第九讲科学计量方法分解

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：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，形成原问题的解实际问题实际问题的解模型的解数学模型有无解？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、WordsmithToolCiteSpace对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/n21934年布拉德福定律：文献集中与分散规律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%。fn=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=a0ebtN:科学期刊的逐年累积数量t：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：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。”——普赖斯在发刊词上的讲话Scientometics（1978）2.引文分析发展迅速工具：WebofScience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：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：CitespaceⅡCitespaceⅡ：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----161070年文艺复兴英国1660----173070年资产阶级革命法国1770----183060年大革命德国1810----1920110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-1·N/（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：1987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。年，《中国科学引文索引》,中国科学院文献情报中心http//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1900物理、化学、生理（医学）、文学、和平1969经济学1990地球学诺贝尔精神：创新——求实——献身诺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=ektt:时间，Δt→0,意味不同代的知识单元增殖要足够快k:知识单元，Δk→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，3.4%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