要加强各实验室的技术市场亮点的规划统筹与协同发展。

财政投入方面。一，我国国家重点实验室的财政投入与美国国家实验室的财政投入差距悬殊，接下来建设国家实验室时必须持续加大财政拨款，而且尽量不要出现延迟拨款的情况；二，我国国家重点实验室面临着项目数量较多但是经费难以统筹、科研任务分散甚至科研计划重复的困境；三，我国国家重点实验室的经费来源有部分来自企业拨款，但是总体来看与大型企业的合作研发项目还较少；四，我国国家重点实验室大量科研人员将时间和精力投入到申请项目、管理项目与财务报销等科研琐事之中；五，我国在建设国家实验室时政府各部门也可以通过协议合作的方式给实验室投入财政经费以解决自身的需求，不只是局限于下拨课题或者项目的方式。

协同创新方面。我国国家重点实验室包含学科国家重点实验室、企业国家重点实验室、港澳国家重点实验室、省部共建国家重点实验室及国家研究中心五类，五类实验室主要是按照实验室的主管单位性质进行划分的，在研究方向和领域方面有很多重合之处，加上实验室的财政经费及整体规模较为有限，国际竞争力严重不足，因而极其需要对国家重点实验室体系进行整合。此外，从现有的国家重点实验室体系来看，国家重点实验室的批准立项主要是按照学科和领域进行划分，这与跨学科的研究需求是不相匹配的，也与美国国家实验室动辄5—10个左右的学科协同合作有较大的差距。另外，我国政府不同部门对下属实验室的功能划分需要进一步明确，目前学科型国家重点实验室还是主要依托于大学及科研院所开展工作，与行业企业合作多属于政策允许、而真实偏好不足的状态，国家重点实验室科学和技术研究及产学研合作的相关政策仍然不够清晰，无法有效落地，接下来国家实验室建设需要在科学与技术研究及产学研合作方面进行统筹规划。

3.战略计划

相较而言，我国国家重点实验室的发展计划一般以某几个研究方向为主进行项目研究，经费主要还是依托于课题组能够申请到的各种基金、课题、项目等为主，相关研究布局缺乏对国家目标与战略的考虑。评估体系也较为看重实验室的学术水平，强调实验室承担项目和发表论文的数量和质量，以及在技术转化、人才培养、科普教育等方面的表现。与美国国家实验室相比，我国国家重点实验室缺少对于自身实验室开展科学研究的整体战略规划，缺少关于开展大型研究项目的长期目标及短期方案，缺少对于国家战略需求及经济社会发展需要的整体把握，这与主管部门对于实验室发展的规划统筹与战略目的不够清晰有很大关系，也与实验室的管理体制与运行机制有关，更与实验室领导能否准确把握实验室及相关领域的未来发展方向密切相关。可见，具有兼顾短期和长远目标的战略计划，对于国家实验室发展来说非常重要。

综上，在对美国能源部、国土安全部和航空航天局及下属国家实验室的最新资料和数据进行分析的基础上，可以发现我国国家重点实验室与发达国家国家实验室相比还有较大的差距，具体表现在如下环节：在管理模式方面，建设国家实验室要打通管理层级之间的障碍，确保充分实施实验室主任负责制；在核心能力方面，建设国家实验室必须要有适当的人才队伍规模并合理配置各类人才，发展自身的核心科研设施，加强经费投入强度，拓展经费来源渠道的多元化，并调整投入与评估方式，积极与企业和大学开展协同合作；在战略计划方面，要实施长效评价，减少短期评估，关注尖端科研成果和社会服务能力。值得强调的是，加强国家级实验室的理论与实证研究，是当下科技管理部门和科研工作者亟需解决的十分紧迫的任务。

参考文献：

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[23]危怀安,徐晓林,刘燕美,王炎坤.国家重点实验室建设和运行中的政府职能[J].中国行政管理,2005(02):29-31.

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基金项目：本研究得到国家社科基金重大项目“人工智能伦理风险防范研究”（20&ZD041）资助，特此致谢。

作者简介：鲁世林，上海交通大学科学史与科学文化研究院博士研究生。研究方向为高等教育学、科技政策、科技与社会；

李侠，上海交通大学科学史与科学文化研究院教授。研究方向为科技政策、科学社会学、科学哲学。

通信作者：李侠，邮箱地址：lixia001@sjtu.edu.cn

【博主跋】这篇小文章从收集资料到成稿再到发表折腾两年了，现发在《科学与社会》2022（2），这期间修改过多遍，也感谢编辑部肖老师多次不厌其烦的修改意见、返回与交流，任何一篇文章背后都凝结了多人的努力，再次感谢肖老师的辛勤付出，合作愉快！这篇文章出来也正赶上鲁世林同学博士毕业，以此祝贺他顺利完成学业，也预祝他在未来取得更大的成绩。

说明：文中图片来自网络，没有任何商业目的，仅供欣赏，特此致谢。

文中第一张图片是橡树岭国家实验室，中间是阿拉莫斯国家实验室，最后一张就是阿贡国家实验室。

2022-7-1于南方临屏涂鸦。