全球科學(xué)儀器研究范疇的熱點(diǎn)及啟示
——基于CiteSpace的分析

高皓天 李天柱

(遼寧科技大學(xué) 工商管理學(xué)院，鞍山 114051)

1 引言

先進(jìn)的科學(xué)儀器設(shè)備為知識(shí)創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)也是創(chuàng)新研究的主體內(nèi)容之一和創(chuàng)新成果的重要體現(xiàn)形式[1]。在當(dāng)下的信息時(shí)代，集高科技、高附加值于一體的科學(xué)儀器早已成為科技“硬”實(shí)力的一部分而被世界各國(guó)所高度重視，美國(guó)更是將科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)定位為高端制造業(yè)、高保密行業(yè)和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)[2]。因此，應(yīng)及時(shí)追蹤世界范圍內(nèi)科學(xué)儀器的研究現(xiàn)狀，把握其研究熱點(diǎn)，預(yù)測(cè)其研究趨勢(shì)，以打破歐美等國(guó)高端科學(xué)儀器的壟斷，助力我國(guó)科學(xué)儀器的研發(fā)和創(chuàng)制?，F(xiàn)有學(xué)者對(duì)科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了研究，如賈平指出我國(guó)科學(xué)儀器高度依賴進(jìn)口、核心技術(shù)亟需突破的現(xiàn)狀[3]。欒春娟在專利計(jì)量視角下對(duì)科學(xué)儀器和工程儀器的發(fā)展進(jìn)行梳理[4]。伊彤研究表明我國(guó)科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)在創(chuàng)新資源、創(chuàng)新活動(dòng)、創(chuàng)新產(chǎn)出和創(chuàng)新環(huán)境四個(gè)方面均落后于發(fā)達(dá)國(guó)家[5]。

但總體來(lái)看整，目前學(xué)術(shù)界對(duì)科學(xué)儀器創(chuàng)新的研究仍然薄弱。全球科學(xué)儀器的研究現(xiàn)狀如何、哪些國(guó)家和機(jī)構(gòu)是科學(xué)儀器研究的主要陣地、研究的熱點(diǎn)和前沿又是什么，本文試圖對(duì)上述問(wèn)題加以解答。

2 研究方法及數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究方法

CiteSpace是美國(guó)德雷塞爾大學(xué)陳超美教授基于Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的一款信息可視化軟件[6]，它主要基于共引分析理論(co-ciation)和尋徑網(wǎng)絡(luò)算法(PathFinder)等[7]，以探尋出某領(lǐng)域的演進(jìn)趨勢(shì)及其知識(shí)拐點(diǎn)，通過(guò)數(shù)據(jù)可視化圖譜直觀地反映相關(guān)領(lǐng)域的分布結(jié)構(gòu)、前沿?zé)狳c(diǎn)及研究趨勢(shì)等內(nèi)容。同時(shí)，CiteSpace將歷時(shí)性的引證分析和結(jié)構(gòu)性的共被引分析創(chuàng)造性地結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)建了從“知識(shí)基礎(chǔ)”映射到“研究前沿”的理論模型。

本文主要采用了CiteSpace中共現(xiàn)圖譜與聚類分析功能，共現(xiàn)圖譜可識(shí)別研究熱點(diǎn)，橫向縱向地分析該領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)及其演變；聚類分析則體現(xiàn)聚類間的結(jié)構(gòu)特征，突出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及重要連接。文章使用關(guān)鍵詞頻次、中心度、凸顯度定量地描述關(guān)鍵詞分布情況[8]；利用聚類模塊性指數(shù)Q值(Modularity Q)和聚類輪廓指數(shù)S值(Silhouette)對(duì)聚類結(jié)果進(jìn)行判斷，Q>0.3意味著劃分出的聚類結(jié)構(gòu)是顯著的，S>0.5表示聚類性較強(qiáng)，具備科學(xué)性和有效性[9，10]。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

在Web of Science核心數(shù)據(jù)集中，為避免“儀器”一詞可能對(duì)應(yīng)多個(gè)英文單詞，仔細(xì)考量后，以“scientific instrument*”為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，同時(shí)使用通配符“*”避免單詞形式的變化對(duì)結(jié)果造成的影響。雖然考慮到期刊的上傳與更新問(wèn)題，但2019年已發(fā)表的文獻(xiàn)仍在一定程度上代表著當(dāng)下的研究熱點(diǎn)，故設(shè)置檢索的時(shí)間跨度為2015～2019年，文獻(xiàn)類型選擇“article”，數(shù)據(jù)的導(dǎo)出方式為“full records and cited reference”，數(shù)據(jù)格式選擇“plain text”，由此檢索到2391條記錄，并導(dǎo)出相關(guān)題錄，檢索時(shí)間為2019年10月23日。

3 全球科學(xué)儀器研究的總體態(tài)勢(shì)

3.1 研究力量分布

(1)國(guó)家分布

歐美發(fā)達(dá)國(guó)家往往是國(guó)際前沿科學(xué)研究的主陣地，而科學(xué)儀器領(lǐng)域的研究依舊如此。直觀來(lái)看(如圖1所示)，美國(guó)名列榜首，相關(guān)學(xué)者在近五年于科學(xué)儀器領(lǐng)域發(fā)表了770篇論文，第2～5位則由德國(guó)、意大利、英國(guó)和法國(guó)等歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家占據(jù)，中國(guó)以257篇發(fā)文量名列第6。從國(guó)家角度深入分析，排名前五的國(guó)家發(fā)文量總和達(dá)到2045篇，占比高達(dá)85.52%，顯示出全球科學(xué)儀器研究具有極高的集中度，事實(shí)上，排名前5位的國(guó)家也是全球科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)的發(fā)達(dá)國(guó)家。

圖1 科學(xué)儀器領(lǐng)域各國(guó)發(fā)文情況

(2)機(jī)構(gòu)分布

從科研機(jī)構(gòu)角度來(lái)看(如表1所示)，美國(guó)國(guó)家航空航天局在科學(xué)儀器研究方面的產(chǎn)出位居全球第一，發(fā)表論文共92篇，占比為3.85%。同時(shí)，在全球前十位的科學(xué)儀器研究機(jī)構(gòu)中，美國(guó)有6家研究機(jī)構(gòu)上榜，進(jìn)一步反映出美國(guó)在科學(xué)儀器領(lǐng)域的科研實(shí)力最為強(qiáng)勁。我國(guó)僅有一家研究機(jī)構(gòu)進(jìn)入全球科學(xué)儀器研究前十強(qiáng)，即中國(guó)科學(xué)院以83篇發(fā)文量位列第二。

表1 科學(xué)儀器領(lǐng)域相關(guān)科研機(jī)構(gòu)分布情況

3.2 期刊分布

在CiteSpace中聚類點(diǎn)類型選擇“Cited Journal”，經(jīng)分析后得到科學(xué)儀器的期刊共被引圖譜(如圖2所示)。以排序前10位的期刊為SCIENCE、PLOS ONE、GEOPHYS RES LETT、NATURE、APPL OPTICS、PNAS、REV SCI INSTRUM、B AM METEOROL SOC、ASTRON ASTROPHYS以及J GEOPHYS RES-ATOMS。其中，綜合性期刊有3種(SCIENCE、NATURE、PNAS)，天文和天體物理專業(yè)期刊有兩種(GEOPHYS RES LETT和ASTRON ASTROPHYS)，地學(xué)類期刊有兩種(B AM METEOROL SOC和J GEOPHYS RES-ATMOS)，生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)類、光學(xué)類和儀器科學(xué)類各有一種有1種(PLOS ONE、APPL OPTICS和REV SCI INSTRUM)。綜合性期刊的出現(xiàn)說(shuō)明科學(xué)儀器在各個(gè)學(xué)科的研究中都肩負(fù)著重要任務(wù)；天文和天體物理領(lǐng)域和地學(xué)領(lǐng)域期刊共被引情況顯著，由此認(rèn)為科學(xué)儀器在開(kāi)展空間探索、地理測(cè)量等科研工作種承擔(dān)著重要作用；生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)類以及光學(xué)類期刊榜上有名，不難聯(lián)想，高端精密光學(xué)儀器在生命科學(xué)領(lǐng)域備受重視，成為了科研人員的“第三只眼”，幫助他們探究微觀的生命世界。

圖2 科學(xué)儀器期刊共被引圖譜

4 科學(xué)儀器研究熱點(diǎn)與前沿

4.1 關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

關(guān)鍵詞對(duì)文章的研究對(duì)象、研究方法等的高度概括及凝煉，近5年全球科學(xué)儀器領(lǐng)域排名前20位的關(guān)鍵詞如表2所示。在這20個(gè)關(guān)鍵詞中，“儀器”排名第一，“模型”、“系統(tǒng)”、“科學(xué)”等綜合性名詞表明科學(xué)儀器具有基礎(chǔ)性，即在科學(xué)研究全過(guò)程中的均有所利用；“教育”、“健康”、“管理”、“生命質(zhì)量”等關(guān)鍵詞說(shuō)明科學(xué)儀器的應(yīng)用場(chǎng)景具有行業(yè)多樣性；“光譜學(xué)”、“光譜儀”、“望遠(yuǎn)鏡”等關(guān)鍵詞則體現(xiàn)當(dāng)下科學(xué)儀器的研究中，精密的光學(xué)儀器、分析儀器受到了較高關(guān)注。

表2 科學(xué)儀器領(lǐng)域關(guān)鍵詞共現(xiàn)分布(top20)

4.2 關(guān)鍵詞凸顯度

關(guān)鍵詞凸顯度可表示一段時(shí)間內(nèi)影響力較高的研究熱點(diǎn)。如表3所示，近5年全球凸顯度排名前五的關(guān)鍵詞分別為behavior、prevalence、search、instrumentation:spectrograph和questionnaire。從時(shí)間序列來(lái)看，2015～2016年的關(guān)鍵詞為behavior；2016～2017年的凸顯關(guān)鍵詞為prevalence、search和instrumentation: spectrograph；2017～2019年的關(guān)鍵詞為questionnaire、trial、survey和spectra?？梢钥闯?，科學(xué)儀器領(lǐng)域關(guān)鍵詞之間的相關(guān)性是比較強(qiáng)的，在凸顯時(shí)間上具有連續(xù)性和重疊性，均圍繞科學(xué)研究和科學(xué)實(shí)驗(yàn)凸顯。這反映出，科學(xué)研究通過(guò)科學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，科學(xué)實(shí)驗(yàn)依靠科學(xué)儀器開(kāi)展，而科學(xué)儀器的測(cè)量結(jié)果又反映著科學(xué)研究的表現(xiàn)和成果，三者相互結(jié)合，共同推動(dòng)科學(xué)的發(fā)展。

表3 關(guān)鍵詞凸顯度及時(shí)間分布

4.3 研究前沿識(shí)別

研究前沿是某個(gè)科學(xué)領(lǐng)域中的暫時(shí)性成分，它反映著階段性的研究趨勢(shì)[1]。它可能會(huì)在未來(lái)會(huì)成為經(jīng)典文獻(xiàn)，引用激增，但也可能因科學(xué)需求和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的變化而消失匿跡。

為了探究近5年科學(xué)儀器領(lǐng)域內(nèi)占有重要地位的前沿問(wèn)題，對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類分析得到表4，共得到5個(gè)聚類群，其輪廓系數(shù)(silhouette)均大于0.5，說(shuō)明聚類效果明顯，具有顯著性[2]。其中：聚類0的標(biāo)簽為“l(fā)ife”，反映了與生命相關(guān)的研究主題，說(shuō)明學(xué)界首先對(duì)醫(yī)學(xué)與生命科學(xué)領(lǐng)域高度關(guān)注，將視角聚焦于健康與疾病治療問(wèn)題；聚類1的標(biāo)簽為“Rosetta”，是歐洲航天局探測(cè)項(xiàng)目的名稱，這表明科學(xué)儀器與天文與天體物理緊密相關(guān)，光譜儀、干涉儀等設(shè)備在空間探索過(guò)程中起關(guān)鍵作用；聚類2的標(biāo)簽為“instrumentation”，說(shuō)明相關(guān)研究?jī)?nèi)容除涉及醫(yī)學(xué)與生命科學(xué)、天文與天體物理外，研究者還借助科學(xué)儀器對(duì)海洋環(huán)境、生態(tài)問(wèn)題進(jìn)行研究，科學(xué)儀器的應(yīng)用范圍進(jìn)一步拓展。聚類3可以定義為“evolution”，從衛(wèi)生保健、犯罪調(diào)查到可持續(xù)發(fā)展、能值分析，各行業(yè)各學(xué)科都普遍利用科學(xué)儀器進(jìn)行生產(chǎn)科研，科學(xué)儀器也逐漸走進(jìn)大眾視野，向便攜式、民用化發(fā)展。聚類4標(biāo)簽為“outcome measure”，此聚類下，科學(xué)儀器又回到了科研應(yīng)用層面，在輻射測(cè)量、污染測(cè)定等方面發(fā)揮作用。值得一提的是聚類演進(jìn)中出現(xiàn)了“disciplinary matrix”學(xué)科基質(zhì)一詞(2019年)，那么在今后的發(fā)展中，科學(xué)儀器是否會(huì)成為構(gòu)建某一學(xué)科或某一領(lǐng)域的必要條件呢，這在后續(xù)的研究中應(yīng)予以關(guān)注。

表4 科學(xué)儀器領(lǐng)域前沿及其關(guān)鍵詞演進(jìn)

5 結(jié)論與啟示

5.1 結(jié)論

本文在WoS數(shù)據(jù)庫(kù)核心集中檢索科學(xué)儀器領(lǐng)域近5年(2015-2019)的相關(guān)文獻(xiàn)，通過(guò)CiteSpace軟件進(jìn)行可視化分析，對(duì)研究力量、發(fā)文期刊、關(guān)鍵詞共現(xiàn)等要素進(jìn)行研究，得到主要結(jié)論如下：

第一，從研究力量分布來(lái)看，美、德等西方發(fā)達(dá)國(guó)家是科學(xué)儀器領(lǐng)域研究的主力軍，中國(guó)排名第六。排名前十位的科研機(jī)構(gòu)中，美國(guó)占據(jù)6所，而中國(guó)只有中國(guó)科學(xué)院入圍；

第二，從期刊和學(xué)科角度看，主要集中于綜合類、天文和天體物理類、地學(xué)類、生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)類以及光學(xué)類期刊。從上述分類可以看出，科學(xué)儀器領(lǐng)域的研究主要停留于儀器的科研應(yīng)用層面，科學(xué)儀器助力天文探索任務(wù)、生命科學(xué)研究，以隧道顯微鏡、射電望遠(yuǎn)鏡為代表的勘測(cè)儀器，以質(zhì)譜儀、光譜儀為代表的分析儀器均得到國(guó)際科學(xué)儀器領(lǐng)域的高度重視；第三，通過(guò)關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及凸顯性研究，筆者認(rèn)為科學(xué)儀器具有如下特質(zhì)：(1)行業(yè)依附性，天文與天體物理、醫(yī)學(xué)與生命科學(xué)等領(lǐng)域高度依賴科學(xué)儀器，探索未知、實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)、分析評(píng)價(jià)等過(guò)程均需要精密的科學(xué)儀器為之助陣；(2)應(yīng)用場(chǎng)景多樣性，上至天文、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的前沿科學(xué)研究，下至環(huán)境、健康角度的日常測(cè)量分析，不同型號(hào)、規(guī)格、精度的科學(xué)儀器都發(fā)揮著重要作用；(3)科學(xué)儀器之間存在相關(guān)性，單一的科學(xué)儀器難以滿足科學(xué)研究全過(guò)程的需要，完整的科學(xué)研究通常需要多類科學(xué)儀器的共同保障。

5.2 對(duì)我國(guó)的啟示

不難發(fā)現(xiàn)，國(guó)際學(xué)界對(duì)于科學(xué)儀器的研究主要停留于應(yīng)用層面，通常是借助科學(xué)儀器進(jìn)行其他領(lǐng)域的研究，而在管理及技術(shù)創(chuàng)新視角下對(duì)科學(xué)儀器的研發(fā)過(guò)程、創(chuàng)新規(guī)律的審視似乎仍是空白，鮮有對(duì)科學(xué)儀器行業(yè)及公司的發(fā)展規(guī)律的洞察。對(duì)此，筆者有如下思考：

第一，切換研究視角，變“應(yīng)用”為“理論”。我國(guó)若想突破進(jìn)口科學(xué)儀器的市場(chǎng)壟斷，打破“唯原裝進(jìn)口論”，讓自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科學(xué)儀器在我國(guó)科學(xué)研究探究中發(fā)揮核心作用，必須站在管理視角下，將科學(xué)儀器領(lǐng)域研究從應(yīng)用型轉(zhuǎn)變?yōu)槔碚撔裕迩蹇茖W(xué)儀器本身的研發(fā)歷程和科學(xué)儀器公司的發(fā)展脈絡(luò)，以尋求新的管理方式，探索新的管理范式，而非僅僅憑借科學(xué)儀器進(jìn)行自然科學(xué)的研究；

第二，明確研究方向，增加研發(fā)投入。天體物理、生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的深入探索對(duì)科學(xué)儀器提出了更高的要求，但具備高精度、高穩(wěn)定性的科學(xué)儀器卻高度依賴于進(jìn)口產(chǎn)品，受制于人。我國(guó)首先應(yīng)明確方向，優(yōu)先推進(jìn)涉及生物醫(yī)藥、空間技術(shù)、國(guó)防安全的科學(xué)儀器研究；其次，應(yīng)在“國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目”的支持下，應(yīng)進(jìn)一步提升重大科研儀器支出在我國(guó)政府R&D中的占比，通過(guò)技術(shù)模仿，追趕國(guó)際先進(jìn)水平，縮小差距，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)技術(shù)超越和技術(shù)領(lǐng)先；

第三，加強(qiáng)創(chuàng)新合作，拓展研究路徑?？茖W(xué)儀器的研發(fā)過(guò)程是長(zhǎng)期的、高投入的、技術(shù)密集的，往往掌握于大型一體化的核心公司。在開(kāi)放式創(chuàng)新的情境下，任一獨(dú)立主體均難以獨(dú)立完成“研發(fā)——測(cè)試——商業(yè)化”過(guò)程。因此，我國(guó)必須加強(qiáng)“產(chǎn)學(xué)研用”合作，科學(xué)家應(yīng)主動(dòng)接觸大公司，借助其資金、渠道等條件實(shí)現(xiàn)科學(xué)向商業(yè)的轉(zhuǎn)化；核心公司則應(yīng)積極聯(lián)系科學(xué)家，避免“大企業(yè)病”，把握相關(guān)領(lǐng)域的最新的研究成果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，為我國(guó)科學(xué)儀器行業(yè)的發(fā)展助力。