科學計量視角下認知科學發展研究

[摘要]認知科學是現代心理學、人工智能、神經科學、語言學、人類學、自然哲學等學科交叉基礎上發展起來的綜合性學科。本文以科學計量學的方法和可視化技術，將認知科學發展歷史劃分為萌芽時期、誕生初期和快速發展時期，并通過對各階段的學科結構、重要著作和重要影響人物的分析，從獨特的角度勾勒出認知科學演化發展的歷程，為了解和掌握認知科學的發展規律及其與相關學科之間的關系提供了一個新穎的視角。

〔關鍵詞〕科學計量學；認知科學；交叉學科；發展歷史

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８－０８２１．２０１１．０７．００２

〔中圖分類號〕Ｇ３０２ 〔文獻標識碼〕Ａ 〔文章編號〕１００８－０８２１（２０１１）０７－０００７－０６

Cognitive Science Development Research under Scientometrics PerspectiveHuang Qiang Shui Chao Sun Zhixin Zhou Yangming

（College of Information System Management，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China）

〔Ａｂｓｔｒａｃｔ〕The cognitive science is the comprehensive discipline which cross-developeds on the basis of modern psychology，artificial intelligence，neuroscience，linguistics，anthropology，natural philosophy and other disciplines.According to the method of scientometrics and visualization technology，cognitive science development history will be divded into the the embryonic period，the birth of the early and rapid growth，and through analysis of the disciplinary structure in various stages，important works and important figures，and from evolution and development of cognitive science in the unique perspective，cognitive science will be provided a novel perspective to understand and master the law of development and its relationship with related disciplines.

〔Ｋｅｙｗｏｒｄｓ〕scientometrics;cognitive science;interdisciplinary;development history

認知科學是研究心智和智能的科學，其研究方向包括從感覺的輸入到復雜問題的求解，從人類個體到人類社會的智能活動，以及人類智能和機器智能的性質，它是智能科學的重要組成部分，是現代心理學、人工智能、神經科學、語言學、人類學乃至自然哲學交叉發展的成果［１］。本文采用科學計量學的方法，利用知識圖譜和詞頻變化分析研究認知科學的歷史和現狀，以獨特的視角闡明了認知科學產生的學科背景、研究進展和當前的研究前沿，為更好地把握該學科內在規律及其與相關學科之間的聯系提供了信息。

１ 數據來源和研究方法

本文以美國Thomson Scientific公司開發的Web of Science數據庫作為數據來源，采用詞頻分析、作者共被引分析、共引分析等方法分析SCI和SSCI檢出的相關引文數據，并利用美國著名信息可視化專家陳超美開發的“Citespace”、自己開發的“Scienceimage”以及“Excel”等常用工具，以可視化的知識圖譜展現認知科學的發展歷程、學科結構、當前前沿和研究熱點。本研究所用數據是以“主題”為檢索字段，用“Cognition”作為檢索詞，于2011年4月在Web of Science中進行檢索，檢出SCI、SSCI數據庫自1900-2011年112年間共45 051篇主題為“cognition”的論文，由于其中有17篇論文未注明發文年度，且2011年數據不全(僅375篇)，因此在本文統計分析中均只分析1900－2010年111年的44 659篇文章，其發文年度分布變化情況如圖１所示。圖１ 認知科學發文年度變化情況

２ 發展階段劃分及特點

根據SCI、SSCI文獻記錄來看，認知科學年度發文數量呈現出階段性變化的特點，大致可以劃分為3個階段（如圖１虛線所示）：第一階段（1990－1978年），此階段從剛開始的零星發文到后期連續發文，呈現出從無到有的發展歷程；第二階段（1979－1990年），這一階段的發文數量逐年穩步增長，發展速度較第一階段有所加快；第三階段（1991－2010年），認知科學發文數量呈現出爆發性增長，年發文量和增長率較前兩個階段都有長足的進步。從圖１反映出的變化特點來看，完全符合S曲線理論的規律，并可類比S曲線“嬰兒期、成長期、成熟期、老化期”的劃分方法，將上述3個階段對應為認知科學的萌芽時期、誕生初期和快速發展時期，并且目前認知科學仍處于快速發展時期。

ｌ.２.１ 認知科學的萌芽時期（1900－1978年）

人類對認知的探索由來已久，早在古希臘時代，柏拉圖和亞里士多德等就對認知的性質和起源進行了深入的探討。在萌芽期，認知科學并沒有作為一個成熟的學科出現。多位科學家的研究對認知科學的誕生奠定了堅實的基礎。本文根據1900－1978年間的引文數據，利用Citespace軟件，設置參數為（2，2，20）（4，3，20）（4，3，20），節點設置為作者，繪制了萌芽時期對認知科學誕生具有重要影響的科學家及其影響時間時序，如圖２所示。

按照時間排序，該圖中凸現的第一位人物是美國著名的心理學家、教育學家布魯納（Jerome Seymour Bruner）。他在對人類學習進行研究的基礎上提出了“認知學習理論”，認為學習是一個認知過程，是學習者主動地形成認知結構（抽象思維水平上）的過程，并將兒童認知發展劃分為動作式再現表象階段、肖像式再現表象階段和符號式再現表象階段，提出了“動機原則、結構原則、序列原則、反饋原則”4條教與學的原則。

第二位是普林斯頓大學心理學教授米勒（George Armitage Miller）。1956年，他發表了研究報告《神奇的數字7+/-2：我們信息加工能力的局限》，確定了短時記憶的性質及重要性，其在訊息記憶上的研究成就，為新興的認知心理學提供了理論證據，也為以信息加工理論研究記憶開創了道路，自此出現了一系列對記憶錯覺的定量研究。

第三位是科學共產主義的創始人，偉大的政治家、哲學家、經濟學家、革命理論家馬克思（Karl Marx）。雖然馬克思的哲學在其所處年代并沒有絕對的影響力，但在他過世幾年后迅速傳遍世界各地，活躍在學術界的各領域，成為近代影響最深遠的哲學理論之一。其關于認識的本質、來源、發展過程及其規律的科學理論——辯證唯物主義認識論，堅持從物質到意識的認識路線，從感性認識到理論認識的發展過程，把實踐作為檢驗和證明認識真理性的手段，在方法論層面對人類認知問題研究的發展起到了指導作用。

圖中最凸現的一位是發生認識論的開創者，瑞士心理學家皮亞杰（Jean Piaget）。他對兒童各類概念以及知識形成的過程和發展進行多學科的深入研究，并把圖式作為一個核心的概念提出，認為“圖式就是動作的結構和組織，這些動作在相同或類似環境中由于不斷重復得到遷移或概括”。他編寫了《兒童的語言和思維》、《兒童的判斷和推理》、《智慧心理學》、《發生認識論導論》、《兒童的道德判斷》等50多部，其基本理論和實驗研究對西方現代兒童心理學、發展心理學和教學改革具有比較廣泛的影響，并對認知問題的探索起到了極其重要的作用。最后一位是美國認知心理學家奈瑟爾（Ulric Neisser），他的主要研究領域是圖２ 萌芽時期研究人員影響時序圖

記憶、智力以及自我概念，其對自然環境下關于生活事件的記憶和個體、群體在測驗成績上的差異的研究十分著名。1967年，他的《認知心理學》一書出版，該書首次正式提出“認知心理學”一詞，標志著這一學派理論的成熟，他也被學術界譽為“現代認知心理學之父”。

因此，認知科學是從心理學中脫胎而出，并隨著對人類學習過程、記憶、兒童心理等多方面研究的深入而逐步成熟起來。在1977年柯林斯等創辦《認知科學》雜志和1978年“認知科學現狀委員會”遞交的斯隆基金會報告《認知科學的學科狀態》以后，發文數量出現一個小峰值（1977年和1979年分別是69篇和98篇），標志著認知科學逐步建立并獨立出來，成為研究人員關注的新領域，為認知科學的誕生作好了分娩前的最后準備。

２.２ 認知科學的誕生初期（1979－1990年）

隨著研究人員對認知問題的廣泛關注和深入探討，1979年8月，美國加里福利亞州邀請了不同學科的著名科學家，從各個角度對認知科學進行了闡述，并成立了“美國認知科學學會”，確定創刊于1977年的《認知科學》作為學會會刊。至此，認知科學作為一門正式的學科誕生了。在其后的10余年間，認知科學有了較快的發展。我們利用citespace，設置參數（2，2，20）（4，3，20）（3，3，20），以共引文獻為節點，繪制了誕生初期認知科學研究領域聚類圖。從圖中，我們可以將該時期認知科學研究劃分為四個主要的領域（如圖３所示），包括社會心理研究、環境認知研究、心理測量研究和認知結構研究等。

２.２.１ 社會心理研究

該領域研究受他人和群體制約的個人思想、感情、行為，以及群體本身特有的心理特征等社會心理現象，它是心理學的重要分支，也是認知科學誕生初期的主要研究領域。圖中凸現節點中包括了社會心理學家海德（Fritz Heider）、心理學家扎榮茨（Robert Zajonc)、普林斯頓大學教授蘇珊#8226;菲斯克（Susan T.Fiske）等，他們從社會學和心理學交叉的角度，對認知科學進行了深入的研究，并對認知科學的發展產生了重要影響。其中，美國社會心理學家海德在1944年《社會知覺與現象世界的因果關系》中指出應重視行為因果關系的研究，并最早使用實驗法對歸因問題進行研究，他在《人際關系心理學》中正式提出歸因理論，在20世紀60年代中期引發大量歸因理論的研究。該理論經維納（Weiner B）發展完善，研究范圍進一步擴大，成為認知和理解人類社會行為的理論基礎。同時，海德還提出了認知平衡的“P-O-X模型”，假定了8種認知狀態，強調認知結構中評價因素與情感因素一致性在維持認知平衡中具有重要作用。扎榮茨則在1965年提出了“優勢反應強化說”，并通過實驗驗證了社會助長作用與社會阻抑作用，很好地解釋了社會促進與社會干擾現象。1980年，他在進行曝光效應（又稱多看效應，它是一種心理現象，指的是我們會偏好自己熟悉的事物）的心理研究時，通過一系列的實驗證明：只要讓被試者多次看到不熟悉的刺激，就會圖３ 誕生初期認知科學研究領域聚類圖

對該刺激作出高于沒有看到過的類似刺激的評價。同時，扎榮茨認為人們在無意識的認知情況下，仍會發生曝光效應，即“無需推論的偏好”［２］。1984年，菲斯克和泰勒在其合著《社會認知》一書中，將社會認知定義為：人們根據環境中的社會信息形成對他人或事物的推論［３］，并以人們理解自己和他人的認知過程為主題，結合大量實例詳細地闡述了歸因、心理控制、社會圖式、注意、對人記憶和社會推理等社會認知理論，為社會認知研究領域提供了一個既具有學術又富有趣味性的理論和方法的概覽。

２.２.２ 環境認知研究

環境認知是心理學、認知科學、地球信息系統科學共同關注的交叉研究領域，主要研究個人對環境的認識、映像、意向及賦予環境意義、價值和符號的過程。該研究領域處在圖的邊緣，數量較少，表明該研究領域并不是認知的主要領域。環境認知與社會認知研究側重社會環境不同，它主要研究噪音、溫度、空氣質量、建筑設計和個人空間等自然環境與人的心理和行為之間的關系。1970年，唐納德?阿普爾亞德（Donald Appleyard）確定了位相——位置、連續——空間的分類標準，將認知地圖分為連續型（包括段、鏈、支／環和網4種亞型）和空間型（包括散點、馬賽克、連接和格局4種亞型）［４］，其在認知地圖幾何特性方面的成果，對后續的環境與認知研究產生了深遠的影響。1973年，美國著名的地理信息系統專家布里格斯（Ronald Briggs）的“道路距離認知”［５］研究發現近起點場所的距離認知要比遠起點場所高估，而且，起點越是臨近市中心，實際直線距離和認知直線距離的相關性越強，并且高估程度與城市形態、出行手段以及市中心的魅力度差異也關系緊密［６］。

２.２.３ 心理測量研究

從圖３可以看出，心理測量研究是連接社會認知和環境認知兩大研究領域的紐帶，它是研究認知問題的理論和方法的有機結合，為定量研究認知問題開辟了道路。心理測量是根據心理學理論，采取量表法、紙筆測驗、投射測驗以及儀器測量等方法，對人的能力、人格及心理健康等心理特性和行為給出一個數量化的值，用以對個體進行全面描述或對同一個人不同心理特征間的差異進行對比，進而確定其優勢和不足，為決策提供服務。該聚類中凸現的是1967年美國心理學家南納利（Jum Clarence Nunnally）編寫的經典著作《心理理論》（Psychometric Theory）。在該書中，南納利指出，對信度的要求應視數據的用途而定［７］。如果數據用來作出重大決定，比如選拔性考試的分數，決定考生是否能升學，對信度的要求就非常高，至少是0.90；數據若用于基礎研究，0.7左右也可以接受。并對Alpha信度系數的不同范圍給出了解釋的建議（如表１?Alpha信度系數解釋表所示），一直被研究人員廣泛參考和引用。表１ Alpha信度系數解釋表

Alpha信度系數解釋0.90或以上信度很好，達到了最好的標準化考試的水平0.80～0.90對學校測試而言，已經是非常好了。0.70～0.80對學校測試而言，大部分試題都很好；可能有少數試題需要改進。0.60～0.70信息偏低，需要補充其他考試以確定分數或等第。部分試題可能需要改進。0.50～0.60信度低。建議對試卷進行修改，除非試卷的試題量很少（10題或少于10題），需要補充其他考試來可靠地確定分數或等第。小于0.50信度有問題。考試基本無效，需要修改。

２.２.４ 認知結構研究

認知結構是學習者頭腦中已有知識的全部內容及組織結構，這個結構是以圖式、同化、順應和平衡的形式表現出來（皮亞杰）。認知結構研究的目的是通過一定手段有意識地控制學習者的認知結構，提高其可利用性、穩定性、清晰性以及可辨別程度，進而更加有效地學習和解決問題。艾倫#8226;紐厄爾（Allen Newell）在開發早期預警系統過程中，對“人如何思維”這一問題發生興趣，并和西蒙（Herbent Simon）建立了合作關系，提出了“中間結分析法”作為求解人工智能問題的一種技術。早在1956年，他們利用這種技術成功地開發了最早的啟發式程序“邏輯理論家”（Logic Theorist），并將其帶到了著名的“達特茅斯會議”；1960年，他們根據人在解題中的共同思維規律，成功合作開發了“通用問題求解器”(General Problem Solver)，可以解11種不同類型的問題，使啟發式程序有了更普遍的意義。加拿大心理學家克雷克（Fergus I M Craik）致力于研究兒童記憶和成人記憶的年齡差異問題。1972年，他與洛克哈特（Lockhart）提出“記憶加工層次”（levels of processing）的觀點，認為記憶久暫的決定因素取決于加工層次，并通過實驗證明了簡單機械的復述不能自動地把短時記憶中的信息轉存到長時記憶中去。記憶線索的提取過程與之前的信息加工過程越一致，記憶的效果越好，即：記憶是信息加工的副產品，其保持程度是加工深度的直接函數。1976年，美國心理學家安德森（John Robert Anderson）將人類聯想記憶模型(HAM)與產生式系統的結構相結合，模擬人類高級認知過程的產生式系統，提出并發展完善成為關于認知系統的整合理論與人腦如何進行信息加工活動的理論模型（ACT模型），他將ACT產生式系統的一般框架劃分成工作記憶、陳述性記憶和產生式記憶3個組成部分，并在其《認知結構》（The Architecture of Cognition，1983)一書中對其基本理論進行了詳細闡述，對人工智能的研究產生了重大影響。

２.３ 認知科學的快速發展期（1991－2010年）

20世紀90年代前后，隨著認知科學與行為主義人工智能的有機結合和各國認知科學研究機構的相繼建立完善，拉開了認知科學快速發展的序幕。我們根據1991－2010年認知科學的引文數據，以5年為統計時長，利用Scienceimage軟件統計了認知科學研究領域各階段排名前20位的關鍵詞（由于Cognition是數據來源的檢索詞，故除外），得到如下表２。分析對比表２中各階段前20位關鍵詞及其順序的變化，我們可以發現快速發展期認知科學研究領域內部結構的變化情況。

表２ 認知科學研究領域高頻詞統計排序表（1991-2010）

序號1991-1995年1996-2000年2001-2005年2006-2010年1memory，35memory，73memory，140social cognition，2352aging，25alzheimers disease，58schizophrenia，119schizophrenia，1653learning，23schizophrenia，55alzheimers disease，91memory，1614attention，18dementia，50dementia，83alzheimers disease，1595neuropsychology，18attention，41social cognition，77aging，1246alzheimers disease，16aging，37attention，75dementia，1247social cognition，14social cognition，37aging，70depression，1228dementia，13neuropsychology，34depression，55fmri，1179hippocampus，11depression，33learning，52emotion，10510acetylcholine，10working memory，32neuropsychology，50attention，9911development，10learning，25working memory，45neuropsychology，7512epilepsy，9hippocampus，24hippocampus，45learning，7113depression，9language，23emotion，40hippocampus，6914eeg，9spatial cognition，23fmri，36theory of mind，6715rat，9brain，20dopamine，34working memory，6516schizophrenia，9parkinsons disease，20prefrontal cortex，33executive function，5917language，8emotion，18spatial cognition，33language，5818alzheimers disease，8rehabilitation，18stress，30mild cognitive impairment，5819serotonin，8cerebellum，15anxiety，29parkinsons disease，5720cognition disorders，821scopolamine，8

（1）從排序位置相同的關鍵詞出現的頻率來看，4個階段呈逐年上升的趨勢，表明認知科學越來越引起相關研究人員的注意，并開展了卓有成效的研究，也充分說明從1991年后至今，乃至以后很長的一段時期，認知科學都將繼續保持快速發展的趨勢。

（2）從各階段關鍵詞的排序來看，記憶（memory）、學習（leaning）、語言（language）、注意（attention）、抑郁（depression）、老化（aging）、癡呆（dementia）、神經心理學（neuropsychology）、社會認知（social cognition）、精神分裂癥（schizophrenia）等關鍵詞比較穩定的排名，這說明在認知科學研究領域由于受該學科形成歷史的影響，心理學、語言學、人類學、神經科學依然是研究的重點。癲癇（epilepsy）、腦電圖（eeg）、乙酰膽堿（acetylcholine）等關鍵詞出現頻率的逐漸下降，而社會認知（social cognition）、精神分裂癥（schizophrenia）、記憶（memory）等關鍵詞的出現頻率一直保持在較高的水平，可以發現研究重心在發生轉移。特別是社會認知（social cognition）一詞，從1995年的第7位逐年上升至2010年的第1位，說明隨著人們對社會角色、社會心理、社會規范、社會群體、他人的心理狀態和行為動機以及人際關系的關注，已經掀起了探索人對社會性客體的認知及其相互關系的研究熱潮。也表明當前認知科學研究的熱點仍集中在人類學、心理學、神經科學等領域。

（3）從關鍵詞的突現情況來看，20年間出現了2個引人矚目的關鍵詞：一個是1996年出現的情感（emotion）。20世紀90年代，Daniel Goleman在研究智商與情商對個人成敗的影響時指出，智商的高低并不是決定一個人成敗的關鍵，而他具備的情商才是更為重要的因素。而且，科學研究也表明：情感是智能的一部分，而不是與智能相分離的。因此，在認知科學領域，不可回避地開展了對人類情感的機理、理解、生成以及人臉表情、姿態分析、語言情感、表達方式的研究，并取得了一定的進展。2001年后，核磁共振（fmri）一詞出現并快速上升，其原因在于依靠核磁共振信息確定蛋白質分子三級結構的技術，能夠在不損傷細胞的情況下，直接研究溶液和活細胞中相對分子質量較小的蛋白質、核酸以及其它分子結構，并且該技術被大量應用于腦科學研究領域，探索大腦內部結構同人類認知之間的聯系。

（4）從最新研究熱點來看，最近5年有3個關鍵詞首次進入前20位。第一個詞——心理理論（theory of mind）。“心理理論”是指對自己和他人心理狀態（需要、信念、意圖、感知、情緒等）的認識，并由此對相應行為作出因果性的預測和解釋［８］。1978年，心理學家普雷馬克（D.Premack）和伍德魯夫（G.Woodruff） 首次提出“心理理論”的概念，并利用黑猩猩做實驗（包括了解黑猩猩是否能在某種特定的情景中預測人行為的實驗），他們指出：如果個體能把心理狀態加于自己或他人，那么該個體就具有“心理理論”，就能在特定的情境中預測人的行為［９］。1983年，薩爾茨堡大學的威默（Heinz Wimmer）和帕納（Josef Perner）以3～9歲的兒童為對象，開創了“錯誤概念”的研究范式，此后有關“心理理論”特別是兒童“心理理論”的各種相關研究蓬勃開展起來，形成一個熱點研究領域。第二個詞——執行功能（executive function），是一個還沒有明確界定的概論，一般來講，它是指有機體對思想和行動進行有意識控制的心理過程。執行功能這個關鍵詞在近年出現的頻率增加，緣于研究人員對人腦結構與認知關系研究的深入探索，執行功能的缺乏，與老年癡呆、抑郁癥等疾病緊密相關，是神經心理學研究的一個重要領域。第三個詞——輕度認知功能損害（mild cognitive impairment），此概念是隨著人口老齡化速度加快，對癡呆和衰老機制的研究成為熱點以后才逐漸被接受。輕度認知功能損害與執行功能一樣，也是神經心理學研究的重要內容，共同構成了認知科學在神經心理學研究方面新的熱點研究領域。

３ 結束語

本文從科學計量學的視角入手，依托可視化知識圖譜技術，統計分析了SCI數據庫中檢出的關于認知科學的文獻數據，從定量分析的角度，分3個階段研究了認知科學發展的歷史及各階段具有重要影響的研究人員和理論著作，從一個比較獨特的視角勾勒出了認知科學的發展歷程，具有一定的客觀性和參考價值。隨著各領域研究人員對認知問題的深入探索，認知科學將與腦科學、人工智能更加緊密地結合，共同探索智能科學的新概念、新理論、新方法，為模仿、延伸和擴展人類智能在實現技術上尋求突破，并向實現機器智能的目標這條道路上邁進。

參考文獻

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［７］Nunnally J C.Psychometric theory.New York:McGraw Hill，1978：701.

［８］Perner，J．Understanding the representational mind［Ｍ］．Cambridge：the MIT Perss．A Bradford book，1991．

［９］Premack，D． Woodruff，G．．Does the chimpanzee have a theory of mind［Ｊ］.Behavioral and Brain Sciences，1978，（1）.

注：“本文中所涉及到的圖表、公式、注解等請以PDF格式閱讀”