美国国家实验室建设经验剖析及对我国的启示——以埃姆斯实验室为例

■ 李月 王海燕

中国科学院大学公共政策与管理学院 北京 100049

0 引言

国家实验室是主要发达国家在科学、技术和创新领域占据制高点的重要载体，其建设为服务国家战略、履行国家使命，是国家战略科技力量的核心支撑，如何建设高水平的国家实验室是建设世界科技强国战略任务面临的关键现实问题。我国于21世纪初启动了国家实验室建设的试点工作，目前国家实验室建设仍处于发展的初期阶段，且管理及运行经验相对欠缺。美国从20世纪上半期开始建立国家实验室制度，陆续在二战期间及二战之后建立了一批具有军工、物理、能源、生物技术等特色的国家实验室，形成了一个庞大且相对完善和成熟的国家实验室体系[1]。

美国能源部国家实验室是国家实验室的典型代表，在全世界具有显著的影响力，积累了较为成熟的实践经验，已有不少学者从管理模式和运行机制的角度探讨了国家实验室的经费配置[2]、评估机制[3]、治理机制[4]和资源管理[5]等，还有学者对美国能源部国家实验室基础研究特征[6]和国际合作政策[7]展开讨论。埃姆斯实验室是美国能源部下属国家实验室之一，在稀有元素研究及其材料制成方面始终保持其在美国材料科学中的核心地位。目前针对埃姆斯实验室的研究并未从管理模式和运行机制角度具体展开。鉴于此，以埃姆斯国家实验室为研究对象，对其在建设过程、管理模式以及运行机制中的主要特点进行剖析，并据此为我国国家实验室体系的建设得出几点启示。

1 美国国家实验室基本概况

大部分美国国家实验室的缘起可追溯至第二次世界大战前后，它们最初设立的初衷是服务于美国国家重大战略。为应对战争需求，美国采取以任务为导向的研发模式，调动了全国范围内的人力、财力、物力以及各类社会资源协同攻关以重夺技术优势，从而使国家实验室规模迅速扩展[8]。随着冷战结束，美国政府的主要需求从战争、竞争转向对内的经济和社会发展，美国政府逐渐减弱了对国家实验室“举国体制”式的支持，转而设立专门的技术转移机构，希望能将国家实验室与产业界结合起来[9]。

根据政府在管理中的不同职责，美国国家实验室可划分为3 类：第1 类由政府各部门设立并直接参与管理，即GOGO（Government-Owned and Government-Operat‐ed）模式；第2 类由政府设立后将运营权委托给大学、企业或其他非赢利机构；即GOCO（Government-Owned and Contractor-Operated）模式；第3 类由政府间接资助并委托承包商负责运营和管理，即COCO（Contractor-Owned and Contractor-Operated）模式。美国的国家实验室大多属于GOGO 模式和GOCO 模式，以能源部为例，国家能源技术实验室是唯一采用GOGO 模式的实验室，其余16 个国家实验室均为联邦政府资助的研发中心（Federally Funded Research and Development Center，FFRDC），即GOCO 实验室。截止2023年2月，美国联邦政府资助的研发中心共有43个，开展的科学研究主要集中在基础研究、应用研究和实验开发领域。在联邦政府的各部门中，能源部是最主要的资助部门，其在2022年联邦政府研发经费中的占比为55.77%。紧随其后的是国防部，占据20.83%的份额，而国家航空航天局则以10.25%的比例位列第3。表1[10]详细呈现了2022年度美国联邦政府研发经费的资助情况。

2 埃姆斯实验室的基本概况与特征

2.1 埃姆斯实验室的基本概况

埃姆斯实验室是唯一一家位于主要研究型大学校园内的美国能源部下属国家实验室。埃姆斯实验室采用政府所有、合同管理的运营管理模式，即GOCO 管理模式，美国能源部通过合同的方式委托爱荷华州立大学对其进行运营管理。埃姆斯实验室的研究领域以稀有元素为核心，多学科交叉发展，旨在提供材料与能源解决方案，目前有化学和生物科学、材料科学与工程、仿真、建模和决策科学、关键材料研究所、塑料合作升级回收研究所和拓扑半金属发展中心6个研究部门。

2.2 埃姆斯实验室的特征

2.2.1 伴随国家战略创建和发展

埃姆斯实验室成立于1947年，为迎合美国国家战略的紧迫需求于特定的历史时期创建，最初旨在为美国的原子弹计划提供支持。在"曼哈顿计划"的框架下，美国投入20 多亿美元，并动员了10 万多人，建设了一系列重大科学基础设施[11]，包括反应堆等，这些资源均以实验室的方式被分拨和应用。埃姆斯实验室的雏形便是“曼哈顿计划”中生产或提纯铀材料的实验室，这为埃姆斯实验室聚焦于稀有元素及其材料制成研究奠定了坚实基础[12]。战后，由于埃姆斯项目对曼哈顿项目的贡献，原子能委员会于1947年在爱荷华州立大学正式成立了埃姆斯实验室。由此可以看出埃姆斯实验室的建立和发展是与国家战略同步进行的，它体现国家意志，实现国家使命，致力于基础性和战略性科研任务，其成果通常对国家战略决策提供了必要的支持。

2.2.2 聚焦稀有元素研究，集成发展交叉学科

埃姆斯实验室聚焦于凝聚态物理与材料科学、化学与分子科学、应用材料科学与工程3 个重点领域展开科学研究，构建起埃姆斯实验室的科研核心能力体系。为加快开发和部署用于工业的轻量材料并降低当前成本，加强美国制造的竞争力，包括9 个DOE 国家实验室共建轻量材料国家实验室联盟（LightMAT），埃姆斯实验室也在联盟中发挥关键作用，贡献自己包括轻量粉末加工、中试规模材料加工、理论合金开发和新材料快速验证的3 个核心能力。同时，多学科交叉融合是埃姆斯实验室的重要特点之一，经过70 余年的发展，埃姆斯实验室逐渐形成了自身的发展目标，即提供材料与能源解决方案。发展至今，埃姆斯实验室的研究领域已经扩展到包括化学和生物科学、材料科学与工程、关键材料研究、环境科学与国家安全、以及建模和决策科学在内的多个领域。但稀有元素研究始终在其中扮演着核心的角色，例如在国家安全领域，它涉及到稀有资源的安全供应，而在化学与生物科学中，它关乎元素的控制等等。

2.2.3 政府资助为主，竞争性经费为辅

美国国家实验室的经费来源以联邦政府拨款为主，根据联邦采购协议，国家实验室接收的大部分资金（至少70%）必须来自联邦政府，未经主要资助单位同意，国家实验室不能接受非联邦部门的资助[13]。美国国家实验室的研发经费有以下来源：联邦政府、州政府和地方政府、非营利性组织、企业及其他。如表2所示，2018 至2022年间，埃姆斯实验室的研发经费主要来源于联邦政府，均在95%以上。其中，主要资助部门是能源部，占据了实验室全部经费的96%以上。埃姆斯实验室主要以政府资助为依托，辅以其他竞争性经费。在研发领域，联邦政府大量注资，并依据项目和任务的进展情况进行灵活的年度经费调整计划。实验室拥有大量非竞争性经费，主要成员不必耗费大量宝贵时间申请竞争性经费，为深入开展科学研究奠定了基础。

表2 2018～2022财年埃姆斯实验室研发支出及资金来源（单位：千美元）

2.2.4 灵活的动态调整机制

埃姆斯实验室的科研人员流动性较高。据能源部统计，2020年埃姆斯实验室共有571 名员工和学生。埃姆斯实验室目前有300 名全职当量（Full-Time Equiva‐lent，FTE）员工，47 名联合教员，38 名博士后研究员，88名本科生，98 名研究生，104 名访问科学家。如表3所示，埃姆斯实验室的全职人员、兼职人员、流动人员占比分别为44%、7%、49%，其流动人员的占比甚至高于全职人员。

表3 埃姆斯实验室人员规模（2020）

埃姆斯实验室的核心团队由全职科研人员组成，同时它还吸引了杰出的双聘人员、博士后、研究生、本科生和访问科学家积极参与实验室的辅助性研究。双聘人员和访问科学家有权吸纳研究生参与实验室的研究工作，这种合作不仅有助于科研人员完成科研任务，同时也使实验室能够从学生中挑选潜在的培养对象。

例如埃姆斯实验室的访问教师计划（VFP），由美国能源部科学办公室（SC）和科学家劳动力发展办公室（WDT）合作赞助与管理，旨在将教师和学生带入埃姆斯实验室和爱荷华州立大学的科研环境，与在其研究领域处于领先地位的科学家一起工作。来自全国各地的教师和学生在埃姆斯实验室的VFP 计划中将一起度过10周时间，参与的教师每周可获得1400 美元的津贴，学生可获得600 美元的津贴，实验室还为教职员工和学生提供爱荷华州立大学的住宿，为他们支付高达500 美元的差旅费[14]。埃姆斯实验室重视校园内团体的合作，学生是其劳动力的重要组成部分，其教职员工和学生接受科学家或导师的指导，并与科学家、博士后和研究生一起在良好的研究环境中工作。

2.2.5 注重产学研合作，重视基础研究与应用研究的衔接作用

埃姆斯实验室积极与与大学、科研机构和产业界展开深度合作，这种合作并非简单的联手，而是建立在充分发挥各自优势的基础上，旨在实现优势互补，合力应对面向世界科技前沿和涉及国家经济社会发展及安全的重大科学难题，同时致力于基础研究和应用研究，并将这些基础知识转化为新的独特的材料、工艺和技术，从而提高国家经济竞争力，提升国家安全。

关键材料研究所（CMI）是美国能源部的能源创新中心，由埃姆斯实验室领导，旨在为稀土金属和其他对清洁能源技术至关重要的材料开发弹性和安全的供应链。关键材料研究所（CMI）牵头开展合作项目研究，资助通用技术研发，联合培养人才，其中汇集了来自大学、国家实验室和企业的最优秀和最聪明的研究人员。它的合作对象包括全美国锂业、蓝色科技、动量科技等企业；宾夕法尼亚州立大学、普渡大学、加利福尼亚大学等高校；爱达荷国家实验室、劳伦斯利弗莫尔国家实验室和橡树岭国家实验室等科研机构。成立至今，CMI 相关研究已经获得了20 多项美国专利，这些技术代表了国家实验室、大学和工业界多年的合作成果。埃姆斯国家实验室的研发经费用于支持基础研究和应用研究，如图1所示，2018至2022年间，埃姆斯实验室每年投入基础研究的经费支出比例持续上升，投入应用研究的经费支出比例呈下降趋势，立足于其战略任务和研究方向开展前沿基础研究。

图1 2018～2022财年埃姆斯国家实验室不同类型研发活动经费支出（单位：千美元）

2.2.6 纵向扁平的组织架构

埃姆斯实验室采用一种自上而下的扁平化管理方式，以研究项目为中心呈纵向直线型，从上到下只有校长—副校长—实验室主任3个层级，它使大规模、复杂且不确定的研究任务变得灵活可行，便于科学家与技术人员之间建立密切的合作关系，共享信息，激发创新活力，提高创新能力[15]。

在决策层，爱荷华州立大学董事会拥有对国家实验室管理的最终决定权，埃姆斯国家实验室主任人选由爱荷华州立大学董事会及联邦政府职能部门共同确定后,由爱荷华州立大学校长任命，实验室主任任期一定程度上反映了国家实验室管理的稳定性情况，埃姆斯实验室的每届主任任期均超过5年[16]。运营审查委员会和科学咨询委员会负责向校长、校董事会以及实验室主任提供关于实验室管理运营的全方位咨询服务。爱荷华州立大学设有专门负责实验室运营与财务的副校长，该副校长需要定期向校长汇报有关实验室运营与财务的情况。实验室管理和执行层划分为管理、运营和科研3 个主要职能板块。为科研提供支持和服务是管理和运营板块的核心目标。管理板块划分为审计、战略规划和培训发展3 个部门，致力于协助实验室运作。运营板块则包括法律顾问、人力资源和信息技术等部门，为实验室提供必要的运行支持。另一方面，科研板块根据实验室的主要研究领域设立相应的科学规划部门，以促进科研工作的顺利进行。同时，埃姆斯实验室还设有多个行政部门，与爱荷华州立大学密切协调。埃姆斯实验室的组织架构图如图2[17]所示。

图2 埃姆斯国家实验室组织架构图

2.2.7 科学的评估指标体系和透明的评估流程

美国联邦政府已经建立了一套科学的目标指标体系和全面的评估程序，用于对国家实验室的绩效进行评估，且评估流程透明。自2006年起，科学办公室（SC）每年都对其管理和运营的10 个国家实验室的承包商进行科研、管理和运营绩效的评估。评估涉及8个绩效目标，包括科技成果的交付、研究设施的设计、建设和运营、项目管理、实验室领导和管理、综合环境、安全和健康保障、业务系统、设施维护、基础设施与安全，以及应急管理。这些评估会考察承包商在科研经费使用上的情况，以此重新评估其合同期限和评估等级。既有效地激励了承包商，也为确定科研经费以及通过“授予期限”延长而赢得额外合同年数的可能性提供了依据。SC 评估过程使用5 分（0～4.3）评分系统，如果目标级别的绩效满足SC的绩效预期，则将授予“B+”等级。SC有意将其与B+相关的期望设定得非常高，并不将低于B+的绩效视为必然不令人满意，而是视为提供改进机会，每个绩效目标的等级基于为每个目标确定的个人绩效目标分数的加权计算。SC 使用结果绩效目标等级为每个实验室创建年度“报告卡”，并在SC网站上公开提供[18]。

3 对我国建设实验室的启示

在国家实验室建设领域，美国一直处于前沿位置，积累了丰富的建设和管理经验。这为我国构建高效的国家实验室体系和管理模式提供了有益的启示。

3.1 坚持问题导向和需求定位导向

国家实验室的建设应当体现国家意志、承担国家使命、应对国家重大、紧迫战略需求、体现未来发展水平、服务经济社会发展。首先，实验室定位应瞄准学科发展前沿，设立具有探索性的研究方向，保证实验室的可持续发展；其次，紧密围绕战略目标科研任务进行专项攻关，做出关键性的科技贡献，以高水平原创成果支撑国防安全；再次，厘清学科体系，国家实验室既不是单一学科主导，也并非多个学科的简单拼盘，而是以明确的战略目标为牵引，以某一领域为核心立基点，多领域交叉融合，体系化布局的科技创新平台建设。

3.2 推进交叉学科研究

学科交叉具备协同优势和综合创新潜力，通过促进跨学科研究，可能创造超越各自学科独立研究所能达到的更卓越的科技成果。我国高校与科研机构在推进交叉学科研究方面不断完善，但要打破传统学科之间的壁垒还需不断强化学科交叉平台体制创新、健全学科交叉平台管理运行机制和建设一支跨学科的高水平人才队伍体系。

3.3 构建政府主导的国家实验室稳定投入及增长机制

由埃姆斯实验室的经费来源与构成能够看出，埃姆斯实验室能够长期承担着前沿科学研究与重大科技攻关任务，其中一个重要原因就是长期稳定的联邦政府拨款。为确保精准应对国家重大战略需求，埃姆斯实验室96%的研究经费来源于能源部，以支持其进行基础性和前瞻性的科学研究与开发。国家实验室作为国家战略科技力量的顶层设计，旨在服务国家战略目标，政府财政应该为国家实验室的建设与运行提供持续的支持和经费的稳定增长，为国家实验室长期、可持续的建设与发展提供保障。

3.4 建立科学合理的人才队伍动态调整机制

埃姆斯实验室的科研人员具有较高的流动性，他们通常会因大规模科研任务的需求而组建研究团队。一旦项目完成，团队即解散，研究人员返回原先的工作岗位。长期稳定的政府拨款需和动态调整相结合，国家实验室要保持创新活力，也要配备“动”“静”结合的创新队伍，为了保证科研人员的活力，其中的人才队伍要有流动与调整的机制。国家实验室的目标是建设成为一流的科研平台，建立一支高水平的人才队伍与良好的用人制度是至关重要的。在我国国家实验室建设中，建设一支由专业技术人员构成的内部核心骨干团队；同时，吸收研究生、博士后和访问学者等人员组成一支外部聘用的流动科研队伍，从而保障实验室连续性的同时不断注入新的活力。

3.5 围绕国家使命开展协同创新，加强产学研深度融合

国家实验室之间的协同创新为整个国家科技创新提供了强大动力。其次，国家实验室与大学以及企业之间的协同创新成为推动科研与产业发展的双引擎。国家实验室是美国科技创新的核心动力和创新网络的关键枢纽，对于承接大学基础研究和推动企业创新发展至关重要。在创新体系中，美国能源部国家实验室主要从事大学、企业不愿或不能从事的以国家战略需求为导向的大规模、长周期和高风险的研究，解决跨学科问题，填补大学基础研究与企业技术创新之间的“创新鸿沟”。国家实验室应与大学、企业以及其他科研机构紧密结合，形成功能互补机制、成果共享机制以及人才流动机制，提升科研体系的整体效能[19]。其主要合作形式包括合作研究与开发、资助研究、设备开放与技术服务等。

3.6 充分发挥新型举国体制的优势

和传统的举国体制不同，新型举国体制下的科技创新体系应由政府作为唯一管理者向多元主体共同参与、由资源管理为主向多手段治理转变，牵头高校、科研院所、企业等多方参与、共同发力、协同创新[20]。我国的国家实验室建设应根据国家重大战略需求，高效整合科技资源，强化国家实验室内外的开放合作，以促进多方力量在国家实验室中共同参与协同创新[6]。在此过程中，可以与高校、科研机构及企业展开合作，设立技术转移部门，搭建科技合作、创新和应用平台，促进科技创新研发与满足产业需求间的紧密结合，以及与地方经济发展相互融合，为相关产业的高速发展提供支持。

3.7 建立实验室内外部良性竞争机制

建立实验室内部与外部的良性竞争机制，通过内部考评与外部评估，可以保持科研机构与科研人员的活力与忧患意识。科学研究经费分配应引入竞争机制，以项目为导向，通过公开竞争的方式，把资金的分配使用和科研成果的运用相结合，提高项目审批的透明度。能源部科学办公室对埃姆斯实验室每年进行绩效评估考核，这一评估结果与实验室管理酬金相关联。而在管理运营合同到期后，政府部门会对实验室重新进行全面评估，决定是否更换其承包商爱荷华州立大学。承包商对实验室的管理是“优胜劣汰”，根据实验室的绩效评估结果，增加非竞争性经费等资源的投入和奖惩力度，同时，评估兼顾科研考核与管理运行考核双重指标，能够提高创新资源利用率并且更好地反映出实验室的综合水平。