第九讲科学计量方法

1、第九讲第九讲 定量分析（五）科学计量学定量分析（五）科学计量学信息安全与大数据研究院信息安全与大数据研究院李忠民李忠民中南大学开放式精品示范课堂中南大学开放式精品示范课堂知识学习要点知识学习要点一一. 科学计量学的定义科学计量学的定义二二. 科学计量学的发展历史科学计量学的发展历史三三. 科学计量学的作用科学计量学的作用四四. 科学计量学的具体应用科学计量学的具体应用五五. 科学计量学的局限性科学计量学的局限性一一. 科学计量学的定义科学计量学的定义 科学计量学是一门运用科学计量学是一门运用数理统计数理统计和和信息技术信息技术方法对方法对科学活动的投入、产出和过程进行科学活动的投入、产出和过程

2、进行定量分析定量分析，从中找出，从中找出科学活动规律性科学活动规律性的一门的一门科学学科学学分支学科分支学科对象：科学研究本身（投入、产出、过程）；文献、事实、事件对象：科学研究本身（投入、产出、过程）；文献、事实、事件方法：数理统计方法：数理统计+信息技术信息技术性质：定量研究性质：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典型的科学计量学问题和内容资金资金：科研资金投入的最优化科研资金投入的最优化人才人才：科研人才培养、科研主体实力考察科研人才培养、科研主体实力考察产出产出：科学科学绩效和科研评价绩效和科研评

3、价学科学科：研究重点、发展趋势、学科之间的关系研究重点、发展趋势、学科之间的关系 (多学多学 科、跨学科、交叉学科）科、跨学科、交叉学科）四四元素组合：科学研究的生产率、科技政策分析制定元素组合：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应用数学方法解决实际问题有三个基本环节三个基本环节 1、将实际问题抽象为数学模型、将实际问题抽象为数学模型2、求解数学模型、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、对数学模型的解作出解释和评价，形成原问题的解实实 际际 问问 题题实际问题的解实际问题的解模模 型型 的的 解解数数 学学 模模 型型有无解？有无解？数学抽

4、象数学抽象求解求解解释和评价解释和评价举例：国家科研基金发放给什么年龄段的人？举例：国家科研基金发放给什么年龄段的人？数学模型数学模型：针对或参照某种：针对或参照某种事物系统的特征事物系统的特征或或数量依存关数量依存关系系，采用数学语言，概括地或近似地表现出，采用数学语言，概括地或近似地表现出来的一种来的一种数学结构数学结构。常用的数学模型常用的数学模型：微积分方程、图论、几何模型等：微积分方程、图论、几何模型等常用的软件常用的软件：SPSS、Bibexcel、Wordsmith Tool CiteSpace对模型解的解释和评价对模型解的解释和评价1、解释计量结果，要讲严密的逻辑、解释计量结果

5、，要讲严密的逻辑2、应遵循同类相比的原则，不可盲目比较、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、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、科学计量结果的解释非原问题的唯一解答二、科学计量的发展史二、科学计量的发展史科学计量学的萌发时期科学计量学的萌发时期1、对科学家的统计、对科学家的统计2、对科学论文的统计、对科学论文的统计德堪多德堪多瑞士瑞士：二百年来科学和科学家的历史二百年来科学和科学家的历史1873年年高尔顿高尔顿英国英国：遗传天赋遗传天赋1869年年 英国科学家英国科学家1874年年科尔、伊尔斯：科尔、伊尔斯：比较解剖学的历史比较解剖学的历史 191

6、7年年休姆休姆英国英国：国际科技文献目录国际科技文献目录期刊时序分布期刊时序分布 1923年年 科学计量学的奠基时期科学计量学的奠基时期1、几个经典理论的发现、几个经典理论的发现2、两件奠基性大事、两件奠基性大事1926年年 洛特卡定律：作者分布规律洛特卡定律：作者分布规律 fn=c/n2 1934年年 布拉德福定律：文献集中与分散规律布拉德福定律：文献集中与分散规律 1：a：a2 1935年年 齐夫定律：词频分布规律齐夫定律：词频分布规律 f. r = c 德里克德里克普赖斯：普赖斯：巴比伦以来的科学巴比伦以来的科学1961年年 小科学，大科学小科学，大科学 1963年年尤金尤金加菲尔德：加

7、菲尔德：科学引文索引科学引文索引 1965年年 如果将科学杂志按其刊载某个学科主题的论文数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志数成1 1：a a：a a2 2的关系。的关系。布拉德福定律布拉德福定律 写写2 2篇论文的作者大约是写篇论文的作者大约是写1 1篇论文作者数量的篇论文作者数量的1/41/4，写，写3

8、 3篇论文的作者数量大约是写篇论文的作者数量大约是写1 1篇论文作者数篇论文作者数量的量的1/91/9，写，写n n篇论文的作者数量大约是写篇论文的作者数量大约是写1 1篇论文作篇论文作者数量的者数量的1/n1/n2 2，所有写，所有写1 1篇论文的作者所占比例大约篇论文的作者所占比例大约是是60%60%。 f fn n=c/n=c/n2 2 洛特卡定律：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，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出现频次最高的词为1 1级，其次为级，其次

9、为2 2. .这样一直到这样一直到D D级，如果用级，如果用f f表示词在文章中出现的频次，用表示词在文章中出现的频次，用r r表示表示词的等级序号，则有词的等级序号，则有f. r = cf. r = c齐夫定律齐夫定律巴比伦以来的科学巴比伦以来的科学，1961年，普赖斯在耶鲁大年，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学系列讲座的讲演集。在第五讲中系统地阐述了科科学增长的指数规律学增长的指数规律。科学计量学的理论框架科学计量学的理论框架发现经过：发现经过：伦敦皇家学会哲学论坛伦敦皇家学会哲学论坛1949、新加坡、新加坡化学文摘化学文摘等等30多种期刊验证文献量多种期刊验证文

10、献量-时间的增长曲线时间的增长曲线 科学领域内的文献是按指数增加的，每隔大约科学领域内的文献是按指数增加的，每隔大约10-15年年便增加便增加1倍。每年增长约倍。每年增长约5%-10% N=a0ebt N: N: 科学期刊的逐年累积数量科学期刊的逐年累积数量t t：以年为单位的时间变量：以年为单位的时间变量b: b: 期刊的连续增长率期刊的连续增长率a0：期刊统计初始的累计量期刊统计初始的累计量小科学，大科学小科学，大科学1963年，普赖斯在布鲁克海文年，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

11、衰期）。（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科学计量学的理论框架普赖斯定律普赖斯定律高产作者高产作者： 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全部科学工作者人数的平方根普赖斯指数普赖斯指数文献老化程度文献老化程度： 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。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。自然科学指数越大，老化越快。自然科学社会科学社会科学论文间引证与被引证关

12、系论文间引证与被引证关系科学论文的网络科学论文的网络1965施引方面：施引方面：15篇篇ref/篇论文，引用篇论文，引用n篇篇ref的论文几乎呈的论文几乎呈1/n2下降下降被引方面：被引次数越多的文献越少，且当被引方面：被引次数越多的文献越少，且当n值较大时，被引值较大时，被引论文数量呈论文数量呈n2.5或或n3.0递减递减 在某一年中，被引和施引之间存在一种平衡，即引文网在某一年中，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，就可绘制科学清楚，就可绘制科学“地形图地形图”。科学计量学之父科学

13、计量学之父 德里克德里克普赖斯（普赖斯（1922-1983）1. 发现科学增长指数规律发现科学增长指数规律2. 提出论文间引证与被引证关系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创立反映文献老化程度的普赖斯指数4. 提出普赖斯定律提出普赖斯定律5. 发展其他经典定律发展其他经典定律6. 担当担当Scientometrics编委编委二二. 科学计量的发展史科学计量的发展史科学计量学的发展时期科学计量学的发展时期1. Scientometrics的创刊和普赖斯奖的设立的创刊和普赖斯奖的设立2. 引文分析发展迅速（数量、结构）引文分析发展迅速（数量、结构）3. 数学模型广泛建

14、立数学模型广泛建立4. 国际科学计量学与信息计量学会成立国际科学计量学与信息计量学会成立5. 数据数据（信息、知识）（信息、知识）可视化可视化Scientometrics的创刊的创刊1978年年普赖斯奖的设立普赖斯奖的设立1984年年Scientometics（1978）性质性质：国际性权威杂志：国际性权威杂志主办主办：荷兰：荷兰Elsevier科学出版公司、匈牙利科学院出版社科学出版公司、匈牙利科学院出版社主编主编：普赖斯（美国）、加菲尔德（美国）、布劳恩：普赖斯（美国）、加菲尔德（美国）、布劳恩 （匈牙（匈牙 利）、多勃罗夫（苏联）利）、多勃罗夫（苏联）刊登刊登：科学学、科学交流、科学政策

15、的定量研究：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，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，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。心。” 普赖斯在发刊词上的讲话普赖斯在发刊词上的讲话Scientometics（1978）2. 引文分析

16、发展迅速引文分析发展迅速工具：工具：Web of Science数据源、计算技术数据源、计算技术方法：统计方法、矩阵分析、图论等数学方法方法：统计方法、矩阵分析、图论等数学方法以及以及可视化可视化的信息技术的信息技术内容：各国科学状况、科学前沿进展、不同学内容：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）科的结构和联系（引文耦合、共引文）3. 数学模型广泛建立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,进而把疾进而把疾病传染的病传染的微分方程组微分方程组应用于对科学研究过程的描述应用于对科学研究过程的描述

17、英哈伯、阿罗沃英哈伯、阿罗沃加加：把世界科学比作一个：把世界科学比作一个投入投入-产出系统产出系统,以研以研究各国科学论文的生产和交流情况。究各国科学论文的生产和交流情况。科特科特波波：建立了学科进化的：建立了学科进化的概率模型概率模型布劳温布劳温匈匈：利用：利用多种科学计量指标多种科学计量指标,以衡量各国科学的发展和以衡量各国科学的发展和地位，并预测各国科学的前景。地位，并预测各国科学的前景。4. 国际科学计量学与信息计量学会国际科学计量学与信息计量学会 学会每两年举办一次国际会议学会每两年举办一次国际会议 每次会议颁发普赖斯奖每次会议颁发普赖斯奖 会议主题透视学科前沿会议主题透视学科前沿h

18、ttp://news.html前沿课题研究：前沿课题研究：知识图谱与可视化知识图谱与可视化交叉学科与多学科交叉学科与多学科科研合作科研合作，包括个体的、组织的、区域的和国际的，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技术新指标研究进展和比较分析科学政策分析与预测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摘自科学计量学与信息计量学国

19、际学术研讨会的主题5. 数据数据（信息、知识）（信息、知识）可视化可视化可视化可视化：运用计算机图形学和图像处理技术，将数据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（信息、知识）转换成图形或图像图形或图像显示出来显示出来特点：特点：数据表现形式数据表现形式多元多元（数字、图形）和（数字、图形）和直观直观作用：发现新知识的作用：发现新知识的一种手段一种手段。从可视化中进行数据从可视化中进行数据 挖挖掘掘，利于分析数据、发现规律、制定决策。，利于分析数据、发现规律、制定决策。5. 数据数据（信息、知识）（信息、知识）可视化可视化工具：工具：CitespaceCitespace：J

20、AVA平台开发，多元、分时、动态的可视化技术。平台开发，多元、分时、动态的可视化技术。通过通过关键词共现关键词共现、文献共被引分析文献共被引分析，绘制知识图谱，揭，绘制知识图谱，揭示某领域演进历程示某领域演进历程(关键节点文献关键节点文献)、研究热点研究热点(主题词分主题词分析析)、发展趋势、发展趋势(主题词词频变动主题词词频变动)。关键点：阈值确定关键点：阈值确定方法：方法：文章聚类文章聚类、作者聚类、期刊聚类、作者聚类、期刊聚类、我国科学计量学的状况我国科学计量学的状况1. 代表人物：赵红州（代表人物：赵红州（1941-1997）世界科学中心转移现象（汤浅现象）世界科学中心转移现象（汤浅现

21、象）意大利意大利英国英国法国法国德国德国美国美国意大利意大利 1540-1610 70年年 文艺复兴文艺复兴英国英国 1660-1730 70年年 资产阶级革命资产阶级革命 法国法国 1770-1830 60年年 大革命大革命德国德国 1810-1920 110年年 产业革命产业革命美国美国 1920-科技成果占同期世界总成果的比例科技成果占同期世界总成果的比例25%，即为科学中心，即为科学中心科学家最佳年龄定律科学家最佳年龄定律和和科学劳动智力常数科学劳动智力常数 1979年，重大自然科学成果和科学发现者的年龄在年，重大自然科学成果和科学发现者的年龄在31-40岁之间，岁之间，概率峰值是概率

22、峰值是37岁。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）进行验证）人类重大的科学成果数人类重大的科学成果数(W)与杰出的科学家人数与杰出的科学家人数(N)成正比成正比, 与科与科学家队伍的平均年龄学家队伍的平均年龄(A)同当时科学创造最佳峰值年龄同当时科学创造最佳峰值年龄(a)之差成之差成反比反比,即即W=R-1N/（A-a）,R称为智力常数称为智力常数, 它的突变可以作为衡它的突变可以作为衡量科学革命的标志。量科学革命的标志。2. 典型事件：典型事件：1987年，年，中国科技论文与引文数据库中国科技论文与

23、引文数据库,中国科技信息研究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各个方面的统计分析,每年公布一次统计结果。每年公布一次统计结果。http:/ 1995年，年， 中国科学引文索引中国科学引文索引,中国科学院文献情中国科学院文献情 报中心报中心 http/3. 代表著作：代表著作：科学计量学科学计量学指标指标模型模型应用应用 /梁立明梁立明 北京：北京： 科学出版社，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）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

24、型）我国科技论文时空分布不均衡性（对数半对数坐标系）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科学基金项目评审中的新指标项目难度、年龄项目难度、年龄3. 代表著作：代表著作：科学计量研究方法论科学计量研究方法论 /庞景安北京：科学技术文献出版社，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科学计量学的概念、研究对象、研究方法的系统介绍统计学基础知识统计学基础知识文献计量法和科学发展的规律（引文分析）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

25、结合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学技术指标与评价方法科技计量学应用科技计量学应用/罗式胜武汉罗式胜武汉 工业工业大学出版社，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）指标拓展到技术领域（专利指标、技术经济效果指标）按按“投入投入产出产出”模式，利用国内外权威的数据库和工具书，模式，利用国内外权威的数据库和工具书， 可操作性好。可操作性好。科研评价与指标科研评价与指标 /蒋国华北京：红旗出版社，蒋国华北京：红旗出版社，2000大学定量评价和排序（大学定量评价和排序（1987-）用数据包络分析构建计量指标用数据包络分析构建计量指标从社会心

26、理学角度，用数学方法研究国际科学合著网络构型从社会心理学角度，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高校科研量化评价案例分析科学计量学知识图谱科学计量学知识图谱 /侯海燕大连：大连理工大学出版社，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学的历程科学计量的研究工具及知识图谱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，绘制知识图谱以科学计量学为研究对象，绘制知识图谱科学计量学理论与实例科学计量学理论与实例/杨良斌北京：科学技术文献出版社，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学相关问题科学计量与可视化科学计量与可视化科

27、学计量方法的应用实例科学计量方法的应用实例4. 制约因素及对策：制约因素及对策：数据数据 方法方法 人才人才同行沟通，或跨学科合作，产生高层次人才同行沟通，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跨学科合作，方法移植或产生新方法三三. 科学计量的作用科学计量的作用 为为科学决策科学决策提供定量的评价方法提供定量的评价方法国家科研实力考察国家科研实力考察学科知识图谱的绘制学科知识图谱的绘制跨学科测度指标体系跨学科测度指标体系的研制的研制科研发展规划的制定科研发展规划的制定科研基金项目的管理科研基金项目的管理学术期

28、刊质量的评价学术期刊质量的评价。四四. 科学计量的具体应用（科学计量的具体应用（1）国家科研实力考察国家科研实力考察以诺贝尔奖为例以诺贝尔奖为例1900 物理、化学、生理（医学）、文学、物理、化学、生理（医学）、文学、 和平和平1969 经济学经济学1990 地球学地球学诺贝尔精神：创新诺贝尔精神：创新求实求实献身献身诺贝尔奖得主国别统计分析诺贝尔奖得主国别统计分析美国美国 331人人 英国英国 114人人 德国德国 102人人法国法国 64人人 瑞典瑞典 30人人 前苏联前苏联 27人人瑞士瑞士 22人人 意大利意大利 20人人 丹麦丹麦 11人人荷兰荷兰 15人人 奥地利奥地利11人人 日

29、本日本 16人人阿根廷阿根廷 5人人 印度印度 5人人 中国中国 2人人家庭背景、工作环境、师承关系、论文发表数据分析家庭背景、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？怎样才能获诺奖？为什么美国有那么多奖项？科学知识积累科学知识积累1. 科学发展是一个科学发展是一个指数积累指数积累的模式：的模式：W=ekt t:时间，时间， t0,意味不同代的知识单元增殖要足够快意味不同代的知识单元增殖要足够快 k:知识单元，知识单元， k 0,意味同代人尽可能智力互补意味同代人尽可能智力互补2. 科学劳动的科学劳动的隔代连续性隔代连续性 美国调查美国调查(1901-1972)：54%出生高级人员，出生高级人员，3.4%普通体力劳动普通体力劳动 53.5%拥有高级子代，拥有高级子代，8.5%普通子代普通子代 我国调查（院士）：我国调查（院士）：39%高级专业（自身）高级专业（自身） 10%从事高层次科学研究（子代）从事