編者按：近日，美國國家科學委員會(National Science Board, NSB)公開發布了最新一期的科學技術與工程指標報告之2020版。本期報告進行了改版與創新，與過去系列報告相比，2020版報告從單一本的厚重報告轉變為一系列精簡的報告，形式上有了較大變化，指標也經過重新設計。美國國家科學基金會（National Science Foundation, NSF）委託NSB從2019年秋季開始陸續製作和發佈九份專題報告。其中，2020年1月15日發佈的名為《美國科學與工程狀況》，可以視為2020版科學與工程指標的概要，重點介紹2020版指標專題報告的主要發現，並將於近期提交美國總統和國會。本文對《美國科學與工程狀況》的主要發現進行介紹和解讀，以期反映美國和全球主要創新國家最新的科學與工程發展狀況與格局。受篇幅限制，本篇主要選取了R&D投入、科學與工程勞動力培養、論文產出等較受關注的指標分析結論。
本期報告顯示，美國繼續在全球研究與試驗發展（R＆D，或簡稱研發）投入中佔最大份額，在全球R＆D密集型產業產出中佔最大份額，授予最高數量的科學與工程博士學位，並在全世界科學與工程領域論文和高被引論文中佔重要位置。但是，其他國家，特別是中國，正在迅速發展其科學技術能力。報告特別指出，不斷變化的全球格局影響著美國相對於其他主要經濟體的地位。即使絕對水平持續上升，美國在全球科學和技術活動中的相對比例仍保持不變或有所減少。
一、美國科學與工程指標2020的內容體系
美國科學與工程指標系列報告由NSF委託NSB每兩年在NSF官網上在線公開發布，一直是公認的關於美國科學與工程研究和發展，科學與工程勞動力、科學工程與數學教育（STEM教育）以及高技術產業在全球中的表現狀況的質量最高、信息最全的指標數據分析報告。2020版報告從以往八個主體章節長達數百頁的單一全本報告，改版為九個獨立的主題報告，包括：中小學科學和數學教育、科學與工程高等教育、科學與工程勞動力、出版物產出：美國趨勢和國際比較、R＆D的美國趨勢與國際比較、學術性R＆D，發明、知識轉移與創新，知識和技術密集型產業的產出和貿易，以及科學與工程狀況。
二、科學與工程狀況的主要發現
（一）美國繼續在全球R&D投入中佔最大份額，中美R&D總支出佔全球近半
2017年，全球的研發活動仍主要集中在美國、歐洲和東亞-東南亞、南亞區域。美國在研發上的投入超過全球任何其他國家，2017年的R&D總支出達5490億美元。但是，隨著許多亞洲國家（尤其是中國）的研發支出增加，自2000年以來，美國的研發支出佔全球的比重一直呈下降趨勢。據報告估計，全球的R&D支出已經從2000年的7220億美元增長到2017年的2.2萬億美元。其中，2017年，美國R&D總支出約佔全球的25%，中國緊隨其後，約佔23%（見圖1）。中美的R&D支出之和幾乎貢獻了全球R&D總投入的半壁江山。
圖1 部分國家和經濟體R&D支出（2000-2017）[2]
注：採用購買力平價現價美元計算
R&D經費投入強度，即研發支出與國內生產總值之比，是反映國家創新投入相對水平的核心指標。通常來說，一些創新型國家，尤其是較小的經濟體，在該指標的表現上更加優異。在美國科工指標2020報告選取的主要國家中，2017年，韓國的研發最高，為4.55%，美國為2.81%，中國為2.15%（見圖2）。在過去的十年中，儘管美國在該指標中的全球排名從2009年的第8位下降到2017年的第10位，但美國的研發強度一直在相對狹窄的範圍內波動，並且相對於歷史水平總體上仍處於較高水平。自2000年以來，儘管韓國和中國研發強度的基數較低，增長較快，而歐盟則保持了則逐漸上升的趨勢。
圖2 2000年與2017年部分國家或經濟體R&D投入強度
（二）美國是全球科學與工程類博士培養最多的國家，且超過半數科學與工程博士學位授予非本土公民，中國留學生畢業後在美“停留率”有所下降
科學、技術、工程及數學教育，即STEM教育，一直被視為美國國家競爭力的核心基礎並上升到國家戰略高度。因此，高等教育培養的STEM類人才也一直是美國科學與工程指標關注重要內容。根據報告估算，美國在2016年授予了將近80萬個科學與工程類學士學位；歐盟28個國家總共授予了近100萬個，而中國授予的科學與工程類學士學位約170萬個。
儘管從學士學位看，美國在科學與工程人才培養數量上並沒有絕對優勢，但從研究生培養尤其是博士生培養看，美國是全球培養科學與工程類博士數量最多的單一國家，2016年，美國科學與工程領域博士畢業生3.97萬人（見圖3）。而且，美國一直是全球接收留學生數量最多的國家，外國出生的非公民在科學與工程相關學科的博士學位獲得者中佔相當大的比例，2017年，臨時簽證持有人獲得了科學與工程博士學位的三分之一（34%），從累計數據看，這類非公民佔美國工程、數學、計算機科學以及經濟學領域博士學位獲得者的比例超過了一半。其中許多學生畢業後仍留在美國，特別是在具有研究生學位的科學與工程勞動力中，外國出生的非本土人士在美國科學與工程類就業崗位中佔相當大的份額。報告指出，2016年至2018年間，在美國高校進行科學與工程領域學習的研究生人數有所增加，但在美國獲得科學與工程博士學位的中國留學生，畢業後在美國的五年“停留率”從2013年的93%下降到2017年的84%。
圖3 部分國家或經濟體科學與工程博士畢業生數（2000-2016）
注：歐洲六國指法國、德國、意大利、西班牙、瑞典和英國
對於科學與工程勞動力的數量，由於各國統計口徑並不一致，報告中並未進行較多國際比較，主要對美國本土科學與工程類職位的就業人數和收入等相關指標進行介紹。美國的科學與工程類職位由軟件開發人員、計算機系統分析師、化學家、數學家、經濟學家、心理學家和工程師等職業組成，當前約700萬個相關崗位，約佔全部勞動力的5％，且這類崗位的增長速度超過了整體勞動力崗位增速。2017年，科學與工程類職業的年薪中位數（適用於所有教育程度）為85390美元，是美國所有平均勞動力收入中位數（37,690美元）的兩倍以上。科學與工程職位主要分佈在企業（72%），教育機構（16%）和政府（12%）。
（三）中國科學和工程類出版物數量繼續位居全球首位，中國學者是美國學者的最主要的論文國際合作對象
從科學和工程類論文等出版物的產出數量看，中國在全球各國中繼續保持首位，2018年共發表52.83萬篇科學與工程類論文。如果把歐盟28個國家視為一個整體的話，歐盟在全球範圍內的出版物產量最高，中國位列其後，其次是美國。歐盟、中國、美國、印度、日本和韓國共同貢獻了全球超過70%的科技出版物。（見圖4）
圖4 全球及部分國家/經濟體科學與工程類論文產出量（2000-2018）
從出版物看科學研究的主題重點，不同國家和地區呈現出不同側重。2018年，美國和歐盟在生物醫學和健康科學論文都比中國多。同上一版指標報告呈現的形勢類似，中國在工程領域的論文產量分別超過了美國和歐盟，工程領域的出版物產量甚至是美國的兩倍以上。
從論文等出版物的引文影響力看，儘管目前中國出版物的引文影響力低於美國和歐盟，但其影響力正在迅速上升。2016年，美國前1%高被引論文影響力指數為1.9。中國的論文影響力指數從2000年的0.4增長到2016年的1.1，同期，歐盟被高引用文章的索引從1.0上升到1.3。
從論文出版物國際合作透視科學研究的國際合作，2000年到2018年，有國際合作（即作者來自至少兩個國家）的論文比例從14%增長到23%。2018年，有39%的美國文章是國際合作發表的，而2000年為19%。在美國學者的所有國家合作對象中，其與中國學者的合作頻率最高，2018年，約有26%的美國國際合作文章是與中國學者合作發表的。自2000年以來，科學與工程論文前15大產出國中大多數文章的國際合作論文比例都在增長。通過學術界的這種合作，美國以及其他國家的研究能力均得到了提高。
（四）中國在知識和技術密集型產業全球份額上升明顯，美國仍有較明顯優勢
在全球研發密集度最高行業中[1] ，2018年全球增值產值超過3.2萬億美元。在2003年至2018年之間，美國的產出從約5700億美元增加到1.04萬億美元，而美國的全球份額從38%下降到32%。在此期間，歐盟和日本的全球份額下降，而中國的份額迅速上升，從約6%提升到21%。
中高研發強度較低的行業包括化學品（不包括藥品）、運輸設備（不包括飛機），電氣和其他機械設備、信息技術服務以及科學儀器。在這些中高研發密集型行業中，2018年的全球產出接近5.8萬億美元。2003年至2018年，美國的產出從約6,000億美元增加到1.25萬億美元，但其全球份額卻略有下降至22%，中國佔全球產量上升至26％，歐盟和日本的份額也有所下降。
此外，報告還特別關注了各國建設和擁有超級計算機的情況，報告認為，許多知識和技術密集型行業都依賴於超級計算機，是反映一個國家科學技術能力，尤其是開發人工智能能力的一個重要指徵。在2010年至2019年間，中國在全球百臺最強大的計算機中所佔的份額從5%上升至9%，美國則從43%下降至37%，但美國仍是全球擁有最先進的超級計算機最多的國家。
（五）中國貢獻了全球近一半專利族，全球風險投資基金約八成被美中兩國吸收
近年來中國的專利數量一致大幅領先居全球首位，2020版的報告利用全球無重複度量的“專利族”指標，尤其是各主要創新國家在全球專利族中所佔的份額來反映全球各國的專利創新能力。報告指出，2018年，中國、日本、韓國的專利族佔比位列全球前三，其中，中國貢獻了全球49%專利族。此外，全球56%的專利族都是電氣工程和機械工程相關的專利。美國專利商標局（USPTO）專利顯示了在美國市場上受保護專利，其中，美國發明人獲得了USPTO專利的近一半（47%），日本（16%）、歐盟（15%）和韓國（6%）也佔很大的比例，而中國則獲得了5％。
報告顯示，為數字經濟服務的相關行業的美國企業的創新率較高。2020版報告還引入了企業創新率的調查數據反映美國企業的創新狀況。儘管該指標無法進行國際比較，但從調查結果看，美國企業總體的創新醫院水平較高。調查顯示，在2014年至2016年期間，約有17%的美國公司（擁有五名或更多員工）引入了新的或改進的產品或工藝。其中，通過信息和通信技術（ICT）為數字經濟生產產品和服務的行業，創新率最高。例如，有61%的軟件公司、53%的計算機和電子產品製造公司以及47％的數據處理和託管公司報告了創新。生產與健康相關的產品和技術的行業，其創新率也高於平均水平，其中包括醫療設備和用品（44%），化學品（45%）和科學研發服務（43%）。
2018年，全球風險投資基金中，約44%投向美國企業，36%投向中國企業，兩者合計約佔八成。在美國，風險投資主要集中在移動技術、人工智能、大數據、工業和金融技術。其中，人工智能投資自2013年以來增長最快。在中國，約一半以上投向包括軟件業在內的信息通信技術領域。
（六）絕大多數美國公眾對科學技術的態度正面且積極
大多數美國人相信科學為下一代創造了更多機會（2018年為92%），84%的調查者認為聯邦政府應為提供科研經費。但是，也有相當一部分人認為科學會使生活變化太快（49%）。許多美國人繼續對科學界抱有“極大的信心”（44%），且自1973年以來，這種看法一直保持穩定，僅次於對軍事的信心。幾乎所有教育程度的美國人都報告，他們相信科學將造福子孫後代，並支持聯邦政府對科學研究的支持。受過高等教育程度，且受教育程度更高的人對科學家顯示出“高度信任”，例如，研究生學位的人選擇率約68%，而擁有高中文憑以下的人選擇率只有29％。
四、結論
這份名為《美國科學和工程狀況》的報告主要描述了美國科學與工程領域的發展趨勢及其相對全球地位。報告認為，美國的趨勢好壞參半。自世紀之交以來，與美國和歐盟的增長較為溫和相比，一些亞洲經濟體（尤其是中國）的R＆D支出增長更快。美國的研發資金和績效模式已經改變。自2000年以來，由聯邦政府資助的美國R＆D份額一直在下降。在研發密集型產業產出和科學與工程出版物中，美國是全球最大的生產國之一。但是，由於中國以及其他中等收入國家的增長較快，其全球份額已下降或保持相對穩定。儘管低於美國和歐盟，中國出版物的引文影響也迅速增加。
儘管此報告沒有預測未來，但數據顯示了美國在研發支出、科學與工程博士學位授予以及高引用研究出版物產出方面繼續保持全球領先地位。同時，其他國家，尤其是中國，正在迅速發展其科學與工程能力並影響了美國在全球科技活動格局中的相對地位。報告認為，隨著以知識為導向經濟下的全球競爭的推進，美國在科學與技術活動的許多領域中所起的作用將被削弱。
註釋：
[1] 本報告“高研發密集度行業”指飛機制造業，醫藥，計算機、電子和光學產品，軟件開發以及科學研究業。
[2]本報告中圖表均引用自美國科學與工程指標2020之《美國科學與工程狀況》報告。
作者：徐婕、張明妍、黃辰、胡林元，中國科協創新戰略研究院。
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