赛迪译丛：2024年第27期（总第653期）：2024年美国科学与工程指标-28正式版-WN8

2024年8月12日第27期653期今年42024年美国科学与工程指标》。报告总结评估美国科学与工程的主要指标，将科学和工程概括成人才、科学发现和转化三部分，分析了美国在全球科学与工程领域地位的变化。报告指出，美国研发投入总量排名世界第一，迄今为止，在基础研究领域规模最大。但科学与工程类资源和相关活动已向东亚和东南亚，特别是向中国倾斜，美国并未在所有科学、技术和创新要素中占据主导地位。赛迪智库知识产权研究所、信息化与软件产业研究所共同对该报告进行了编译，期望对我国有关部门有所帮助。【关键词】科学与工程人才科学发现转化-1-一、前言根据《美国国家科学基金会法案》规定，每两年美国国家科学委员会需编制一份《科学与工程指标》报告，并提交至总统和国会。本报告首先介绍了各阶段美国科学、技术、工程和数学教育体系和劳动力状况，包括国际学生和劳动力的状况，还详细阐述了美国公众对科学家的态度。数据显示：1）自新冠疫情以来，美国中小学生的数学成绩骤降。2）从2020年至2022年（新冠疫情低谷期），美国院校招收的科学与工程专业的国际研究生人数迅速增加。科学与工程硕士和博士学位获得者中持临时签证的国际学生约占三分之一。3）美国科学、技术、工程和数学知识和专业劳动力是主要来源，在博士级科学家和工程师中，国外出生占比较高。4）在工程学、计算机与信息科学学位获得者中，女性比例低于男性，且在科学、技术、工程和数学劳动力中所占比例偏低。其次，报告讨论了美国在研发表现突出国家中的排名，并研究了美国研发资金的模式以及各经济部门对各类研发提供的费用和投资。数据显示，1）美国是世界上研发活动和投资最多的国家，紧随其后的是中国、日本、德国和韩国。美国也是世界上研发投入强度最大的经济体。2）联邦政府资助的研发绝对额有所增加，是学术研发的最大支持者，商业部门资助的研发资金也大幅增长。最后，报告重点介绍了科学与工程企业的产出，以及美国和-2-其他主要国家和地区为全球知识和创新做出的贡献。此外，还介绍了美国在关键技术和新兴技术方面的投资和能力的部分指标。数据显示，1）近二十年，在开放期刊上发表的科学与工程文章数量增长了50多倍。2）全球科学、技术和创新（STI）能力指KTI）产业产出等，主要集中在美国、东亚、东南亚和欧洲。在过去十3）中国是科学与工程类出版物和国际专利的最大生产国，也是知识和技术密集型产业产出最多的国家。4）在全球人工智能研究出版物领域，中美两国贡献最为突出。5）美国各地的创新能力和科学、技术、工程和数学劳动力分布情况也不尽相同。二、人才：美国和全球科学、技术、工程和数学教育与劳动力美国科学、技术、工程和数学教育体系具有全球竞争力，可使国民掌握从事相关工作所需的技能和知识。科学、技术、工程和数学劳动者拥有广泛的教育资历，能够支撑美国的科研事业，推动关键技术和新兴技术的创新，从而保持美国在全球经济中的竞争力。（一）中小学数学与科学教育是基础中小学数学和科学教育是高等教育选择科学、技术、工程和数学专业以及从事相关工作的基础。新冠疫情之前，根据对学生-3-进行的国际数学和科学评估，美国在发达经济体中排名接近中游。2019TIMSS年级学生数学（515分）和科学（522分）的平均分与发达经济体的平均分（数学532分，科学527分）相近。东亚和东南亚发达经济体（新加坡、中国台湾地区、韩国和日本）学生的数学和科学平均分数名列前茅，并明显高于美国学生的平均分数。（二）美国科学和工程高等教育人才比例较高美国该领域的发展很大程度上依赖于获得科学与工程高等教育学位的人才。2012年至2021年，被授予科学与工程领域证书和学位数量在各个学位层次都有所增长，学位总授予数从万个增至131万个。除博士学位外，所有层次被授予科学与工程学位的比例都有所上升，博士的比例最高，达到66%。科学与工程领域高等教育学位授予数量和增长情况因学位级别而异。202166%中社会科学领域最多，其次是心理学、生物与生物医学科学以及工程学。硕士学位可助力学生投身于高级科学、技术、工程和数学职业，或是向博士学位迈进的一步。从20122021年，授予的硕士学位数量增长41%5.4万个。202120124000多个增至20217000美国政府和政策制定者十分关注高等教育成本、学生借贷水-4-平以及偿还贷款债务的能力。20202015-2016学年获得学士学位且申请联邦学生贷款的毕业生中，借款中位数为3万美元，平均为4.1万美元，表明部分学生借款金额很大。大多数科学与工程博士学位获得者不会因攻读研究生而背负债务。202173%这些专业往往能获得联邦政府和众多学术机构的支持。在社会科53%至63%之间；在心理学领域，这一比例为48%。（三）国际科学与工程高等教育和学生流动性较强世界前三大人口大国授予的科学与工程类第一学位，即学士学位数量最多。2020250万个科学与工程类学士学位，其次是中国（200万个）和美国（90万个）。在博士学位授予方面，美国长期处于世界领先地位，但2019年被中国超越。2020年，中国授予了4.3万个，美国紧随其后，为4.2万个。自20072015段人口（年龄在20-34岁）获得博士学位的比例远高于中国和印度，但人均占比低于英国和德国。美国是国际流动学生最受青睐的国家且被授予科学与工程类高层级学位比例较高。2020年接纳了全球15%于在美国留学持临时签证的学生而言，在科学与工程类本科学位-5-2021这类学生中获授副学士学位的占比为3%7%，硕士学位的占比达34%，博士学位的占比达35%。在2012年至2021学位上升幅度最大。相较美国公民和永久居民，持临时签证者更有可能在科学与202157%公民和永久居民占比仅19%83%）59%学与工程高级学位获得者中，持临时签证者在不同科学与工程领域的占比存在很大差异。2021学位的比例为7%。相比之下，其在计算机与信息科学（59%）、工程学（60%）以及数学与统计学（54%）领域获得的博士学位50%经济繁荣至关重要，且与关键技术和新兴技术紧密相连的科学与工程领域。（四）科学、技术、工程和数学劳动力支撑美国经济发展科学、技术、工程和数学劳动力是美国劳动力的重要来源，2021劳动力达到3680万人，从事需要相应知识和专业技能的各种职24%-6-涵盖所有在工作中运用相应技能的劳动者。在940万科学与工程73078%1350万从事科学与工程类相关职业的劳动力中，大多数（62%）至少拥有学士学位。科学、技术、工程和数学劳动力在数量和总劳动力中的占比方面均有所增长。从20112021学劳动力在美国劳动力中的占比从22%增加到24%来看，拥有学士及以上学位的科学、技术、工程和数学劳动力的570140万人）。在不同类型的科学、技术、工程和数学职业中，劳动力增长情况也不均衡。从20112021年，从事科学与工程类职业的人数增长62%26%，从事中等技能职业的人数增长6%。相较于非科学、技术、工程和数学职业的劳动力，从事科学、技术、工程和数学这四类职业的劳动力就业率更高，收入中位数也更高。（五）科学、技术、工程和数学劳动力占比呈现不同特点女性在科学、技术、工程和数学劳动力占比较低。202135%于女性在美国就业人口中的占比（47%）。在拥有学士学位及以44%约占四分之一（26%）。在科学、技术、工程和数学职业类型方27%-7-和10%，但多数女性从事科学与工程相关职业。2021黑人或非洲裔美国人、西班牙裔或拉丁裔，以及印第安人或阿拉23%在美国劳动力总数中占比为30%例相比，上述群体在科学、技术、工程和数学劳动力中的占比，尤其是在科学与工程类劳动力中的占比均偏低。2021年，比例达19%。在从事科学与工程类职业的国外出生人员中，学士学位占19%37%43%科学委员会认定，计算机和数学领域拥有博士学位的科学家及工程师所从事的职业与关键技术和新兴技术密切相关。而在美国工作的这类人群中，超过半数出生在国外，印度和中国是主要来源国，分别占比为29%和12%。毕业时持临时签证者是美国科学、技术、工程和数学人才的重要来源。从20182021年，在美国科学与工程学术研究型博士学位获得者中，持临时签证者（尤其来自中国或印度）的占37%70%留居美国。2021年一份针对各国籍和学位的科学与工程类博士生5年居留率为71%年居留率为65%-8-多的专业，10年居留率为72%41%，是唯一10年居留率低于50%的领域。毕业时拥有中国国籍的科学与工程类博士学位获得者的5年和10年居留率高于平均水平，分别为88%和81%。（六）美国公众对科学家信任度较高，但因受教育水平而异2022年，77%2016成年人仅占21%；2020年增至39%2022年又降至28%教育程度较高的成年人通常对科学家最信任，而受教育程度最低的成年人对科学家的信任度也最低。三、科学发现：美国与全球研发美国在科学、技术和创新方面具有全球竞争力，这不仅源于美国培养了一支从事先进技术研发的劳动力队伍，还得益于美国在研发方面的投入。（一）全球研发投入比较2021年美国研发80601中国，为6680亿美元，且远高于其余研发投入靠前的经济体。-9-注：图中数据来自研发投入最多的前八个经济体。MSTI2023年92024年美国科学与工程指标：研发》图12000-2021年，部分经济体的国内研发支出情况在研发投入最大的前八个经济体中，研发支出增长情况差异较大。中国国内研发总支出从2005年开始快速增长，2013年超过欧盟27个成员国研发支出的总和。从2011年到2021年，美国研发支出增长89%番，日本仅增长20%，增速最慢。研发支出最多的经济体的研发投入强度（研发投入占国内生2021投入强度为3.5%4.9%3.8%在200020212.6%3.5%。-10-韩国和中国台湾地区的研发投入强度增幅最大，到2021年，两地的研发投入强度位列前两名。各经济体在基础研究、应用研究和实验开发这三类研发上的研发支出份额存在差异。202115%用于基础研究，18%用于应用研究，67%用于实验开发。韩国和日本与美国相似。按照绝对价值计算，美国用于基础研究的支出远远高于其他经济体。在研发投入最多的经济体中，商业部门是最大的2021金至少占研发资金的75%68%60%。（二）美国研发活动与资金趋势情况美国商业部门是推动研发的主要驱动力，开展（或进行）的研发活动最多。2011年至2021年，美国商业部门开展的研发活动总资金占研发支出增长的87%2021年其资助费用占美国研发资金的75%19%绝大部分研发资金（99%）用于支持商业部门内部的研发活动。而联邦政府则为所有部门的研发活动提供支持。商业部门、高等教育机构及联邦资助侧重点不尽相同。美国大部分研发活动是实验开发（67%）和应用研究（18%），而商业部门在这两类研发活动中最为活跃。商业部门专注于研发新商91%和62%-11-（包括制药和医药），计算机与电子产品制造，运输设备制造等行业占据商业部门大部分研发活动。高等教育机构则在基础研究方面的研发活动最多，联邦政府在三类研发活动中所占的份额均较低。但联邦资金是美国基础研究的重要来源。（三）联邦政府机构对研发活动和科学与工程类研究生的资助情况联邦政府机构研发预算侧重在卫生与服务和国防领域。2021年，联邦政府将绝大部分研发预算分拨给美国国家卫生研究院的上级机构卫生与公众服务部（40%）和国防部（37%），其余大7%6%）2021年占比为86%天局在基础研究、应用研究和实验开发之间的资金分配比较均衡。美国国家科学基金会侧重于基础研究，在2021年基础研究占其研发支出的86%。联邦各机构对科学与工程类资助领域各有侧重。美国国家卫生研究院和国家科学基金会资助的科学与工程类研究生人数最多。美国国家科学基金会资助的学生人数非常多，涉及一系列科2021国家卫生研究院资助的全日制科学与工程类研究生中，68%分布在生物与生物医学科学及健康领域；由国防部资助的研究生中，56%分布在工程学领域；而由能源部资助的研究生中，91%分布-12-在工程学或物理科学领域。四、转化：美国和全球科学、技术和创新能力研发投入以及对从事先进技术活动的劳动力的投入能够促进科学发现，从而推进科学、技术和创新能力的发展，如关键技术和新兴技术的进步。反过来，科学、技术和创新能力又会激励科学出版物、专利活动以及知识和技术密集型产业的发展。就许多科学、技术和创新能力与产出而言，特别是知识和技术密集型服务，长期以来，尽管全球总体发明和创新产出一直向中国和印度等其他地区转移，但美国仍处于世界领先地位。（一）研究出版物全球对比中国在同行评审文献中发表研究出版物逐年上升，2016年后超越美国成为科学与工程类出版物的最大出版国。从全球来看，2022年，六个国家的同行评审科学与工程类出版物共占全球的50%27%14%6%3%英国（3%）和日本（3%）（见图2）。在2016年之前，美国一直是科学与工程类出版物的最大出版国，之后中国取而代之。从2003年到2022年，美国科学与工程类出版物年均增加约三分之一（36%），而中国和印度分别增长约10倍和8倍。2003年，日本是科学与工程类出版物的第二大出版国，但多年来其出版物数量变化不大，到2020年排名居第六位。-13-年份中国美国印度德国

英国日本世界其他地区注：文章按出版年份进行统计和分类，并按作者所在机构地址归入某个地区、国家或经济体。资料来源：美国国家科学与工程统计中心，爱思唯尔（Elsevier）斯高帕斯数据库（Scopus）摘要和引文数据库Science-Metrix分类特别制表（2023年）。《2024年美国科学与工程指标：出版物》图：2003-2022年，选定地区、国家或经济体出版的科学与工程类文章通过衡量出版物被引用程度发现，美国研究人员撰写的科学与工程类出版物影响力较大。从20032019文章（HCA）指数稳定在1.8到1.9之间，但在2020年降至1.7（见图31.0数量几乎是其出版物总份额的两倍。截至2020年，德国高被引2.2数与科学与工程类出版物同步增长，中国和印度高被引文章出版-14-物增长在尤为显著。20032020年，中国高被引文章指数从0.5（远低于基线值）提高到了1.3。出版年份中国美国印度德国英国日本1%高被引科学与工程类出版物中所占的份额除以该国在所有科学与工程类出版物中所占的份额。资料来源：美国国家科学与工程统计中心，爱思唯尔斯高帕斯数据库摘要和引文数据库Science-Metrix分类特别制表（2023年）。《2024年美国科学与工程指标：出版物》图：按选定国家划分，2003-2020年高被引文章指数情况科学家、各机构和资助者通过公开鼓励和要求受资助的研究成果免费提供的方式，促进了出版物在开放获取途径上发表。2003年至2022年间，发表在各类开放获取期刊上的科学与工程类文章数量均有所增长，其增长百分比远高于在传统封闭式获取期刊上发表的文章（见图4）。从2003年至2022年，金色开放-15-获取文章（在完全开放获取的期刊上发表的文章）从1.9万篇增加到99.2万篇，增长了50多倍。由于金色开放获取文章数量的迅速增长，同期所有科学与工程类文章占比从2%扩大到32%。出版年份封闭获取金色开放获取绿色开放获取其他开放获取注：出版物来自斯高帕斯数据库科学与工程领域的一系列会议论文集和同行评审期刊。开放获取类型相互排斥。金色开放获取是文章根据期刊政策在完全开放获取的期刊上发表。绿色开放获取也称为自存档，作者可将文章放入开放知识库，文章可以自由获取。资料来源：美国国家科学与工程统计中心，爱思唯尔斯高帕斯数据库摘要和引文数据库Science-Metrix分类特别制表（2023年）。《2024年美国科学与工程指标：出版物》图4：按出版物获取类型划分，2003年-2022年科学与工程类文章数量200377%）文章发表在封闭获取-16-202249%型的开放获取出版物通常需作者，而非读者支付文章处理费，因此开放获取出版物的增长表明研究传播模式向更加开放的方向转变，也反映了学术出版结构的变化。（二）发明和创新对比情况2022条约》申请国际专利，全球专利申请最多的国家和区域分别是中国（2022年国际专利申请量为6.9万项）、美国（5.8万项）、欧盟（5.1万项）和日本（4.8万项）（见图5）。21世纪10年代，中国国际专利申请数量迅速增长，导致全球专利申请格局发生重大变化。虽然2015年美国的国际专利申请量是中国的两倍之多，但到2020年，两国的申请量相差无几，2021年中国申请量首次超过了美国。年份中国欧盟日本韩国美国注：《专利合作条约》申请受理机构根据发明者所在地确定专利申请国家。资料来源：美国国家科学与工程统计中心，欧洲专利书目数据（EBD）1790分析公司（1790Analytics）特别制表（2023年）。《2024年美国科学与工程指标：创新》-17-图5：按选定地区、国家或经济体划分，2000年-2022年《专利合作条约》申请情况电气工程领域专利申请量最高，中国在该领域处于领先地位。在所有国家中，2022年国际专利申请量最多的技术类别是电气工37%22%17%16%其他领域占其余的7%20002022括半导体、计算机技术和数字通信）的专利申请从1.9万项增加到9.8万项，增至5倍多，增速最快。中国的专利申请主要集中在电气工程领域，其申请量占该领域国际专利申请总量的37%。欧盟发明者在机械工程领域国际专利申请中占比最大，为31%。USPTO的国内外发明上，美国专利商标局授予国内或国外发明者的发明专利均有所增加。在2022年美国专利商标局授予的32.5万项发明专利中，有14.2万项（44%）授予美国发明者。从2012年至2022年，国外发明者在美国专利商标局的专利中所占的比例从52%56%20224.64外专利受让人中占比最大，不过中国（2.8万名）发明者的专利授权量增长速度大于日本和欧盟。专利申请活动在全美分布不均。在科学与工程劳动力以及知识和技术密集型产业高度集中的地区，专利申请活动最为活跃。-18-专利申请强度是指某国所授的发明专利数量与其人口的比率。美国专利申请强度最大的区域一般位于美国东北部、西海岸、五大2022硅谷地区的圣克拉拉县专利申请强度最大。全国专利申请强度最高的五个县中，有三个位于圣何塞-旧金山-奥克兰联合统计区。2022年，美国64%的县均向发明者授予专利。美国大学将知识产权授权给从大学研究活动中分离出来的初创企业来实现其价值。2021年，美国大学共授权约8800项新技术许可，其中初创企业占比为17%，小型企业（员工少于50061%20002021创企业从近400家增加至1000多家。2013年到2022年，美国的风险投资增长5倍。在201820203年间，平均有9%的美国企业，其中42%的软件出版商，均推出新产品（见图6）。计算机和电子制造业以及信息技术密集型服务业等创新率最高的行业均在研发方面投入巨资。通过对具有高增长潜力的初创企业和早期企业进行投资，风险投资在创新过程中具有2021年投资激增之后，2022年下降28%。2022年，美国企业获得全球风险投资的46%（2480亿美元），欧洲企业获得20%（1070-19-8802013年到2022年，美国的风险投资增长5倍，尽管如此，这一增长速20132022年，美国的风险投资份额从66%下降到46%。中国反而在201639%此后，中国在全球风险投资中所占份额大幅下降。所有行业软件出版商导航、测量、电子医疗和控制仪器数据处理、托管及相关服务通信设备其他计算机与电子产品电气设备、电器和元件电信制药和药品科学研究与开发服务计算机系统设计及相关服务其他交通运输半导体和其他电子元件其他化学品机械注：确定某个企业属于哪个具体行业类别时，主要参考的是该机构支付员工工资的总额。统计数据仅代表美国境内企业。产品创新指商品或服务上的改进。本图的数值为2018年至2020年3年间推出产品创新的各类企业所占比例。其他计算机与电子产品行业不包括通信设备、半导体和仪器。其他交通运输不包括汽车和航空航天方面的运输。其他化学品不包括农业化学品、药品和清洁化学品。-20-ABS20202024年美国科学与工程指标：创新》图：按选定行业划分，2018-2020年推出新产品的美国企业情况（三）知识和技术密集型产业产出增加值情况202110.6万亿美元，其中知识和技术密集型服务业的增加值为3.3万亿美元，知识和技术密集型制造业的增加值为7.3万亿美元。从2012年到202168%技术密集型制造业增长41%（见图7年年年年行业和年份世界其他地区日本中国欧盟美国20232024年美国科学与工程指标：产业活动》-21-图：按选定的地区、国家或经济体以及行业划分，2012年和2021年知识技术密集型产业的增加值美国是知识和技术密集型服务业的最大提供商，2021年知识和技术密集型服务业增加值达1.3万亿美元。从2012年到2021年，美国的知识和技术密集型服务业产出实现一倍多的增长，美国在全球知识和技术密集型服务业中所占的份额从30%增加到39%202121%识和技术密集型制造业的增加值从20122021年有所增加，但2021年美国在全球知识和技术密集型制造业中的份额为19%，与2012年的20%相比变化不大。与此同时，中国的知识和技术密集型制造业增加值增加一倍多，在全球的份额从22%（1.1万亿美元）增至33%（2.4万亿美元）。美国的知识和技术密集型制造业总增加值与欧盟大致相同，低于中国，但美国是两个知识和技术密集型制造业（航空和航天器、医疗和牙科器械）的最大生产国。出口水平可衡量一个国家在全球市场上的竞争力，近十年中国在知识和技术密集型制造业出口中的份额增加两倍多。2022全球知识和技术密集型制造业出口总额为11.42021年增长6.5%。2022年，在全球知识和技术密集型制造业出口中21%9%9%-22-不过欧盟（包括德国）所占份额之和最大，达到31%。从2002年到2022年，欧盟和美国在知识和技术密集型制造业出口中的份额略有下降，而中国则增加两倍多。同期，知识和技术密集型产业在中国的制造业出口总额中的占比从47%上升到64%过欧盟（60%），与美国（64%）持平。出口总值并非全部由出口国创造出来的，因此对于全球化和供应链而言，一个重要的衡量标准是国外增加值份额。该标准反映了出口商品中所包含的进口部分的价值，当最终产品的国外增加值占总出口增加值的份额越大，则该经济体是采用一种低端增值方式来获取价值，对价值链的控制能力越弱。与美国国外增加202111%造业，如航空航天（15%）、汽车（28%）和制药（22%），具有相对较大的国外增加值份额。相比之下，软件出版商（1%信息技术服务（3%）和科学研发服务（5%）这些知识和技术密集型服务业的国外增加值份额则较小（见图27）。自2017年和2012年以来，美国半导体制造业（6%）和其他计算机与电子产品制造业（）的国外增加值份额均为个位数。（四）补充内容：关键技术和新兴技术对比从国内发表成果和国际合作程度来看，中国和美国是人工智能研究的两大贡献者。美国国家科学技术委员会确定人工智能和-23-半导体为关键技术和新兴技术。从20032022年，中国研究人员撰写了27.4万篇人工智能相关文章，美国为13.4万篇文章。在众多国家之间的两两合作研究中