虛擬科學：科學研究的第五范式

摘 要：該文基于把世界劃分為現實世界和虛擬現實世界，考慮虛擬現實技術、電子游戲、網絡游戲在科研中的應用，并借鑒吉姆·格雷的四種研究范式的界定，提出“虛擬科學”或“虛實科學”、“游戲科學”作為科學研究的第五范式，并對這一新的研究范式的定義、要素、功能及其與其他范式的關系進行了初步探討。虛擬科學的核心特點是使想象力成為受控的想象力、精確的想象力，實現對想象與情景的有效預測、控制和評價。指出虛擬科學具有平臺性和通用性，與之結合可提升其他研究范式的能力與適用范圍。強調虛擬科學的興起是云科學革命的重要組成部分，并為迎接虛擬科學時代的到來提出政策建議。

關鍵詞：虛擬科學 虛實科學 游戲科學 第五范式 科學4.0 想象受控實驗 創本位 泛虛擬社會 創本家 泛虛擬 云科學 泛虛擬產業 跳高理論

中圖分類號：N03 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（b）-0007-07

Virtual Science：The Fifth Paradigm of Scientific Research

Liu Yidong

（The Institute for the History of Natural Science，Chinese Academy of Sciences， Beijing， 100190 China）

Abstract：Based on the division of the world into realand virtualones，and considers the use of virtual technology，electronic games and cyber games in scientific research，the paper proposes the concept of“Virtual Science”or“Virtual Reality Science”or“Game Science”and views it as“The Fifth Paradigm”in borrowing the idea of“The Fourth Paradigm”from Jim Gray.Further，it makes a preliminary discussion on the definition，elements，function of The Fifth Paradigm，and its relation with other four research paradigms.The paper points out that the virtual science can be used as a platform and it has the property of generality，so if the other four research paradigms can combine it within themselves，then the capability and application scope of them will be enhanced and expanded， it also emphasizes that the rise of virtual science is an important part of the Cloud Science Revolution.Finally，some policy recommendations are proposed in this paper to meet the arrival of the Virtual Science era.

Key Words：Virtual science；Virtual reality science；Game science；The fifth paradigm；Science 4.0；Controlled experiment of Imagine； Creativity–Oriented；Pan-virtual society；Creativity capitalist；Pan-virtual reality；Cloud science；Pan-virtual industry；High jump theory

關于世界可以有各種劃分，比如：波普爾的三個世界理論（物理世界、精神世界、產品世界），筆者認為從科學研究對象的角度可以把世界一分為二：現實世界和虛擬現實世界（虛擬現實包括想象中的和未來可能發生的情況以及各種符號系統等），波普爾的三個世界基本都是現實世界（盡管精神世界中有想象的成分，但是這種想象不是受控的精確想象，與虛擬現實中的想象不能相提并論），所以他的劃分是不周嚴的?？茖W自誕生之日起，研究的對象主要是現實世界的問題，虛擬現實技術的出現改變了這一狀況，以虛擬現實為研究對象使科學發展進入了新的歷史階段，但是迄今為止，人們還沒有明確提出與之相應的研究范式。以現實世界和虛擬現實世界這兩個世界劃分為基礎，考慮虛擬現實技術、電子游戲、網絡游戲在科研中的應用，并借鑒吉姆·格雷的4種研究范式的界定，筆者提出“虛擬科學”或“虛實科學”、“游戲科學”作為科學研究的第五范式這一新的研究范式[1]。按照吉姆踮·格雷的劃分，近代科學以來研究范式共出現了“實驗科學、理論科學、計算科學”三種，他提出“數據科學”作為第4種研究范式，目前大數據和數據科學已經風靡世界，成為蓬勃興起的朝陽學術。“虛擬科學”則比“數據科學”更能反映出當代科學研究的最新方式與最新進展，因為“虛擬科學”是首次將虛擬現實世界作為科學研究的對象，加上以往的研究范式，使得科學研究終于完成了對現實世界和虛擬現實世界的全覆蓋。而包括“數據科學”在內的四種研究范式基本上還都屬于面對現實世界的研究，所以“數據科學”仍然主要局限于對現實世界的研究（盡管并沒有明確這種限制），當然只要它與虛擬科學結合也可以服務于虛擬現實的研究。該文通過三部分來分別論述這些內容：一是何謂作為第五范式的虛擬科學；二是分析第五范式與其他范式的關系；三是探討第五范式的興起與云科學革命的發生。

1 作為科學研究第五范式的虛擬科學

虛擬科學內容豐富，游戲是其中非常重要的組成部分，所以虛擬科學也可以稱之為游戲科學，游戲包括現實中的游戲和虛擬現實中的游戲，以及虛實結合的游戲。游戲與科學的關系密切，利用游戲開展研究也有較長的歷史了。

1.1 游戲與科學的關系

游戲與科學的關系早有不少學者進行了研究，維特根斯坦是對游戲有深刻理解的哲學家，他于1953年分析了游戲和語言的關系，指出“我還將把語言和活動—那些和語言編織成一片的活動—所組成的整體稱為‘語言游戲’”[2]，“庫恩范式學說的哲理依據是維特根斯坦的家庭形似說和語言游戲說[3]?！睅於骱笃谔貏e強調科學語言的重要性，把科學革命看作是科學語言尤其是科學詞匯表或詞典的變化與更替。他認為“科學知識像語言一樣，本質上是一個團體的共同財產，舍此什么也不是。為了理解它，我們必須認清那些創造和使用它的團體的特征[4]?！辈ㄆ諣杽t指出方法論類似于經驗科學的游戲規則，他指出：“對科學游戲—即科學發現—的規則的研究結果，可以稱作‘科學發現的邏輯’[5]?！?/p>

Gerhard Lenski和Jean Lenski明確指出通過各種意義上的“游戲”能夠獲得理解和解決實際問題的能力[3]。這些大學者都敏銳地發現了游戲、語言、科學之間的關系?？茖W家在前沿探索時也對游戲與科學的關系有直接的感悟，例如：W·B·貝弗里奇指出：當我問起弗萊明爵士對研究工作的觀點時，他回答說：他不是在做研究，而是在做游戲的時候發現了青霉素。這種態度代表了不少細菌學家，他們把自己的研究說成是“戲弄”這個或那個有機體。弗萊明爵士相信，正是做游戲的人做出了最初的發現，而更按部就班的科學家發展了這些發現。“游戲”一詞很有意義，因為它意味著科學家的工作是為了怡情，是為了滿足自己的好奇心[6]。

有學者指出，大量案例表明許多科學家都是在把科學當作一種高級的游戲，從而揭示了大自然的奧秘和真理，許多理論的產生都是“從某些不相關的活動，例如游戲開始的。游戲的一方面結果就是使得那些沒有被認識的實際問題的解釋在后來得到發展[7]?！贝送?，科學虛構成為一種流行的科學研究方法和建構方式。科學虛構是指有關科學理論、科學對象、科學活動、科學成果和科學技術的虛構。虛擬城市、虛擬地球、虛擬地理環境也都是科學虛構、科學想象或科幻小說的產物。科學虛構可以作為一種特殊的有關空間形式或空間結構的虛構，虛擬現實等都可能構成這種虛構故事的核心內容[7]。

顯然，上述觀點主要是從本質上闡明游戲與科學的關系，筆者提出的虛擬科學、游戲科學則不僅從本質上，而更是從形式上、技術上、方法上、體制機制上來闡明虛擬科學、游戲科學是一種新的研究范式。

1.2 虛擬科學：基于物、人、語境、情景、想象受控實驗的新研究范式

人與動物最大的區別是人能夠想象沒在眼前發生的事情，包括發生但是沒有親臨其境、沒有看見、聽見、接觸到的事情，也包括還未發生的事情。但是這種想象并非精準的、可檢驗的想象，尚未達到受控想象的程度，以往的科學，包括實驗科學、理論科學、計算科學、數據科學，都不能有效解決這個問題。也就是說，科學的兩組功能，說明、解釋和預測、控制，前一組比較成功，后一組則還沒有真正實現。筆者提出作為科學研究第五范式的虛擬科學可以解決這一重大難題。這里所說的第五范式是指科學研究的第五范式，而不是數據庫設計的第五范式（5NF）。

“虛擬技術”非常普遍，“虛擬科學”也不是什么新術語了，筆者則賦予它特定的新含義，使之成為科學研究的第五范式。基于虛擬現實和電子游戲在科研中的應用，筆者提出“虛擬科學”或“虛實科學”、“游戲科學”作為科學研究的第五范式，“虛擬科學”在研究方式上和在與其它研究范式的關系上明顯區別于其它四大范式。在研究方式上第五范式解決的是在“物的受控”基礎上的“參與人員受控實驗”（人員包括人和機器人等）、“語境受控實驗”、“情景受控實驗”、“想象受控實驗”和“受控評價”問題，是從傳統的受控實驗——參與物受控實驗——擴展到參與人受控實驗、語境（context）受控實驗、情景受控實驗、想象受控實驗和評價受控，實現物、人、語境、情景、想象、評價的受控，也就是系統受控，這里的“物”包括儀器、設備、設施，也包括參量、符號、數據等，其中想象受控最具特色，把思想實驗科學化。在與其他4個研究范式的關系上，第五范式具有通用性和平臺性，與第一、二、三、四范式均可以結合，全面提升每一個范式的效率與品質，這是第四范式（數據科學）及前三個范式所不具備的。筆者給出的定義是：虛擬科學（虛實科學、游戲科學）是利用虛擬現實技術和電子游戲、網絡游戲等有關技術和方法，實現參與物、人、語境、情景、想象的受控實驗和受控評價，是全方位、全工況、全覆蓋的系統受控實驗，并在此基礎上利用各種理論、方法和工具開展研究，可以解決科學研究中有關說明、解釋、預測、控制、評價等問題。不言而喻，想象的范圍廣泛，包括對符號等各種要素的想象，也包括對物、人、語境、情景的想象，之所以把想象單獨列出是為了強調想象的重要性，“想象”中最困難的是對人的行為、關系、觀念和想法的想象，虛擬科學解決了這一難題，因此，虛擬，科學最大的特點是使想象力成為受控的想象力、精確的想象力，實現對想象的精確描述、有效預測和控制及評價。廣義上講虛擬科學是研究虛擬現實的科學，是研究虛擬實踐的科學，虛擬技術則是實現虛擬現實和虛擬實踐的技術，這是不言而喻的，筆者提出的“虛擬科學”是狹義的，它是廣義“虛擬科學”的核心與獨特之處，只有具備這一核心，“虛擬科學”才稱得上是科學研究的第五范式?？梢?，虛擬科學與虛擬技術不是一回事，也不能簡單地理解為通常意義上的科學與技術的關系。

與傳統的受控實驗只包括參與物（科學儀器和溫度、時間、體積、距離、壓強等有關實驗參數及條件）相比，虛擬科學把控制的范圍擴大到包括參與物、參與人、語境、情景、想象和評價在內的各種情況，把科學研究提升到一個全新高度。當然，虛擬科學作為研究范式剛開始步入科學殿堂，甚至可以說只是初具雛形，其發展前景不可限量。

眾所周知，受控實驗在科學研究中居于核心地位，伽利略因首倡并實踐受控實驗和數學化而成為現代科學之父。但迄今為止，受控實驗的控制對象是科學儀器與溫度、時間、壓強等有關實驗參數及條件，而對于涉及人員、語境、情景、想象、評價的實驗卻一直無法實現有效控制，在研究人的行為活動及相關問題的實驗時，只能通過選擇恰當的歷史案例來解決，在研究未來情景和預測時則更是力不從心。虛擬科學則可以通過虛擬現實、游戲、在線或離線游戲，對人數眾多的參與者進行有效控制（遵循游戲規則的活動即為受控，否則出局或無效），從而完成參與人的受控實驗。語境、情景、想象受控則是通過參與人在“如果-則”集合的引導下，提出各種可能的情景，并嚴格控制該情景出現及演變的各種條件。受控評價則是筆者提出的“開放-受控式評價[8-9]”，參與人可以通過虛擬現實、虛實結合與游戲的方式開展評價，從而產生“方案-價值”集合（對每種方案進行價值評估，進行方案優選和排序）。開放-受控式評價不僅實現了評價的客觀化（評價結果可重復），而且尤其適用于精準甄選前沿學者，高標準嚴要求，要求網上公開規范展示學者的前沿突破性成果及其突破點四要素，因為突破點四要素明確具體，因為只有想到做到才能說的清楚周到，因為上網面對包括同行在內的廣大學界及社會，所以難以假冒偽劣；因為好問題、巧思路、新結論具有難得易懂、高難易錯（高難動作易出破綻）、突破易鑒（突破性工作的進展幅度大、特征顯著）等特點，眼高手低、對比易鑒（同類比較降低判斷難度）等特點又使得更多人可以勝任評鑒，筆者還提出“跳高理論”（跳多高取決于跳得最高的一次。跳過10次2米20，不如跳過1次2米30；對于團隊而言，則如特曼所說“一個人能夠跳過七英尺，比人人都能跳過六英尺有意義”）來說明長板效應，這種反木桶理論適合解釋拔尖人才的作用，即在創新領域、科學領域“十個二流人才抵不上一個一流人才”（康南特語）。這些可以很好解決了高端人才與學術帶頭人的甄選問題，有助于實現公眾理解科學、公眾監督科學。

長期以來，科學與游戲就有千絲萬縷的關系，虛擬科學、游戲科學的雛形可以追溯到心理學、管理學的研究，計算科學（計算物理、計算化學、計算生物學等）也已經有了游戲科學的影子[10]。在社會科學領域，心理學、管理學、實驗經濟學、行為經濟學中大量使用游戲和電子游戲來進行研究，例如麻省理工學院斯隆管理學院在1960年代設計的“啤酒游戲”成功解釋了與庫存管理有關的“牛鞭效應”。在自然科學領域，有科研機構借助游戲的概念完成了一篇關于癌癥產生原因的學術論文，并發表在《自然》雜志上，署名為gamer。另一個廣為人知的案例是斯坦福大學科學家為研究蛋白質折疊結構而設計了第一個對全世界玩家的分布式計劃Folding@home，《折疊》游戲推出18個月就吸引了超過11萬名玩家注冊。該計劃的主持人指出：“我們希望改變通往科學的道路，改變科學的實踐者。我們的終極目標是讓普通人玩游戲，并最終變成諾貝爾生物學、化學或醫學獎的有力競爭者。”2010年8月，他們在《自然》上發表論文稱實現了第一個重大突破：在一系列的挑戰賽中，玩家5次擊敗了世界上最成熟的蛋白質折疊算法。可見玩家的直覺可以和超級計算機媲美。11]這一探索的成功表明參與者可以不懂科學，只要遵守游戲規則就可以成為研究者。顯然，如果全面遵守各項科研游戲規則就可以成為科學家[1]。此外，游戲用于教學和教育也比較普遍，寓教于游戲，游戲案例和“輕游戲”正在興起[12]。此外，利用虛擬技術進行科學研究的例子則不勝枚舉，在此不再贅述。

1.3 虛擬科學的八個要素

作為科學研究范式，“虛擬科學”擴大了受控對象的范圍，在儀器及各種參數的基礎上，又增加了參與人、語境、情景、想象，突破了以往科學研究的瓶頸和僵局。參與人的受控包括三種情況，一是研究對象就是人，控制人是為了研究人；二是研究對象是物，控制人是為了研究物，三是這兩種情況的混合。語境、情景、想象的受控則是包括物、人、時間、空間的系統受控。盡管預測學、未來學開展了數十年的研究，卻因研究對象尚未實際存在、尚未實際發生，超出了實證科學的適用范圍，而至今沒有取得突破性進展，虛擬科學則可以做出新突破。筆者指出，虛擬科學包括八個要素：①研究平臺。為研究虛擬現實而設計、建立的研究平臺，包括基本假設、分析框架、研究方法、研究工具、游戲規則、研究范例等，這些要素構成了虛擬科學研究范式，以支持、啟發和約束專家學者開展虛擬科學的研究，開展虛擬科學的研發（RD），這些內容包括通用和專用的兩種，專用的如上述蛋白質結構的折疊程序，通用的則有各種平臺，游戲平臺是其中一類，用于科研的游戲及用于科研與教學的游戲分別可稱之為“研游戲”和“科教游戲”。此外，在研究平臺上還能實現現實與虛擬的互動，以解決更復雜的問題，所以“虛擬科學”也稱之為“虛實科學”（VR Science）。需要強調的是，盡管利用虛擬技術開展科學研究早已屢見不鮮，但是嚴格地講這些研究還不能稱之為虛擬科學研究，就像利用計算機仿真研究經濟問題還不能稱之為實驗經濟學，除非遵循了實驗經濟學特有的研究范式；②活動平臺。為使虛擬科學行之有效而建立起相應的體制機制、實驗室和網絡平臺及網絡社區，網絡平臺/社區之于虛擬科學就像實驗室之于實驗科學。例如包括虛擬學術社區、虛擬科研組織、虛擬大學等；③問題研究。利用虛擬科學開展自然科學、社會科學與交叉科學研究，解決預測和未來研究等各種復雜問題；④范式融合。虛擬科學與實驗科學、理論科學、計算科學、數據科學等進行交叉、結合，全面擴展和提升科研的范圍與能力，開展跨學科、多學科、跨范式、多范式的研究；⑤自主開放。研究對象和研究者都不受場地、機構、地域的限制，研究對象為虛擬現實，當然也可以包括現實，包括半虛擬現實、半現實的虛實結合的現實，因此研究范圍極為廣泛，而且不受場地、機構和地域的限制，研究者同樣也不受這些限制而能夠自由自主地工作，上網就等于上班、等于進入了辦公室、工作室、實驗室。開放性還表現為虛擬科學不僅涉及自然科學、人文社會科學、未來學、軟科學、交叉科學等學術研究、研發（RD），還涉及設計、策劃、編劇導演、藝術創作等各種知識創造與創意創新活動，以及傳媒與新聞報道活動等，開展眾包與眾研活動，與產業（如文化創意產業、工業4.0）有更緊密的結合，例如創建“虛擬歷史學”、“虛擬科技史”，極大地開發歷史資源，不僅提升史學和科技史的研究能力與適用范圍，也為文創產業提供豐富的資源支持，通過重演歷史上的科學發現、技術發明及科技創新的過程來支持學習、研究與創新；⑥創新本位。也稱之為“創本位”（creativity–Oriented），包括創造本位、創意本位、創新本位、創業本位等，人類歷史至今經歷了“官本位”（官權等級社會）、“錢本位”（錢權商業社會）社會，即將進入“智本位”或“創本位”（智權知識社會）社會，“創本位”更能突出作為智慧核心的創造力的決定性作用，因何謂智慧難以說清，有權、有錢者顯然自認為智慧超群，而有無創造力卻客觀明確得多。虛擬科學具有可預演性和高整合性，可以預演成果-傳播-應用-評價-反饋，預演決策的制定與實施及評價反饋等整個過程，互聯網已經開始比較方便地整合線上和線下資源，虛擬科學與互聯網結合則更進一步，這些都使得管理、獲取和搭配各種要素變得容易，而只有一個要素依然稀缺，且無法代替，那就是創造力，也就是說，創本位是指“除了創造力，其他都不是問題”，可謂“千事易得，一創難求”，實驗室經濟就是明證?；ヂ摼W實現了“貨比多家”、精準甄選、精準對接，使得需要創造性解決問題的用戶“用人唯創”、“唯創是舉”，供方的核心能力只有一個，就是創造力，其他都變得不再重要，互聯網與虛擬科學結合使這一情形得以進一步推廣和強化。“知本家”應該有一個升級版，創造力才是核心資源，“創本家”（creativity capitalist）才是創意時代的弄潮兒；⑦教育培訓。開設虛擬科學專業和培訓，培養虛擬科學的專業人才，迎接虛擬科學時代的來臨，如同面對大數據時代的來臨要設置數據科學專業一樣；⑧文化建設。開展“虛擬科學文化”建設，這種人人參與、萬眾創新、寓教于樂、寓研于樂的新型研究活動與文化現象，有助于實現公眾理解科學、公眾監督科學[13]，有助于彌合C.P.斯諾在《兩種文化》演講中指出的科技與人文之間的割裂，實現人文社科學者參與科研，實現STS參與進路所希望的“STS研究者的角色從外在于‘科學技術’的觀察者到內在于‘科學知識生產’的參與者的轉變”[14]，有助于彌合現實世界與虛擬世界之間的界溝，更好地解決復雜問題，讓公眾更好地理解和接受合理的新成果、新思想，更好地理解愿景和對未來的展望及預見，最終形成公平正義、以理服人、以仁為本、永續發展的理性文化。虛擬科學覆蓋面廣，作用巨大，因此也可以簡稱為“大虛擬”、“泛虛擬”，就像數據科學簡稱為“大數據”一樣。對于當下而言，最緊迫的工作是虛擬科學可以用于受控的預演研究，把未來作為實證研究的對象，從而解決了長期以來困擾未來學和預測學領域的這一世界難題，全面提升預測學、未來學、技術預見、情景規劃、影視未來學、科學預演可視化、政策模擬、社會計算、平行管理、復雜性科學等領域的研究水平，解決各種亟待解決的難題，造福社會[15]。

2 作為第五范式的虛擬科學與其他范式的關系

2.1 虛擬科學具有平臺性和通用性，與之結合可提升其他研究范式的能力與適用范圍

虛擬科學的平臺性和通用性體現在兩個方面：一是虛擬科學的技術條件是大IT，大IT系統主要包括計算機、通信、網絡、數字、智能、物聯網、虛擬、云計算、大數據、軟科技（簡稱“計、通、網、數、智、物、虛、云、大、軟”，CCNDIIVCBS）。[15]大IT具有平臺性和通用性的特點，虛擬科學也具有這些特點；二是虛擬科學主要是實現了參與人、語境、情景和想象的受控化，在研究對象、基本假設、分析框架、研究方法、研究工具、主要結論等都有所變化，而這些要素同樣存在或應該存在于實驗科學、理論科學、計算科學、數據科學之中，這四項研究范式與虛擬科學的融合，使這些要素及其關系發生變化，可以全面擴展、提升其研究范圍、效率與品質。例如，實驗科學與虛擬科學結合，可以把現實中的實驗擴展到虛擬現實，各種參數更容易準確實現，過去一些困難的實驗也容易完成，無論是實驗對象還是實驗手段和方法都有所擴大、新增和提升；理論科學與虛擬科學結合，把遵從游戲規則的參與者（參與人、參與的機器人等）考慮進去，從基本假設到分析框架和研究方法等都要做相應的調整和擴展，以覆蓋更廣泛的研究領域；計算科學覆蓋基礎研究、應用研究和實驗發展，覆蓋理工農醫、人文社科等各個領域，也是交叉學科發展的重要工具和支撐，計算科學與虛擬科學相結合，對虛擬科學的幫助和支撐是顯而易見的，虛擬科學則是通過對計算科學的發展提出新的挑戰與動力，對人及人群的行為和集體行為的研究擴大了計算科學的研究領域，虛擬現實技術也使得計算科學在發揮支撐作用時可以進行事先的預演；數據科學與虛擬科學的結合，通過把虛擬現實的各種信息、游戲規則與游戲過程的各種信息進行計算機編碼而變成數據，從而擴大了數據科學的適用范圍，同時也提升了虛擬科學的能力。虛擬科學因與大IT的全面融合、因與其他研究范式的結合，不僅提升了自然科學、交叉科學研究的能力與適用范圍，更重要的是對人文社會科學、未來學、軟科學等產生革命性的巨大影響，如果說受控實驗與數學化使自然科學成為現代科學，那么，與虛擬科學結合使人文社會科學、未來學、軟科學等達到精確科學、受控科學的水平，從而成為真正意義上的科學，乃至實現自然科學、人文社會科學、交叉科學等的統一，形成以虛擬科學為基礎的泛虛擬社會。

2.2 虛擬科學與其他范式結合可實現從平面科學向立體科學的轉型

迄今為止包括實驗科學、理論科學、計算科學、數據科學在內的科學都是只有現象維和分析維的“平面”科學，借鑒董光璧[16]和霍耳頓（Gerald J·Holton）的觀點，筆者將價值理性引入科學，提出包括現象維、分析維和價值維的“立體”科學?，F在的“平面”科學只有一套糾錯機制，只能糾正理論與事實（觀察、實驗）不符合的錯，糾正理論內部邏輯不自洽、理論之間不協調的錯，但是不能糾正科學不合理應用的錯，不能糾正不合理創新的錯，在以往科學技術負面效應還不普遍嚴重的情況下，這一缺陷尚可承受，但隨著科技能力與創新平臺的提升、致毀知識增長和積累的加速，缺少關于科學是否合理應用的糾錯機制已經成為制約科學發展的首要因素?！傲Ⅲw”科學就是增加了一套糾錯機制，以糾正科學不合理應用的錯[17]。虛擬科學具有多學科、多方人員參與的特點，不僅有科學家、科技專家、研發人員，還包括人文社科學者、市場專家、經營者、用戶等，容易把科學應用、科技創新也納入到研究內部來考慮，可以預演科學研究的每個下一步環節，可以預演科研成果應用帶來的風險與負面作用，從而在立項之初或研究伊始就提前終止有潛在風險的研究項目。創新理論從單向、雙向、環形、網絡等不斷發展，直到虛擬科學的出現與實施才真正實現全方位、全工況、全覆蓋的創新研究。

3 虛擬科學的興起與云科學革命的發生

借用管理學大師德魯克的名言“預測未來最好的方式就是創造未來”，筆者可以說“預測科學革命最好的方式就是發動一場科學革命”。歷史上大大小小的科學革命、技術革命都發生在西方，以至于在提及科學革命、技術革命時，國人已經習慣于這些知識革命是舶來品，所以用“迎接”二字來表明態度，諸如“迎接新技術革命”、“迎接新一輪科學革命”等等。筆者從科技發展的內在動力與外在動力的角度，即從科學家、專家學者（以下簡稱“學者”）的需要及其實現這一主體驅動力，和科技與經濟社會結合越來越緊密這一外在驅動力的角度，來考察科學技術發展的歷程，發現了一條明顯的線索，就是從學術評價、經費資助與分配、學術組織方式、科研體制機制到科技與社會的關系，都變得越來越適應和滿足學者的需要，能夠及時充分地調動學者的積極性和創造性，并通過自組織等方式把學者的聰明才智組織地越來越有的放矢、高效合理。同時，學者及科技事業與經濟社會發展也結合的日益密切，雙方的需要對接、耦合的越來越緊密深入，實現了科技經濟一體化。[1]筆者據此進路，把科技發展史分為科學1.0、科學2.0、科學3.0三個階段，并預言即將發生云科學革命，即從科學3.0到科學4.0的躍升。作為第四范式的數據科學和作為第五范式的虛擬科學的加入成為科學4.0區別于科學3.0的一個重要特征。作為科學4.0的云科學（也稱為網絡科學）是以大IT及e-Science為基礎、網絡/平臺為體制、開放式評價與前沿學者負責制為核心、充分發揮創新人才的積極性與創造性從而更好造福社會為根本[1]。

學者主要有四項需要：（1）獲得優先權和學術自由、成果和能力獲得及時承認、獲得聲望和歸屬共同體的需要；（2）獲得工作條件、研究經費、合作者與學生弟子的需要，組建并主持自己的實驗室、工作室、研究團隊的需要；（3）研究成果得到傳播、傳授、傳承、引用、轉讓和應用及贏取回報的需要；（4）學者報效國家、擔負社會責任、實現人生抱負和天下情懷的需要。云科學平臺能夠充分及時地滿足學者的各項需要，是學者的桃源寶地，使優秀學者大有用武之地[18]。從上述虛擬科學的八個要素看，虛擬科學的實施可以更有效地滿足學者的需要，例如，虛擬科學可以擺脫場地、機構和地域的限制，更容易實現學術自由和自主開放；虛擬科學形成的學術社區能夠適應互聯網時代的學者歸屬共同體的需要；能夠有效滿足雙向選擇合作者與學生弟子的需要；能夠預演成果傳播與應用效果從而加快成果轉讓、加快贏取回報；能夠預演和展示對未來發展的預測，凝聚共識和愿景，更有利于報效國家和擔負社會責任。虛擬科學面向學術界和社會開放，有助于實現開放式評價，虛擬科學強調參與人的重要性，強調以參與人為本，有助于把價值理性引入科學，以實現科學從“平面”到“立體”的轉型，這也是科學4.0的重要新內涵。由于我國科研經費已經多年位居世界第二，互聯網等信息基礎設施也較為發達，而科研績效不如人意，不能有效支撐國家安全和經濟發展，因此有極強的動力率先發動云科學革命，以完成深化科技體制改革，作為云科學重要組成部分的虛擬科學必將發揮重要作用。

4 主要結論與政策建議

筆者從科學研究對象的角度把世界劃分為現實世界和虛擬現實世界，指出迄今為止科學研究的對象主要是現實世界的問題，而虛擬現實技術的出現使得虛擬現實成為研究對象，科學發展進入了新的歷史階段，但至今沒有明確提出與之相應的研究范式?；诂F實世界和虛擬現實世界的劃分，考慮虛擬現實技術、電子游戲、網絡游戲在科研中的應用，并借鑒吉姆·格雷的四種研究范式的界定，筆者提出“虛擬科學”或“虛實科學”、“游戲科學”作為科學研究的第五范式，并對這一新的研究范式進行了初步探討。得出三項主要結論：

（1）作為第五研究范式的虛擬科學。以往有不少從本質上闡述游戲與科學關系的研究，筆者則不僅從本質上，更是從形式上、技術上、方法上、體制機制上來闡明虛擬科學、游戲科學是一種新的研究范式，給出的定義是：虛擬科學（虛實科學、游戲科學）是利用虛擬現實技術和電子游戲、網絡游戲等有關技術和方法，實現參與物、人、語境、情景、想象的受控實驗和受控評價，是全方位、全工況、全覆蓋的系統受控實驗，并在此基礎上利用各種理論、方法和工具開展研究，可以解決科學研究中有關說明、解釋、預測、控制、評價等問題。虛擬科學最大的特點是使想象力成為受控的想象力、精確的想象力，實現想象的有效預測、控制和評價。虛擬科學包括八大要素：研究平臺、活動平臺、問題研究、范式融合、自主開放、創新本位、教育培訓和文化建設。強調利用虛擬技術開展科學研究還不能稱之為虛擬科學研究，只有遵循虛擬科學研究范式的研究才稱之為虛擬科學研究。

（2）關于作為第五范式的虛擬科學與其他范式關系的討論。第一，從虛擬科學具有平臺性和通用性的角度看，這種關系體現在兩個方面：一是虛擬科學的技術條件是大IT，大IT具有平臺性和通用性的特點，虛擬科學也具有這些特點；二是虛擬科學主要是實現了參與人、語境、情景和想象的受控化，在研究對象、基本假設、游戲規則、分析框架、研究方法、研究工具、主要結論等都有所變化，而這些要素同樣存在或應該存在于實驗科學、理論科學、計算科學、數據科學之中，這四項研究范式與虛擬科學的融合，使這些要素及其關系發生變化，可以全面擴展、提升其研究范圍、效率與品質。也就是說，與虛擬科學結合可提升、擴展其他研究范式的能力與適用范圍，不僅提升自然科學、交叉科學的能力和適用范圍，更能對人文社會科學、未來學、軟科學產生革命性影響，使之成為真正意義上的科學，乃至實現自然科學、人文社會科學、交叉科學等的統一。第二，虛擬科學與其他范式結合可實現從平面科學向立體科學的轉型。迄今為止包括實驗科學、理論科學、計算科學、數據科學在內的科學都是只有現象維和分析維的“平面”科學，借鑒董光璧和霍耳頓的觀點，筆者將價值理性引入科學，提出包括現象維、分析維和價值維的“立體”科學。虛擬科學具有多學科、多方人員參與的特點，容易把科學應用、科技創新也納入到研究內部來考慮，可以預演科學研究的每個下一步環節，可以預演科研成果應用帶來的風險與負面作用，可在立項之初或研究伊始就提前終止有潛在風險的研究項目。創新理論從單向、雙向、環形、網絡等不斷發展，虛擬科學可真正實現全方位、全工況、全覆蓋的創新研究。

（3）虛擬科學的興起是云科學革命的重要組成部分。筆者從科技發展的內在動力（學者的需要及其實現這一主體驅動力）與外在動力（科技與經濟社會結合越來越緊密這一外在驅動力）的角度，把科技發展史分為科學1.0、科學2.0、科學3.0三個階段，并預言即將發生云科學革命，即從科學3.0到科學4.0的躍升。作為第五范式的虛擬科學和作為第四范式的數據科學的加入成為科學4.0區別于科學3.0的一個重要特征。虛擬科學所具有的范式融合、自主開放和強調以參與人為本等特征，有助于把價值理性引入科學，實現科學從“平面”向“立體”轉型，而成為云科學（也稱為網絡科學）革命的重要組成部分。

基于以上研究和結論，提出三點建議：一是根據虛擬科學的八個要素開展相應的工作，以引領虛擬科學時代的到來，引領以虛擬科學為基礎的泛虛擬社會的到來；二是不僅從產業的角度發展電子游戲和網絡游戲，更應該從學術的角度開展電子與網絡游戲的研究，從實現參與人（游戲玩家）的受控實驗，發展到語境、情景、想象的受控實驗；三是運用虛擬科學重點開展受控的預演研究，把未來作為實證研究的對象，從而解決了長期以來困擾未來學和預測學領域的這一世界難題，全面提升技術預見、戰略管理、情景規劃、“編導研”學、影視未來學、科學預演可視化、政策模擬、社會計算、平行管理、復雜性科學等領域的研究水平，探討虛擬科學在科學4.0與工業4.0、工業5.0中的作用，探討虛擬科學與泛虛擬產業、大數據與泛虛擬等的關系，解決各種緊迫的難題，造福社會。

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