美國國家實驗室建設經驗剖析及對我國的啟示
——以埃姆斯實驗室為例

■ 李月 王海燕

中國科學院大學公共政策與管理學院 北京 100049

0 引言

國家實驗室是主要發達國家在科學、技術和創新領域占據制高點的重要載體，其建設為服務國家戰略、履行國家使命，是國家戰略科技力量的核心支撐，如何建設高水平的國家實驗室是建設世界科技強國戰略任務面臨的關鍵現實問題。我國于21世紀初啟動了國家實驗室建設的試點工作，目前國家實驗室建設仍處于發展的初期階段，且管理及運行經驗相對欠缺。美國從20世紀上半期開始建立國家實驗室制度，陸續在二戰期間及二戰之后建立了一批具有軍工、物理、能源、生物技術等特色的國家實驗室，形成了一個龐大且相對完善和成熟的國家實驗室體系[1]。

美國能源部國家實驗室是國家實驗室的典型代表，在全世界具有顯著的影響力，積累了較為成熟的實踐經驗，已有不少學者從管理模式和運行機制的角度探討了國家實驗室的經費配置[2]、評估機制[3]、治理機制[4]和資源管理[5]等，還有學者對美國能源部國家實驗室基礎研究特征[6]和國際合作政策[7]展開討論。埃姆斯實驗室是美國能源部下屬國家實驗室之一，在稀有元素研究及其材料制成方面始終保持其在美國材料科學中的核心地位。目前針對埃姆斯實驗室的研究并未從管理模式和運行機制角度具體展開。鑒于此，以埃姆斯國家實驗室為研究對象，對其在建設過程、管理模式以及運行機制中的主要特點進行剖析，并據此為我國國家實驗室體系的建設得出幾點啟示。

1 美國國家實驗室基本概況

大部分美國國家實驗室的緣起可追溯至第二次世界大戰前后，它們最初設立的初衷是服務于美國國家重大戰略。為應對戰爭需求，美國采取以任務為導向的研發模式，調動了全國范圍內的人力、財力、物力以及各類社會資源協同攻關以重奪技術優勢，從而使國家實驗室規模迅速擴展[8]。隨著冷戰結束，美國政府的主要需求從戰爭、競爭轉向對內的經濟和社會發展，美國政府逐漸減弱了對國家實驗室“舉國體制”式的支持，轉而設立專門的技術轉移機構，希望能將國家實驗室與產業界結合起來[9]。

根據政府在管理中的不同職責，美國國家實驗室可劃分為3 類：第1 類由政府各部門設立并直接參與管理，即GOGO（Government-Owned and Government-Operat‐ed）模式；第2 類由政府設立后將運營權委托給大學、企業或其他非贏利機構；即GOCO（Government-Owned and Contractor-Operated）模式；第3 類由政府間接資助并委托承包商負責運營和管理，即COCO（Contractor-Owned and Contractor-Operated）模式。美國的國家實驗室大多屬于GOGO 模式和GOCO 模式，以能源部為例，國家能源技術實驗室是唯一采用GOGO 模式的實驗室，其余16 個國家實驗室均為聯邦政府資助的研發中心（Federally Funded Research and Development Center，FFRDC），即GOCO 實驗室。截止2023年2月，美國聯邦政府資助的研發中心共有43個，開展的科學研究主要集中在基礎研究、應用研究和實驗開發領域。在聯邦政府的各部門中，能源部是最主要的資助部門，其在2022年聯邦政府研發經費中的占比為55.77%。緊隨其后的是國防部，占據20.83%的份額，而國家航空航天局則以10.25%的比例位列第3。表1[10]詳細呈現了2022年度美國聯邦政府研發經費的資助情況。

2 埃姆斯實驗室的基本概況與特征

2.1 埃姆斯實驗室的基本概況

埃姆斯實驗室是唯一一家位于主要研究型大學校園內的美國能源部下屬國家實驗室。埃姆斯實驗室采用政府所有、合同管理的運營管理模式，即GOCO 管理模式，美國能源部通過合同的方式委托愛荷華州立大學對其進行運營管理。埃姆斯實驗室的研究領域以稀有元素為核心，多學科交叉發展，旨在提供材料與能源解決方案，目前有化學和生物科學、材料科學與工程、仿真、建模和決策科學、關鍵材料研究所、塑料合作升級回收研究所和拓撲半金屬發展中心6個研究部門。

2.2 埃姆斯實驗室的特征

2.2.1 伴隨國家戰略創建和發展

埃姆斯實驗室成立于1947年，為迎合美國國家戰略的緊迫需求于特定的歷史時期創建，最初旨在為美國的原子彈計劃提供支持。在"曼哈頓計劃"的框架下，美國投入20 多億美元，并動員了10 萬多人，建設了一系列重大科學基礎設施[11]，包括反應堆等，這些資源均以實驗室的方式被分撥和應用。埃姆斯實驗室的雛形便是“曼哈頓計劃”中生產或提純鈾材料的實驗室，這為埃姆斯實驗室聚焦于稀有元素及其材料制成研究奠定了堅實基礎[12]。戰后，由于埃姆斯項目對曼哈頓項目的貢獻，原子能委員會于1947年在愛荷華州立大學正式成立了埃姆斯實驗室。由此可以看出埃姆斯實驗室的建立和發展是與國家戰略同步進行的，它體現國家意志，實現國家使命，致力于基礎性和戰略性科研任務，其成果通常對國家戰略決策提供了必要的支持。

2.2.2 聚焦稀有元素研究，集成發展交叉學科

埃姆斯實驗室聚焦于凝聚態物理與材料科學、化學與分子科學、應用材料科學與工程3 個重點領域展開科學研究，構建起埃姆斯實驗室的科研核心能力體系。為加快開發和部署用于工業的輕量材料并降低當前成本，加強美國制造的競爭力，包括9 個DOE 國家實驗室共建輕量材料國家實驗室聯盟（LightMAT），埃姆斯實驗室也在聯盟中發揮關鍵作用，貢獻自己包括輕量粉末加工、中試規模材料加工、理論合金開發和新材料快速驗證的3 個核心能力。同時，多學科交叉融合是埃姆斯實驗室的重要特點之一，經過70 余年的發展，埃姆斯實驗室逐漸形成了自身的發展目標，即提供材料與能源解決方案。發展至今，埃姆斯實驗室的研究領域已經擴展到包括化學和生物科學、材料科學與工程、關鍵材料研究、環境科學與國家安全、以及建模和決策科學在內的多個領域。但稀有元素研究始終在其中扮演著核心的角色，例如在國家安全領域，它涉及到稀有資源的安全供應，而在化學與生物科學中，它關乎元素的控制等等。

2.2.3 政府資助為主，競爭性經費為輔

美國國家實驗室的經費來源以聯邦政府撥款為主，根據聯邦采購協議，國家實驗室接收的大部分資金（至少70%）必須來自聯邦政府，未經主要資助單位同意，國家實驗室不能接受非聯邦部門的資助[13]。美國國家實驗室的研發經費有以下來源：聯邦政府、州政府和地方政府、非營利性組織、企業及其他。如表2所示，2018 至2022年間，埃姆斯實驗室的研發經費主要來源于聯邦政府，均在95%以上。其中，主要資助部門是能源部，占據了實驗室全部經費的96%以上。埃姆斯實驗室主要以政府資助為依托，輔以其他競爭性經費。在研發領域，聯邦政府大量注資，并依據項目和任務的進展情況進行靈活的年度經費調整計劃。實驗室擁有大量非競爭性經費，主要成員不必耗費大量寶貴時間申請競爭性經費，為深入開展科學研究奠定了基礎。

表2 2018～2022財年埃姆斯實驗室研發支出及資金來源（單位：千美元）

2.2.4 靈活的動態調整機制

埃姆斯實驗室的科研人員流動性較高。據能源部統計，2020年埃姆斯實驗室共有571 名員工和學生。埃姆斯實驗室目前有300 名全職當量（Full-Time Equiva‐lent，FTE）員工，47 名聯合教員，38 名博士后研究員，88名本科生，98 名研究生，104 名訪問科學家。如表3所示，埃姆斯實驗室的全職人員、兼職人員、流動人員占比分別為44%、7%、49%，其流動人員的占比甚至高于全職人員。

表3 埃姆斯實驗室人員規模（2020）

埃姆斯實驗室的核心團隊由全職科研人員組成，同時它還吸引了杰出的雙聘人員、博士后、研究生、本科生和訪問科學家積極參與實驗室的輔助性研究。雙聘人員和訪問科學家有權吸納研究生參與實驗室的研究工作，這種合作不僅有助于科研人員完成科研任務，同時也使實驗室能夠從學生中挑選潛在的培養對象。

例如埃姆斯實驗室的訪問教師計劃（VFP），由美國能源部科學辦公室（SC）和科學家勞動力發展辦公室（WDT）合作贊助與管理，旨在將教師和學生帶入埃姆斯實驗室和愛荷華州立大學的科研環境，與在其研究領域處于領先地位的科學家一起工作。來自全國各地的教師和學生在埃姆斯實驗室的VFP 計劃中將一起度過10周時間，參與的教師每周可獲得1400 美元的津貼，學生可獲得600 美元的津貼，實驗室還為教職員工和學生提供愛荷華州立大學的住宿，為他們支付高達500 美元的差旅費[14]。埃姆斯實驗室重視校園內團體的合作，學生是其勞動力的重要組成部分，其教職員工和學生接受科學家或導師的指導，并與科學家、博士后和研究生一起在良好的研究環境中工作。

2.2.5 注重產學研合作，重視基礎研究與應用研究的銜接作用

埃姆斯實驗室積極與與大學、科研機構和產業界展開深度合作，這種合作并非簡單的聯手，而是建立在充分發揮各自優勢的基礎上，旨在實現優勢互補，合力應對面向世界科技前沿和涉及國家經濟社會發展及安全的重大科學難題，同時致力于基礎研究和應用研究，并將這些基礎知識轉化為新的獨特的材料、工藝和技術，從而提高國家經濟競爭力，提升國家安全。

關鍵材料研究所（CMI）是美國能源部的能源創新中心，由埃姆斯實驗室領導，旨在為稀土金屬和其他對清潔能源技術至關重要的材料開發彈性和安全的供應鏈。關鍵材料研究所（CMI）牽頭開展合作項目研究，資助通用技術研發，聯合培養人才，其中匯集了來自大學、國家實驗室和企業的最優秀和最聰明的研究人員。它的合作對象包括全美國鋰業、藍色科技、動量科技等企業；賓夕法尼亞州立大學、普渡大學、加利福尼亞大學等高校；愛達荷國家實驗室、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室等科研機構。成立至今，CMI 相關研究已經獲得了20 多項美國專利，這些技術代表了國家實驗室、大學和工業界多年的合作成果。埃姆斯國家實驗室的研發經費用于支持基礎研究和應用研究，如圖1所示，2018至2022年間，埃姆斯實驗室每年投入基礎研究的經費支出比例持續上升，投入應用研究的經費支出比例呈下降趨勢，立足于其戰略任務和研究方向開展前沿基礎研究。

圖1 2018～2022財年埃姆斯國家實驗室不同類型研發活動經費支出（單位：千美元）

2.2.6 縱向扁平的組織架構

埃姆斯實驗室采用一種自上而下的扁平化管理方式，以研究項目為中心呈縱向直線型，從上到下只有校長—副校長—實驗室主任3個層級，它使大規模、復雜且不確定的研究任務變得靈活可行，便于科學家與技術人員之間建立密切的合作關系，共享信息，激發創新活力，提高創新能力[15]。

在決策層，愛荷華州立大學董事會擁有對國家實驗室管理的最終決定權，埃姆斯國家實驗室主任人選由愛荷華州立大學董事會及聯邦政府職能部門共同確定后,由愛荷華州立大學校長任命，實驗室主任任期一定程度上反映了國家實驗室管理的穩定性情況，埃姆斯實驗室的每屆主任任期均超過5年[16]。運營審查委員會和科學咨詢委員會負責向校長、校董事會以及實驗室主任提供關于實驗室管理運營的全方位咨詢服務。愛荷華州立大學設有專門負責實驗室運營與財務的副校長，該副校長需要定期向校長匯報有關實驗室運營與財務的情況。實驗室管理和執行層劃分為管理、運營和科研3 個主要職能板塊。為科研提供支持和服務是管理和運營板塊的核心目標。管理板塊劃分為審計、戰略規劃和培訓發展3 個部門，致力于協助實驗室運作。運營板塊則包括法律顧問、人力資源和信息技術等部門，為實驗室提供必要的運行支持。另一方面，科研板塊根據實驗室的主要研究領域設立相應的科學規劃部門，以促進科研工作的順利進行。同時，埃姆斯實驗室還設有多個行政部門，與愛荷華州立大學密切協調。埃姆斯實驗室的組織架構圖如圖2[17]所示。

圖2 埃姆斯國家實驗室組織架構圖

2.2.7 科學的評估指標體系和透明的評估流程

美國聯邦政府已經建立了一套科學的目標指標體系和全面的評估程序，用于對國家實驗室的績效進行評估，且評估流程透明。自2006年起，科學辦公室（SC）每年都對其管理和運營的10 個國家實驗室的承包商進行科研、管理和運營績效的評估。評估涉及8個績效目標，包括科技成果的交付、研究設施的設計、建設和運營、項目管理、實驗室領導和管理、綜合環境、安全和健康保障、業務系統、設施維護、基礎設施與安全，以及應急管理。這些評估會考察承包商在科研經費使用上的情況，以此重新評估其合同期限和評估等級。既有效地激勵了承包商，也為確定科研經費以及通過“授予期限”延長而贏得額外合同年數的可能性提供了依據。SC 評估過程使用5 分（0～4.3）評分系統，如果目標級別的績效滿足SC的績效預期，則將授予“B+”等級。SC有意將其與B+相關的期望設定得非常高，并不將低于B+的績效視為必然不令人滿意，而是視為提供改進機會，每個績效目標的等級基于為每個目標確定的個人績效目標分數的加權計算。SC 使用結果績效目標等級為每個實驗室創建年度“報告卡”，并在SC網站上公開提供[18]。

3 對我國建設實驗室的啟示

在國家實驗室建設領域，美國一直處于前沿位置，積累了豐富的建設和管理經驗。這為我國構建高效的國家實驗室體系和管理模式提供了有益的啟示。

3.1 堅持問題導向和需求定位導向

國家實驗室的建設應當體現國家意志、承擔國家使命、應對國家重大、緊迫戰略需求、體現未來發展水平、服務經濟社會發展。首先，實驗室定位應瞄準學科發展前沿，設立具有探索性的研究方向，保證實驗室的可持續發展；其次，緊密圍繞戰略目標科研任務進行專項攻關，做出關鍵性的科技貢獻，以高水平原創成果支撐國防安全；再次，厘清學科體系，國家實驗室既不是單一學科主導，也并非多個學科的簡單拼盤，而是以明確的戰略目標為牽引，以某一領域為核心立基點，多領域交叉融合，體系化布局的科技創新平臺建設。

3.2 推進交叉學科研究

學科交叉具備協同優勢和綜合創新潛力，通過促進跨學科研究，可能創造超越各自學科獨立研究所能達到的更卓越的科技成果。我國高校與科研機構在推進交叉學科研究方面不斷完善，但要打破傳統學科之間的壁壘還需不斷強化學科交叉平臺體制創新、健全學科交叉平臺管理運行機制和建設一支跨學科的高水平人才隊伍體系。

3.3 構建政府主導的國家實驗室穩定投入及增長機制

由埃姆斯實驗室的經費來源與構成能夠看出，埃姆斯實驗室能夠長期承擔著前沿科學研究與重大科技攻關任務，其中一個重要原因就是長期穩定的聯邦政府撥款。為確保精準應對國家重大戰略需求，埃姆斯實驗室96%的研究經費來源于能源部，以支持其進行基礎性和前瞻性的科學研究與開發。國家實驗室作為國家戰略科技力量的頂層設計，旨在服務國家戰略目標，政府財政應該為國家實驗室的建設與運行提供持續的支持和經費的穩定增長，為國家實驗室長期、可持續的建設與發展提供保障。

3.4 建立科學合理的人才隊伍動態調整機制

埃姆斯實驗室的科研人員具有較高的流動性，他們通常會因大規?？蒲腥蝿盏男枨蠖M建研究團隊。一旦項目完成，團隊即解散，研究人員返回原先的工作崗位。長期穩定的政府撥款需和動態調整相結合，國家實驗室要保持創新活力，也要配備“動”“靜”結合的創新隊伍，為了保證科研人員的活力，其中的人才隊伍要有流動與調整的機制。國家實驗室的目標是建設成為一流的科研平臺，建立一支高水平的人才隊伍與良好的用人制度是至關重要的。在我國國家實驗室建設中，建設一支由專業技術人員構成的內部核心骨干團隊；同時，吸收研究生、博士后和訪問學者等人員組成一支外部聘用的流動科研隊伍，從而保障實驗室連續性的同時不斷注入新的活力。

3.5 圍繞國家使命開展協同創新，加強產學研深度融合

國家實驗室之間的協同創新為整個國家科技創新提供了強大動力。其次，國家實驗室與大學以及企業之間的協同創新成為推動科研與產業發展的雙引擎。國家實驗室是美國科技創新的核心動力和創新網絡的關鍵樞紐，對于承接大學基礎研究和推動企業創新發展至關重要。在創新體系中，美國能源部國家實驗室主要從事大學、企業不愿或不能從事的以國家戰略需求為導向的大規模、長周期和高風險的研究，解決跨學科問題，填補大學基礎研究與企業技術創新之間的“創新鴻溝”。國家實驗室應與大學、企業以及其他科研機構緊密結合，形成功能互補機制、成果共享機制以及人才流動機制，提升科研體系的整體效能[19]。其主要合作形式包括合作研究與開發、資助研究、設備開放與技術服務等。

3.6 充分發揮新型舉國體制的優勢

和傳統的舉國體制不同，新型舉國體制下的科技創新體系應由政府作為唯一管理者向多元主體共同參與、由資源管理為主向多手段治理轉變，牽頭高校、科研院所、企業等多方參與、共同發力、協同創新[20]。我國的國家實驗室建設應根據國家重大戰略需求，高效整合科技資源，強化國家實驗室內外的開放合作，以促進多方力量在國家實驗室中共同參與協同創新[6]。在此過程中，可以與高校、科研機構及企業展開合作，設立技術轉移部門，搭建科技合作、創新和應用平臺，促進科技創新研發與滿足產業需求間的緊密結合，以及與地方經濟發展相互融合，為相關產業的高速發展提供支持。

3.7 建立實驗室內外部良性競爭機制

建立實驗室內部與外部的良性競爭機制，通過內部考評與外部評估，可以保持科研機構與科研人員的活力與憂患意識?？茖W研究經費分配應引入競爭機制，以項目為導向，通過公開競爭的方式，把資金的分配使用和科研成果的運用相結合，提高項目審批的透明度。能源部科學辦公室對埃姆斯實驗室每年進行績效評估考核，這一評估結果與實驗室管理酬金相關聯。而在管理運營合同到期后，政府部門會對實驗室重新進行全面評估，決定是否更換其承包商愛荷華州立大學。承包商對實驗室的管理是“優勝劣汰”，根據實驗室的績效評估結果，增加非競爭性經費等資源的投入和獎懲力度，同時，評估兼顧科研考核與管理運行考核雙重指標，能夠提高創新資源利用率并且更好地反映出實驗室的綜合水平。