力学是关于力、运动及其关系的科学,研究介质运动、变形、流动的宏微观行为,揭示力学过程及其与物理、化学、生物学等过程的相互作用规律.牛顿1687年发表的《自然哲学的数学原理》,奠定了经典力学的基础(国家自然科学基金委员会 2017).三百年来,经典力学经历了牛顿力学---拉格朗日力学---哈密顿力学---非完整力学的漫长发展过程(干洪2001).

力学是一门应用性很强的基础学科,在发展中既受自身的核心科学问题或前沿科学问题的驱动,也受国民经济、社会发展和国家安全中战略性、关键性的应用基础问题对力学提出挑战的驱动,呈现显著的``双力驱动''规律.力学是工程科技的先导和基础, 为开辟新的工程领域提供概念和理论,为工程设计提供有效的方法; 力学与其他学科交叉渗透突出,具有很强的开拓新研究领域的能力, 不断涌现新的学科生长点,在支撑现代工业、高新技术和国家安全等方面发挥着不可替代的作用(中国科学院文献情报中心课题组2018).

国家自然科学基金(以下简称科学基金)是支持力学基础研究的重要渠道.本文主要结合《力学十年:中国与世界》以及国家自然科学基金数理科学``十三五''规划战略研究报告阐述力学的发展状况与展望.

科学基金资助体系包含了探索、人才、工具、融合4个项目系列,其定位各有侧重, 相辅相成, 构成了科学基金目前的资助格局. 其中,探索项目系列以获得基础研究创新成果为主要目的, 着眼于统筹学科布局,突出重点领域, 激励原始创新; 人才项目系列立足于提高未来科技竞争力,着力支持年轻学者独立主持科研项目, 扶植基础研究薄弱地区的科研人才,培养青年优秀学术骨干, 造就领军人才和拔尖人才, 培育创新团队;工具项目系列主要着眼于加强科研条件支撑,特别是加强对原创性科研仪器研制工作的支持, 开拓研究领域,催生源头创新; 融合项目系列面向科学前沿和国家需求,聚焦重大基础科学问题, 推动学科交叉融合, 集成有限资源,汇聚和培养高水平人才, 打造科学研究高地. 同时, 引导社会资源,解决共性基础科学问题,推动领域、行业或区域的自主创新能力提升(国家自然科学基金委员会2018).

力学科学处2006---2017年12年间资助的项目数达7111项,经费44.8769亿元, 详见 表1$\sim $ 表3和图1.

表1   2006—2017年力学学科资助项目项数情况（项）

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表2   2006—-2017年力学学科资助项目经费情况（万元）

指当年经费为直接经费.

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表3   2006—2017年力学学科资助情况

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图 1   2006---2017年力学科学处资助项目情况

从科学基金资助力学学科情况看,2006---2012年无论资助数和资助经费均呈现快速增长,平均每年增长率分别是9.55%和15.72%;2013---2017年呈现曲折的缓慢增长.

从资助各项目系列来看, 探索项目系列无论项数还是经费都是占比最高的,分别是53.28%和60.94%, 其次是人才项目系列,占比分别是41.08%和24.00%, 排在第3位的是融合项目系列,占比分别是5.23%和8.67%, 排在最后的是工具项目系列, 分别只有0.41%和6.39%.

学术论文是科研成果的重要表现形式,论文的发表、被引用等情况可以从定量的角度反映力学科学研究活动的状态和趋势.在《力学十年: 中国与世界》中, 对Web of Science中与力学研究相关的核心期刊中刊载论文的数量和影响力的趋势进行分析,从成果产出的视角观察中国力学在近年来的发展状况,分析在国际科技舞台中所处的位置. 本文中数据主要来自《力学十年:中国与世界》, 通过对其数据进行重新加工与分析,力图更清晰地认识中国力学学科的发展状况.

3.1.1 中国力学学科论文总量情况

论文量是研究一个学科产出规模的指标. 从图2和 表4可以看出, 2006---2015年10年间中国力学学科共发表论文68 269篇,占世界的23.52%, 排名世界第一位, 同期美国发表论文66\,007篇,占世界的22.74%; 2006年中国力学学科发表论文只有3468篇,2015年为10\,859篇, 年平均增长率为13.50%,最高年度增长率为21.56%, 同期世界年平均增长率为5.39%.

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图 2   2006---2015年中国力学学科论文数及年度增长情况

表4   2006—2015年中国、美国力学学科论文情况

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从 图3和 表4可以看出,2006年中国力学学科论文只占世界15.58%, 2015年提升到30.43%,年平均增长率为7.72%, 最高年度增长率为16.13%.从表4可以看出,中国力学论文从2012年开始超过美国排名世界第一.

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图 3   2006---2015年中国力学学科论文占世界份额及年度增长情况

3.1.2 中国力学学科论文被引用情况

论文的引用频度反映研究成果的影响力和被同行专家关注的程度,从一侧面反映出研究成果的水平. 从 图4和 表5可以看出,10年期间中国力学论文被引频次占世界份额逐年稳定上升,共为506 939次, 占世界的17.80%, 排名世界第二;同期美国论文被引频次为856 158次, 占世界的32.12%.2006年中国力学学科论文被引频次49 391次, 只有美国的三分之一,2015年为17 059次, 超过美国近三分之一. 需要说明的是,论文被引频次是指从论文发表之日起至检索之时该论文被引用的全部次数,靠近检索之时年份的论文被引频次会出现变小的情况.

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图 4   2006---2015年中国力学学科论文被引频次与占世界份额情况

表5   2006—2015年中国、美国力学学科论文被引频次情况

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从 图5和 表5可以看出,2006年中国力学学科论文被引频次只占世界12.17%,2015年提升到29.07%, 年平均增长率为10.16%,高于论文占世界份额的年平均增长率, 最高年度增长率为20.68%.从 表5可以看出, 中国力学学科论文被引频次从2013年开始超过美国,排名世界第一.

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图 5   2006---2015年中国力学学科论文被引频次占世界份额及年度增长情况

3.1.3 中国力学学科高被引论文情况

高被引论文数可以反映一个国家发表高水平论文情况,从一个侧面反映研究成果对学科发展的作用,以及是否受到相关领域科研人员的高度关注. 从 图6和 表6可以看出,2006---2015年10年期间中国力学论文排名前1%高被引论文篇数快速增长,共599篇, 占世界19.82%, 排名世界第二,同期排名第一的美国为1100篇, 占世界的36.40%.2006年中国力学学科排名前1%高被引论文21篇,只有美国的五分之一多一点, 2015年为149篇, 已超过美国,年平均增长率为24.32%, 高于论文被引频次平均增长率,最高年度增长率为68.18%.

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图 6   2006—2015年中国力学学科排名前1%高被引论文情况

表6   2006—2015年中国、美国力学学科排名前1%高被引论文情况

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从 图7和 表6可以看出,2006年中国力学学科排名前1%高被引论文只占世界9.38%,2015年提升到34.49%,年平均增长率为12.57%,低于论文的平均增长率, 最高年度增长率为58.40%. 从 表6可以看出,中国力学学科排名前1%高被引论文从2014年开始超过美国排名世界第一.

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图 7   2006---2015年中国力学学科排名前1%高被引论文占世界份额情况

上文从论文量、被引频次量以及排名前1%高被引论文量分析了力学的发展状况,下面从论文发表的水平或质的方面分析力学发展的质量或推动力学发展起到的作用.

从 表7可看出, 中国论文引用率相对其他六国低,也低于同期世界论文引用率基线. 从 表8和 图8可看出,中国论文篇均被引频次和相对引文影响因子(RCI)$^1$($^1$注:相对引文影响(relative citation impact,RCI)指标表示国家发表论文的篇均被引频次与世界(国家)论文的篇均被引频次之比.该指标用以测度一个国家(机构或领域)的论文在世界的相对影响力.)逐年上升,逐渐接近世界水平, 但还是低于世界基线; 从相对引文影响看,意大利增长明显.

表7   2006—2015年力学学科6个典型国家论文引用率

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表8   2006—2015年力学学科7个典型国家论文篇均被引频次

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图 8   2006---2015年力学学科7个典型国家论文相对引文影响因子

从 图9可以看出,中国排名前1%高被引论文产出率从2006年开始逐年上升,从2014年开始产出率超出世界排名前1%高被引论文产出率基线;从上升曲线看, 意大利增长明显,2015年排名前1%高被引论文产出率为3.22%, 远高于世界基线.

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图 9   2006---2015年力学学科7个典型国家排名前1%高被引论文产出率情况

科技研究离不开国际合作, 特别是基础研究的无国界性,以及重大科学问题或学科前沿都需要全世界科学家共同协作才能攻克.通过分析中国力学学科国际合作网络以及自主研究论文、合作研究论文可以展示中国力学在国际合作研究中的地位和作用,见 图10和 图11(中国科学院文献情报中心课题组 2018).

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图 10   2006年力学学科国际合作网络

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图 11   2015年力学学科国际合作网络

2006---2015年, 中国力学研究的国际合作呈增强发展态势.中国位居该领域全球合作网络的核心国家之列. 与2006年相比,2015年力学学科主要国家的整体中心度$^1$({$^1$注: 整体中心度(Closenes Centrality,也称接近中心度): 作为描述网络中节点控制力和影响力的测度指标之一,用于测度一个行动者(国家或机构等)与网络中所有其他行动者的接近性程度,描述该节点不受其它节点资源控制的程度.一个点的``绝对整体中心度''是该点与图中所有其它点的捷径距离之和.)值都呈增加态势,中国从2006年的0.588上升至2015年的0.713,世界排名从第9位上升至第5位, 美国的整体中心度保持居世界第一位不变.

从 表9可以看出, 2006---2015年在7个典型国家中,我国国际合作研究论文只占总发表论文的22.94%,远低于德国的51.91%和英国的50.18%,也低于美国的34.03%和日本的31.15%.

表9   2006—2015年力学学科7个典型国家自主研究与国际合作研究论文数及本国份额

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从 表10与 表9对比来看, 2006---2015年在7个典型国家中,国际合作研究论文被引频次的份额均高于国际合作研究论文数份额;相差最大是中国, 相差了7.50%.

表10   2006--2015年力学学科7个典型国家自主研究与国际合作论文被引频次及本国份额

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从表11对比来看, 在7个典型国家中,自主研究论文篇均被引频次均低于国际合作论文篇均被引频次;相差最大的是中国, 相差了3.15次/篇.

表11   2006—2015年力学学科7个典型国家自主研究与国际合作论文篇均被引频次

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从表12和 表9对比来看, 10年间,7个典型国家国际合作研究排名前1%高被引论文数份额均高于国际合作研究论文数份额;相差最大的是中国, 相差了18.30%. 从表13可以看出,自主研究排名前1%高被引论文产出率低于国际合作研究排名前1%高被引论文产出率;相差最大的是德国, 相差了0.98%, 中国排在第二, 相差了0.91%.

表12   2006—2015年力学学科7个典型国家自主研究与国际合作研究排名前1% 高被引论文数及本国份额

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表13   2006—2015年力学学科7个典型自主研究与国际合作研究排名前1%高被引论文产出率情况

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从图12和图13可以看出,与中国开展力学学科合作研究的主要国家/地区, 无论论文数还是被引频次,排在前四位都是美国、中国香港、英国和澳大利亚.

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图 12   2006---2015年中国与主要合作国家/地区合作论文数情况

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图 13   2006---2015年中国与主要合作国家/地区合作论文被引频次情况

对比表14与表15可以看出, 10年间7个典型国家中,除美国外其他6国主导国际合作论文份额均高于主导国际合作论文被引频次份额;相差最大是中国,相差了4.93%.

表14   2006—2015年力学学科7个典型国家主导和参与国际合作研究论文数与份额

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表15   2006—2015年力学学科7个典型国家主导和参与国际合作研究论文被引频次及份额

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从表16可以看出, 2006---2015年, 7个典型国家中,除美国外其他6国主导国际合作论文篇均被引频次均低于参与国际合作论文篇均被引频次;相差最大是中国, 相差了3.17次/篇.

表16   2006—2015年力学学科7个典型国家国际合作研究论文篇均被引频次

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从上文可以看出,2006---2015年:从产出论文数、论文被引频次、排名前1%高被引论文篇数来看,我国分别于2012年、2013年和2014年超过美国, 排名世界第一,其中,论文和排名前1%高被引论文年平均增长率分别是13.50%和24.32%;我国论文数、论文被引频次和排名前1%高被引论文所占世界份额的年平均增长率均超过世界年平均增长率,其中论文被引频次占世界份额年平均增长率(10.16%)高于论文占世界份额年平均增长率(7.72%),排名前1%高被引论文占世界份额年平均增长率(12.57%)高于论文被引频次占世界份额年平均增长率(10.16%).

从影响力来看, 我国力学学科产出的影响力显著提升, 其中,排名前1%高被引论文产出率自2014年开始超过世界基线,而论文引用率、论文篇均被引频次和相对引文影响(RCI)逐年在接近世界平均水平,但还是低于世界基线.

从国际合作与自主研究看, 中国力学研究的国际合作呈增强发展态势,中国位居该领域全球合作网络的核心国家之列.但我国国际合作研究论文占总发表论文数的比例不足四分之一,低于美国、英国、德国、意大利等国.中国以本国为主导的力学国际合作论文的影响力呈增加态势,与美国的差距在缩小(中国科学院文献情报中心课题组 2018).

从上文分析可以看出,中国力学学科发展从``量''角度来说已经走在了世界前列,但从``质''(引用率、篇均引用数、排名前1%高被引论文数及其产出率、国际合作研究主导论文被引频次及其篇均被引频次)上来看,与美国还有一定的差距.

现代经济、社会和科技发展对力学研究对象的尺度、复杂性、环境都提出了挑战.面对21世纪诸多极具挑战性的世界难题,如人类健康、气候变化、能源短缺和可持续性发展问题,以及上至近空间飞行和深空探测, 下至纳尺度器件等高新科技的兴起,力学学科正面对着众多超越经典研究范畴的新科学问题,涉及到非均质复杂介质、极端环境、不确定性、非线性、非定常、非平衡、多尺度和多场耦合等特征(国家自然科学基金委员会2017). 这些新挑战, 也为中国力学科学发展提供了机遇,力学今后应该追求``质''的发展,鼓励力学家从事原创性及引发学科理论创新的研究;积极开拓新的研究领域; 鼓励更多优秀青年人大胆提出新想法、新思路,新概念、新方法; 通过科学基金项目的支持, 汇聚和培养高水平人才,造就领军人才和拔尖人才, 培育创新团队, 打造科学研究高地. 为此,建议``十三五''期间科学基金从以下几方面加强引导和布局项目资助.

基础研究是科学发展的源泉, 学科前沿科学问题是一个学科发展的基石.对力学核心科学问题的研究,特别是重大理论方面的突破或重要进展有助于力学学科大踏步的前进,也有助于提高力学学科对其他学科更深层次的影响或对技术发展带来强大的支撑.比如, 对湍流的研究,可以使力学家精确地描述、表征、预测和控制流体运动行为和状态,也对推动其他相关学科如数学、地球科学、环境科学、计算力学、统计学、计算机科学和图形学等,及多学科交叉发展具有不可低估的重要作用,并且湍流是制约重大装备设计的主要瓶颈,湍流的研究水平制约着一个国家在交通、能源、军工、高端制造业等众多行业的发展水平.

基础研究的进展往往难以预测, 需要在宽松环境下,长期积累才能取得重大成果. 正是基础研究厚积薄发的特点,需要有一批甘于坐冷板凳的科学家.鼓励科研人员对力学核心科学问题的研究, 发扬咬定青山不放松的精神,建议从资助政策上可以给与这些科学家持续的支持, 解决他们的后顾之忧;并营造宽松的评价环境, 免得他们急功近利.

创新是科技发展的动力, 是科学基金项目的生命线.科学基金的绩效之一就是支持创新研究, 特别是原始创新研究.除了支持力学学科前沿科学问题的创新研究,也要重视对经济、社会、国家安全等发展过程中重大科学问题的创新研究.

力学离开了实际需求, 就失去其发展的立足点.力学源自人们在改造自然中对劳动工具、运输工具等设计的需求,其研究不仅推动了经济发展, 而且引发了工业革命(国家自然科学基金委员会 2017).我国现代力学奠基人钱学森先生将科学技术划分为``基础科学(自然科学)、技术科学、工程技术''三个层次.力学属于技术科学. 技术科学是科学成果转化为社会生产力的关键环节,对我国的科技强国战略具有重要的现实意义(陈立新2010).力学与国民经济各行各业密不可分, 特别是技术科学与工业行业,力学在其中起着核心与指导作用,这种作用是由力学的基础性和普适性决定的(崔京浩2010).

力学发展除了解决自身学科前沿或难点问题外, 应瞄准国家重大需求,这种作用在新中国成立后尤为明显,例如``两弹一星''、``探月工程''都离不开力学学科的支撑.力学学科应重点加强航空、航天、能源、海洋、环境、先进制造、交通运输和人类健康等国家重大需求领域中的新概念、新理论、新方法和新技术研究;提出新模型、新算法和新实验方法, 形成对国家重大需求的重要支撑能力;同时促进产生力学学科的新生长点(国家自然科学基金委员会 2017).

力学主要是以物理学的基本理论为指南,以数学和计算机科学为研究工具(陈立新2010).力学是一门不断与众多学科进行交叉和融合的学科,力学现象的普遍性和力学研究方法的普适性,提供了力学与其他学科产生交叉的前提.力学学科广泛地与数学、物理、化学、天文、地学、生物等基础学科和几乎所有的工程学科相互交叉、渗透,所形成的大量新兴交叉学科已成为力学学科的重要组成部分.力学不仅与机械、船舶、航空等学科交叉,产生了转子动力学、船舶力学和飞行器力学等工程科学与技术;还与物理学、生物学和地学等交叉,产生了物理力学、生物力学和环境力学等新兴交叉领域.力学学科的这一特点不断地丰富着力学的研究内容和方法,并使力学学科保持着旺盛的生命力(国家自然科学基金委员会 2017).力学学科的发展必须借鉴其他学科的理论与方法,而力学学科创造出来的理论和方法同样也为其他学科所使用和借鉴(陈立新2010).

因此力学发展要不断将其他学科中的概念、原理、方法为我所用,用全新的角度、方法和工具解决自身发展中的问题;另一方面其研究成果会被所交叉的学科利用或借鉴.

探索物质跨层次、多尺度的力学现象和非线性并远离热力学平衡态的力学行为,是力学基础研究的重要发展趋势(国家自然科学基金委员会 2017).力学形成了``实验观测、力学建模、理论分析、数值计算''相结合的研究步骤或方法.实验观测作为重要手段或过程, 它不但可以发现新现象,也可以验证新理论、新方法和计算结果等, 其重要性不言而喻.

复杂介质、极端条件、多场耦合和多尺度力学问题等构成了力学学科前沿的主要内涵(国家自然科学基金委员会2017).现在对实验观测对空间分辨率、时间分辨率、实验极端环境、多参数同步测量等方面都提出了更高的要求.

必须建立新原理或先进的装置来创造力学行为研究的新条件,也必须进一步发展高时空分辨率、多场、原位、实时诊断的仪器和测试技术来揭示力学的新问题和新现象.在装置方面,更高速、更高压、更高温、更高品质的驱动、模拟和加载能力是重点发展方向;在仪器和测试技术方面,多场、多尺度、非接触的精细时空结构与特征的捕捉成为研发前沿(国家自然科学基金委员会2017).

要不断利用我国建造的大科学设施或装置,更加重视与现代测控、数字图像、人工智能和大数据处理等技术的结合,注重基于新物理效应的测量原理研究, 发展原创性的实验仪器和实验方法,提升实验数据的识别分析与反演方法, 满足力学实验观测的需求.

从前文分析我们看到, 在科学基金项目系列中,工具项目系列的资助项数和经费占比都是比较低的,建议增加对实验仪器设备的支持力度, 增加资助的项数, 优化其项目类型设置格局,以适应科学家研制不同层次仪器的需求.

国家自然科学基金``十三五''发展规划指出: ``尊重科技人才成长规律,完善科学基金人才和团队支持体系,为国家科技创新队伍建设奠定人才资源基础.针对人才发展学科广泛性、路径多样性等特征, 完善稳定支持机制,对不同年龄段优秀人才实行全谱系支持,为各类人才施展才华、探索创新提供舞台.''人才是创新活动的主体和驱动者,也是创新活动中最为活跃、最为积极的因素.一个项目组、一个科研部门、一个学科发展好不好或发展潜力如何,就是看人才培养或人才凝聚好不好.

力学发展, 筑牢人才根基是关键. 一方面,要通过不同类型科学基金项目实施,培养和吸引更多优秀人才从事力学创新研究; 另一方面,加强力学学术交流平台的建设,增加力学学科内部之间、力学与其他学科之间的学术碰撞,激发创新思想和创新活力, 吸引各领域的优秀人才; 另一方面,针对青年人思想活跃、富有冒险精神的特点, 在评价体制和管理机制上,营造宽松的人才成长氛围, 鼓励有能力的青年人勇挑重担.

The authors have declared that no competing interests exist.

基于钱学森技术科学思想的学科性质研究------以力学学科为例

URL      [本文引用: 2]      摘要

力学在学科发展及国民经济中的重大作用

[本文引用: 1]      摘要

力学学科的发展现状与21世纪展望

DOI      URL      [本文引用: 1]      摘要

国家自然科学基金数理科学部``十三五''规划战略研究报告, 2017年1月

[本文引用: 3]     

2018年度国家自然科学基金委员会项目指南

[本文引用: 1]     

力学十年:中国与世界

[本文引用: 1]