Innovative Scientific Discoveries:The Role of Intelligent Computing in the Fifth Paradigm Shift

This article explores the key role of intelligent computing in driving the paradigm shift of scientific discovery.The article first outlines the five paradigms of scientific discovery,from empirical observation to theoretical models,then to computational simulation and data intensive science,and finally introduces intelligent computing as the core of the fifth paradigm.Intelligent computing enhances the ability to understand,predict,and automate scientific discoveries of complex systems through technologies such as deep learning and machine learning.The article further analyzes the applications of intelligent computing in fields such as bioinformatics,astronomy,climate science,materials science,and medical image analysis,demonstrating its practical utility in solving scientific problems and promoting knowledge development.Finally,the article predicts that intelligent computing will play a more critical role in future scientific research,promoting interdisciplinary integration,open science,and collaboration,providing new solutions for solving complex problems.

智能方法作为“第五范式”:人工智能时代科研范式的“新物种”

以“AI for Science”为代表的智能技术与科学研究的耦合正深刻地改变着常规科学的研究进程,并引发一场关于科学研究的范式革命。本文以科学范式的演进为视角,结合大语言模型在当前科研流程中的核心应用,提出了智能科学范式的概念,并讨论了人工智能作为媒介在科学研究中的功能统合作用和跨学科的知识整合价值。本文认为,智能科学范式的基本内容包含功用层面的效率提升与理解增强,研究层面的边界突破与能力跃升,思维层面的认知拓展与主体性觉醒。作为科学研究的“第五范式”,智能科学范式的意义体现为跨学科的价值连接、对研究路径的统合以及深度人机协作下的主体强化,分别对应了人工智能在研究对象、研究方法和研究主体上对于科学研究的变革性影响。从科学研究到产业实践,随着人工智能与社会各个领域的深度融合,将会改变社会千行百业的生长逻辑和内部结构,并推动社会全实践领域实现更加智能化、高效化和可持续化的生产和发展。

人工智能大飞跃背景下的语言学理论思考

当今以深度学习为核心的人工智能催生了科学研究的第五范式,本文呼吁,语言学研究也要拥抱数据/计算密集型的第四/五范式,并通过介绍和评论人工智能研究与技术开发过程中,有关专家对于跟语言学有关的问题的见解,来支持上述倡议。本文主张或赞成的主要观点为:(1)语言的主要功用是交际,思考往往是内心的对话与问答。(2)语言和思维并不完全等同,基于语言运用的智能水平的图灵测试并不完全有效。(3)语法这种智能并不是人类独有的,语法的原理还适用于语言之外的躯体、物品及其图像等组合性系统。(4)现有能力超强的大规模语言模型不能用作人与机器人交谈的技术界面,有效的语言运用必须是一种具身智能,包括具身认知的词语接地和环境可供性等内容;相应地,必须考虑不同类型的具身性图灵测试。(5)ChatGPT的成功说明了大模型、大数据和强算力能够捕获语言的统计规律和运用模式,语言学要采用数据/计算密集型的第四/五范式来探索语言的统计结构。

科学研究的第五范式——以智能驱动的材料设计为例

科学正在进入一个新时代——第五范式——它被认为是知识整合到不同领域的主要特征,是基于无所不在的机器学习系统的计算社区中智能驱动的工作。在此,我们通过在天河一号超级计算机系统上构建的催化材料专门设计的典型平台案例,生动地阐明了第五范式的本质,旨在促进第五范式在其他领域的培养。第五范式平台主要包括模型自动构建(原始数据提取)、指纹自动构建(神经网络特征选择)以及跨学科知识串联的重复迭代(“火山图”)。与分解一起进行的是对迭代中实现的体系结构的性能评估。通过讨论,第五范式的智能驱动平台可以极大地简化和改进研究中极其繁琐和具有挑战性的工作,并通过补偿机器学习中缺少样本和替代一些由于计算资源不足而导致的数值计算来实现数值计算与机器学习之间的相互反馈,从而加速探索过程。在数据驱动的学科中,跨学科专家的协同作用和对动态数据需求的急剧增长仍然是一个挑战。我们相信,对第五范式平台的一瞥可以为其在其他领域的应用铺平道路。

计算社会科学促进社会科学研究转型

作为一门典型的交叉学科,计算社会科学是连接自然科学和社会科学的桥梁,其充分利用现有信息技术对社会以及相关现象展开研究。当技术模式进入后大数据时代,当万物互联技术涌现,当中国社会呈现城市化、国际化、工业化、市场化和扁平化等发展趋势,传统的计算社会科学只有进行变革才能与时俱进,因而出现了新的发展趋势。从大数据时代迈向后大数据时代,计算社会科学迎来了新的发展机遇,也面临新的挑战,主要表现在大数据融合、大数据治理、大数据隐私、数据透明和人机悖论等方面。要充分结合时代背景,将上述挑战转换为机遇,从而真正完成计算社会科学变革,就必须实现科学研究范式转移。在“技术推动社会发展,社会丰富技术内涵”的相辅相成机制中,以社会学家为代表的学者将可能提出根植于社会科学的第五研究范式。

云科学革命:从科学3.0到科学4.0的跃升

该文从学者的需要及其满足、科技与经济社会结合越来越紧密的角度来考察科学技术发展的历程,把科学发展与科学形态的演变划分为科学1.0、科学2.0、科学3.0,并指出即将发生科学3.0到科学4.0的跃升,这一跃升可称之为云科学革命。云科学革命新增六项内容:1以优秀学者为本、以满足优秀学者的意愿和需要的角度进行体制机制的设计与安排,以国家和社会需要为引导与约束;2开放式评价法;3开放式经费分配与考核制度;4学术带头人决定论、前沿学者认证制度与前沿学者负责制;5网络/平台型科研体制;6知识生产企业化及学术市场化。实施开放式评价法与前沿学者认证制度是云科学革命的启动之举,此外还探讨了三项具体实施方案,以体现出云科学革命带来的新机会与新变化。通过云科学革命可以实现科技体制机制的深度改革,快速提升我国科技竞争力。

虚拟科学:科学研究的第五范式

该文基于把世界划分为现实世界和虚拟现实世界,考虑虚拟现实技术、电子游戏、网络游戏在科研中的应用,并借鉴吉姆·格雷的四种研究范式的界定,提出"虚拟科学"或"虚实科学"、"游戏科学"作为科学研究的第五范式,并对这一新的研究范式的定义、要素、功能及其与其他范式的关系进行了初步探讨。虚拟科学的核心特点是使想象力成为受控的想象力、精确的想象力,实现对想象与情景的有效预测、控制和评价。指出虚拟科学具有平台性和通用性,与之结合可提升其他研究范式的能力与适用范围。强调虚拟科学的兴起是云科学革命的重要组成部分,并为迎接虚拟科学时代的到来提出政策建议。

人工智能赋能社会科学研究探析——生成式行动者、复杂因果分析与人机科研协同

人工智能作为科学研究第五范式下的主要工具,要求社会科学研究者重新审视和积极构建科研中的人机智能关系,探索和发掘人工智能赋能社会科学的力量源泉。社会科学领域涌现出对人工智能进行应用的富有启发性的测试,正在创造性地开拓新范式下的研究路径。建立在既有经验和发现基础上,作者探讨了人工智能赋能和重塑社会科学研究的三个重要方向及其挑战与前景:一是人工智能作为生成式行动者,其在社会科学研究中的应用将革命性地改变对研究对象进行观察和干预的方式和自由度;二是人工智能自动化因果分析将极大地助力探索社会因果复杂系统的结构和演变,回答以前无法回答的因果问题;三是人类智能和人工智能相结合的人机科研协同,机器智能将贯穿社会科学研究全过程,驱动快速迭代型的科研创新。这三个方向的人工智能赋能和影响对于社会科学各领域具有普遍性,但也将根据各学科的研究特色而在具体形式、节奏和路径上呈现多样性。以国际关系学为例的相关探讨或许能够激发社会科学各领域对第五范式的进一步思考和探索创新。

人工智能驱动的科学研究第五范式:演进、机制与影响

科学研究的发展历程见证了从经验科学、理论科学、计算科学到数据科学的演变,目前正迈入由人工智能技术引领的第五范式——AI for Science(AI4S),这是科研范式的一次重大革新。本文深入探讨了科学研究从第一范式至第四范式的演进历程,并对第五范式的内涵、特点及其对科研领域的深远影响进行了分析。第五范式不是对以往范式的简单否定,而是与其相互补充、促进和融合,从而形成的一种迭代的新科研模式。同时,鉴于第五范式在科研伦理、数据安全和知识产权等方面可能会引发的一些新挑战,本文强调了加强跨学科合作、促进数据共享、推动算法创新和培养专业人才的重要性,旨在构建适应新时代科研伦理的框架,以确保第五范式科研的高质量与可持续性。

建构中国自主知识体系:数字法学范式

数字技术生产力发展推动数字经济的蝶形演化,进而交织推动着人类社会上层建筑的螺旋式发展,也为突破工业时代的藩篱、将人类从旧分工劳动中解放提供了新的机遇。受到认识能力和科技发展的限制,在制度建构及选择上往往带有时代的痕迹。中国自主知识体系下的数字法学概念的提出不仅是中国特色社会主义法治体系与数字文明的深层融合,更是数字时代马克思主义中国化的重要理论成果。数字法学范式具有“一核三性”的重要特征。“一核”是指一种具有普适性的法学范式——“第五范式”,以应对数字文明、数字社会、数字经济的机遇与挑战;“三性”指结构性、统合性和规范性,试图为回答时代之问提供中国方案。

农业模拟器:用智能技术打通黑土地保护的数据流

信息技术正在对各行各业进行深度渗透。通过海量数据的获取,并在信息空间开展建模和分析,信息技术正在成为信息社会解决现实问题的有效手段。当前,国家正在大力实施黑土地保护工程,针对复杂的系统性保护工程,更需要依靠信息技术的力量开展黑土地使用和保护过程中的问题建模和算法求解,通过模拟和仿真的方法找出最佳的保护途径。文章通过分析全球范围主要黑土地区域保护措施,从智能技术的角度提出构建基于第五范式的农业模拟器设计思想,并给出全要素农业模拟器的组织架构,以及通过智能OODA(观察—判断—决策—执行)环实现数据流的快速运转与迭代,不断优化黑土地保护的技术手段。最后,给出在黑土地保护示范区建设农业模拟器的思路和架构,提出农业模拟器在黑土地保护过程中开展应用和推广的政策建议。