美国科学与工程指标2020:中国等经济体的进步正影响美国的全球地位
2020-02-26 23:53:26
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来源:创新研究

作者:徐婕、张明妍、黄辰、胡林元

编者按:近日,美国国家科学委员会(National Science Board, NSB)公开发布了最新一期的科学技术与工程指标报告之2020版。本期报告进行了改版与创新,与过去系列报告相比,2020版报告从单一本的厚重报告转变为一系列精简的报告,形式上有了较大变化,指标也经过重新设计。美国国家科学基金会(National Science Foundation, NSF)委托NSB从2019年秋季开始陆续制作和发布九份专题报告。其中,2020年1月15日发布的名为《美国科学与工程状况》,可以视为2020版科学与工程指标的概要,重点介绍2020版指标专题报告的主要发现,并将于近期提交美国总统和国会。本文对《美国科学与工程状况》的主要发现进行介绍和解读,以期反映美国和全球主要创新国家最新的科学与工程发展状况与格局。受篇幅限制,本篇主要选取了R&D投入、科学与工程劳动力培养、论文产出等较受关注的指标分析结论。

本期报告显示,美国继续在全球研究与试验发展(R&D,或简称研发)投入中占最大份额,在全球R&D密集型产业产出中占最大份额,授予最高数量的科学与工程博士学位,并在全世界科学与工程领域论文和高被引论文中占重要位置。但是,其他国家,特别是中国,正在迅速发展其科学技术能力。报告特别指出,不断变化的全球格局影响着美国相对于其他主要经济体的地位。即使绝对水平持续上升,美国在全球科学和技术活动中的相对比例仍保持不变或有所减少。

一、美国科学与工程指标2020的内容体系

美国科学与工程指标系列报告由NSF委托NSB每两年在NSF官网上在线公开发布,一直是公认的关于美国科学与工程研究和发展,科学与工程劳动力、科学工程与数学教育(STEM教育)以及高技术产业在全球中的表现状况的质量最高、信息最全的指标数据分析报告。2020版报告从以往八个主体章节长达数百页的单一全本报告,改版为九个独立的主题报告,包括:中小学科学和数学教育、科学与工程高等教育、科学与工程劳动力、出版物产出:美国趋势和国际比较、R&D的美国趋势与国际比较、学术性R&D,发明、知识转移与创新,知识和技术密集型产业的产出和贸易,以及科学与工程状况。

二、科学与工程状况的主要发现

(一)美国继续在全球R&D投入中占最大份额,中美R&D总支出占全球近半

2017年,全球的研发活动仍主要集中在美国、欧洲和东亚-东南亚、南亚区域。美国在研发上的投入超过全球任何其他国家,2017年的R&D总支出达5490亿美元。但是,随着许多亚洲国家(尤其是中国)的研发支出增加,自2000年以来,美国的研发支出占全球的比重一直呈下降趋势。据报告估计,全球的R&D支出已经从2000年的7220亿美元增长到2017年的2.2万亿美元。其中,2017年,美国R&D总支出约占全球的25%,中国紧随其后,约占23%(见图1)。中美的R&D支出之和几乎贡献了全球R&D总投入的半壁江山。

注:采用购买力平价现价美元计算

图1 部分国家和经济体R&D支出(2000-2017)[2]

R&D经费投入强度,即研发支出与国内生产总值之比,是反映国家创新投入相对水平的核心指标。通常来说,一些创新型国家,尤其是较小的经济体,在该指标的表现上更加优异。在美国科工指标2020报告选取的主要国家中,2017年,韩国的研发最高,为4.55%,美国为2.81%,中国为2.15%(见图2)。在过去的十年中,尽管美国在该指标中的全球排名从2009年的第8位下降到2017年的第10位,但美国的研发强度一直在相对狭窄的范围内波动,并且相对于历史水平总体上仍处于较高水平。自2000年以来,尽管韩国和中国研发强度的基数较低,增长较快,而欧盟则保持了则逐渐上升的趋势。

图2 2000年与2017年部分国家或经济体R&D投入强度

(二)美国是全球科学与工程类博士培养最多的国家,且超过半数科学与工程博士学位授予非本土公民,中国留学生毕业后在美“停留率”有所下降

科学、技术、工程及数学教育,即STEM教育,一直被视为美国国家竞争力的核心基础并上升到国家战略高度。因此,高等教育培养的STEM类人才也一直是美国科学与工程指标关注重要内容。根据报告估算,美国在2016年授予了将近80万个科学与工程类学士学位;欧盟28个国家总共授予了近100万个,而中国授予的科学与工程类学士学位约170万个。

尽管从学士学位看,美国在科学与工程人才培养数量上并没有绝对优势,但从研究生培养尤其是博士生培养看,美国是全球培养科学与工程类博士数量最多的单一国家,2016年,美国科学与工程领域博士毕业生3.97万人(见图3)。而且,美国一直是全球接收留学生数量最多的国家,外国出生的非公民在科学与工程相关学科的博士学位获得者中占相当大的比例,2017年,临时签证持有人获得了科学与工程博士学位的三分之一(34%),从累计数据看,这类非公民占美国工程、数学、计算机科学以及经济学领域博士学位获得者的比例超过了一半。其中许多学生毕业后仍留在美国,特别是在具有研究生学位的科学与工程劳动力中,外国出生的非本土人士在美国科学与工程类就业岗位中占相当大的份额。报告指出,2016年至2018年间,在美国高校进行科学与工程领域学习的研究生人数有所增加,但在美国获得科学与工程博士学位的中国留学生,毕业后在美国的五年“停留率”从2013年的93%下降到2017年的84%。

注:欧洲六国指法国、德国、意大利、西班牙、瑞典和英国

图3 部分国家或经济体科学与工程博士毕业生数(2000-2016)

对于科学与工程劳动力的数量,由于各国统计口径并不一致,报告中并未进行较多国际比较,主要对美国本土科学与工程类职位的就业人数和收入等相关指标进行介绍。美国的科学与工程类职位由软件开发人员、计算机系统分析师、化学家、数学家、经济学家、心理学家和工程师等职业组成,当前约700万个相关岗位,约占全部劳动力的5%,且这类岗位的增长速度超过了整体劳动力岗位增速。2017年,科学与工程类职业的年薪中位数(适用于所有教育程度)为85390美元,是美国所有平均劳动力收入中位数(37,690美元)的两倍以上。科学与工程职位主要分布在企业(72%),教育机构(16%)和政府(12%)。

(三)中国科学和工程类出版物数量继续位居全球首位,中国学者是美国学者的最主要的论文国际合作对象

从科学和工程类论文等出版物的产出数量看,中国在全球各国中继续保持首位,2018年共发表52.83万篇科学与工程类论文。如果把欧盟28个国家视为一个整体的话,欧盟在全球范围内的出版物产量最高,中国位列其后,其次是美国。欧盟、中国、美国、印度、日本和韩国共同贡献了全球超过70%的科技出版物。(见图4)

图4 全球及部分国家/经济体科学与工程类论文产出量(2000-2018)

从出版物看科学研究的主题重点,不同国家和地区呈现出不同侧重。2018年,美国和欧盟在生物医学和健康科学论文都比中国多。同上一版指标报告呈现的形势类似,中国在工程领域的论文产量分别超过了美国和欧盟,工程领域的出版物产量甚至是美国的两倍以上。

从论文等出版物的引文影响力看,尽管目前中国出版物的引文影响力低于美国和欧盟,但其影响力正在迅速上升。2016年,美国前1%高被引论文影响力指数为1.9。中国的论文影响力指数从2000年的0.4增长到2016年的1.1,同期,欧盟被高引用文章的索引从1.0上升到1.3。

从论文出版物国际合作透视科学研究的国际合作,2000年到2018年,有国际合作(即作者来自至少两个国家)的论文比例从14%增长到23%。2018年,有39%的美国文章是国际合作发表的,而2000年为19%。在美国学者的所有国家合作对象中,其与中国学者的合作频率最高,2018年,约有26%的美国国际合作文章是与中国学者合作发表的。自2000年以来,科学与工程论文前15大产出国中大多数文章的国际合作论文比例都在增长。通过学术界的这种合作,美国以及其他国家的研究能力均得到了提高。

(四)中国在知识和技术密集型产业全球份额上升明显,美国仍有较明显优势

在全球研发密集度最高行业中[1] ,2018年全球增值产值超过3.2万亿美元。在2003年至2018年之间,美国的产出从约5700亿美元增加到1.04万亿美元,而美国的全球份额从38%下降到32%。在此期间,欧盟和日本的全球份额下降,而中国的份额迅速上升,从约6%提升到21%。

中高研发强度较低的行业包括化学品(不包括药品)、运输设备(不包括飞机),电气和其他机械设备、信息技术服务以及科学仪器。在这些中高研发密集型行业中,2018年的全球产出接近5.8万亿美元。2003年至2018年,美国的产出从约6,000亿美元增加到1.25万亿美元,但其全球份额却略有下降至22%,中国占全球产量上升至26%,欧盟和日本的份额也有所下降。

此外,报告还特别关注了各国建设和拥有超级计算机的情况,报告认为,许多知识和技术密集型行业都依赖于超级计算机,是反映一个国家科学技术能力,尤其是开发人工智能能力的一个重要指征。在2010年至2019年间,中国在全球百台最强大的计算机中所占的份额从5%上升至9%,美国则从43%下降至37%,但美国仍是全球拥有最先进的超级计算机最多的国家。

(五)中国贡献了全球近一半专利族,全球风险投资基金约八成被美中两国吸收

近年来中国的专利数量一致大幅领先居全球首位,2020版的报告利用全球无重复度量的“专利族”指标,尤其是各主要创新国家在全球专利族中所占的份额来反映全球各国的专利创新能力。报告指出,2018年,中国、日本、韩国的专利族占比位列全球前三,其中,中国贡献了全球49%专利族。此外,全球56%的专利族都是电气工程和机械工程相关的专利。美国专利商标局(USPTO)专利显示了在美国市场上受保护专利,其中,美国发明人获得了USPTO专利的近一半(47%),日本(16%)、欧盟(15%)和韩国(6%)也占很大的比例,而中国则获得了5%。

报告显示,为数字经济服务的相关行业的美国企业的创新率较高。2020版报告还引入了企业创新率的调查数据反映美国企业的创新状况。尽管该指标无法进行国际比较,但从调查结果看,美国企业总体的创新医院水平较高。调查显示,在2014年至2016年期间,约有17%的美国公司(拥有五名或更多员工)引入了新的或改进的产品或工艺。其中,通过信息和通信技术(ICT)为数字经济生产产品和服务的行业,创新率最高。例如,有61%的软件公司、53%的计算机和电子产品制造公司以及47%的数据处理和托管公司报告了创新。生产与健康相关的产品和技术的行业,其创新率也高于平均水平,其中包括医疗设备和用品(44%),化学品(45%)和科学研发服务(43%)。

2018年,全球风险投资基金中,约44%投向美国企业,36%投向中国企业,两者合计约占八成。在美国,风险投资主要集中在移动技术、人工智能、大数据、工业和金融技术。其中,人工智能投资自2013年以来增长最快。在中国,约一半以上投向包括软件业在内的信息通信技术领域。

(六)绝大多数美国公众对科学技术的态度正面且积极

大多数美国人相信科学为下一代创造了更多机会(2018年为92%),84%的调查者认为联邦政府应为提供科研经费。但是,也有相当一部分人认为科学会使生活变化太快(49%)。许多美国人继续对科学界抱有“极大的信心”(44%),且自1973年以来,这种看法一直保持稳定,仅次于对军事的信心。几乎所有教育程度的美国人都报告,他们相信科学将造福子孙后代,并支持联邦政府对科学研究的支持。受过高等教育程度,且受教育程度更高的人对科学家显示出“高度信任”,例如,研究生学位的人选择率约68%,而拥有高中文凭以下的人选择率只有29%。

三、结论

这份名为《美国科学和工程状况》的报告主要描述了美国科学与工程领域的发展趋势及其相对全球地位。报告认为,美国的趋势好坏参半。自世纪之交以来,与美国和欧盟的增长较为温和相比,一些亚洲经济体(尤其是中国)的R&D支出增长更快。美国的研发资金和绩效模式已经改变。自2000年以来,由联邦政府资助的美国R&D份额一直在下降。在研发密集型产业产出和科学与工程出版物中,美国是全球最大的生产国之一。但是,由于中国以及其他中等收入国家的增长较快,其全球份额已下降或保持相对稳定。尽管低于美国和欧盟,中国出版物的引文影响也迅速增加。

尽管此报告没有预测未来,但数据显示了美国在研发支出、科学与工程博士学位授予以及高引用研究出版物产出方面继续保持全球领先地位。同时,其他国家,尤其是中国,正在迅速发展其科学与工程能力并影响了美国在全球科技活动格局中的相对地位。报告认为,随着以知识为导向经济下的全球竞争的推进,美国在科学与技术活动的许多领域中所起的作用将被削弱。

注释:

[1] 本报告“高研发密集度行业”指飞机制造业,医药,计算机、电子和光学产品,软件开发以及科学研究业。

[2]本报告中图表均引用自美国科学与工程指标2020之《美国科学与工程状况》报告。

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