第九讲科学计量方法分解ppt课件.ppt

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1、第九讲 定量分析（五）科学计量学信息安全与大数据研究院李忠民,中南大学开放式精品示范课堂,知识学习要点,一.科学计量学的定义二.科学计量学的发展历史三.科学计量学的作用四.科学计量学的具体应用五.科学计量学的局限性,一.科学计量学的定义,科学计量学是一门运用数理统计和信息技术方法对科学活动的投入、产出和过程进行定量分析，从中找出科学活动规律性的一门科学学分支学科,对象：科学研究本身（投入、产出、过程）；文献、事实、事件方法：数理统计+信息技术性质：定量研究目的：揭示科学活动数量上的规律性，为决策服务,典型的科学计量学问题和内容,资金：科研资金投入的最优化人才：科研人才培养、科研主体实力考察产出

2、：科学绩效和科研评价学科：研究重点、发展趋势、学科之间的关系(多学 科、跨学科、交叉学科）,四元素组合：科学研究的生产率、科技政策分析制定,应用数学方法解决实际问题有三个基本环节,1、将实际问题抽象为数学模型2、求解数学模型3、对数学模型的解作出解释和评价，形成原问题的解,有无解？,数学抽象,求解,解释和评价,举例：国家科研基金发放给什么年龄段的人？,数学模型：针对或参照某种事物系统的特征或数量依存关系，采用数学语言，概括地或近似地表现出来的一种数学结构。,常用的数学模型：微积分方程、图论、几何模型等,常用的软件：SPSS、Bibexcel、Wordsmith Tool CiteSpace,对

3、模型解的解释和评价,1、解释计量结果，要讲严密的逻辑,2、应遵循同类相比的原则，不可盲目比较,3、宏观的数据比较可靠,4、科学计量结果的解释非原问题的唯一解答,二、科学计量的发展史,科学计量学的萌发时期,1、对科学家的统计2、对科学论文的统计,德堪多瑞士：二百年来科学和科学家的历史1873年高尔顿英国：遗传天赋1869年 英国科学家1874年,科尔、伊尔斯：比较解剖学的历史 1917年休姆英国：国际科技文献目录期刊时序分布 1923年,科学计量学的奠基时期,1、几个经典理论的发现2、两件奠基性大事,1926年 洛特卡定律：作者分布规律 fn=c/n2 1934年 布拉德福定律：文献集中与分散规

4、律 1：a：a2 1935年 齐夫定律：词频分布规律 f.r=c,德里克普赖斯：巴比伦以来的科学1961年 小科学，大科学 1963年尤金加菲尔德：科学引文索引 1965年,如果将科学杂志按其刊载某个学科主题的论文数量，以递减顺序排列，就可以在所有这些杂志中区分出载文率最高的核心区和包含着与核心部分同等数量论文的随后几区，这时核心区和后继各区中所含的杂志数成1：a：a2的关系。,布拉德福定律,写2篇论文的作者大约是写1篇论文作者数量的1/4，写3篇论文的作者数量大约是写1篇论文作者数量的1/9，写n篇论文的作者数量大约是写1篇论文作者数量的1/n2，所有写1篇论文的作者所占比例大约是60%。f

5、n=c/n2,洛特卡定律：,如果将一篇较长的文章中的每个词按其出现频次递减排列，并用自然数给这些词编上等级序号，出现频次最高的词为1级，其次为2.这样一直到D级，如果用f表示词在文章中出现的频次，用r表示词的等级序号，则有f.r=c,齐夫定律,巴比伦以来的科学，1961年，普赖斯在耶鲁大学系列讲座的讲演集。在第五讲中系统地阐述了科学增长的指数规律。,科学计量学的理论框架,发现经过：伦敦皇家学会哲学论坛1949、新加坡化学文摘等30多种期刊验证文献量-时间的增长曲线,科学领域内的文献是按指数增加的，每隔大约10-15年便增加1倍。每年增长约5%-10%N=a0ebt,N:科学期刊的逐年累积数量t

6、：以年为单位的时间变量b:期刊的连续增长率a0：期刊统计初始的累计量,小科学，大科学1963年，普赖斯在布鲁克海文国家实验室作的讲演集。定量地描述科学的发展（三大经典定律、普赖斯定律、科学论文半衰期）。,科学计量学的理论框架,普赖斯定律高产作者：撰写全部科学论文数量一半的杰出科学家人数等于全部科学工作者人数的平方根,普赖斯指数文献老化程度：某一知识领域内，年限不超过五年的文献的引文数量与引文总量之比。用以量度文献的老化速度和程度。,指数越大，老化越快。自然科学社会科学,论文间引证与被引证关系,科学论文的网络1965施引方面：15篇ref/篇论文，引用n篇ref的论文几乎呈1/n2下降被引方面：

7、被引次数越多的文献越少，且当n值较大时，被引论文数量呈n2.5或n3.0递减,在某一年中，被引和施引之间存在一种平衡，即引文网络图。在网络图中，必然有密集分布的小条或小块。若研究清楚，就可绘制科学“地形图”。,科学计量学之父 德里克普赖斯（1922-1983）,1.发现科学增长指数规律2.提出论文间引证与被引证关系3.创立反映文献老化程度的普赖斯指数4.提出普赖斯定律5.发展其他经典定律6.担当Scientometrics编委,二.科学计量的发展史,科学计量学的发展时期,1.Scientometrics的创刊和普赖斯奖的设立2.引文分析发展迅速（数量、结构）3.数学模型广泛建立4.国际科学计量

8、学与信息计量学会成立5.数据（信息、知识）可视化,Scientometrics的创刊1978年普赖斯奖的设立1984年,Scientometics（1978）,性质：国际性权威杂志主办：荷兰Elsevier科学出版公司、匈牙利科学院出版社主编：普赖斯（美国）、加菲尔德（美国）、布劳恩（匈牙 利）、多勃罗夫（苏联）,刊登：科学学、科学交流、科学政策的定量研究,“我希望，新期刊的创办，将会产生一种控制论上的正反馈，并且帮助我们大家相互了解各自的研究工作。归根结底，期刊杂志与其说是让人看的，还不如说是为了让人发表文章的。我觉得，在我们这个无形学院范围内，应当形成一个大约二三百人的核心。”普赖斯在发刊

9、词上的讲话,Scientometics（1978）,2.引文分析发展迅速,工具：Web of Science数据源、计算技术方法：统计方法、矩阵分析、图论等数学方法以及可视化的信息技术内容：各国科学状况、科学前沿进展、不同学科的结构和联系（引文耦合、共引文）,3.数学模型广泛建立,哥夫曼：将学术思想的交流与传播类比于疾病的传染,进而把疾病传染的微分方程组应用于对科学研究过程的描述英哈伯、阿罗沃加：把世界科学比作一个投入-产出系统,以研究各国科学论文的生产和交流情况。科特波：建立了学科进化的概率模型布劳温匈：利用多种科学计量指标,以衡量各国科学的发展和地位，并预测各国科学的前景。,4.国际科学计

10、量学与信息计量学会,学会每两年举办一次国际会议每次会议颁发普赖斯奖会议主题透视学科前沿,http:/issi-society.org/news.html,前沿课题研究：,知识图谱与可视化交叉学科与多学科科研合作，包括个体的、组织的、区域的和国际的科研工作评价：宏观、中观和微观层面机构和国家科学生产率科学技术新指标研究进展和比较分析科学政策分析与预测社会科学和人文科学领域中的学术交流活动摘自科学计量学与信息计量学国际学术研讨会的主题,5.数据（信息、知识）可视化,可视化：运用计算机图形学和图像处理技术，将数据（信息、知识）转换成图形或图像显示出来,特点：数据表现形式多元（数字、图形）和直观,作用

11、：发现新知识的一种手段。从可视化中进行数据 挖掘，利于分析数据、发现规律、制定决策。,5.数据（信息、知识）可视化,工具：Citespace,Citespace：JAVA平台开发，多元、分时、动态的可视化技术。通过关键词共现、文献共被引分析，绘制知识图谱，揭示某领域演进历程(关键节点文献)、研究热点(主题词分析)、发展趋势(主题词词频变动)。,关键点：阈值确定,方法：文章聚类、作者聚类、期刊聚类、,我国科学计量学的状况,1.代表人物：赵红州（1941-1997）,世界科学中心转移现象（汤浅现象）意大利英国法国德国美国,意大利 1540-1610 70年 文艺复兴英国 1660-1730 70年

12、 资产阶级革命 法国 1770-1830 60年 大革命德国 1810-1920 110年 产业革命美国 1920-,科技成果占同期世界总成果的比例25%，即为科学中心,科学家最佳年龄定律和科学劳动智力常数,1979年，重大自然科学成果和科学发现者的年龄在31-40岁之间，概率峰值是37岁。,1992年，重大科技成果威布尔分布的普遍性（分世纪、国家和学科进行验证）,人类重大的科学成果数(W)与杰出的科学家人数(N)成正比,与科学家队伍的平均年龄(A)同当时科学创造最佳峰值年龄(a)之差成反比,即W=R-1N/（A-a）,R称为智力常数,它的突变可以作为衡量科学革命的标志。,2.典型事件：,19

13、87年，中国科技论文与引文数据库,中国科技信息研究所。对我国学者的发表论文数及被引数量进行了多指标的各个方面的统计分析,每年公布一次统计结果。http:/,1995年，中国科学引文索引,中国科学院文献情 报中心 http/,3.代表著作：,科学计量学指标模型应用/梁立明 北京：科学出版社，1995,重大科技成果按年龄段的分布是一种非高斯分布（韦泊尔分布模型）我国科技论文时空分布不均衡性（对数半对数坐标系）重新解释和深化部分经典定律科学基金项目评审中的新指标项目难度、年龄,3.代表著作：,科学计量研究方法论/庞景安北京：科学技术文献出版社，1999,科学计量学的概念、研究对象、研究方法的系统介绍

14、统计学基础知识文献计量法和科学发展的规律（引文分析）科研评价应将同行评议和科学计量有机结合,科学技术指标与评价方法科技计量学应用/罗式胜武汉 工业大学出版社，1999,指标拓展到技术领域（专利指标、技术经济效果指标）按“投入产出”模式，利用国内外权威的数据库和工具书，可操作性好。,科研评价与指标/蒋国华北京：红旗出版社，2000,大学定量评价和排序（1987-）用数据包络分析构建计量指标从社会心理学角度，用数学方法研究国际科学合著网络构型高校科研量化评价案例分析,科学计量学知识图谱/侯海燕大连：大连理工大学出版社，2008,科学计量学的历程科学计量的研究工具及知识图谱以科学计量学为研究对象，绘

15、制知识图谱,科学计量学理论与实例/杨良斌北京：科学技术文献出版社，2014,科学计量学相关问题科学计量与可视化科学计量方法的应用实例,4.制约因素及对策：,数据 方法 人才,同行沟通，或跨学科合作，产生高层次人才,拓展数据类型、数量质量、数据质量,跨学科合作，方法移植或产生新方法,三.科学计量的作用,为科学决策提供定量的评价方法,国家科研实力考察学科知识图谱的绘制跨学科测度指标体系的研制科研发展规划的制定科研基金项目的管理学术期刊质量的评价。,四.科学计量的具体应用（1）,国家科研实力考察以诺贝尔奖为例,物理、化学、生理（医学）、文学、和平 经济学1990 地球学,诺贝尔精神：创新求实献身,诺

16、贝尔奖得主国别统计分析,美国 331人 英国 114人 德国 102人法国 64人 瑞典 30人 前苏联 27人瑞士 22人 意大利 20人 丹麦 11人荷兰 15人 奥地利11人 日本 16人阿根廷 5人 印度 5人 中国 2人,家庭背景、工作环境、师承关系、论文发表数据分析,化学诺贝尔奖欧美国家获奖人次统计分析,怎样才能获诺奖？为什么美国有那么多奖项？,科学知识积累,1.科学发展是一个指数积累的模式：W=ekt t:时间，t0,意味不同代的知识单元增殖要足够快 k:知识单元，k 0,意味同代人尽可能智力互补,2.科学劳动的隔代连续性 美国调查(1901-1972)：54%出生高级人员，3.

17、4%普通体力劳动 53.5%拥有高级子代，8.5%普通子代 我国调查（院士）：39%高级专业（自身）10%从事高层次科学研究（子代）,科学研究时间充足,科学家人数的统计是全时科学家（工作+讲学）美国：全时，科学家人数100万日本：全时，科学家人数72.8万我国：16小时/周,科学家群落,不同专业“远缘杂交”是诺贝尔级科研课题成功的关键。据统计，诺贝尔奖得主大多是多个专业的知名科学家的弟子（苏步青效应系数高）,纽约的洛克菲勒医学研究所，过去一个世纪产生了24位诺贝尔奖获得者（医学、化学）。大师独具慧眼强强结合教学相长,科学人才识别和遴选机制平台,少年早慧，师承著名科学家，进入科学前沿,博士学位平

18、均年龄：24.8岁发表论文平均年龄：25岁发表论文数量多：13.1篇/年，3.5篇/年（20岁）与名师合作论文：7.9篇/年，2.9篇/年（20岁）论文被引频次的半衰期：12.2年，4.6-8.1年论文被引证平均频次：232次/年，6次/年,四.科学计量的具体应用（2）,学科知识图谱以科学计量学为例,概念：显示科学知识发展进程与结构关系的一种图形发展历程：引文分析图谱可视化原理分类：二维图谱、三维构型图谱、多维尺度图谱 社会网络分析图谱、自组织映射图谱、寻径网络图谱,数据来源：SCI、SSCI（2005年）主要数据：Scientometrics（1927篇论文）作用：作者共引分析绘制学科结构知

19、识图谱 文献共引分析绘制研究领域知识图谱 社会网络分析绘制合作网络知识图谱 期刊共引分析引申5种重要期刊,引申数据：5种科学计量学重要期刊（9881篇论文）Scientometrics Research Police Journal of Documentation Social Studies of Science Journal of the American Society for Information Science作用：标题词词频分析前沿重点研究领域 作者共引分析与相邻学科的关系,外延数据：6种科学学代表性期刊（126244条引文）Social Studies of Science

20、；Science Technology&Human Values Scientometrics Journal of the American Society for Information Science Research Police R&D Management作用：期刊共引分析科学计量学在科学学中的位置,结果1：科学计量学学科结构知识图谱评价科学计量学：科研指标与评价 科学技术与创新结构科学计量学：引文分析理论 科学交流 科学知识图谱动态科学计量学：文献计量/信息计量/网络计量,结果2：科学计量学与相邻学科关系知识图谱 科学计量 科技政策与管理 图书馆与信息科学 科学知识社会学其中，科

21、学计量服务于科技政策与管理,结果3：科学计量学主流研究领域知识图谱 引文理论、科学交流与基础科研评价研究 科学知识图谱理论与方法、网络计量学研究 科学技术合作研究 经典概率分布、文献计量学定律、信息计量学研究 科学计量学指标与国家科研绩效评价研究 科技动力学、科学与技术的关系研究,结果4：科学计量学重要期刊知识图谱第一组：Scientometrics；Social Studies of Science 科学计量、科学学、科学哲学、科学心理与多学科科学研究第二组：Journal of the American Society for Information Science Journal of

22、Documentation 信息科学、图书馆科学以及计算机科学第三组：Research Police 科技政策与科技管理、科学社会学,四.科学计量的具体应用（3）,跨学科测度指标体系的研制,跨学科(trans-)，是单一学科的整合，不同于多学科（单一学科的并列）。目的：解决超出单个研究领域的科学问题,学科交叉点往往使科学新的增长点，最有可能产生重大的科学突破。DNA双螺旋结构的发现。,跨学科学的理论基础,跨学科学的研究方法,共类分析：ISI的学科分类为依据，分为12大类：社会科学、数学、物理、化学、地学空间、生物学 医学、农林科学、计算机科学、材料科学、工程技术 环境科学 论文所在期刊的主题类

23、(专业)学科类(领域)共词分析：以关键词为共现单元，对其在全部文献中 的共现频次进行统计。共现频次表示主题之间 的关联强度。,跨学科学测度指标体系,体系架构：学科交叉度为核心指标，多学科度、专业 度、合作度为辅助指标数据来源：基于ISI和JCR，引文为中心构建方法：引文归属到学科类别，分别构建引文-引文 共现矩阵、文章-引文共现矩阵、作者-引 文共现矩阵。计算夹角余弦函数，测度共 现矩阵距离,跨学科学测度指标体系,多学科度测度分析指标,专业度测度分析指标,学科交叉度测度分析指标,学科交叉度测度分析指标,合作度测度分析指标,例：主题领域的跨学科测度,方法：共类分析技术,步骤：1.从SCI中以关键

24、词方式下载主题领域的文 献，通过 清理、整理，按文章、引文、作者 机构归入12个 学科类别，构建数据集 2.数据集导入SQL数据库，并分别构建引文-引文共现 矩阵、文章-引文共现矩阵、作者-引文共现矩阵。将公式1-10编程，计算相应 数值 3.利用Pajek软件做出基于引文类共现的学科 交叉图,结果,结果,生物传感器基于引文类共现的学科交叉图,结果,膜空间基于引文类共现的学科交叉图,结果,磁铁性材料基于引文类共现的学科交叉图,结果,纳米微粒基于引文类共现的学科交叉图,四.科学计量的具体应用（4）,科研发展规划制定以中国基础研究国际合作为例,不同学科、不同专业、不同文化背景的科学家广泛合作与交流

25、，才能保持持久的创新活力，取得在科学前沿的突破。,国际合作论文占科学论文总量的比例：70年代：5%左右 80年代：10%左右 90年代：20%左右,中国基础研究国际合作测度,自上世纪70年代以来，以SCI中的国际合作论文数据为基础进行的科学计量研究结果已成为各国制定国际科学合作政策的关键依据之一。,美国：科学与工程指标：定期发布国际合作论文指标法国：国际合作项目评估研究,时间：1994-1998数据来源：SCI的基础上创建国际合作论文数据库学科领域：数、理、化、天、地、生、农、医、工、环指标：科学产出国际化指标、合作论文数、合作关系等（某国某学科领域合作论文数/某国该领域论文总数）,中国基础研

26、究国际合作测度-结果,1.我国基础研究的国际合作以较快速度增长 应用基础研究 基础研究 大科学2.各学科国际合作依存度逐年提高，但不一样 农、医、环、天、地 数理化3.各学科的合作伙伴不一样 美、日、德、英4.国际合作论文高度集中在中科院系统和少数重点高校,中国基础研究国际合作测度-结论,1.国际合作依存度高的学科要加强自主性前沿研究，提高竞争力2.美、日、欧是合作主流，加强与亚洲新兴国家和地区的合作（韩国）3.我国在物理学领域有绝对比较优势，在化、医、生、工有相对比较优势，在地、环、农处于劣势4.制定国际合作规划，针对不同国家学科布局特点，采用不同合作策略,五.科学计量学的局限性,1.引文数量与质量的关系2.数据源的拓展3.数学模型的拟合度,课后阅读的文献,世界科学中心的变迁从诺贝尔科学奖看20世纪科学技术的发展中国基础研究国际合作的科学计量测度与评价科学知识图谱的发展历程,课后阅读的文献,自然科学基金投入与科技论文产出的协整分析基于科学学期刊论文的国家基金项目计量学研究科技政策研究代表人物与核心文献可视化网络JCR指标的期刊计量与评价研究 以Information science&library science 为例,