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章 引

科學結構圖譜，通過可視化技術，以直觀形象的圖譜形式展現高度抽象的科學，特別是自然科學基礎研究的宏觀結構，揭示了科學熱點前沿間的關聯關系與發展進程。運用文獻計量學的理論和方法周期性繪制科學結構圖譜，可以快速、和形象化地把握科學總體態勢，分析各個國家、機構在不同學科或主題上的優勢領域和發展重點，監測科學發展的演變路徑和變化趨勢，追蹤各個國家科研優勢領域的動態變遷過程，鑒別主題交叉融匯趨勢和潛在突破領域，輔助確定未來研發方向和創新機制，支撐科技發展規劃和戰略決策分析。因此，科學結構課題組自2007年起開展相關研究，每兩年繪制一期科學結構圖譜，周期性監測科學研究結構及其演變規律，監測科學發展趨勢。

對科學知識體系結構及其演化趨勢的研究一直是科技界發現研究熱點、遴選優先領域、規劃學科發展和制定科學政策的重要基礎。傳統的研究方法通過檢索和分析相關文獻以了解學科發展，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、評議及專門的規劃研究進一步判斷可能的突破方向。但隨著科技創新進入多學科交叉融匯的階段，面對海量科技文獻，限于固有的專業認知體系，科學研究者有時難以觀察到不熟悉但相關聯的領域，也難以把握它們之間的復雜結構和相互影響，更難以發現隱藏在復雜關系下的致變因素和潛在的發展趨勢。

因此，本書研制的科學結構圖譜利用大量科學論文之間同被引關系的聚類分析，超越傳統的學科分類，直接體現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模的復雜關聯的數據下面的科學研究結構及其變化，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構、新興領域及其相互關系，逐步幫助科學研究者揭示演變趨勢、預警新興領域、發掘潛在合作對象、遴選優先領域等，輔助決策者對科學發展的規劃。

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個研究領域，形成了全球視野的科學結構圖譜，可視化地展現了2010～2015年的科學研究宏觀結構及其內在關系，揭示了國際社會普遍關注的熱點研究領域。在此基礎上，通過2002～2007年、2004～2009年、2006～2011年、2008～2013年和2010～2015年五個時期科學結構的演化變遷軌跡，分析了各個學科研究領域的演變情況。通過引入生物學第三代多樣性計量方法，度量了各國研究領域的學科多樣性。同時，基于科學結構圖譜，從國家科學研究的結構上反映了中國及代表性國家在不同研究領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。通過可視化展現中國及代表性國家政府科學資助基金在科學結構圖譜上的資助分布，對比分析不同國家科學資助或同一國家不同資助機構的資助布局。

本書的結構如下：章，引言；第二章，研究方法與數據，介紹了繪制科學結構圖譜的理論和方法；第三章，科學結構及其演變，繪制了232個研究領域組成的科學結構圖譜2010~2015，分析其主要特點，通過五期科學結構圖譜的時序分析展示了科學結構的演變；第四章，研究領域的學科交叉性，通過分析232個研究領域與14個學科之間的關系揭示了研究領域的學科交叉性及在科學結構圖譜上的分布；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域中的論文份額分布，討論各國在不同研究領域中的相對優勢；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，科學結構圖譜上的科學資助情況分析，基于科學結構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域的資助布局；第八章，結語。

本書術語解釋

科學結構圖譜：或稱為科學知識圖譜，是一種顯示科學知識結構關系與發展進程的圖形，反映了科學知識之間的結構、互動、交叉、演化等諸多關系。

高被引論文(highly cited paper)：ESI對過去10年SCI 論文被引頻次進行統計，將22個學科領域中被引頻次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，利用論文之間的同被引關系聚類產生的一系列論文集合。

研究領域(research area，RA)：在研究前沿基礎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)：對象之間關聯強度的可視化方法，基本思想是把對象間的關聯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：該國發表的核心論文數占世界核心論文數的比例。

國家施引論文份額：該國引用核心論文的論文數占世界引用核心論文的論文數的比例。

國際合著率：一國有多國著者的論文數占該國總論文數的比例。

國家論文計數方法：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方法而不同，計算方法包括：①全計數法(complete counting)；②分數化全計數法(complete-normalized counting)，也稱分數計數法(fractional counting)；③作者直接計數法(straight counting)；④整體計數法(whole counting)；⑤分數化整體計數法(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。本書中論文份額統計采用分數計數法，國際合著率統計采用整體計數法。

第二章 研究方法與數據

科學結構圖譜的主體分析單元是熱點研究領域，它通過對高被引論文的同被引關系聚類產生。本期科學結構圖譜的構建，首先對高被引論文的同被引關系進行聚類分析，產生若干研究領域；其次根據各個研究領域間的關聯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定性和連續性；接著通過文本分析對研究領域中論文的題目和摘要抽取特征詞以標識各個研究領域的內容；后參考在研究領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、發表期刊、作者機構、研究項目等方面看似毫無關聯的該組論文可能存在著某種關系。當該組論文同時被引用的次數逐漸增加時，它們之間的內在關聯不斷加強。因此，同被引現象通過作者自發的引用行為反映了科學研究內容和科學研究活動的聚合關系，可以超越傳統的學科分類限制，反映了科學研究內容的自組織與科學結構的演變。

本書沿用前四期科學結構圖譜的同被引聚類方法，并沿用《科學結構地圖2012》中的聚類參數。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系，并根據同被引關系對高被引論文進行聚類形成若干論文簇，稱為"研究前沿"；在此基礎上利用同被引關系對上述研究前沿再次聚類，得到的若干論文簇，稱為"研究領域"。高被引論文、研究前沿及研究領域之間的關系如圖2-2所示。

圖2-2 高被引論文、研究前沿、研究領域的關系

二、科學結構圖譜可視化

科學結構圖譜采用重力模型算法 形象描述了研究領域之間的相互關系，確定各個研究領域在二維空間中的布局位置，繪制成圖譜。為了使兩次科學結構圖譜縱向可比，本書采用平行映射算法對重力模型進行了改進。各研究領域除受本期其他研究領域的關系(引力和斥力)影響外，還受前一期科學結構圖譜中研究領域的引力，即后一期科學結構圖譜中研究領域的相對位置參考了前一期科學結構圖譜的位置。有學者研究表明，全領域的科學結構具有"共識性科學結構"(consensus map of science)，本書作者通過試驗也發現新一期科學結構與科學結構2002~2007、科學結構2004~2009的布局存在一致性。為了減少算法的參數對科學結構布局的影響，通過平行映射，可以得到時間相異但形態更加一致的科學結構圖譜，從而支持后續科學結構的演化分析。

本書采用三種可視化方法展現科學結構中研究領域的位置布局，每種方法各有利弊，可以互補：①點線圖，用圓圈表示研究領域，圓圈半徑表示研究領域的擴展度(即研究領域中包含核心論文的數量)，圓圈之間的連線表示研究領域的關聯關系。這種方法可清晰地展現研究領域的具體位置及關聯關系，缺點是當研究領域中核心論文數相差懸殊時，圓圈大小難以反映此懸殊情況。②密度圖，使用了高斯函數表示研究領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域之間的關聯關系，但揭示出研究領域中核心論文密度的分布情況。③三維地形圖，使用地理信息系統的三維可視化模塊進行展示(附錄1)。這種方法將研究領域擴展度分布在三維空間中，使科學結構圖譜具有立體感，更加直觀，但與密度圖一樣無法直觀反映研究領域之間的關聯關系，而且研究領域的具體位置不如二維圖清晰。

三、科學結構演變軌跡

研究領域的演變可以歸納為新增、消失、分化、合并、延續五種模式，但是在知識的演變過程中，分化和融合具有相互轉化、相互滲透的辯證統一關系，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研究領域演變路徑。研究領域的演變關系基于兩個時期科學結構共同時間窗內(4年)的重疊度(重疊論文)，重疊論文越多，表明研究領域之間的繼承關系越強。

圖2-3 研究領域演變軌跡