《2024年美国科学与工程指标》

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，并提交至总统和首先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）20202022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。2019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（532527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。20122021年，被授予科学与工程领域证98.2万个增至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2021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20122021年，授5.420212012400020217000多个。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20202015-2016学年获3万4.1万美元，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。2021（73%及以上53%63%之48%。（三）国际科学与工程高等教育和学生流动性较强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（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202015%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2021年，这类学生中获授副学士学位的占比为3%7%，34%35%2012年至2021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工程领域斩获高等教育学位，特别是在高层级学位方面。2021年，57%19%（83%）59%20217%。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%（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，20213680万人，从事需要相应知识和专业技能的各种职24%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7301350万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。方面均有所增长。2011202122%24%（570万人（140万人）。在不同类型的科学、技术、工程和数学职业中，劳动力20112021年，从事科学与工程类职业的人数增长6226，6%。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。2021年，（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%和10%，但多数女性从事科学与工程相关职业。2021年，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%，而他们30%出生于国外的科学、技术、工程和数学劳动力占比较高。202119%。在从事科学与工程类职业的国外出生人员中，43%29%12%。20182021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70%2021年一份针对各国籍和学位的科学与工程类博士生565%10年居留率为7241，1050%的领域。毕业时拥有中国国籍的科510年居留率高于平均水平，88%81%。（六）美国公众对科学家信任度较高，但因受教育水平而异2022201621%；202039%202228%。受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）全球研发投入比较前八大世界经济体中，美国研发投入居首。2021年美国研发8060（排名第二的是6680亿美元，且远高于其余研发投入靠前的经济体。日本法国中国大陆英国年份日本法国中国大陆英国年份德国中国台湾地区美国韩国按购买力平价现值计算，单位：十亿美元9年美国科学与工程指标：研发》图1：2000-2021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27个成员国研发支出的总和。从20112021年，美20%，增速最慢。（研发投入占国内生产总值的比例2021投入强度为3.5%（4.9（3.8%。200020212.6%3.5%。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。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75%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87%2021年其资助费用占美国研发19%（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。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%62%（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%），其余大部分研发预算分拨给能源部（6%）（2021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86%。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202168%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（146%（3%、英国（3%）和日本（3%）（2）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20032022年，美国科学与工程类出版物年均增加约三分之一（36%）108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2020年排名居第六位。单位：千单位：千 年份 中国 英国美国 日本印度 世界其他地区德国 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2：2003-2022年，选定地区、国家或经济体出版的科学与工程类文章20032019文章（HCA）1.81.920201.7（数量几乎是其出版物总份额的两倍。截至2020年，德国高被引文章指数与美国物增长在尤为显著。2003年至2020年，中国高被引文章指数从指数0.5（远低于基线值）提高到了1.3。指数 出版年份 中国 出版年份 中国 美国 印度德国 英国 日本 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3：按选定国家划分，2003-2020年高被引文章指数情况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。20032022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（4）20032022年，金色开放获取文章（在完全开放获取的期刊上发表的文章）从1.9万篇增 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 数量 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 数量注：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2003年，科学与工程类大多数（77%）文章发表在封闭获取2022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年，中国是全球专利申请最多的国家。通过《专利合作 年份 中国欧盟日本韩国 美国 数量条约》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（20226.9万项）、美国（5.8万项）、欧盟（5.1万项）和日本（4.8万项）（5）。2110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 年份 中国欧盟日本韩国 美国 数量注：《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》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。年国际专利申请量最多的技术类别是电气工3722%17%16%，7%20002022（包括半导体、计算机技术和数字通信）1.9万项增加9.85倍多，增速最快。中国的专利申请主要集中37%。31%。颁发的专利侧重在美国市场专用专利均有所增加。202232.5万项发14.2万项（44%）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%2022年，（4.6万名（4万名发明者在美国专利商标局的国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。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。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。202264%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。20218800项新17%，小型企业（500人）占比为61%。另外，从2000年到2021年，与大学相关的初创企业从近400家增加至1000多家。2013年到2022年，美国的风险投资增长5倍。201820203年间，9%42%的软件出版商，均推出新产品（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，202228%。2022年，美国企业获得全46%（2480亿美元）20%（1070行业行业亿美元亿美元2013年20225倍，尽管如此，这一增长速所有行业软件出版商通信设备电信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其他化学品机械所有行业软件出版商通信设备电信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其他化学品机械百分比注：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201820203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。年美国科学与工程指标：创新》图6：按选定行业划分，2018年-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3.3万亿美元，知识和技术密集型制造业的增加值为7.32012年到世界其他地区 日本美国 欧盟中国行业和年份知识和技术密集型制造业：2012年世界其他地区 日本美国 欧盟中国行业和年份知识和技术密集型制造业：2012年知识和技术密集型服务业：2021年知识和技术密集型制造业：2021年知识和技术密集型服务业：2012年（2023年年美国科学与工程指标：产业活动》720122021年知年知识和技术密集型服务业增加值达1.3万亿美元。20122021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202120122021年有所增加，202119%，201220%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）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。2022年，11.420216.5%。2022年，在全球知识和技术密集型制造业出口中219%（9%，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%，超过欧盟（60%），与美国（64%）持平。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（2021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（27）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（5%）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20032022年，中国研究27.413.4万篇文章。在众多国家之间的两两合作研究中，中美合作发表的文章数量新西兰波兰捷克土耳其伊朗韩