全球科学仪器研究范畴的热点及启示——基于CiteSpace的分析

高皓天 李天柱

(辽宁科技大学 工商管理学院，鞍山 114051)

1 引言

先进的科学仪器设备为知识创新和技术创新奠定了坚实基础，同时也是创新研究的主体内容之一和创新成果的重要体现形式[1]。在当下的信息时代，集高科技、高附加值于一体的科学仪器早已成为科技“硬”实力的一部分而被世界各国所高度重视，美国更是将科学仪器产业定位为高端制造业、高保密行业和战略性产业[2]。因此，应及时追踪世界范围内科学仪器的研究现状，把握其研究热点，预测其研究趋势，以打破欧美等国高端科学仪器的垄断，助力我国科学仪器的研发和创制。现有学者对科学仪器产业进行了研究，如贾平指出我国科学仪器高度依赖进口、核心技术亟需突破的现状[3]。栾春娟在专利计量视角下对科学仪器和工程仪器的发展进行梳理[4]。伊彤研究表明我国科学仪器产业在创新资源、创新活动、创新产出和创新环境四个方面均落后于发达国家[5]。

但总体来看整，目前学术界对科学仪器创新的研究仍然薄弱。全球科学仪器的研究现状如何、哪些国家和机构是科学仪器研究的主要阵地、研究的热点和前沿又是什么，本文试图对上述问题加以解答。

2 研究方法及数据来源

2.1 研究方法

CiteSpace是美国德雷塞尔大学陈超美教授基于Java语言开发的一款信息可视化软件[6]，它主要基于共引分析理论(co-ciation)和寻径网络算法(PathFinder)等[7]，以探寻出某领域的演进趋势及其知识拐点，通过数据可视化图谱直观地反映相关领域的分布结构、前沿热点及研究趋势等内容。同时，CiteSpace将历时性的引证分析和结构性的共被引分析创造性地结合起来，创建了从“知识基础”映射到“研究前沿”的理论模型。

本文主要采用了CiteSpace中共现图谱与聚类分析功能，共现图谱可识别研究热点，横向纵向地分析该领域的结构及其演变；聚类分析则体现聚类间的结构特征，突出关键节点及重要连接。文章使用关键词频次、中心度、凸显度定量地描述关键词分布情况[8]；利用聚类模块性指数Q值(Modularity Q)和聚类轮廓指数S值(Silhouette)对聚类结果进行判断，Q>0.3意味着划分出的聚类结构是显著的，S>0.5表示聚类性较强，具备科学性和有效性[9，10]。

2.2 数据来源

在Web of Science核心数据集中，为避免“仪器”一词可能对应多个英文单词，仔细考量后，以“scientific instrument*”为关键词进行检索，同时使用通配符“*”避免单词形式的变化对结果造成的影响。虽然考虑到期刊的上传与更新问题，但2019年已发表的文献仍在一定程度上代表着当下的研究热点，故设置检索的时间跨度为2015～2019年，文献类型选择“article”，数据的导出方式为“full records and cited reference”，数据格式选择“plain text”，由此检索到2391条记录，并导出相关题录，检索时间为2019年10月23日。

3 全球科学仪器研究的总体态势

3.1 研究力量分布

(1)国家分布

欧美发达国家往往是国际前沿科学研究的主阵地，而科学仪器领域的研究依旧如此。直观来看(如图1所示)，美国名列榜首，相关学者在近五年于科学仪器领域发表了770篇论文，第2～5位则由德国、意大利、英国和法国等欧洲发达国家占据，中国以257篇发文量名列第6。从国家角度深入分析，排名前五的国家发文量总和达到2045篇，占比高达85.52%，显示出全球科学仪器研究具有极高的集中度，事实上，排名前5位的国家也是全球科学仪器产业的发达国家。

图1 科学仪器领域各国发文情况

(2)机构分布

从科研机构角度来看(如表1所示)，美国国家航空航天局在科学仪器研究方面的产出位居全球第一，发表论文共92篇，占比为3.85%。同时，在全球前十位的科学仪器研究机构中，美国有6家研究机构上榜，进一步反映出美国在科学仪器领域的科研实力最为强劲。我国仅有一家研究机构进入全球科学仪器研究前十强，即中国科学院以83篇发文量位列第二。

表1 科学仪器领域相关科研机构分布情况

3.2 期刊分布

在CiteSpace中聚类点类型选择“Cited Journal”，经分析后得到科学仪器的期刊共被引图谱(如图2所示)。以排序前10位的期刊为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，综合性期刊有3种(SCIENCE、NATURE、PNAS)，天文和天体物理专业期刊有两种(GEOPHYS RES LETT和ASTRON ASTROPHYS)，地学类期刊有两种(B AM METEOROL SOC和J GEOPHYS RES-ATMOS)，生命科学和医学类、光学类和仪器科学类各有一种有1种(PLOS ONE、APPL OPTICS和REV SCI INSTRUM)。综合性期刊的出现说明科学仪器在各个学科的研究中都肩负着重要任务；天文和天体物理领域和地学领域期刊共被引情况显著，由此认为科学仪器在开展空间探索、地理测量等科研工作种承担着重要作用；生命科学和医学类以及光学类期刊榜上有名，不难联想，高端精密光学仪器在生命科学领域备受重视，成为了科研人员的“第三只眼”，帮助他们探究微观的生命世界。

图2 科学仪器期刊共被引图谱

4 科学仪器研究热点与前沿

4.1 关键词共现网络

关键词对文章的研究对象、研究方法等的高度概括及凝炼，近5年全球科学仪器领域排名前20位的关键词如表2所示。在这20个关键词中，“仪器”排名第一，“模型”、“系统”、“科学”等综合性名词表明科学仪器具有基础性，即在科学研究全过程中的均有所利用；“教育”、“健康”、“管理”、“生命质量”等关键词说明科学仪器的应用场景具有行业多样性；“光谱学”、“光谱仪”、“望远镜”等关键词则体现当下科学仪器的研究中，精密的光学仪器、分析仪器受到了较高关注。

表2 科学仪器领域关键词共现分布(top20)

4.2 关键词凸显度

关键词凸显度可表示一段时间内影响力较高的研究热点。如表3所示，近5年全球凸显度排名前五的关键词分别为behavior、prevalence、search、instrumentation:spectrograph和questionnaire。从时间序列来看，2015～2016年的关键词为behavior；2016～2017年的凸显关键词为prevalence、search和instrumentation: spectrograph；2017～2019年的关键词为questionnaire、trial、survey和spectra。可以看出，科学仪器领域关键词之间的相关性是比较强的，在凸显时间上具有连续性和重叠性，均围绕科学研究和科学实验凸显。这反映出，科学研究通过科学实验进行，科学实验依靠科学仪器开展，而科学仪器的测量结果又反映着科学研究的表现和成果，三者相互结合，共同推动科学的发展。

表3 关键词凸显度及时间分布

4.3 研究前沿识别

研究前沿是某个科学领域中的暂时性成分，它反映着阶段性的研究趋势[1]。它可能会在未来会成为经典文献，引用激增，但也可能因科学需求和经济社会的变化而消失匿迹。

为了探究近5年科学仪器领域内占有重要地位的前沿问题，对关键词进行聚类分析得到表4，共得到5个聚类群，其轮廓系数(silhouette)均大于0.5，说明聚类效果明显，具有显著性[2]。其中：聚类0的标签为“life”，反映了与生命相关的研究主题，说明学界首先对医学与生命科学领域高度关注，将视角聚焦于健康与疾病治疗问题；聚类1的标签为“Rosetta”，是欧洲航天局探测项目的名称，这表明科学仪器与天文与天体物理紧密相关，光谱仪、干涉仪等设备在空间探索过程中起关键作用；聚类2的标签为“instrumentation”，说明相关研究内容除涉及医学与生命科学、天文与天体物理外，研究者还借助科学仪器对海洋环境、生态问题进行研究，科学仪器的应用范围进一步拓展。聚类3可以定义为“evolution”，从卫生保健、犯罪调查到可持续发展、能值分析，各行业各学科都普遍利用科学仪器进行生产科研，科学仪器也逐渐走进大众视野，向便携式、民用化发展。聚类4标签为“outcome measure”，此聚类下，科学仪器又回到了科研应用层面，在辐射测量、污染测定等方面发挥作用。值得一提的是聚类演进中出现了“disciplinary matrix”学科基质一词(2019年)，那么在今后的发展中，科学仪器是否会成为构建某一学科或某一领域的必要条件呢，这在后续的研究中应予以关注。

表4 科学仪器领域前沿及其关键词演进

5 结论与启示

5.1 结论

本文在WoS数据库核心集中检索科学仪器领域近5年(2015-2019)的相关文献，通过CiteSpace软件进行可视化分析，对研究力量、发文期刊、关键词共现等要素进行研究，得到主要结论如下：

第一，从研究力量分布来看，美、德等西方发达国家是科学仪器领域研究的主力军，中国排名第六。排名前十位的科研机构中，美国占据6所，而中国只有中国科学院入围；

第二，从期刊和学科角度看，主要集中于综合类、天文和天体物理类、地学类、生命科学和医学类以及光学类期刊。从上述分类可以看出，科学仪器领域的研究主要停留于仪器的科研应用层面，科学仪器助力天文探索任务、生命科学研究，以隧道显微镜、射电望远镜为代表的勘测仪器，以质谱仪、光谱仪为代表的分析仪器均得到国际科学仪器领域的高度重视；第三，通过关键词共现网络及凸显性研究，笔者认为科学仪器具有如下特质：(1)行业依附性，天文与天体物理、医学与生命科学等领域高度依赖科学仪器，探索未知、实验试验、分析评价等过程均需要精密的科学仪器为之助阵；(2)应用场景多样性，上至天文、医学领域的前沿科学研究，下至环境、健康角度的日常测量分析，不同型号、规格、精度的科学仪器都发挥着重要作用；(3)科学仪器之间存在相关性，单一的科学仪器难以满足科学研究全过程的需要，完整的科学研究通常需要多类科学仪器的共同保障。

5.2 对我国的启示

不难发现，国际学界对于科学仪器的研究主要停留于应用层面，通常是借助科学仪器进行其他领域的研究，而在管理及技术创新视角下对科学仪器的研发过程、创新规律的审视似乎仍是空白，鲜有对科学仪器行业及公司的发展规律的洞察。对此，笔者有如下思考：

第一，切换研究视角，变“应用”为“理论”。我国若想突破进口科学仪器的市场垄断，打破“唯原装进口论”，让自主知识产权的科学仪器在我国科学研究探究中发挥核心作用，必须站在管理视角下，将科学仪器领域研究从应用型转变为理论性，厘清科学仪器本身的研发历程和科学仪器公司的发展脉络，以寻求新的管理方式，探索新的管理范式，而非仅仅凭借科学仪器进行自然科学的研究；

第二，明确研究方向，增加研发投入。天体物理、生命科学和医学等领域的深入探索对科学仪器提出了更高的要求，但具备高精度、高稳定性的科学仪器却高度依赖于进口产品，受制于人。我国首先应明确方向，优先推进涉及生物医药、空间技术、国防安全的科学仪器研究；其次，应在“国家重大科研仪器研制项目”的支持下，应进一步提升重大科研仪器支出在我国政府R&D中的占比，通过技术模仿，追赶国际先进水平，缩小差距，进而实现技术超越和技术领先；

第三，加强创新合作，拓展研究路径。科学仪器的研发过程是长期的、高投入的、技术密集的，往往掌握于大型一体化的核心公司。在开放式创新的情境下，任一独立主体均难以独立完成“研发——测试——商业化”过程。因此，我国必须加强“产学研用”合作，科学家应主动接触大公司，借助其资金、渠道等条件实现科学向商业的转化；核心公司则应积极联系科学家，避免“大企业病”，把握相关领域的最新的研究成果，进而实现技术突破，为我国科学仪器行业的发展助力。