物理学和化学热点论文的跨学科性分析

成心月 刘逸云 叶鹰

摘   要：文章以布里渊指数（BI）和Hill型测度（HI）作为测度指标，对ESI数据库2017-2018年物理和化学两个学科的热点论文的跨学科性进行了分析。研究结果表明物理和化学学科热点论文的BI值和HI值均不大，BI值小于2，HI值小于9。化学学科热点论文的跨学科性测度值略高于物理学学科，物理和化学学科领域内的热点论文都引用了除自身学科领域外的其他至少一个学科的文献，大部分论文的参考文献所跨学科数目在6-10个之间。

关键词：跨学科研究;跨学科性;信息计量

中图分类号：G250.2   文献标识码：A   DOI：10.11968/tsyqb.1003-6938.2020043

Abstract Two indicators， Brillouin's index （BI） and Hill-type index（HI）， are applied to measure interdisciplinarity. Based on the data from the ESI database 2017-2018， the research reveals that the BI and HI values of hot papers in physics and chemistry are not very high， with BI<2 and HI<9. The interdisciplinarity of hot papers in chemistry is slightly higher than that in physics. Both hot papers in physics and chemistry cite papers from at least one subject other than their own subject areas. Most of the hot papers have a cross-disciplinary number of 6-10 in their references.

Key words interdisciplinary research; interdisciplinarity; information measurement

1   引言

學科之间的发展变化形成了学科之间的相互作用，并引发出“跨学科”研究。“跨学科（interdisciplinary）”一词最初于20世纪20年代作为非正式表达被美国社会科学研究理事会用来形容包含两个或两个以上学科的研究，后来为大众所接受并在90年代兴起了针对“跨学科”研究[1]，也称为交叉学科（cross-disciplinary）或多学科（multidisciplinary）研究。其内涵既有“包含或涉及多个学科的某项研究”，也有“交叉学科形成的学科群体”，还有“研究跨学科规律和方法的高层次学科”[2]。在信息计量领域，跨学科性常被用于考察论文、期刊涉及学科的多样性、专业性、学科之间的交叉程度，或者个人、机构的发文及合作分布。

跨学科性研究有许多的方法和测度指标，如1985年，Porter和Chubin[3]曾采用COC（Citation Outside Category）作为发文的专业度测度指标;2007年Porter等[4]使用专门度（Specialization）以测度作者发文的学科专业性;2009年杨良斌等[5]以生物和材料等领域的8个研究主题为关键词，分别计算其跨学科性的多样度、专门度、交叉度和合作度，验证得出学科交叉度的有效性;2015年和晋飞和房俊民[6]以图灵奖获得者为例，提出新的作者发文专业度指标计算方法，对Porter发文专门度的不足进行改进;2016年黄颖等[7]提出基于引用关系的目标学科专业度、学科集成度、学科扩散度的测算方法，并以2005-2014年诺贝尔物理学奖获奖学者的论文为材料对方法进行验证。

物理和化学是自然科学的两大基础学科，研究基数比较大，同时它们也是联系较为紧密的两大学科，物理和化学常作为典型学科用来研究自然科学。ESI（The Essential Science Indicators database，基本科学指标数据库）是基于Web of Science（WoS）核心合集数据库的深度分析工具，是目前普遍用于衡量科学研究绩效、跟踪科学发展趋势的基本分析评价工具。ESI作为全球公认的判断学科发展水平的重要参照之一，是当今普遍用以评价大学和科研机构国际学术水平及影响力的重要参照指标。ESI提供最近11年的滚动数据，每两个月更新一次，针对22个学科领域，通过论文产出和引文影响力等指标多角度对国家/地区科研水平、机构学术声誉、科学家学术影响力以及期刊学术水平进行全面衡量[8]。本文以ESI数据库评选的物理和化学学科的热点论文为研究对象进行跨学科研究，期望通过对它们涉及学科的多样性分布和差异进行比较，分析得到各自学科的研究热点与其他学科的关系。

2   数据与方法

本部分内容具体涉及数据及采集方法，研究方法涉及跨学科性测度、学科丰富性、学科分布网络及可视化方法等。

2.1    数据及采集方法

本文数据源于WoS数据库数十年累积而成的ESI数据库，我们从中获取热点论文（Hot Paper）。ESI数据库判定的热点论文指在发表后不久，相对于同一领域、同一时代的其他论文被大量引用的论文。更准确地说，它们是过去两年发表的论文，在最近两个月里被多次引用，在同一领域的论文中引用排名前0.1%。由于一个学科的所有论文数量常常过于庞大，热点论文集合则成为一个更便于分析操作的对象。同时热点论文代表了当前人们关注的重点，对于前沿研究具有很强的时效性，能够很好地展示研究趋势。

本文的数据类型仅包括论文。因ESI数据库每两个月更新一次，本文数据为ESI数据库于2019年3月14日更新的数据，所以本文研究的热点论文集合是在2017-2018年间发表的且在2019年前2个月引文量达到学科前0.1%的论文，其中物理学206篇，化学341篇。在此基础上，从ESI数据库下载的热点论文数据中选择“Accession Number”，即WOS编号作为检索条件，在WoS数据库中下载其全记录与引用的参考文献作为进一步研究跨学科性的数据集。以化学为例，检索式为“UT=WOS：000404351500035 OR WOS：000402691800005 OR …”。数据下载时间为2019年3月26日。

通过其引用的参考文献所属的学科分类来计算论文的跨学科性是文献计量学中一种较为常见的跨学科性分析方法。由于WoS提供的参考文献数据并不包含学科分类，因而本文选取了JCR（Journal Citation Report）提供的期刊-学科分类对照表作为获取论文学科分类的依据。但由于参考文献中部分文献未被WoS收录，如网络文献、未被SCI/SSCI/A&HCI收录的期刊论文等，加之考虑到不同数据库学科分类标准的差异性，无法将其他数据库的文章按WoS学科分类进行标注，基于此，我们将这部分数据剔除。此外，去除掉参考文献为空的热点论文，得到物理学学科有效热点论文共201篇，化学学科共337篇。如果参考文献所属期刊被JCR收录，则认为该参考文献为有效参考文献。物理学学科热点论文保留参考文献期刊有效信息后的有效参考文献量为23795条，化学学科为48587条。物理学热点论文平均有效参考文献数为118篇，化学热点论文平均有效参考文献数为144篇（研究基础数据集描述见表1）。

2.2    跨学科性测度研究

基于引文的跨学科性测度最常用的指标是布里渊指数（Brillouins Index，BI），其基础是Shannon在1948年所提出的信息熵概念[9]，布里渊于1956年对其进行整理，形成以测定信息熵或传播过程中的不确定性为基础的布里渊指数[10]，计算公式见式（1））：

此外，有学者认为跨学科性主要包括三个属性，即丰富性（variety）、均衡性（balance）和差异性（disparity）[14]。其中，丰富性是指跨学科研究所涉及的学科种类的多少。如果跨学科研究涉及的学科种类较多，那丰富性就高。对一篇论文而言，丰富性指论文引用参考文献中包含学科的数量[15]。本文用论文引用参考文献中包含学科的数量作为丰富性的测度指标。学科分类不同代表着研究方向的差别。学科跨度揭示了某一学科跨学科研究中其他学科分布的均匀性，学科跨度较大就表示论文引用的学科分布较广。本文对学科跨度的处理结合可视化进行。

兼顾简单性和数据可获得性，本文利用BI指数和HI指数来计算物理化学热点论文的跨学科性特征，并用丰富性和学科跨度作为补充测度。在此基础上，本文借助VOSviewer可视化软件对结果进行展示。

3   结果分析

3.1     跨学科性

采用BI指数和HI指数计算得出跨学科测度值结果（见表2）。

表中列出了物理和化学两个学科热点论文的参考文献数范围、涉及学科数目范围、学科总数范围以及BI指数和HI指数测量出的跨学科范围与平均值。其中，布里渊指数的取值范围为0到∞，HI指数的取值范围为1到∞，可以看出物理与化学两个学科热点论文的BI值和HI值不大，化学学科热点论文的跨学科性略高于物理学学科。

3.2    丰富性

物理学201篇热点论文的参考文献共涉及84个学科，化学学科337篇热点论文的参考文献共涉及107个学科。平均每篇物理学热点论文涉及0.42个学科，平均每篇化学学科热点论文涉及0.32个学科，就丰富性而言，两者丰富性差异不大。

由物理学和化学热点论文参考文献所涉及学科数目分布（见表3）。可知，化学学科每篇热点论文引用的参考文献数目范围在2-38个学科之间（含化学），高于物理学的2-27个学科（含物理）。无论是物理还是化学，绝大多数热点论文参考文献涉及的学科数目分布在2到15个之间，只有极少数的论文参考文献涉及的学科数目达到15以上。物理学和化学学科领域内的热点论文都引用了除自身学科领域外的其他至少一个学科的文献，大部分论文的参考文献所跨学科数目在6-10个之间。

3.3    基于引文网络的学科知识流动与跨度

不同的学科分类代表着不同的研究方向。物理学热点论文除了本学科以外，主要还会引用天文学与天体物理学、化学、材料科学、光学、工程学和能源与燃料學等学科的相关研究成果。物理学热点论文引用其他学科论文时，均衡性低，天文学与天体物理学引用最多，占比13.98%（见图1），其他如考古学、人口统计学、动物学等引用极少，基本可以忽略不计。

化学热点论文的参考文献除了本学科之外，主要分布在材料科学、物理学、工程学、能源与燃料学、电化学、环境科学与生态学、高分子学和生物化学与分子生物学等学科。化学热点论文引用其他学科论文时，均衡性同样较低，材料科学引用最多，占比13.79%，其他如麻醉学、行为科学、传染病学等引用很少，基本可以忽略不计。值得注意的是，物理和化学两个学科领域热点论文的参考文献在对方领域中所占百分比接近，均在9%左右（见图2）。

学科之间的相互引用现象体现了二者之间的一种知识流动。本文的知识流动图用VOSviewer 1.6.8制作完成。物理学化学热点论文跨学科知识流动的总图中每个节点代表不同的学科，节点的大小表示学科知识的流入和流出总量（见图3），即学科的施引次数和被引次数总和，且包括自引次数，我们视其为学科的知识流动总量。节点之间的连线反映学科之间的知识流动情况，连线的粗细则代表流动的大小，连线不区分施引还是被引。此图可以提供其他学科与物理学和化学学科之间的总体知识流动情况。

由热点论文的跨学科知识流动图可以看出，物理学与化学学科与其他学科之间存在着广泛的引用关系，但物理学和化学热点论文引用其他学科论文时，均衡性低，表现在主要的引用关系还是存在于主要的几个学科之间，如材料科学、天文学与天体物理学、能源与燃料学、光学、电化学、环境科学与生态学、高分子科学和生物化学与分子生物学等学科之间。

物理学和化学热点论文跨学科知识流入图中节点之间的连线反映物理学和化学学科之间的知识流入情况，连线的粗细则代表流动的大小，连线表示物理学或化学学科对其他学科的施引次数（物理学或化学学科对其他学科知识的引用情况（见图4、图5）。

4   讨论与结论

本文使用跨学科研究方法分析获得的ESI数据库里2017-2018年度物理学和化学两个学科领域的热点论文之跨学科特征包括：

（1）物理与化学两个学科热点论文的BI值和HI值不大，化学学科热点论文的跨学科性略高于物理学学科。

（2）就丰富性而言，物理和化学学科热点论文跨学科丰富性差异不大。物理和化学学科领域内的热点论文都引用了除自身学科领域外的其他至少一个学科的文献，大部分论文的参考文献所跨学科数目在6-10个之间。

（3）物理学热点论文除了本学科以外，主要还会引用天文学与天体物理学、化学、材料科学、光学、工程学等学科的相关研究成果;化学热点论文的参考文献除了本学科之外，主要分布在材料科学、物理学、工程学、能源与燃料学、电化学、环境科学与生态学、高分子科学和生物化学与分子生物学等学科。

本文因数据造成的研究局限主要包括三个方面：

（1）部分热点论文的部分参考文献所在期刊未被WoS数据库收录，本文在收集研究方向时删除了这部分数据，可能会引起误差。

（2）本文仅在自然科学领域选取了物理学和化学两个基础学科领域的热点论文进行分析，其它学科的跨学科性分析有待于进一步研究，后续可对更多的自然科学学科进行测度并加以比较;

（3）本文仅从参考文献角度进行考虑，而未考虑施引文献，所刻画的知识流动只有从物理学或化学参考其他学科文献的知识输入，而没有体现向其他学科的知识输出情况，因而是单向的知识流动，全面性有待进一步研究。

参考文献：

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[5]  杨良斌，周秋菊，金碧辉.基于文献计量的跨学科测度及实证研究[J].图书情报工作，2009，53（10）：87-90.

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[15]  陈仕吉，康温和，江文森.跨学科研究在科学研究中越来越重要？[J].科学学研究，2018，36（7）：1153-1160，1195.

作者简介：成心月，女，南京大学信息管理学院硕士研究生，研究方向：定量信息分析;刘逸云，女，南京大学信息管理学院硕士研究生，研究方向：定量信息分析;叶鹰，男，南京大学信息管理学院教授，研究方向：定量信息分析、数据分析与科学计量。