魏明坤，袁 伟

（中国科学技术信息研究所，北京 100038）

科研仪器在大科学时代的作用越来越凸显，科研仪器技术水平成为衡量科研实力强弱的标志。科研仪器的高、精、尖发展是助推大数据科学的基础，也是激活科研创新的内在动力。工欲善其事，必先利其器。在人类进化和社会发展的历史中，通过创造、制作、使用工具改变生活环境和自身发展过程中，科研仪器为人类建立和发展科学研究、扩展生产规模创造了有利条件。科学研究领域也不例外，拥有科研辅助的“器”可事半功倍。尤其随着大数据时代的发展，越来越多的自然现象、多元异质数据等已无法通过手工方式完成分析，科研仪器的使用成为科学发展的重要手段。通过科学研究发展阶段分析，实验科学阶段对科研仪器的要求并不高，发展到计算科学阶段，很多复杂现象和规律的描述很大程度上得益于科研仪器的使用。作为科学研究和技术革新的重要工具，尤其随着数据密集型科学的发展，科研仪器在科学研究中的应用越来越普遍，科研仪器成为推动人类社会飞速发展的利器。科研仪器有利于相关研究者占据其研究领域的先发优势，我国著名光学家王大珩等[1]指出，机器是改造世界的工具，仪器是认识世界的工具。可见，科研仪器在科研发展中发挥了重要作用。据不完全统计，在诺贝尔自然科学类奖项中，68.4%的物理学奖、74.6%的化学奖和90%的生理学或医学成果奖都是借助各种科研仪器完成的，或直接与科研仪器技术或功能的发展相关[2]。随着人类对自然的认识向更加微观的时空尺度、更大的宇宙时空尺度和更加极端的物理条件方向发展，传统的科研手段已经不能满足科研发展的需要。特别是在以实验性研究为主的学科领域，没有高端科研仪器，要想作出重大原始创新科研成果已显得力不从心。科研仪器成为科学研究的“利器”已毋庸置疑，现代科技的重大突破越来越依赖于先进的科研仪器。使用科研仪器进行研究，有利于提升科研效率，实现事半功倍的效果。科研仪器的研发不仅丰富了科学技术的发展，其使用效果对自身发展理念具有一定导向作用。因此，从某种意义上来说，科研仪器的使用是科研仪器发展革新的内在动力，是推动科学技术进步的重要手段。但目前对科研仪器研究的学术成果还很有限，因此本研究在文献计量学基础上探析科研仪器研究的知识结构，揭示科研仪器研究主题的分布、作者共现关系等，为相关研究提供借鉴。

科研仪器随着信息技术的快速发展，面临着新的发展机遇与挑战。据《后汉书· 张衡传》记载，早在公元132年，东汉时期的张衡发明了世界上第一台科研仪器——地动仪。可见，科研仪器的研究早已有之，科研仪器的出现不仅开创了地震科学的新纪元，还为地震预测提供有利的工具——“器”。制造和使用工具，是区分人类和动物的根本标志[3]。人类通过制造和使用工具不断发展来加快认识世界，改造世界的进展。著名科学家德米特里-伊万诺维奇-门捷列夫门捷列夫（Mendeleev,Dmitri Ivanovich）指出“科学是从测量开始的，利用相关仪器进行测量已成为一门完整且十分重要的学科”[4]。科研仪器是当今社会人类对物质世界进行测量，并使人类能方便监控物质世界使之达到最佳目标的基本手段和技术，是人类认识世界和改造世界的重要工具。随着科研活动不断复杂化发展，通过人类直觉、思维和体能器官很难达到既定目标，借助专门的科研仪器使得人类具有更强的感知和操作能力来面对客观物质世界，以最佳或接近最佳的方式发展生产力、推进科学研究及从事科研活动等[5]。

在2010年国家开始实施重大科研仪器研究专项，将科研仪器基础研究纳入国家自然科学基金资助范围，据统计2011—2018年，国家自然科学基金委资助来自中央有关部门推荐、经费体量在1 000万元以上的重大科研仪器项目53 项，批准资助金额38.14 亿元；
资助全国科研工作者自由申请、经费体量在1 000 万元以下的重大科研仪器项目466 项，批准资助金额32.03 亿元，最终资助科研仪器的经费合计超过70 亿元，科研仪器数量不断增多[6]，覆盖的学科领域不断扩大[7]。相关学者对地方科研仪器发展进行分析，指出目前存在的问题并提出相应的解决对策[8]。通过对科研仪器资助项目分析，我国华北、东北地区科研仪器项目申请数量较多，资助力度强，华东地区活跃度较高[9]。为了突破我国科研仪器研发瓶颈，任孝平等[10]从“自下而上”角度分析和总结科研仪器项目管理的经验，总结科研仪器专项发展的特点。科研仪器不仅视为科学研究的重要工具，也是一种战略性资源，建设科研仪器共享平台、建立跨区域服务点、开展高校科技创新活动提升科研仪器的使用效率[11]。不同部门对重大科研仪器概念界定不尽相同，教育部文件对单价或成套价值超过10 万元的仪器称为重大科研仪器[12]，主要用于教学、科研活动、医疗等领域[13]。在《中央级新购大型科学仪器设备实行联合评议工作管理办法（试行）》中指出，大型科研仪器设备是在科学研究、技术开发及其他科技活动中使用的单台或成套仪器的价格在200 万元以上。刘贺等[14]对50 万元以上大型科研仪器进行分析，发现科研仪器资源分布不均衡，技术支撑队伍建设层次有待提高。西方国家把科研仪器作为重要的战略资源，占据高端科研仪器大部分市场份额，我国在高精尖科研仪器方面的落后及对外依存度过高[15]。为实现市场均衡化，提升自主研发高端科研仪器成为我国科研仪器研发占据领先优势的重要内容。

国家为增加科研仪器研发的支持力度，提出《国家中长期科学与技术发展规划纲要（2006—2020年）》，推动科研仪器研究工作，中央财政拨专款设立国家重大科研仪器设备研制和开发专项。本文统计2000—2019年国家自然科学基金委对国家重大科研仪器研制项目资助数量及经费投入情况，如图1 所示。通过绘制年份资助项目数量模拟趋势线，发现国家自然科学基金重大科研仪器研制项目呈指数增长趋势，拟合值R2为0.944 6，表明指数增长模型拟合效果较好。

图1 2000—2019年我国国家自然科学基金重大科研仪器研制项目（自申请）分布

从图1 中可观察出，自2000年以来，国家在重大科研仪器上的资助总体呈增长趋势。通过增长趋势曲线，表明我国对科研仪器研发经费投入的不断提升，对科研仪器研究的重视程度不断提高。科研仪器作为实验、分析的工具，是科研发展的重要组成部分。科研仪器是科学研究发展的增速器，成为推动科学水平提升的重要工具。我国越来越注重高精尖科研仪器经费的投入，在过去20年间，国家自然科学基金资助重大科研仪器项目共863 项，总投入42.24 亿元，平均每项资助489 万元。随着科研仪器经费资助力度的不断提升，合理的科研仪器经费管理处于重要战略地位。科研仪器经费科学、有效地管理，才能与高质量科研成果同行。在2019年政府工作报告中，提出对科研经费实行包干制，推动科研领域的“放管服”改革，推动科研仪器经费管理的改革。其中早在1988年，国家自然科学基金委已明确科学基金资助要方便科研，激发科研人员的积极性、主动性。到2016年，颁布的《关于进一步完善中央财政科研项目资金管理等政策的若干意见》提出了简化预算程序、下放预算调整权限，提高间接费用比重、加大绩效奖励力度等内容，不断追求科学化、精细化，提高科研仪器经费管理的规范合理化。

本研究数据来源于涵盖自然科学、人文社会科学、工程技术等领域的中国知网（CNKI）数据库，以主题词“科研仪器”进行检索，检索时间为2022年3月10日，检索数据经过清洗，去除会议通知、征稿通知等与研究内容无关的记录，最终得到有效记录1 770 条。为了识别近年来科研仪器研究主题扩散、覆盖领域以及作者共现关系，探析科研仪器的知识结构。本文在文献信息计量学分析基础上，采用知识图谱软件和文本挖掘对科研仪器研究的文献进行统计分析，从定量角度揭示科研仪器研发过程的知识结构。知识图谱分析方法不仅将数学、图形学、信息可视化技术、信息计量学等复杂知识形象化呈现出来，还揭示知识发展的前沿领域和动态规律。为深入探析科研仪器研究的主题分布，我们利用自编写的Python 程序构建文献摘要的语料库作为LDA 模型输入，通过LDA 模型训练识别具有语义关联的主题结果，通过计算LDA 主题模型困惑度判别文档语料库隐藏的主题。其中，对主题模型困惑度（perplexity）计算，即对测试文本的语料集赋予较高的概率值，具体计算公式如下所示：

式（1）中：wn为第n篇文本的大小，n为文本的数量，pp(w)为w词在所有主题分布值与w词所在文本的主题分布乘积，p(wd)为文本的概率，在进行文本主题分类时，通过计算主题困惑度确定最佳主题分类，并借助知识图谱分析工具，以关键词聚类等分析方法探析科研仪器主题研究动态、从知识结构视角展示科研仪器研究主题的前沿与演变。

3.1 文献历时分布分析

对科研仪器研究主题的文献进行统计，有利于了解科研仪器的研究力量，呈现研究主题的发展速度。为了更清晰观察文献数量分布情况，对检索的文献按年份分布进行展示，如图2 所示。通过文献历年分布统计情况，发现我国以科研仪器为主题的研究总体趋势呈递增发展。文献的年份分布作为衡量研究主题的重要指标，通过科研仪器年份分布曲线预测科研仪器发展趋势和动态。通过对科研仪器文献的统计，发现最早关于科研仪器文献的研究可追溯到1975年，受到“三大革命运动”的影响，科研仪器发展得到各领域的重视。中国科学院成立了科研仪器委员会，为科研需求建立了真空、生物、天文、显微分析等科研仪器。在1978年全国科学大会上，方毅[16]指出拥有先进的科学实验手段，是科学技术现代化的一个重要标志。到了2000年，我国在科研仪器发展上取得了长足进步，文献增长速度逐渐加快，科研仪器在科学研究中的作用被越来越多研究者所重视，成为信息产业不可缺少的组成部分，在国民经济、科学技术、科学研究等领域发挥巨大的作用。到2014年，关于科研仪器主题的文献数量超过90 篇，表明科研仪器为主题的研究仍得到研究者的关注，发展到2017年，文献数量超过120篇，对科研仪器为主题的研究持续上升。从文献增长趋势可得出，科研仪器得到了广泛的关注和重视，其影响力也得到提升。

图2 2000—2019年我国科研仪器文献产出数量历时分布

根据我国科研仪器文献年度分布态势，可将其发展阶段大致分为3 个阶段：起步阶段（1975—1985年），该阶段主要特点是以科研仪器为主题的文献发展平稳，对科研仪器为主题的研究成果较少；
低速发展阶段（1986—19997年），该阶段的主要特征是以科研仪器为主题的文献呈缓慢增长阶段，对科研仪器研究的关注呈上升趋势，与起步阶段相比，发文量有了明显提升；
快速发展阶段（1998年至今），该阶段发展的主要特征是文献数量呈快速增长趋势，1988年以后，我国学者越来越重视科研仪器的研究，与低速发展阶段相比，文献增长速度更快。为了进一步分析我国科研仪器文献增长趋势，通过绘制年份文献数量模拟趋势线，发现我国科研仪器研究文献呈指数增长趋势，拟合值R2为0.886 9，符合指数增长模型。

3.2 作者共现分析

利用知识图谱软件进行作者时区分布[17]，设置阈值为前50 的高频作者，利用最小生成树Prim(普里姆算法)。主要通过用prim 求最小生成树，从图的顶点开始，每次加入一条最小权的边和对应的顶点，逐渐扩张生成的图谱，如图3 所示。可观察不同时区节点作者的分布情况，图中不同颜色的节点代表作者的发文情况，节点之间的连线表示作者之间的合作关系。观察各时区节点分布情况，发现图3 中具有较多连线关系的节点很少，体现作者之间的交流合作并不频繁，作者之间的合作密度较低，尚未形成规模化的专业科研合作团队。作者发文频次较高的节点依次为张守著、倪培根、吴珏珩、陈省平等，这些作者在科研仪器研究领域较为活跃。为了分析作者贡献情况，对作者的PageRank（在网络结构中的重要性）值进行计算，如表1 所示，表1 中显示了PageRank 值排前18 位作者，这些作者在科研仪器研究领域的影响力较突出。

表1 我国科研仪器研究作者PageRank 值（排名前18 位）

图3 我国科研仪器文献作者共现时区分布知识图谱

其次，对作者之间的共现关系分析，可揭示科研仪器研究领域作者之间的联系和结构，反映科研仪器研究领域的发展趋势。在作者共现关系网中，中心节点较高的作者体现的影响力较为突出，反之，其影响力较弱。通过作者数量和网络结构，反映出研究领域的兴衰起伏、分化渗透等现状。从1975—2021年，以科研仪器为主题研究的作者数量不断增多，参与合作的作者数量逐渐增多，发文数量明显增加，可见，以科研仪器为主题的研究力量不断加强。

3.3 基于LDA 模型的主题挖掘

根据国家标准（GB 6447—86）对摘要的定义，“以提供文献内容梗概为目的, 不加评论和补充解释， 简明、确切地记叙文献重要内容的短文”。

摘要作为科技论文的重要组成部分，论文摘要体现了整篇文献的核心思想，根据论文摘要的标准，摘要的基本要素包括研究目的、方法、结果和结论。通过python 自编程序抽取记录的摘要，为文本挖掘研究提供基础。我们通过利用Blei 等[18]提出的潜在狄利克雷分配模型（latent dirichlet allocation，LDA）主题模型识别科研仪器文献主题分布。对主题的判断多采用一致性、困惑度指标判断最优主题数量，通过频繁出现的词语计算语义相似性进行一致性检验，基于训练集与测试集的拟合程度进行困惑度判断[19]。对文摘主题词语出现的概率分布，进行主题聚类。LDA 模型不仅识别文本信息的主题，还能挖掘文本词语间的语义关联，弥补传统关键词分析、词频分析在文献计量中的不足，能更好反映出文献的主旨。

在一篇文章中每个词是通过一定概率选择了某个主题，并从这个主题中以一定概率选择某个词语来实现的。因此，一篇文档中每个词语出现的概率为：

式（2）中，词语｜文档进行矩阵转换，表示每个文档中词语出现的词频，即出现的概率。主题｜词语表示每个主题中词语的出现概率，文档｜主题表示每个文档中主题出现的概率。为了确定文档主题的分类效果，通过LDA 主题模型困惑度计算，公式如下：

式（3）中，α和β为语料级别的参数，θ为文本级别的变量，每个文本对应一个θ，体现每个文本产生不同主题z 的概率。z和w表示文本中词语级别的变量，z由θ生成、w由z和β共同生成，w对应主题z。通过公式计算得到当主题数为7 时，一致性得分最高，同时困惑度在7 进行拐点，因此确定最佳主题个数为7，如图4 所示。

图4 LDA 模型主题困惑度曲线

当λ=0.65 时，对每个主题取前50 个特征词揭示每个主题的主要内容，具体7 个主题及特征词统计如表2 所示。通过对科研仪器研究主题的分析，得到科研仪器的应用覆盖领域较广，不仅包括科研仪器基础理论研究，还包括对科研仪器技术原理、技术能力、科研仪器应用的研究。从科研仪器的使用到多因素与环境交互影响科研行为，实现研究对象从宏观到微观、从现象到规律的揭示。

表2 科研仪器研究主题及特征词分布

表2（续）

为了实现LDA模型挖掘的主题词进行深入分析，对特征词根据词语的联系进行编码，确定4 个研究专题，分别为科研工作、科研基础、科研设备及科研人才四个专题，具体如表3 所示。将所有特征词形成了250 个参考点，60 个编码节点，按响应次数由多到少依次是科研工作、科研基础、科研设备、科研人员。根据观测要点，科研工作专题包括主题1（topic 1）、主题3（topic3）、主题5（topic5）、主题7（topic7），主要涉及创新、建设管理、教学科研、科研成果、科研效率、问题研究分析、资源共享，其中教学科研、建设管理、问题研究分析成为科研工作关注的焦点；
科研基础专题包括主题2（topic 2）、主题3（topic3）、主题5（topic5）、主题6（topic6）、主题7（topic7），主要涉及服务、基础条件、科研单位、科研经费、科研平台、科研项目、现状、政策建议，其中科研单位成为关注的焦点；
科研设备专题包括主题3（topic3）、主题5（topic5），主要涉及基础设施、仪器设备；
科研人员专题包括主题4（topic4）、主题5（topic5）、主题7（topic7），主要涉及教师、领导、人才、学生及专家。

表3 科研仪器研究主题及特征词类目体系

表3（续）

本文从文献计量视角出发，利用知识图谱工具与LDA 文本挖掘进行主题识别，探究我国科研仪器研究的知识结构，研究发现：

（1）科研工作推动科研仪器服务和创新发展。科研仪器开放共享发展的内在动因是科学研究的需要，作为科学研究领域解决复杂问题的工具之一，有利于促进知识产生和传播，推动学科发展，发现新研究领域，提升我国科学研究原始创新力。从知识管理的角度来看，科研仪器的优化配置，有利于知识存储、传播对科学研究的需要。科研仪器的开放共享为科学研究提供了便利，同时也实现了科研仪器最大化利用。从科学发展规律来看，只有最大限度地开放共享科研仪器，才能符合实际的需求。我国高校与科研院所的科研仪器重复购置、闲置现象引起有关学者的关注并提出应加强制度设计，细化开放共享，建立奖惩机制，激励科研仪器的开放共享。科研仪器开放共享符合开放科学的发展的内在要求，科研仪器的开放共享符合信息服务发展的需要。我国学者韩凤芹[20]对科研仪器开放共享进行分析，并提出改变科研仪器利用率和共享率放在奖惩机制上，而应注重体制机制的创新提高科研仪器的利用率。尤其是进入大数据时代，科研成果不仅包括公众演讲、学术论文等，自然科学领域的实验数据成为不可忽视的重要内容，通过科研仪器得出的实验结果不仅可提高科学研究的显示度，还能增强实验结果的可信度和说服力。科研仪器普及受到经费投入的影响，开放共享无论从实现途径、使用方式还是科研交流的效果，都表现出无可比拟的优势[21]。尤其在科技部和国家自然科学基金委员会设立了支持重大科研仪器发展的专项，为科研仪器创新发展注入了新的活力。科研工作推动科研仪器的发展，进一步优化科研仪器的配置、管理和服务。科研仪器的开放共享成为科研仪器的发展趋势，对科研成果创新发展具有巨大推动作用。

（2）科研仪器人才队伍建设亟需加强。随着科学技术的快速发展，靠单个研究者很难实现科研仪器上的突破。专业人才队伍建设成为科研仪器发展的内在动力，专业人才队伍建设有利于推动科研仪器的技术革新。构建结构合理的专业人才队伍成为未来高端科研仪器革新的发展源动力。如何发挥科研仪器在科研中的功能和作用，主要取决于科研仪器专业人才队伍建设。科研仪器作为一种高度知识密集型、综合技术型产物，与专业人才队伍相结合，不断更新技术，有利于其向高、精、尖发展，推动科研仪器发展的长足进步。

（3）科研基础发展为科研设备提供了保障。为了进一步加强科研仪器的原创新性发展，科研经费、科研项目等投入力度的增加成为科研设备发展内在动力。随着科研仪器应用领域的不断增加，科研活动对科研仪器的需求越来越大，不仅包括科研设备使用的需求，更加注重高水平科研设备的服务。对科研仪器知识结构分析，面上项目、科学基金项目、青年基金项目、资助强度等都成为科研仪器研究的基础。提高科研设备研发资助强度，有利于激发科研人员的积极性，提升科研创新，保障科研人员的潜心探索，促进科研设备研究的健康发展。

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