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一图读懂自然科学基础研究的结构丨科学结构图谱2017 精选

已有 3910 次阅读 2017-11-1 08:58 |个人分类:科学书摘|系统分类:观点评述


科学结构图谱,通过可视化技术,以直观形象的图谱形式展现高度抽象的科学,特别是自然科学基础研究的宏观结构,揭示了科学热点前沿间的关联关系与发展进程。运用文献计量学的理论和方法周期性绘制科学结构图谱,可以快速、全面和形象化地把握科学总体态势,分析各个国家、机构在不同学科或主题上的优势领域和发展重点,监测科学发展的演变路径和变化趋势,追踪各个国家科研优势领域的动态变迁过程,鉴别主题交叉融汇趋势和潜在突破领域,辅助确定未来研发方向和创新机制,支撑科技发展规划和战略决策分析。




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科学结构图谱2010~2015


本文通过ESI 高被引论文的同被引聚类分析得到232 个研究领域,其中,最大的研究领域包含678 篇论文,最小的研究领域包含12 篇论文。利用重力模型根据各个研究领域间的相互关系计算它们在二维空间中的布局位置,生成科学结构图谱,直观地反映了当前的科学结构及科学研究活动情况。


图中每一个圆代表一个研究领域,由一组论文组成,圆的大小与研究领域包含的核心论文数量成正比,旁边的数字代表研究领域的ID 号。圆之间连线代表研究领域之间具有较强的关联,各个圆之间的相对位置也反映出它们之间的关联程度,距离越近,关联程度越高。图中上下左右的方位没有实际含义;红色的圆代表该研究领域是热点研究领域;每个不规则区域内的研究领域属于同一个大类,用不同颜色区分。


当前科学交叉融汇的程度越来越高,学科知识之间的界限越来越模糊,导致某些研究领域的学科分类不能绝对划分。但为了使图谱易于理解,并且能与前几期科学结构图谱做对比,本文还是把各个研究领域明确归入研究大类。


由于本文的科学结构使用的是高被引论文,反映了国际社会普遍关注的热点研究领域,这些热点研究领域在传统学科分类上的数量不均衡。并且科学结构的方法采用引用关系本身就突破了传统的分类体系,因此本文的分类除一级类外,不以传统分类为主。大类划分从不同角度进行:为反映热点研究的主要方向,尽量从研究问题或研究现象的角度进行划分,如锂离子电池、蛋白质学、癌症研究等;如研究问题不能集中,则从研究对象角度进行归类,如每个学科的下一级级学科等。基于科学结构图谱,并参考领域专家内容分析的结果,232 个研究领域中的大部分被划入物理学、纳米科技、合成与应用化学、地球科学、生物学、医学六个学科领域,因数学、工程科学、计算机科学、经济学、社会科学、农业科学的研究领域数量较少,未在图中标识出来。其中,物理学主要包括粒子物理与宇宙学、凝聚态物理学研究大类,地球科学主要包括地质学、大气科学、生态/ 环境科学等研究大类,生物学主要包括植物科学、后基因组学、蛋白质科学、细胞生物学等研究大类,医学主要包括癌症研究、传染病研究、自身免疫性疾病、心血管疾病、精神与神经系统疾病、脑科学、心理学、泌尿系统疾病、社会医学等研究大类。


科学结构图谱2010~2015 中的总体布局与前几期基本一致。粒子物理与宇宙学位于图的顶部,除了与凝聚态物理学距离较近外,与其他大类距离较远;凝聚态物理学位于粒子物理与宇宙学的下方,一部分研究论文融进纳米科技研究大类中关于纳米器件和石墨烯等方面的研究;接下来是纳米科技、合成与应用化学;地球科学位于图的左部;生物学位于图的中心位置,医学位于生物学的下方;本期多数社会科学的研究和医学结合形成社会医学大类,位于图的最下方。


本期科学结构的显著特点是科学热点研究领域越来越关注人类健康、环境与可持续发展,学科交叉融合的现象越来越明显:纳米科技与生命科学关联越来越紧密,形成了纳米与生命科学交叉的独立的纳米生物群组,它从纳米科技大类中脱离出来与生命科学更加接近;环境/ 生态学与健康结合也形成了环境与健康群组;社会科学中的研究热点与人类健康关联的研究越来越多,与医学结合形成的社会医学群组的规模逐步扩大;关注人类心理健康的研究形成了一个二级类;工程科学在计算机科学、力学、化学等研究领域的应用越来越多,其中出现了与清洁能源相关的群组。



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基于科学结构图谱观察科学研究的发展趋势


科学研究领域数量持续扩大。具有高融汇程度的研究领域数在10 年间逐步增加,从121 个增长到132 个、149 个、212 个和232 个。全球发表的高被引论文量也不断增加。


科学研究结构总体上保持稳定,布局基本一致。世界科学研究的热点领域主体依然分布于粒子物理与宇宙学、凝聚态物理学、合成与应用化学、纳米科技、地球科学、生物学、医学等领域。但随着研究领域规模扩大近1 倍,每个学科领域中研究范围也扩大,同时出现了一些其他学科领域的新研究热点,尤其是工程科学、计算机科学的研究领域数量显著增加。


本期科学结构的显著特点是热点研究领域越来越关注人类健康、环境与可持续发展,学科交叉融合的现象越来越明显:纳米科技与生命科学结合越来越紧密,形成独立的纳米生物群组。同时,纳米科技与合成和应用化学大类之间的交叉融合更为深入;环境科学与健康结合也形成了环境与健康群组;合成和应用化学中一些化学材料应用到医学领域,还有一些与新能源相关的研究成为研究热点;社会科学中的研究热点与人类健康关联的研究越来越多,与医学结合形成的社会医学群组的规模逐步扩大;关注人类心理健康的研究形成了一个二级类;工程科学在计算机科学、力学、化学等研究领域的应用越来越多,其中出现了与清洁能源相关的群组。


在科学结构图谱上新出现的研究热点很多与人类健康、解决当前全球性的能源和环境危机息息相关,比如:①基因组测序技术的发展;②精准医疗、基因诊断的研究;③锂离子电池、太阳能电池等纳米能源材料的持续研究;④化学领域与国防、能源、环境、生命健康等息息相关的新材料、新器件等;⑤纳米诊疗、纳米药物输送等方面的研究;⑥工程科学领域中与清洁能源相关的研究;⑦社会科学与医学结合形成的社会医学群组,如研究电子烟、心理、久坐及媒体等对人类健康产生的影响。同时,计算机科学、工程科学中新增了研究热点,第五代移动通信技术、3D 图形识别、智能电网等应用迅速发展。



(一)科学结构图谱中研究领域数量持续扩大


科学结构图谱相关数据量见表1。


表1 五个时期科学结构相关数据量统计


研究前沿和研究领域数五个时期逐步增加,研究领域数量从121 个增长到132 个、149 个、212 个和232 个,研究前沿数量从6094 个增长到9546 个。SCI 高被引论文量的每期平均增长率达到11%;科学结构聚类产生的研究领域中包含的高被引论文量五期增长率不高(平均增长率为3%),但其施引论文量的平均增长率达到16%。

图1 研究领域的核心论文数量分布

图柱中数字为领域个数


图1 显示了五期研究领域的核心论文数量分布,Y 轴显示了研究领域占比,图柱中的数字为某一论文量范围内的研究领域的个数。可以看出,大部分研究领域的核心论文量在30~100 篇,占总数的50% 以上。大于200 篇论文的研究领域数量和100~200 篇论文的研究领域数量五期中基本持平,占比逐步减小;50~100 篇论文的研究领域数量有所增长,但占比呈下降趋势。30~50 篇、20~30 篇、小于或等于20篇论文的研究领域内无论是数量还是占比都呈现增长的趋势。总体来说,五期中论文量大于50 篇的研究领域数量基本持平,占比呈下降趋势,小于50 篇的研究领域数量和占比呈增长趋势。新兴研究领域的平均论文量为40.5 篇,其规模较小,数量越来越多。持续发展的研究领域的平均论文量为107.9 篇。


(二)科学结构的时序发展


本文通过每隔两年绘制的科学结构图谱分析科学结构的发展情况。图3-3 采用密度图的方式展现2002 ~2007 年、2004 ~2009 年、2006 ~2011 年、2008 ~2013 年、2010~2015 年五个时期科学结构的时序变化。


五个时期的密度图显示,科学结构的总体布局基本保持一致,研究大类划分基本保持相同。从时序变化来看,科学研究的规模越来越广,图中的研究大类不能圈住的点越来越多,说明出现了一些其他学科领域的新的研究热点。从时序图分析,在纳米科技这个交叉领域中,研究领域的数量越来越多,覆盖范围越来越广,密度越来越大。


科学结构图谱2006~2011、科学结构图谱2008~2013 的论文高密度区域集中在太阳能电池和石墨烯等的研究上,科学结构图谱2010~2015 中,尽管关于锂电池、太阳能电池、石墨烯等方面的研究领域数量增多,但因逐渐形成比较独立的研究方向,互相之间具有一定的距离,因此没有形成高密度区。


超级电容器纳米电极材料、纳米光电催化剂的制备等纳米能源的新兴研究领域由于高被引论文量大形成高密度区域。


相对而言,凝聚态物理学和合成与应用化学中的研究领域的范围呈现收缩态势,凝聚态物理学在前一期图谱中(科学结构图谱2008~2013)高密度的热点研究领域主要是拓扑绝缘体的研究,本期为量子计算与拓扑绝缘体的研究。


合成与应用化学中金属催化的有机合成反应为连续三期的高密度区域,次高区域从前两期的金属有机框架化合物发展到多孔框架材料制备的分子器件研究。


地球科学中的地质学与环境/ 生态学的距离逐渐增大,中间分布了一些和清洁能源相关的研究领域。地球科学的持续高地为全球气候变暖的影响研究。


医学的覆盖范围越来越大,不同时期图谱中的高密度区域不同,本期在ID231、ID232 附近形成高密度区,涉及白血病、肿瘤的基因突变与精准治疗,基因诊断等方面的研究,而前几期的高密度区域基本上是与具体疾病相关的研究。粒子物理与宇宙学和生物学在图谱上的变化不太大,粒子物理与宇宙学中的高地近两期是希格斯玻色子相关研究,生物学中植物激素信号转导通路是持续的高密度区域。


表2 五个时期各研究大类核心论文情况


表2 列出了五个时期科学结构中各个研究大类核心论文数量及占全部核心论文的比例。


图2 科学结构密度图

研究领域的坐标位置由重力模型确定,因此研究领域在密度图中的布局与点线图一致;图中论文量越大,密度越大,颜色越暖;反之,论文量越小,密度越小,颜色越冷;白色圈为大类的轮廓


从总体趋势上看,基本和图2演化图谱的分析一致,纳米科技本期比例明显升高,合成与应用化学在第二期上升后,本期论文的比例有所下降;粒子物理与宇宙学持续下降,降幅明显,第五期核心论文占比尽管有微弱上升,但不到第一时期的一半。凝聚态物理学在第二时期下降后上升,本期又有所下降;地球科学则在波动中微弱上升;医学变化不大,持续微弱下降,生物学前两期下降,第三时期降至谷底,第四、五期有所回升但仍比第一时期低很多。包含生物学和医学的生命科学较非生命科学大类占比依旧很高,为40% 左右。不能被主体大类覆盖的其他学科的比例持续上升,从7.12% 升至15.7%。




本文摘编自王小梅等《科学结构图谱.2017》文前及第三章,内容有删减。



科学结构图谱.2017

王小梅 韩 涛 李国鹏 陈 挺 张晓林

责任编辑:邹 聪 乔艳茹

北京:科学出版社  2017.10

ISBN 9787030543691


科学结构图谱以直观形象的图谱形式展现高度抽象的科学,特别是自然科学基础研究的宏观结构,揭示科学热点前沿闯的关联关系与发展进程。《科学结构图谱.2017》是“科学结构图谱”系列丛书的第四部,科学结构课题组每两年运用立献计量学的理论和方法绘制科学结构图谱,周期性地揭示料学研究结构及其演变,监测科学发展趋势。《科学结构图谱.2017》通过基本科学指标(Essential Science Indicators,ESI) 高被引论文的同被引聚类分析,可视化揭示了2010-2015年国际社会普遍关注的热点研究领域,描绘了五个时期科学研究领域的演化变迁轨迹。基于科学结构图谱,从国家科学研究的结构上反映中国及代表性国家在不同研究领域的活跃程度及变化趋势,通过国际合著率描述了中国及代表性国家国际合作的总体趋势,通过研究科学基金对科学引文索引(Science Citation Index,SCI) 论文资助情况展现了中国及代表性国家政府科学基金在科学结构图谱上的资助分布。


(本期编辑:安 静)


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