面向科學與技術的交叉領域研究

關鍵詞： 學科交叉； 技術交叉； 跨學科； 跨領域； 交叉融合； 交叉測度

ＤＯＩ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１００８－０８２１．２０２４．０５．０１３

〔中圖分類號〕Ｇ２０３； Ｇ３０１ 〔文獻標識碼〕Ａ 〔文章編號〕１００８－０８２１ （２０２４） ０５－０００１－０２

交叉領域的融合創新是一項復雜的系統工程，不同學科、技術領域的交叉融合是解決社會、經濟領域復雜問題的重要手段。黨的二十大會議提出“加強交叉學科建設”， 習近平總書記明確指出“要強化國家戰略科技力量” “使我國在前沿交叉領域成為開拓者”。交叉領域的融合創新已成為實現創新突破的重要途徑， 高端裝備、芯片制造、新能源等戰略性新興技術產業的創新突破也往往得益于交叉領域的攻關。目前， 學界對基于跨學科、跨技術領域的交叉性測度、前沿方向探測的研究已取得一定成果， 但是對面向科學與技術多類型交叉的理論闡釋還有待深入。本文基于現有成果， 聚焦科學與技術領域的多類型交叉， 對其交叉領域的概念內涵、關聯關系及其測度方法展開闡釋， 研究框架如圖１所示。

１ 交叉領域的概念內涵

科學領域聚焦人類認識客觀世界過程中形成的理論性知識體系， 包括理論、規律、思想等， 主要解答“是什么” 與“為什么” 的問題； 技術領域聚焦人類具體實踐活動中產生的應用性知識體系， 包括方法、工藝、手段等， 主要解答“做什么” “怎樣做” 的問題。科學、技術領域交叉為創新發展提供了重要的知識與技術基礎， 是推動核心技術攻堅、重大科學技術發現、產業升級發展的重要力量。其中， 科學領域內部交叉伴隨著科學知識的交互、融合、滲透， 推動了原創性、前瞻性的理論研究成果的誕生， 將科學領域的新理論、新概念、新規律應用于技術領域研究， 為科學前沿突破、國家科學技術進步提供了重要途徑［１］ 。研究表明， 技術領域的顛覆性創新往往源自科學領域的理論革新［２］ 。同時，隨著數字科學、人工智能等新興技術的興起， 各種交叉前沿創新方向不斷涌現［３］ ， 將技術領域的新方法、新工藝、新手段應用于科學領域研究， 不僅有助于豐富科學領域研究手段， 還有利于將科學研究面向國家社會經濟的實踐需要。因此， 本文面向科學與技術領域的交叉， 將交叉領域細分為科學領域內部交叉、技術領域內部交叉、科學—技術領域間交叉３ 種類型， 基于國內外研究成果， 總結科學與技術交叉領域的概念關系， 如圖２ 所示， 分別解讀３ 種類型交叉的概念內涵。

１.１ 科學領域內部交叉的內涵解讀

科學領域交叉聚焦不同學科基礎理論、規律特征、思維視野等的交流、碰撞與融合， 測度原有的學科分類體系尚未覆蓋的知識領域， 推進不同學科知識的整體化、系統化， 并在各學科的交叉領域發現新興學科和新的知識增長點［４－５］ 。科學領域交叉問題的探討往往從學科層面展開， 常用術語包括交叉學科（Ｉｎｔｅｒｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙ）、學科會聚（Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｃｏｎ?ｖｅｒｇｅｎｃｅ）、跨學科（Ｔｒａｎｓｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙ）等。盡管概念術語繁多， 達成共識的是， 科學領域交叉是刺激創新、激發創造力和解決緊迫而復雜的重大社會經濟問題的有效模式， 適用于解決需要融合不同科學領域知識的重大科學問題［６－７］ 。

作為“經常使用很少定義” 的概念， 為了便于研究開展， 本文將科學領域內部交叉等同為學科交叉， 基于領域相似度視角， 將其界定為兩個及以上不相交的科學領域知識交叉融合， 領域距離不斷變窄， 界限日益模糊并形成全新交叉領域的現象。交叉領域并非原有科學領域的簡單疊加， 早期學者認為交叉學科會取代現有學科［８－９］ ， 隨著研究的深入更多學者傾向認可科學領域交叉是對現有科學領域的補充和發展［１０－１１］ 。

如圖３ 所示， 學科Ａ 和Ｂ 知識交叉融合形成交叉領域Ｃ。基于交叉領域歸屬， 科學領域內部交叉包括兩種形態。一是科學領域知識融合后形成新興獨立學科， 與原先學科是平行關系。此時， 學科Ａ、Ｂ 無法單獨揭示科學問題全貌， 交叉融合后形成了平行學科Ｃ， Ａ、Ｂ、Ｃ 作為３ 個獨立學科并存。比如， 物理、化學交叉融合形成新的交叉學科物理化學， 政治學、社會學交叉融合形成新的交叉學科政治社會學。二是科學領域知識融合賦能現有學科新發展。將學科Ａ 的理論技術應用于Ｂ 并形成交叉領域Ｃ， 解決新場景中的老問題及新場景中的新問題［１２］ ， 此時， 學科Ｂ 的基礎邏輯并未變更。比如， 數智賦能人文社科領域研究以發展新文科，物理學實驗方法賦能納米材料的化學性質研究。

１.２ 技術領域內部交叉的內涵解讀

隨著不同技術領域的交叉融合， 各領域界限日趨模糊［１３］ 。技術領域內部交叉常用術語包括多學科技術（ Ｍｕｌｔｉｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、技術兼并（Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍｅｒｇｉｎｇ）、技術交叉滲透（ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｒｏｓｓ－Ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ）、技術會聚（Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｖｅｒ?ｇｅｎｃｅ）、技術融合（Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｆｕｓｉｏｎ）等。其中， 技術會聚和技術融合最為常用［１４］ 。早期研究對兩者并不區分［１５－１６］ ， 隨后學者對兩個術語的內涵及其差異展開深入探索［１７－１８］ 。

綜合現有研究［１９－２１］ ， 基于技術領域交叉所形成的運動軌跡， 如圖４ 所示， 技術會聚（ａ→ｂ）將形成新的技術領域分支， 誕生新的技術方向， 如食品業與生命科學領域技術會聚形成功能性食品， 該新領域不會取代人們對食品或藥品的需求； 技術融合（ａ→ｃ）則出現在原技術領域相同位置， 從市場需求、功能、效率等方面來看， 是基于原技術領域的突破。國外研究常用“Ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ” 一詞形容技術融合中新交叉領域對部分現有技術領域的“取代”作用， 但實為基于相同市場需求或功能的新突破，如電信與攝像領域的技術融合， 設計出具有拍攝功能的智能手機， 該產品是對拍攝和通話等需求／ 功能的突破， 但并未“取代” 非智能手機或照相機。基于易讀性和統一概念的考量， 部分學者提出在研究中對技術會聚和技術融合概念不作區分、交替使用［２２］ ， 或在提及技術會聚時也包括技術融合概念［２３］ 。本文沿用此方法， 將技術領域內部交叉界定為兩個及以上不相交的技術領域交叉融合， 領域距離不斷變窄， 界限日益模糊并形成全新交叉領域的現象。

１.３ 科學—技術領域間交叉的內涵解讀

科學與技術的關系在科學史的發展歷程中幾經演變。在工業革命前， 主流觀點認為科學與技術隸屬不同范疇、各自積累知識并獨立發展。隨著現代科技進步， 科學、技術領域間交叉融合日益頻繁。關于二者關系， 部分學者認為科學交叉單向推動技術交叉， 技術交叉是將科學交叉轉換為創新潛能的過程［２４］ ， 科學交叉是技術交叉的早期階段（有研究表明科學出版物比工業應用早３０ 年［２５］ ）， 如Ｃｕｒ?ｒａｎ Ｃ Ｓ 等［２６］ 、Ｈａｃｋｌｉｎ Ｆ［２７］ 提出的“科學—技術—市場—行業” 四部門交叉融合時序過程； 同時，也有學者提出， 科學領域與技術領域雙向促進、協同發展［２８－２９］ ， 提出相互補充［３０］ 、一對舞者［３１］ 、依存促進［３２］ 、雙螺旋結構［３３］ 關系等不同洞見。為了全面揭示科學、技術領域間的交叉關聯， 本文提出科學—技術領域間交叉是理論、規律、思想等理論性知識與方法、技術、手段等應用性知識的交互，具體表現為科學、技術領域間界限日益模糊， 領域距離不斷變窄， 并在交叉處形成新的科學分支或技術方向的現象。從知識流動視角來看， 科學、技術領域間的交叉還可從以下三方面闡釋。

首先， 科學領域對技術領域的影響， 影響機制有二。其一， 科學領域的交叉融合推動技術領域發展與新突破， 是技術創新的機會之窗， 如物理科學與材料科學的交叉融合推動新材料技術變革； 其二，基礎研究是技術發展和經濟增長的推動力［３４］ ， 通過對自然現象的理解與闡釋， 科學領域為技術問題的解決提供新理論、新思想、新視野， 如將基因工程、細胞工程等生命科學知識應用于農業生產以提高農作物質量。

其次， 技術領域對科學領域的影響， 技術領域為科學問題的解決提供新技術、新工藝、新方法和更為豐富的物質手段［３５］ ， 使得復雜科學問題的解決更有效［３６］ ， 同時由于技術領域更貼近市場， 有利于“推進市場導向的應用性基礎研究”［３７］ ， 加速科研成果轉化落地。

最后， 科學、技術領域互相影響、協同發展，隨著時間推移兩個領域的知識結構協同進化［３８］。如， 以納米技術為例來反映科學、技術領域的交叉融合。物理、化學、生物等學科的發展促進納米技術的誕生， 且由于部分材料在原子、分子尺度上特性顯著改善， 納米技術被廣泛認為是新的研究范式， 可以與相關科學或技術領域交叉融合， 并推動新能源、新材料、人工智能、健康醫療等領域的科技變革， 如圖５ 所示。

２ 科學領域內部交叉的測度

對科學領域交叉視角下融合創新成果的評價不可照搬傳統的同行評議等科學成果評價方法［４０］ 。科學領域交叉的本質是科學知識的跨學科流動， 目前針對科學領域內部交叉的測度指標主要圍繞多樣性和凝聚性的視角展開， 測度方法主要以科學文獻及其責任者為研究對象， 包括： 以科學文獻為對象、探討跨學科的論文引用和探討跨學科的主題共現，以文獻責任者為對象、探討跨學科的合作關系， 具體可細分為基于論文引用、主題共現、合作關系三方面的測度方法。

２.１ 論文引用

論文引用視角包括基于引用關系與基于引用內容。引用內容視角深入知識單元， 從語法和語義的微觀層面挖掘科學交叉中的知識生成與轉移［４１］ ，分析粒度包括學科術語［４２］ 、上下文語境［４３］ 、引用位置［４４］ 、引用功能［４５］ 等。引用關系視角著眼宏觀層面的科學交叉態勢分析， 根據知識流動方向， 可細分為基于目標文獻、參考文獻、施引文獻［４６］ 視角，三者揭示的引用網絡結構與知識演化特征不盡相同， 宜綜合判定［４７］ 。

具體地， 目標文獻承載的摘要、關鍵詞、正文等文本信息以及分類號、期刊學科等為科學交叉研究提供了更加直接、客觀的信息來源［４８］ 。Ｐｏｒｔｅｒ ＡＬ 等［４９］ 、魏建香等［５０］ 學者基于目標文獻視角， 構建學科專業度等測度指標， 構建科學交叉知識發現模型。同時， 參考文獻能反映論文的知識來源與學科構成， 基于引文視角的論文參考文獻的跨學科來源與其結構是目前科學領域交叉最常用的測度方式。Ｐｏｒｔｅｒ Ａ 等［５１］ 、Ｓｚｅｌｌ Ｍ 等［５２］ 對６ 個研究領域和諾貝爾獎研究成果參考文獻的跨學科分析表明， 跨學科比重呈上升趨勢， 學科交叉趨勢明顯。然后， 施引文獻能反映跨學科的知識擴散［５３］ ， 由于施引文獻在特定時間段內會持續增加， 引用延時現象給跨學科測度增加復雜度和不確定性， 目前基于施引文獻視角的跨學科測度研究相對較少。

２.２ 主題共現

主題共現是指搜集不同科學領域文獻的關鍵詞、主題詞并對其關聯關系展開挖掘， 往往用于潛在交叉關系測度。例如， 李長玲等［５４］ 基于情報學與計算機兩個學科的關鍵詞共現矩陣計算跨學科合作潛力與關聯強度； 倪江雪等［５５］ 對目標文獻引用句與參考文獻的知識關鍵詞共現以分析科學領域的跨學科知識流動特征。

２.３ 合作關系

合作關系視角的交叉性測度包括作者的跨學科教育背景以及跨學科團隊合作。跨學科教育背景有利于融匯不同學科領域的理論、方法、研究方式，Ｓｕｇｉｍｏｔｏ Ｃ Ｒ 等［５６］ 基于博士論文數據分析其學術譜系， 研究發現， 博士生中具有跨學科背景導師的數量占比不斷上升。同時， 跨學科合作已成為科研團隊構建的重要方式［５７］ ， Ｃｈｕａ Ａ Ｙ Ｋ 等［５８］ 對信息科學、社會科學的交叉性測度表明， 高頻關鍵詞呈現跨學科遷移特征， 跨學科的學術合作日益密切，高產作者間的跨學科合作尤為明顯。另外， 盡管基于作者單位的學科背景研判較為復雜， 已有學者在此領域進行摸索［５９］ ， 也有學者基于在線學術平臺數據獲取研究領域， 據此計算跨學科程度與合作潛力［６０］ 。

３ 技術領域內部交叉的測度

對技術領域交叉性的測度有利于揭示具有交叉融合創新前景的技術方向。傳統的技術領域交叉性測度依賴德爾菲法、專家知識集等定性判斷［６１－６２］ ，對專家意見的依賴性很高， 執行過程易出現偏差。基于計量學的技術交叉領域測度主要依托專利數據，彌補了以上不足。專利包含了高達８０％的可用技術知識［６３］ ， 被認為是捕捉技術變化、衡量技術領域交叉的最重要客觀數據［６４］ 。但基于專利的技術交叉測度也存在局限， 諸如單一類型數據無法表達技術變革全貌、企業戰略性申請專利、專利保護法的政策變遷、部分發明創新采用其他知識產權保護方式［６５－６６］ 。目前， 基于專利視角的技術領域內部交叉測度指標沿用了科學領域內部交叉的測度視角，主要也從技術多樣性與凝聚性視角展開， 其測度方法可歸納為基于專利的引用、共類與文本挖掘。

３.１ 專利引用

專利引用方法主要基于專利族的引用與被引、共引與共被引、引用強度等關系［６７］ ， 計算不同領域間的技術相似度及其隨著時間軸的變化［６８］ ， 專利引用方法主要用于測度技術交叉程度、分析技術交叉類型、識別技術交叉趨勢、預測技術交叉演變軌跡［６９－７１］ 。也有學者將專利引用與其他方法結合使用。例如， Ｋｉｍ Ｊ 等［７２］ 引入依賴結構矩陣與神經網絡分析方法， 預測技術領域的未來交叉組合方式。Ｊｅｏｎ Ｊ 等［７３］ 引入關聯規則挖掘、社會網絡分析方法，為技術領域交叉的網絡結構分析提供新視角。

３.２ 專利共類

專利共類視角指采用專利分類號分析不同技術領域間的專利共現， 從宏觀層面揭示以專利為表征的技術領域交叉演進動態［７４］ ， 該方法避免了專利引用滯后及平均引用周期過長等不足［７５］ ， 在技術交叉測度領域研究成果最豐富。Ｃｈｏｉ Ｃ 等［６５］ 提出了基于專利共類方法的ＰＣＩＡ 模型， 在技術交叉影響力領域應用廣泛， 黃魯成等［７６］ 據此提出改進的ＮＰＣＩＡ 模型， 被應用于太陽能產業［７７］ 、光刻技術［７８］ 等領域的核心技術識別。也有學者將專利共類與深度學習［７９］ 、復雜網絡［８０］ 、知識轉化［８１］ 等方法理論結合， 探索跨領域的技術網絡層級結構與融合趨勢。還有學者將專利共類與專利權人合作關系相結合， 構建基于專利和專利權人的多重共現網絡， 探究技術交叉融合機理、識別潛在專利合伙人、預測新興技術交叉方向［８２－８４］ 。

３.３ 專利文本

專利文本分析是對專利題目、摘要、說明書中主題詞進行詞頻統計、概念抽取與分析［８５］ ， 構建文檔向量空間與主題共現空間， 主要用于測度技術領域交叉融合中的主題變遷［８６］ 。Ｚｈａｎｇ Ｙ 等［８７］ 采用ＮＬＰ 技術， 設計了從專利中抽取主題的六步術語聚類方法。Ｓｏｎｇ Ｋ 等［８８］ 采用Ｆ－ｔｅｒｍ 分析方法對專利描述文本中的技術屬性展開分類， 據此識別與目標技術具有相似技術屬性的參考技術。目前， 專利文本研究主要依賴于概念抽取的準確性［８９］ ， 現有詞庫大多面向單一技術領域或行業， 能適用多語種、面向多技術領域的自然語言分詞技術將是該領域研究重點。

４ 科學—技術領域間交叉的測度

科學、技術間交叉的測度主要以論文、著作、科技報告等非專利文獻（Ｎｏｎ－Ｐａｔｅｎｔ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）與專利文獻的交互為表征。現有研究往往依托論文與專利數據， 圍繞文獻引用、主題關聯、作者—發明人關系３ 個維度展開。

４.１ 文獻引用

基于文獻引用視角的科學、技術間交叉測度可以歸納為以下維度： 專利引用論文、論文引用專利、專利論文交叉引用。首先， 專利對論文的引用。它揭示了科學研究到技術發明的轉化［９０］ ， 反映科學知識對技術領域的貢獻及其價值［９１］ 。馬亞雪等［９２］采用梯度加速回歸算法、ＳＨＡＰ 模型等方法分析顛覆性技術的后向科學論文的知識特征對技術發展的預見作用， 高繼平等［９３］ 提出專利引用的論文可以反映技術發展的知識基礎， 并綜合專利引用論文視角與聚類標引方法， 構建了科學知識對技術進步的分析模型。其次， 論文對專利的引用。它能夠衡量技術創新對科學研究的滲透［９４］ ， 引用專利的論文更容易被引用［９５］ ， 但由于專利引文格式更加復雜等原因［９６］ ， 基于該視角的研究成果較少， 研究主題集中于： 常被論文引用的技術領域及其特征［９７］ 、常引用專利的科學領域及特征［９８］ 。最后， 專利論文交叉引用。它從雙向視角揭示科學、技術領域交叉的相互影響， Ｇａｏ Ｊ Ｐ 等［９９］ 、Ｈｕａｎｇ Ｍ Ｈ 等［１００］ 、彭彥淇等［１０１］ 分別采用該視角對納米技術、燃料電池、石墨烯等領域的科學技術交叉融合態勢展開分析。

基于文獻引用視角的科學技術交叉測度成果豐碩， 也對科學技術間的知識關聯與融合態勢進行了一定揭示， 但也存在不足， 如專利論文的交叉引用動機復雜［１０２］ 、國內專利引用的參考文獻數量較少［１０３］ 等問題。

４.２ 主題關聯

主題關聯分析主要基于機器學習、主題模型、相似度算法， 抽取論文和專利的關鍵詞、摘要、題目等知識單元， 對其進行語義消歧、主題識別、相似度計算， 基于主題聚類結果， 從語義層面上揭示科學技術領域的知識關聯與融合態勢， 預測前沿方向。黃魯成等［１０４］ 對鈣鈦礦太陽能電池領域的專利和論文分別進行相似度計算和主題聚類以識別技術機會； 陳茜等［１０５］ 基于ＬＤＡ 模型識別基因工程領域論文與專利主題， 采用Ｈｅｌｌｉｎｇｅｒ 距離計算兩者專題相似度， 據此探究主題相似度與創新能力的關系； 謝士堯等［１０６］ 基于維基百科分類樹設計主題分類框架與深度文本聚類算法， 實現主題層面上科學技術領域的深度數據融合； 劉自強等［１０７］ 采用社區探測算法識別基因工程領域的科學主題和技術主題， 基于主題關聯分析揭示科學技術的關聯模式及其演化特征。

４.３ 作者—發明人關系

論文作者和專利發明人是科學技術領域知識的承載者［１０８］ ， 也是科學技術領域知識流動的重要橋梁。以作者—發明人關系為切入點， 探析論文與專利之間的關聯， 可以有效揭示科學與技術領域之間的交叉融合態勢及其中的知識流動。目前， 基于作者—發明人關系的研究成果相對較少， 或與人名匹配難度大、同名同姓問題難以解決等現狀有關［１０９］ 。姚思宇等［１１０］ 、溫珂等［１１１］ 的研究表明， 擁有專利的學者往往在論文方面更高產， 知識儲備更豐富，專利活動與學者科研表現正相關； 張楠等［１１２］ 基于學術型發明人、機構和基金三維視角構建評價模型，為硬科技領域的創新前沿主題篩選提供參考； 劉巖等［１１３］ 根據作者—發明人關系得出企業橋接科學家， 據此分析科學研究對技術創新的中介作用， 可為企業知識整合提供參考。

５ 總結與展望

面向科學與技術的交叉領域研究的概念內涵復雜， 尚未形成定論。本文綜合現有研究成果， 從理論性知識與應用性知識視角對科學與技術兩種不同知識體系進行界定。基于此， 將面向科學、技術的交叉領域細分為科學領域交叉、技術領域交叉、科學—技術領域交叉３ 種類型， 分別對不同類型交叉領域的概念關系展開分析， 并立足計量學與內容挖掘視角， 分別總結歸納３ 種類型交叉的測度方法。綜合現有研究來看， 現有研究在以下方向存在突破空間：

（１） 論文和專利是科學創新、技術創新成果的集中體現， 現有交叉領域研究往往也以論文和專利為對象展開， 但尚未實現對海量論文、專利文獻的系統分析， 同時基于科技報告、專著、標準等其他科技文獻及新聞媒體、社交媒體等多源異構數據的交叉研究也有待加強。

（２） 目前， 對交叉領域的研究往往聚焦在科學領域交叉、技術領域交叉的單一視角， 部分研究探索了科學—技術領域的協同交叉， 從全局視角考察科學、技術的３ 種類型的交叉融合關系將是未來研究需要攻克的難點。

（３） 基于科學、技術的交叉關系的前沿創新方向與發展路徑探測也是今后的研究重點。科學領域、技術領域的各自內部交叉及其協同交叉對前沿創新突破預測、戰略性新興產業具有重要意義。現有研究主要集中在對交叉性的測度， 基于交叉領域的融合創新研究有待深入。

（責任編輯： 郭沫含）