科學結(jié)構(gòu)圖譜2017
科學結(jié)構(gòu)圖譜以直觀形象的圖譜形式展現(xiàn)高度抽象的科學，特別是自然科學基礎(chǔ)研究的宏觀結(jié)構(gòu)，揭示科學熱點前沿闖的關(guān)聯(lián)關(guān)系與發(fā)展進程。《科學結(jié)構(gòu)圖譜2017》是"科學結(jié)構(gòu)圖譜"系列叢書的第四部，科學結(jié)構(gòu)課題組每兩...
科學結(jié)構(gòu)圖譜以直觀形象的圖譜形式展現(xiàn)高度抽象的科學，特別是自然科學基礎(chǔ)研究的宏觀結(jié)構(gòu)，揭示科學熱點前沿闖的關(guān)聯(lián)關(guān)系與發(fā)展進程。《科學結(jié)構(gòu)圖譜2017》是"科學結(jié)構(gòu)圖譜"系列叢書的第四部，科學結(jié)構(gòu)課題組每兩年運用立獻計量學的理論和方法繪制科學結(jié)構(gòu)圖譜，周期性地揭示料學研究結(jié)構(gòu)及其演變，監(jiān)測科學發(fā)展趨勢。《科學結(jié)構(gòu)圖譜2017》通過基本科學指標(Essential Science Indicators，ESI) 高被引論文的同被引聚類分析，可視化揭示了2010-2015年國際社會普遍關(guān)注的熱點研究領(lǐng)域，描繪了五個時期科學研究領(lǐng)域的演化變遷軌跡。基于科學結(jié)構(gòu)圖譜，從國家科學研究的結(jié)構(gòu)上反映中國及代表性國家在不同研究領(lǐng)域的活躍程度及變化趨勢，通過國際合著率描述了中國及代表性國家國際合作的總體趨勢，通過研究科學基金對科學引文索引(Science Citation Index，SCI) 論文資助情況展現(xiàn)了中國及代表性國家政府科學基金在科學結(jié)構(gòu)圖譜上的資助分布。
科技決策者、各級科技管理人員、科技研究人員、高等院校師生
目錄
序 i
前言 iii
章 引言 001
第二章 研究方法與數(shù)據(jù) 004
一、利用同被引聚類確定研究領(lǐng)域 004
二、科學結(jié)構(gòu)圖譜可視化 005
三、科學結(jié)構(gòu)演變軌跡 006
四、研究領(lǐng)域特征詞抽取 008
五、研究領(lǐng)域?qū)W科交叉性度量 008
六、數(shù)據(jù)說明 010
第三章 科學結(jié)構(gòu)及其演變 012
一、科學結(jié)構(gòu)圖譜2010~2015 012
二、基于科學結(jié)構(gòu)圖譜觀察科學研究的發(fā)展趨勢 014
三、研究領(lǐng)域演變分析 019
第四章 研究領(lǐng)域的學科交叉性 057
一、在科學結(jié)構(gòu)圖譜中觀察學科交叉性 057
二、學科交叉度 064
第五章 中國及代表性國家科學研究活躍度 068
一、中國及代表性國家整體科研活躍度時序發(fā)展 069
二、中國及代表性國家在各個研究領(lǐng)域的活躍度時序發(fā)展 075
第六章 中國及代表性國家的國際合作 092
一、基于科學結(jié)構(gòu)圖譜觀察世界國際合作 093
二、中國及代表性國家國際合作時序變化 093
三、基于科學結(jié)構(gòu)圖譜觀察中國及代表性國家國際合作的變化 097
第七章 科學結(jié)構(gòu)圖譜上的科學資助情況分析 108
一、中國及代表性國家政府資助核心論文在科學結(jié)構(gòu)圖譜上的分布 109
二、重要國家政府資助機構(gòu)資助論文在科學結(jié)構(gòu)圖譜上的分布 124
第八章 結(jié)語 134
附錄 137
附錄1 三維科學結(jié)構(gòu)圖譜 137
附錄2 科學結(jié)構(gòu)圖譜2010~2015研究領(lǐng)域詳細信息 140
附錄3 研究領(lǐng)域演變軌跡 169
附錄4 各國在科學結(jié)構(gòu)圖譜2010~2015研究領(lǐng)域中核心論文份額及國際合著率 236
附錄5 資助論文在科學結(jié)構(gòu)圖譜2010~2015中的分布 256
章 引
科學結(jié)構(gòu)圖譜，通過可視化技術(shù)，以直觀形象的圖譜形式展現(xiàn)高度抽象的科學，特別是自然科學基礎(chǔ)研究的宏觀結(jié)構(gòu)，揭示了科學熱點前沿間的關(guān)聯(lián)關(guān)系與發(fā)展進程。運用文獻計量學的理論和方法周期性繪制科學結(jié)構(gòu)圖譜，可以快速、和形象化地把握科學總體態(tài)勢，分析各個國家、機構(gòu)在不同學科或主題上的優(yōu)勢領(lǐng)域和發(fā)展重點，監(jiān)測科學發(fā)展的演變路徑和變化趨勢，追蹤各個國家科研優(yōu)勢領(lǐng)域的動態(tài)變遷過程，鑒別主題交叉融匯趨勢和潛在突破領(lǐng)域，輔助確定未來研發(fā)方向和創(chuàng)新機制，支撐科技發(fā)展規(guī)劃和戰(zhàn)略決策分析。因此，科學結(jié)構(gòu)課題組自2007年起開展相關(guān)研究，每兩年繪制一期科學結(jié)構(gòu)圖譜，周期性監(jiān)測科學研究結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律，監(jiān)測科學發(fā)展趨勢。
對科學知識體系結(jié)構(gòu)及其演化趨勢的研究一直是科技界發(fā)現(xiàn)研究熱點、遴選優(yōu)先領(lǐng)域、規(guī)劃學科發(fā)展和制定科學政策的重要基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的研究方法通過檢索和分析相關(guān)文獻以了解學科發(fā)展，追蹤同行科學研究者的科研活動來掌握學科趨勢，通過專家研討、評議及專門的規(guī)劃研究進一步判斷可能的突破方向。但隨著科技創(chuàng)新進入多學科交叉融匯的階段，面對海量科技文獻，限于固有的專業(yè)認知體系，科學研究者有時難以觀察到不熟悉但相關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域，也難以把握它們之間的復雜結(jié)構(gòu)和相互影響，更難以發(fā)現(xiàn)隱藏在復雜關(guān)系下的致變因素和潛在的發(fā)展趨勢。
因此，本書研制的科學結(jié)構(gòu)圖譜利用大量科學論文之間同被引關(guān)系的聚類分析，超越傳統(tǒng)的學科分類，直接體現(xiàn)科學研究者相互引證所表征的知識的相互作用及知識的流動、融匯和演變，幫助科學研究者了解隱藏在大規(guī)模的復雜關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)下面的科學研究結(jié)構(gòu)及其變化，努力幫助科學研究者把握大問題尺度上和交叉融匯機制下的知識結(jié)構(gòu)、新興領(lǐng)域及其相互關(guān)系，逐步幫助科學研究者揭示演變趨勢、預警新興領(lǐng)域、發(fā)掘潛在合作對象、遴選優(yōu)先領(lǐng)域等，輔助決策者對科學發(fā)展的規(guī)劃。
本書以科睿唯安(Clarivate Analytics)公司的ESI為信息源，提取了2010～2015年9546個研究前沿中包含的高被引論文，通過同被引聚類分析，得到了232個研究領(lǐng)域，形成了全球視野的科學結(jié)構(gòu)圖譜，可視化地展現(xiàn)了2010～2015年的科學研究宏觀結(jié)構(gòu)及其內(nèi)在關(guān)系，揭示了國際社會普遍關(guān)注的熱點研究領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上，通過2002～2007年、2004～2009年、2006～2011年、2008～2013年和2010～2015年五個時期科學結(jié)構(gòu)的演化變遷軌跡，分析了各個學科研究領(lǐng)域的演變情況。通過引入生物學第三代多樣性計量方法，度量了各國研究領(lǐng)域的學科多樣性。同時，基于科學結(jié)構(gòu)圖譜，從國家科學研究的結(jié)構(gòu)上反映了中國及代表性國家在不同研究領(lǐng)域的活躍程度及其變化趨勢，通過國際合著率描述了中國及代表性國家國際合作的總體趨勢。通過可視化展現(xiàn)中國及代表性國家政府科學資助基金在科學結(jié)構(gòu)圖譜上的資助分布，對比分析不同國家科學資助或同一國家不同資助機構(gòu)的資助布局。
本書的結(jié)構(gòu)如下：章，引言；第二章，研究方法與數(shù)據(jù)，介紹了繪制科學結(jié)構(gòu)圖譜的理論和方法；第三章，科學結(jié)構(gòu)及其演變，繪制了232個研究領(lǐng)域組成的科學結(jié)構(gòu)圖譜2010~2015，分析其主要特點，通過五期科學結(jié)構(gòu)圖譜的時序分析展示了科學結(jié)構(gòu)的演變；第四章，研究領(lǐng)域的學科交叉性，通過分析232個研究領(lǐng)域與14個學科之間的關(guān)系揭示了研究領(lǐng)域的學科交叉性及在科學結(jié)構(gòu)圖譜上的分布；第五章，中國及代表性國家科學研究活躍度，通過觀察中國及代表性國家在每個研究領(lǐng)域中的論文份額分布，討論各國在不同研究領(lǐng)域中的相對優(yōu)勢；第六章，中國及代表性國家的國際合作，通過國際合著分析度量知識的國際流動；第七章，科學結(jié)構(gòu)圖譜上的科學資助情況分析，基于科學結(jié)構(gòu)圖譜分析了中國及代表性國家的政府科學資助基金對各個研究領(lǐng)域的資助布局；第八章，結(jié)語。
本書術(shù)語解釋
科學結(jié)構(gòu)圖譜：或稱為科學知識圖譜，是一種顯示科學知識結(jié)構(gòu)關(guān)系與發(fā)展進程的圖形，反映了科學知識之間的結(jié)構(gòu)、互動、交叉、演化等諸多關(guān)系。
高被引論文(highly cited paper)：ESI對過去10年SCI 論文被引頻次進行統(tǒng)計，將22個學科領(lǐng)域中被引頻次TOP1% 的論文遴選為高被引論文。
研究前沿(research front，RF)：ESI以SCI近6年的高被引論文為基礎(chǔ)，利用論文之間的同被引關(guān)系聚類產(chǎn)生的一系列論文集合。
研究領(lǐng)域(research area，RA)：在研究前沿基礎(chǔ)上的再次聚類得到的一系列高被引論文集合。
同被引(co-cited)：一組論文共同被其他論文引用。
核心論文(core paper)：研究領(lǐng)域中的高被引論文。
施引論文(citing paper)：引用核心論文的論文。
重力模型(gravity model)：對象之間關(guān)聯(lián)強度的可視化方法，基本思想是把對象間的關(guān)聯(lián)強度看作原子之間的引力和斥力，當力平衡時就形成各個對象之間的相對位置。
平均年(mean year)：一組論文的出版年的平均值。
國家核心論文份額：該國發(fā)表的核心論文數(shù)占世界核心論文數(shù)的比例。
國家施引論文份額：該國引用核心論文的論文數(shù)占世界引用核心論文的論文數(shù)的比例。
國際合著率：一國有多國著者的論文數(shù)占該國總論文數(shù)的比例。
國家論文計數(shù)方法：由于存在國際合著論文，一個國家的論文量因為不同的計數(shù)方法而不同，計算方法包括：①全計數(shù)法(complete counting)；②分數(shù)化全計數(shù)法(complete-normalized counting)，也稱分數(shù)計數(shù)法(fractional counting)；③作者直接計數(shù)法(straight counting)；④整體計數(shù)法(whole counting)；⑤分數(shù)化整體計數(shù)法(whole-normalized counting)。采用方法②③⑤計算時所有國家份額之和等于，采用方法①④計算時所有國家份額之和超過。本書中論文份額統(tǒng)計采用分數(shù)計數(shù)法，國際合著率統(tǒng)計采用整體計數(shù)法。
第二章 研究方法與數(shù)據(jù)
科學結(jié)構(gòu)圖譜的主體分析單元是熱點研究領(lǐng)域，它通過對高被引論文的同被引關(guān)系聚類產(chǎn)生。本期科學結(jié)構(gòu)圖譜的構(gòu)建，首先對高被引論文的同被引關(guān)系進行聚類分析，產(chǎn)生若干研究領(lǐng)域；其次根據(jù)各個研究領(lǐng)域間的關(guān)聯(lián)強度利用重力模型計算其相對位置并可視化，通過平行映射保持與前期圖譜位置的穩(wěn)定性和連續(xù)性；接著通過文本分析對研究領(lǐng)域中論文的題目和摘要抽取特征詞以標識各個研究領(lǐng)域的內(nèi)容；后參考在研究領(lǐng)域之上的三層同被引聚類，由科技情報研究人員審核、修改以確定該研究領(lǐng)域的命名及所屬的研究大類。
一、利用同被引聚類確定研究領(lǐng)域
同被引指一組論文共同被其他論文引用，反映了在學科分類、發(fā)表期刊、作者機構(gòu)、研究項目等方面看似毫無關(guān)聯(lián)的該組論文可能存在著某種關(guān)系。當該組論文同時被引用的次數(shù)逐漸增加時，它們之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)不斷加強。因此，同被引現(xiàn)象通過作者自發(fā)的引用行為反映了科學研究內(nèi)容和科學研究活動的聚合關(guān)系，可以超越傳統(tǒng)的學科分類限制，反映了科學研究內(nèi)容的自組織與科學結(jié)構(gòu)的演變。
本書沿用前四期科學結(jié)構(gòu)圖譜的同被引聚類方法，并沿用《科學結(jié)構(gòu)地圖2012》中的聚類參數(shù)。研究前沿取自ESI于2016年3月公布的2010年1月至2015年12月的研究前沿，共9546個，其中包含45657篇高被引論文。施引論文集選自SCI和SSCI，時間范圍為2010～2015年。通過同被引聚類，形成232個研究領(lǐng)域，其中包含3464個研究前沿，19850篇高被引論文(核心論文)。
科學論文間的引用反映了科學研究的動態(tài)交互。同被引是指一組論文同時被其他論文引用，如圖2-1所示，論文A、B、C同時被論文1、2、3引用。如果論文A、B、C 頻繁同被引，可以推測它們擁有相同或相近的研究主題。
圖2-1 通過同被引分析確定研究領(lǐng)域A、B、C 為核心論文
使用同被引的方法，計算高被引論文兩兩之間的同被引關(guān)系，并根據(jù)同被引關(guān)系對高被引論文進行聚類形成若干論文簇，稱為"研究前沿"；在此基礎(chǔ)上利用同被引關(guān)系對上述研究前沿再次聚類，得到的若干論文簇，稱為"研究領(lǐng)域"。高被引論文、研究前沿及研究領(lǐng)域之間的關(guān)系如圖2-2所示。
圖2-2 高被引論文、研究前沿、研究領(lǐng)域的關(guān)系
二、科學結(jié)構(gòu)圖譜可視化
科學結(jié)構(gòu)圖譜采用重力模型算法 形象描述了研究領(lǐng)域之間的相互關(guān)系，確定各個研究領(lǐng)域在二維空間中的布局位置，繪制成圖譜。為了使兩次科學結(jié)構(gòu)圖譜縱向可比，本書采用平行映射算法對重力模型進行了改進。各研究領(lǐng)域除受本期其他研究領(lǐng)域的關(guān)系(引力和斥力)影響外，還受前一期科學結(jié)構(gòu)圖譜中研究領(lǐng)域的引力，即后一期科學結(jié)構(gòu)圖譜中研究領(lǐng)域的相對位置參考了前一期科學結(jié)構(gòu)圖譜的位置。有學者研究表明，全領(lǐng)域的科學結(jié)構(gòu)具有"共識性科學結(jié)構(gòu)"(consensus map of science)，本書作者通過試驗也發(fā)現(xiàn)新一期科學結(jié)構(gòu)與科學結(jié)構(gòu)2002~2007、科學結(jié)構(gòu)2004~2009的布局存在一致性。為了減少算法的參數(shù)對科學結(jié)構(gòu)布局的影響，通過平行映射，可以得到時間相異但形態(tài)更加一致的科學結(jié)構(gòu)圖譜，從而支持后續(xù)科學結(jié)構(gòu)的演化分析。
本書采用三種可視化方法展現(xiàn)科學結(jié)構(gòu)中研究領(lǐng)域的位置布局，每種方法各有利弊，可以互補：①點線圖，用圓圈表示研究領(lǐng)域，圓圈半徑表示研究領(lǐng)域的擴展度(即研究領(lǐng)域中包含核心論文的數(shù)量)，圓圈之間的連線表示研究領(lǐng)域的關(guān)聯(lián)關(guān)系。這種方法可清晰地展現(xiàn)研究領(lǐng)域的具體位置及關(guān)聯(lián)關(guān)系，缺點是當研究領(lǐng)域中核心論文數(shù)相差懸殊時，圓圈大小難以反映此懸殊情況。②密度圖，使用了高斯函數(shù)表示研究領(lǐng)域擴展度在二維平面上的密度分布。這種方法無法直觀反映研究領(lǐng)域之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，但揭示出研究領(lǐng)域中核心論文密度的分布情況。③三維地形圖，使用地理信息系統(tǒng)的三維可視化模塊進行展示(附錄1)。這種方法將研究領(lǐng)域擴展度分布在三維空間中，使科學結(jié)構(gòu)圖譜具有立體感，更加直觀，但與密度圖一樣無法直觀反映研究領(lǐng)域之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，而且研究領(lǐng)域的具體位置不如二維圖清晰。
三、科學結(jié)構(gòu)演變軌跡
研究領(lǐng)域的演變可以歸納為新增、消失、分化、合并、延續(xù)五種模式，但是在知識的演變過程中，分化和融合具有相互轉(zhuǎn)化、相互滲透的辯證統(tǒng)一關(guān)系，融合往往意味著另一種形式的分化，再精細的分化也總是伴隨著不同學科知識的交叉和融合，由此形成一種演變模式綜合交錯的演變路徑。本書采用圖2-3 所示的演變軌跡流圖展現(xiàn)研究領(lǐng)域演變路徑。研究領(lǐng)域的演變關(guān)系基于兩個時期科學結(jié)構(gòu)共同時間窗內(nèi)(4年)的重疊度(重疊論文)，重疊論文越多，表明研究領(lǐng)域之間的繼承關(guān)系越強。
圖2-3 研究領(lǐng)域演變軌跡
