基于生態系統多樣性指標的一流大學科研發文特征研究

詹 婧

(合肥工業大學 圖書館,合肥 230009)

一、引 言

在“雙一流”的熱潮下，一流大學及一流學科建設受到越來越多的關注。研究從科研成果的生產力、影響力、創新力和發展力等方面開展學科評價[1-2]，探討大學排行與學科評價指標的相關性[3-4]，基于世界大學排名體系分析世界一流大學特征、我國高校與世界一流大學的學術競爭力差距以及排名體系與一流大學、一流學科建設關系等[3，5，6]。大多數大學排名或評價研究都在不同程度上依賴于大學科研產出的各項計量學指標，旨在反映機構科學產出的數量和質量特征。對于大學科研發文系統，其組成學科之間是相互關聯的，每個學科都不能離開其他學科單獨發展，世界一流學科只能產生于良好的學科生態中[7]，構建一流學科生態系統成為研究型大學內涵式發展的關鍵[8]。

生態學理論認為任何一個生態系統都具有一種內在的自我調節和平衡能力，這種能力主要取決于系統成分的多樣性和結構的復雜性，并提出反映系統或群落結構特征的各類指標[9-11]，包括反映生境或群落中物種個體數目多少的多度、反映群落中物種數目多寡的豐富度、反映全部物種個體數目分配狀況的均勻度以及綜合反映豐富度和均勻度的綜合多樣性指標等[9-11]。生物多樣性指標是力圖把物種多度分布所包含的信息歸為單一統計量，簡單直觀地反映生境的狀態。

有情報學研究認為文獻計量數據與生態系統或群落數據是類似的[12]，學科領域多樣性與生物分布多樣性具有諸多共性[13]，因此在研究技術和方法上可以相互借鑒。Stirling A在其跨學科相關研究中明確提出學科多樣性測度需要滿足豐富度、均勻性和差異性3個屬性[14]；研究利用布里淵指數考察學科領域多樣性[13，15]，或綜合布里淵指數、信息熵和饒-斯特靈指數三大代表性指標，在改進希爾式指數基礎上提出用于學科多樣性綜合評價的指標[16]。有研究將Shannon指數用于衡量期刊引文的多樣性以考察期刊的跨學科性[17]，或將描述生態群落多樣性的Margalef豐富度、Shannon多樣性及均勻度指數應用于文獻計量數據，以量化個人和期刊的國際性或多學科性[12]。研究多從學科多樣性角度探討知識的跨學科或多學科性，而鮮有揭示高校的學科科研結構特點。

本研究以國內外一流大學為對象，引入生態系統多樣性指標和分析工具研究世界一流大學科研系統的結構和功能特征，探討多樣性指標應用于科研發文系統的可行性和適用性，以期為大學科研發文系統評價及世界一流大學建設提供參考。

二、數據來源和研究方法

1.研究對象

選取國內外15所世界一流大學作為本研究研究對象，一是國外一流大學(TOP6)集團，包括2019最新四大排名系統(2019QS世界大學排名、2019泰晤士高等教育世界大學排名、2017上海交大世界大學學術排名和2019USNEWS世界大學排名)中均位列前十的6所世界一流大學：麻省理工學院(MIT)、斯坦福大學(SU)、哈佛大學(HU)、劍橋大學(UC)、加州理工學院(CIT)和牛津大學(UO)；二是國內一流大學(C9)，即中國“985工程”第一批建設的9所大學：北京大學(PU)、清華大學(TU)、復旦大學(FU)、中國科技大學(USTC)、南京大學(NU)、浙江大學(ZU)、上海交通大學(SJTU)、哈爾濱工業大學(HIT)和西安交通大學(XJU)。

2.數據來源

基于InCites數據庫，研究領域(Research Area)的學科分類(Schema)分別選取Essential Science Indicators和Web of Science(文中簡稱為ESI學科分類和WOS學科分類)，獲取1980-2017年間作為研究對象的15所大學的科研發文和引文等數據。文獻類型(Document Type)選取article和review，數據采集時間為2018年12月1日。

3.多樣性指標選取及統計分析

研究從發文豐度、豐富度、均勻度、優勢度及綜合多樣性角度選取代表性的13個指標對大學科研發文系統特征進行分析(表1)。主要包括發文/引文豐度(P/C)、側重于描述學科豐富度的指數(R、Dmn和Dmg)、反映學科均勻度的指數(Epie、Ea和Emc)、優勢度指數(Db-p)以及代表性的綜合多樣性指數(H、D、Dmc、Dpie)[9-11]。

此外，在傳統Shannon指數基礎上，基于多樣性與系統中總個體數量呈對數關系的假設引入修正Shannon指數H′[18]，該指標綜合考慮了系統內個體數量的絕對差異對其多樣性量度的影響。

表1 多樣性指標及其含義

注：Pi=Ni/N，N為總發文(或總引文)數，Ni為第i個學科的發文(或引文)數；S為大學發文(或引文)涉及的學科數；Nmax為大學發文(或引文)最高的學科發文(或引文)數。

采用SPSS 24對不同類型多樣性指標進行統計分析，獨立樣本t檢驗分析國內外兩個一流大學集團的科研發文多樣性的差異，同時對不同學科分類基礎數據所得多樣性指數的相關性以及多樣性指數與大學排名的Pearson相關性進行研究。

4.多樣性指標的主成分分析

采用Canoco4.5對機構的發文和引文多樣性指標進行主成分分析(Principal Components Analysis, PCA)，探討15所大學科研發文的結構和功能特征；Canoco軟件整合了排序以及回歸和排列方法學，用于構建生態數據統計模型[19]。研究分別基于ESI和WOS兩種學科分類方式下的大學發文多樣性指數和引文多樣性指數進行PCA數量排序，探討不同類型多樣性指標對大學科研發文系統揭示的敏感性和適用性；多樣性指標進行“Log transformation”數據轉換；箭頭代表大學科研發文/引文多樣性指標，散點代表具體一流大學，箭頭所處的象限表示群落結構與排序軸的相關性[11,19]。

三、結果與分析

1.國內外一流大學科研發文多樣性的差異分析

基于ESI和WOS學科分類的發文和引文數據得到國內外一流大學集團的多樣性指數見圖1。TOP6大學發文及引文的豐富度指數R、均勻度指數Epie和Emc以及綜合多樣性指數H、H’、D、Dmc和Dpie均高于C9；而豐富度指數Dmg和Dmn、優勢度指數Db-p低于C9；ESI學科分類下TOP6均勻度指數Ea高于C9，WOS學科分類所得結果反之(圖1)。

圖1 一流大學集團科研發文多樣性指數

統計分析表明，對于基于ESI學科分類的科研發文，TOP6的修正shannon指數H′顯著高于C9，Margalef指數Dmg和Menhinick指數Dmn顯著低于C9；對于ESI引文，TOP6 shannon指數H、修正shannon指數H′顯著高于C9，Margalef指數Dmg和Menhinick指數Dmn顯著低于C9?；赪OS分類的科研發文，TOP6 PIE豐富度、修正shannon指數顯著高于C9，Menhinick指數Dmn顯著低于C9；對于WOS引文，TOP6 PIE豐富度、修正shannon指數H′顯著高于C9，Menhinick指數Dmn、Alatalo均勻度指數Ea顯著低于C9。四組基礎數據中，修正shannon指數H′、Dmn指數存在顯著差異(p<0.05)。

2.不同學科分類方式下一流大學科研發文多樣性

基于ESI和WOS兩種學科分類的大學科研發文和引文多樣性指數見下頁圖2。豐富度體現的是大學科研系統涉及的學科數，本研究中的一流大學發文和引文均已涉及ESI分類的全部22個學科。對于WOS學科分類，涉及學科數均達到200(除HIT引文豐富度)。從圖2可以看出，世界一流大學在學科豐富度和豐度上雖存在一定差異，但均呈現覆蓋面較廣的綜合性特征。TOP6中以CIT豐富度指數R、均勻度指數Epie和Ea、綜合多樣性指數H、H’、Dpie最低；其次為HU，呈現低的H、Epie、Dpie和Ea，并以D、Dmg和Emc最低，優勢度指數Db-p最高。C9中，以USTC和HIT豐富度指數R和Dmg、均勻度指數Epie、Ea和Emc、綜合多樣性指數H、H’、D、Dpie最低。

由兩種學科分類所得多樣性指數的pearson相關性可以看出，發文/引文的均勻度指數(Epie和Emc)、豐富度指數(Dmn、Dmc)和綜合多樣性指數(H、H′、Dpie和D)均呈顯著或極顯著正相關(圖2)，表明了ESI和WOS兩種學科分類方式下基礎數據多樣性指標的一致性。此外，同一學科分類下各發文和引文多樣性指數均呈極顯著正相關。

圖2 世界一流大學科研發文多樣性指數

3.一流大學科研發文多樣性指標的相關性分析

ESI和WOS兩種學科分類下不同多樣性指標的pearson相關系數分別見表2和下頁表3。對于綜合多樣性指數，除基于WOS學科分類發文數據下H’與D、Dmc無顯著相關性、與Dpie顯著相關外，H、H′、D、Dmc、Dpie間均呈極顯著正相關。均勻度指數Epie、Emc、Ea呈顯著或極顯著正相關，并以Epie、Emc間相關度較高?？傮w上可以看出同類型多樣性指數對大學科研發文結構的揭示表現出高度的一致性。

基于WOS學科分類的綜合多樣性指數H、H′、Dpie與豐富度指數R呈顯著或極顯著正相關。綜合多樣性指數H、H′、D、Dmc、Dpie與均勻度Epie均呈顯著或極顯著正相關。均勻度指數與優勢度指數均呈極顯著負相關。

表2 基于ESI學科分類的一流大學科研發文多樣性指數相關性

注：左下角為基于ESI學科分類的科研發文多樣性指數相關性，右上角為基于ESI學科分類的科研引文多樣性指標相關性；

*p<0.05；**p<0.01。

表3 基于WOS學科分類的一流大學科研發文多樣性指數相關性

注：左下角為基于WOS學科分類的科研發文多樣性指數相關性，右上角為基于WOS學科分類的科研引文多樣性指數相關性；

*p<0.05；**p<0.01。

4.一流大學科研發文多樣性指標與大學排名的相關性分析

基于大學學科科研發文和引文的多樣性指數與大學排名的相關性見表4。多樣性指標中以修正Shannon指數與四個大學排名均表現為顯著或極顯著負相關；Menhinick指數與排名呈顯著或極顯著正相關。此外，基于WOS分類的PIE豐富度指數R與排名均呈極顯著負相關(除基于發文的豐富度與THE排名顯著負相關)。

由表4可以看出，基于引文數據的大學科研發文功能多樣性指數與排名的相關系數及顯著性高于結構多樣性指數；此外，基于ESI分類的學科多樣性指數與排名的相關系數及顯著性高于基于WOS學科分類的多樣性指數。四大排名系統中，各多樣性指標與ARWU、USNEWS排名的相關性均高于QS和THE(表4)。

表4 一流大學科研發文多樣性指數與大學排名相關性

注: ①②③④分別表示基礎數據基于ESI學科分類發文、ESI學科分類引文、WOS學科分類發文、WOS學科分類引文；RQS、RTHE、RARWU、RUSNEWS分別表示最新QS、THE、ARWU和USNEWS世界大學排名。.a 基于ESI學科分類的一流大學學科豐富度均為常量22，因此無法進行計算。

5.一流大學科研發文多樣性指標的PCA分析

以基于15所一流大學1980-2017年間發文和引文情況計算所得的13個多樣性指標作為數據源進行主成分分析(PCA)，探討大學科研發文的豐富度、均勻度、優勢度、多樣性等測度指標的敏感性(圖3)。圖3顯示的不同學科分類下的主成分分析中，結構和功能多樣性指標的第一主成分軸和第二主成分軸的累積貢獻率分別達到99.7%、99.9%、99.1%和99.4%，表明兩個主成分軸均能夠較為全面地反映13個多樣性指標的信息?；诓煌A數據的PCA結果中，多樣性指標以及大學樣本的分布表現出高的相似性(圖3)。

根據主成分各因子得分和圖3看出，第一主成分主要反映了學科豐度和豐富度的變化，第二主成分主要反映了學科均勻度的變化。優勢度指數Db-p靠近第二主成分軸正半軸，負半軸強相關指標有均勻度指數(Epie、Ea、Emc)和綜合多樣性指數(H、D、Dmc、Dpie)。均勻度指數(Epie、Ea、Emc)與多樣性指數(D、Dmc、Dpie)呈現小的夾角，兩者表現出極高的相關性，這與其指標pearson相關分析的結果相一致(表2，3)。

對于大學科研發文系統多樣性的研究，需要同時較好地描述學科豐富度和均勻度變化，多樣性指數的選擇可以從距離第一和第二主成分軸的遠近來判斷[11,19]。由圖3可以看出，綜合多樣性指數H、D、Dmc、Dpie更傾向于發文學科均勻度的揭示，綜合多樣性指數中以H′受發文系統的均勻度、豐富度和發文量的影響最大，在一定程度上修正Shannon指數H′能夠更好地綜合反映大學科研發文系統的結構和功能特征。

圖3 一流大學科研發文多樣性指數PCA分析

A：基于ESI學科分類的科研發文多樣性；B：基于ESI學科分類的科研引文多樣性；C：基于WOS學科分類的科研發文多樣性；D：基于WOS學科分類的科研引文多樣性

在PCA圖中，主要位于一四象限的TOP6大學在發文/引文豐度和豐富度上高于位于二三象限的C9集團大學，兩一流大學集團傾向于各自聚為一類；位于三四象限的大學(MIT、SU、UC、UO以及TU、FU、ZU、SJTU、XJU)在均勻度上優于一二象限的大學(HU、CIT和TU、USTC、NU、HIT)，反之優勢度低于后者，這與圖2反映的大學學科多樣性趨勢一致。PCA中大學間的距離反映了其學科結構或功能的相似性。TOP6中以MIT、SU、UC和UO科研發文結構相似度較高；C9中PU、ZU和SJTU相似度高，USTC和HIT呈現相近的學科發文結構。在基于科研發文結構多樣性指標的PCA中，TOP6中CIT與我國C9大學距離較近，而在基于引文多樣性指標的PCA中，其更傾向于與TOP6集團其他大學聚為一類(圖3)，對此，兩種學科分類方式下的結果具有一致性。

四、討論與總結

1.一流大學科研發文多樣性評價指標的選取

本研究引入不同類型多樣性指標以揭示一流大學科研發文系統的結構和功能特點，多指標大多以物種豐富度、物種多度或均勻度為基礎，計算過程中賦予幾者不同的權重[9-11]。多樣性指標的選取和構建目的在于尋找較為簡單有效的方法以反映系統的特點。對于系統豐富度、均勻度、綜合性等各方面的描述，同類型多樣性指標多表現為顯著或極顯著相關(表2，3)，表明了其對科研發文系統結構和功能表征的一致性。

多樣性指標中以修正Shannon指數H′和Menhinick指數Dmn與四種大學排名均呈顯著或極顯著相關，排名靠前的大學具有相對高的修正Shannon指數和低的Menhinick指數。相對于QS和THE排名，多樣性指數與ARWU、USNEWS排名相對高的相關性可能與后兩者排名體系指標的科研指向性較強有關[5,6,20]。Menhinick指數傾向于揭示系統的豐富度，有研究認為Menhinick指數對高值大集合分析的適用性較差[21]。本研究的結果也可以看出，這種正相關性并不能很好地解釋大學排名的差異。Shannon指數源于信息理論，是一種對熵或非冗余度的信息論度量，它同時反映了豐富度和均勻度，是生態系統或文獻計量研究中最常用的多樣性指數之一[9-12，17]。但Shannon指數的計算未考慮系統大小在維持多樣性中的貢獻[18]，修正Shannon指數在其基礎上補充了對系統個體豐度，即本研究中大學發文/引文總量的揭示，其與大學排名呈現更高且更顯著的相關性。此外，修正Shannon指數H′與其他綜合多樣性指數(H、D、Dmc、Dpie)(除基于WOS的發文多樣性)、均勻度Epie、發文豐度P、豐富度R等也均呈顯著或極顯著正相關(表2，3)，多樣性指標的PCA圖也可以看出，修正Shannon指數能較好地從學科豐度、均勻度、豐富度角度綜合反映大學科研發文的特點。

研究采用兩種通用的學科分類方法(ESI和WOS)獲得原始數據分析大學科研發文的多樣性，從一系列指標(H、H′、Dpie、D、Epie、Emc、Dmn、Dmc)的顯著相關性(圖2)可以看出，兩種分類方式下多樣性指標對大學科研發文和引文特征的揭示具有較強的一致性。ESI學科分類是根據11 000多種學術期刊的屬性劃分的22個學科領域[22]，相對于WOS學科分類，其學科劃分比較寬泛[22,23]，雖不易反映出一流大學學科的豐富度差異(Dpie)(圖2)，但從多樣性指標與大學排名的相關性看，基于ESI學科分類的科研系統多樣性指數(H′)與排名的相關系數及顯著性高于基于WOS學科分類的多樣性指數(表4)。由于ESI學科門類較少，該項指數易于計算，基于該分類的修正Shannon指數可簡單有效地用于表征大學的科研發文結構和影響力。WOS學科分類按照一對多關系歸類學術期刊和文獻，涵蓋了252個學科，對期刊和文獻內容的揭示較充分[23]，但各學科間存在論文的交叉。相對于ESI學科分類，WOS分類數據能更好地揭示學科豐富度R與其他多樣性指數的相關性(表2)，且其豐富度指數R與排名呈顯著相關，由此可以看出基于WOS分類的學科豐富度能夠在很大程度上反映大學的總體科研水平。

2.一流大學科研發文多樣性的特點

研究從大學發文和引文角度研究大學科研發文系統的結構和功能特點，兩者的多樣性指數均呈極顯著正相關，一流大學科研發文系統的結構和功能表現出高度的一致性。但由基于結構和功能多樣性指標的PCA結果以及功能多樣性指數與排名相對較高的相關性可以看出，相對于發文結構，基于大學科研引文分析的功能多樣性能夠更為有效地反映大學的排名和影響力。

對于兩個一流大學集團，從學科豐富度看均呈現覆蓋面較廣的綜合性特征(圖2)，隨著一流大學綜合性、多樣化的發展趨勢，集團間的這種差異將逐漸減小。但任何一個世界頂尖綜合性大學的建成不是一蹴而就的，一個學科的恢復和發展也絕非一日之功[24]，世界一流大學TOP6在學科發文/引文豐度、綜合多樣性(H′)等方面仍顯著高于我國C9高校(圖1，3)，兩大學集團的科研發文和引文結構上還存在一定距離(圖3)。我國一流高校中以北京大學、清華大學、復旦大學、浙江大學和上海交通大學與TOP6集團大學的學科科研結構相似度最高，這與其他研究通過排名系統及科研競爭力報告分析得到的結果相一致[6,25]。有研究認為，我國大學的學科結構雖相對多樣，但在基礎學科布局、學科厚度積累等方面還有待進一步發展[26]，清華等我國一流大學在學科構成上還沒有完全達到綜合大學文理工各學科科類齊全且比例適當的要求[24]。

大學及其學科的發展受到籌資結構、學校規模、政策等多方面因素的影響[27]，不可能形成固定的模式(圖2，3)。以加州理工學院為例，其學科結構較TOP6中其他大學差異較大(圖2，3)，學科豐富度(R)、均勻度(Epie和Ea)及綜合多樣性(H、H′、Dpie)低，但這并不影響其在最新THE和ARWU排名中位列前三；四大排名系統中排名均值第一的麻省理工學院，也未表現出顯著高的多樣性和均勻度。但總體上，一流大學還是呈現出學科豐富度、均勻度及豐度兼顧的發展趨勢(圖3)，這從一流大學科研發文系統的各項多樣性指標可以看出。這除了人為引導的大學或學科綜合外，更多的可能是系統自身發展的必然結果，大學科研系統內部各學科因發展需要不斷產生新的共生、互生對象，從而組成相互影響的生態鏈或生態網，系統內學科間的結構和功能關系有待于進一步研究。