《2024年美國科學與工程指標》

一、前言根據(jù)《美國國家科學基金會法案》規(guī)定，每兩年美國國家科學委員會需編制一份《科學與工程指標》報告，并提交至總統(tǒng)和首先述了美國公眾對科學家的態(tài)度。數(shù)據(jù)顯示：1）自新冠疫情以來，美國中小學生的數(shù)學成績驟降。2）20202022年（新冠疫情低谷期），美國院校招收的科學與工程專業(yè)的國際研究生人數(shù)迅速增加?？茖W與工程碩士和博士學位獲得者中持臨時簽證的國際學生約占三分之一。3）美國科學、技術、工程和數(shù)學知識和專業(yè)勞動力是主要來源，在博士級科學家和工程師中，國外出生占比較高。4）在工程學、計算機與信息科學學位獲得者中，女性比例低于男性，且在科學、技術、工程和數(shù)學勞動力中所占比例偏低。其次，報告討論了美國在研發(fā)表現(xiàn)突出國家中的排名，并研究了美國研發(fā)資金的模式以及各經(jīng)濟部門對各類研發(fā)提供的費用和投資。數(shù)據(jù)顯示，1）美國是世界上研發(fā)活動和投資最多的國家，緊隨其后的是中國、日本、德國和韓國。美國也是世界上研發(fā)投入強度最大的經(jīng)濟體。2）聯(lián)邦政府資助的研發(fā)絕對額有所增加，是學術研發(fā)的最大支持者，商業(yè)部門資助的研發(fā)資金也大幅增長。最后，報告重點介紹了科學與工程企業(yè)的產(chǎn)出，以及美國和其他主要國家和地區(qū)為全球知識和創(chuàng)新做出的貢獻。此外，還介紹了美國在關鍵技術和新興技術方面的投資和能力的部分指標。數(shù)據(jù)顯示，1）近二十年，在開放期刊上發(fā)表的科學與工程文章50多倍。2）全球科學、技術和創(chuàng)新（STI）能力指（KTI）產(chǎn)業(yè)產(chǎn)出等，主要集中在美國、東亞、東南亞和歐洲。在過去十3）中國是科學與工程類出版物和國際專利的最大生產(chǎn)國，也是知識和技術密集型產(chǎn)業(yè)產(chǎn)出最多的國家。4）在全球人工智能研究出版物領域，中美兩國貢獻最為突出。5）美國各地的創(chuàng)新能力和科學、技術、工程和數(shù)學勞動力分布情況也不盡相同。二、人才：美國和全球科學、技術、工程和數(shù)學教育與勞動力美國科學、技術、工程和數(shù)學教育體系具有全球競爭力，可使國民掌握從事相關工作所需的技能和知識?？茖W、技術、工程和數(shù)學勞動者擁有廣泛的教育資歷，能夠支撐美國的科研事業(yè)，推動關鍵技術和新興技術的創(chuàng)新，從而保持美國在全球經(jīng)濟中的競爭力。（一）中小學數(shù)學與科學教育是基礎中小學數(shù)學和科學教育是高等教育選擇科學、技術、工程和數(shù)學專業(yè)以及從事相關工作的基礎。新冠疫情之前，根據(jù)對學生進行的國際數(shù)學和科學評估，美國在發(fā)達經(jīng)濟體中排名接近中游。2019年級學生數(shù)學（515分）和科學（522分）的平均分與發(fā)達經(jīng)濟體的平均分（532527分）相近。東亞和東南亞發(fā)達經(jīng)濟體（新加坡、中國臺灣地區(qū)、韓國和日本）學生的數(shù)學和科學平均分數(shù)名列前茅，并明顯高于美國學生的平均分數(shù)。（二）美國科學和工程高等教育人才比例較高美國該領域的發(fā)展很大程度上依賴于獲得科學與工程高等教育學位的人才。20122021年，被授予科學與工程領域證98.2萬個增至131萬個。除博士學位外，所有層次被授予科學與工程學位的比例都有所上升，博士的比例最高，達到66%?？茖W與工程領域高等教育學位授予數(shù)量和增長情況因?qū)W位2021中社會科學領域最多，其次是心理學、生物與生物醫(yī)學科學以及工程學。碩士學位可助力學生投身于高級科學、技術、工程和數(shù)20122021年，授5.420212012400020217000多個。美國政府和政策制定者十分關注高等教育成本、學生借貸水20202015-2016學年獲3萬4.1萬美元，表明部分學生借款金額很大。大多數(shù)科學與工程博士學位獲得者不會因攻讀研究生而背負債務。2021（73%及以上53%63%之48%。（三）國際科學與工程高等教育和學生流動性較強2020250萬個科學與工程類學士學位，其次是中國（200萬個）和美國（90萬個）。在博士學位2019年被中國超越。2020年，中國授予了4.3萬個，美國緊隨其后，為4.2萬個。自20072015（20-34歲）獲得博士學位的比例遠高于中國和印度，但人均占比低于英國和德國。美國是國際流動學生最受青睞的國家且被授予科學與工程202015%于在美國留學持臨時簽證的學生而言，在科學與工程類本科學位2021年，這類學生中獲授副學士學位的占比為3%7%，34%35%2012年至2021相較美國公民和永久居民，持臨時簽證者更有可能在科學與工程領域斬獲高等教育學位，特別是在高層級學位方面。2021年，57%19%（83%）59%20217%。相比之下，其在計算機與信息科學（59%）、工程學（60%）以及數(shù)學與統(tǒng)計學（54%）領域獲得的博士學位50%（四）科學、技術、工程和數(shù)學勞動力支撐美國經(jīng)濟發(fā)展科學、技術、工程和數(shù)學勞動力是美國勞動力的重要來源，20213680萬人，從事需要相應知識和專業(yè)技能的各種職24%涵蓋所有在工作中運用相應技能的勞動者。在940萬科學與工程7301350萬從事科學與工程類相關職業(yè)的勞動力中，大多數(shù)（62%）至少擁有學士學位。方面均有所增長。2011202122%24%（570萬人（140萬人）。在不同類型的科學、技術、工程和數(shù)學職業(yè)中，勞動力20112021年，從事科學與工程類職業(yè)的人數(shù)增長6226，6%。相較于非科學、技術、工程和數(shù)學職業(yè)的勞動力，從事科學、技術、工程和數(shù)學這四類職業(yè)的勞動力就業(yè)率更高，收入中位數(shù)也更高。（五）科學、技術、工程和數(shù)學勞動力占比呈現(xiàn)不同特點女性在科學、技術、工程和數(shù)學勞動力占比較低。2021年，（47%）。在擁有學士學位及以44%約占四分之一（26%）。在科學、技術、工程和數(shù)學職業(yè)類型方27%和10%，但多數(shù)女性從事科學與工程相關職業(yè)。2021年，黑人或非洲裔美國人、西班牙裔或拉丁裔，以及印第安人或阿拉23%，而他們30%出生于國外的科學、技術、工程和數(shù)學勞動力占比較高。202119%。在從事科學與工程類職業(yè)的國外出生人員中，43%29%12%。20182021博士學位獲得者中，持臨時簽證者（尤其來自中國或印度）的占70%2021年一份針對各國籍和學位的科學與工程類博士生565%10年居留率為7241，1050%的領域。畢業(yè)時擁有中國國籍的科510年居留率高于平均水平，88%81%。（六）美國公眾對科學家信任度較高，但因受教育水平而異2022201621%；202039%202228%。受教育程度較高的成年人通常對科學家最信任，而受教育程度最低的成年人對科學家的信任度也最低。三、科學發(fā)現(xiàn)：美國與全球研發(fā)美國在科學、技術和創(chuàng)新方面具有全球競爭力，這不僅源于美國培養(yǎng)了一支從事先進技術研發(fā)的勞動力隊伍，還得益于美國在研發(fā)方面的投入。（一）全球研發(fā)投入比較前八大世界經(jīng)濟體中，美國研發(fā)投入居首。2021年美國研發(fā)8060（排名第二的是6680億美元，且遠高于其余研發(fā)投入靠前的經(jīng)濟體。日本法國中國大陸英國年份日本法國中國大陸英國年份德國中國臺灣地區(qū)美國韓國按購買力平價現(xiàn)值計算，單位：十億美元9年美國科學與工程指標：研發(fā)》圖1：2000-2021年，部分經(jīng)濟體的國內(nèi)研發(fā)支出情況在研發(fā)投入最大的前八個經(jīng)濟體中，研發(fā)支出增長情況差異較大。中國國內(nèi)研發(fā)總支出從2005年開始快速增長，2013年超27個成員國研發(fā)支出的總和。從20112021年，美20%，增速最慢。（研發(fā)投入占國內(nèi)生產(chǎn)總值的比例2021投入強度為3.5%（4.9（3.8%。200020212.6%3.5%。韓國和中國臺灣地區(qū)的研發(fā)投入強度增幅最大，到2021年，兩地的研發(fā)投入強度位列前兩名。202115%用于基礎研究，18%用于應用研究，67%用于實驗開發(fā)。韓國和日本與美國相似。按照絕對價值計算，美國用于基礎研究的支出遠遠高于其他經(jīng)濟體。在研發(fā)投入最多的經(jīng)濟體中，商業(yè)部門是最大的75%60%。（二）美國研發(fā)活動與資金趨勢情況美國商業(yè)部門是推動研發(fā)的主要驅(qū)動力，開展（或進行）的研發(fā)活動最多。2011年至2021年，美國商業(yè)部門開展的研發(fā)活87%2021年其資助費用占美國研發(fā)19%（99%）用于支持商業(yè)部門內(nèi)部的研發(fā)活動。而聯(lián)邦政府則為所有部門的研發(fā)活動提供支持。美國大部分研發(fā)活動是實驗開發(fā)（67%）和應用研究（18%），而商業(yè)部門在這兩類研發(fā)活動中最為活躍。商業(yè)部門專注于研發(fā)新商91%62%（包括制藥和醫(yī)藥），計算機與電子產(chǎn)品制造，運輸設備制造等行業(yè)占據(jù)商業(yè)部門大部分研發(fā)活動。高等教育機構則在基礎研究方面的研發(fā)活動最多，聯(lián)邦政府在三類研發(fā)活動中所占的份額均較低。但聯(lián)邦資金是美國基礎研究的重要來源。（三）聯(lián)邦政府機構對研發(fā)活動和科學與工程類研究生的資助情況聯(lián)邦政府機構研發(fā)預算側重在衛(wèi)生與服務和國防領域。2021年，聯(lián)邦政府將絕大部分研發(fā)預算分撥給美國國家衛(wèi)生研究院的上級機構衛(wèi)生與公眾服務部（40%）和國防部（37%），其余大部分研發(fā)預算分撥給能源部（6%）（2021天局在基礎研究、應用研究和實驗開發(fā)之間的資金分配比較均衡。美國國家科學基金會側重于基礎研究，在2021年基礎研究占其研發(fā)86%。美國國家衛(wèi)生研究院和國家科學基金會資助的科學與工程類研究生人數(shù)最多。美國國家科學基金會資助的學生人數(shù)非常多，涉及一系列科202168%分布在生物與生物醫(yī)學科學及健康領域；由國防部資助的研究生中，56%分布在工程學領域；而由能源部資助的研究生中，91%分布在工程學或物理科學領域。四、轉化：美國和全球科學、技術和創(chuàng)新能力研發(fā)投入以及對從事先進技術活動的勞動力的投入能夠促進科學發(fā)現(xiàn)，從而推進科學、技術和創(chuàng)新能力的發(fā)展，如關鍵技術和新興技術的進步。反過來，科學、技術和創(chuàng)新能力又會激勵科學出版物、專利活動以及知識和技術密集型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。就許多科學、技術和創(chuàng)新能力與產(chǎn)出而言，特別是知識和技術密集型服務，長期以來，盡管全球總體發(fā)明和創(chuàng)新產(chǎn)出一直向中國和印度等其他地區(qū)轉移，但美國仍處于世界領先地位。（一）研究出版物全球?qū)Ρ饶旰蟪矫绹蔀榭茖W與工程類出版物的最大出版國。從全球來看，2022年，六個國家的同行評審科學與工程類出版物共占全球的50（27（146%（3%、英國（3%）和日本（3%）（2）2016年之前，美國一直是科學與工程類出版物的最大出版國，之后中國取而代之。從20032022年，美國科學與工程類出版物年均增加約三分之一（36%）108倍。2003年，日本是科學與工程類出版物的第二大出版國，但多年來其出版物2020年排名居第六位。單位：千單位：千 年份 中國 英國美國 日本印度 世界其他地區(qū)德國 資料來源：美國國家科學與工程統(tǒng)計中心，愛思唯爾（Elsevier）斯高帕斯數(shù)據(jù)庫（Scopus）摘要和引文數(shù)據(jù)庫Science-Metrix分類特別制表（2023年）。《2024年美國科學與工程指標：出版物》圖2：2003-2022年，選定地區(qū)、國家或經(jīng)濟體出版的科學與工程類文章20032019文章（HCA）1.81.920201.7（數(shù)量幾乎是其出版物總份額的兩倍。截至2020年，德國高被引文章指數(shù)與美國物增長在尤為顯著。2003年至2020年，中國高被引文章指數(shù)從指數(shù)0.5（遠低于基線值）提高到了1.3。指數(shù) 出版年份 中國 出版年份 中國 美國 印度德國 英國 日本 資料來源：美國國家科學與工程統(tǒng)計中心，愛思唯爾斯高帕斯數(shù)據(jù)庫摘要和引文Science-Metrix分類特別制表（2023年）?！?024年美國科學與工程指標：出版物》圖3：按選定國家劃分，2003-2020年高被引文章指數(shù)情況成果免費提供的方式，促進了出版物在開放獲取途徑上發(fā)表。20032022年間，發(fā)表在各類開放獲取期刊上的科學與工程類文章數(shù)量均有所增長，其增長百分比遠高于在傳統(tǒng)封閉式獲取期刊上發(fā)表的文章（4）20032022年，金色開放獲取文章（在完全開放獲取的期刊上發(fā)表的文章）從1.9萬篇增 出版年份 封閉獲取 金色開放獲取 綠色開放獲取 其他開放獲取 數(shù)量 出版年份 封閉獲取 金色開放獲取 綠色開放獲取 其他開放獲取 數(shù)量注：出版物來自斯高帕斯數(shù)據(jù)庫科學與工程領域的一系列會議論文集和同行評審期刊。開放獲取類型相互排斥。金色開放獲取是文章根據(jù)期刊政策在完全開放獲取的期刊上發(fā)表。綠色開放獲取也稱為自存檔，作者可將文章放入開放知識庫，文章可以自由獲取。資料來源：美國國家科學與工程統(tǒng)計中心，愛思唯爾斯高帕斯數(shù)據(jù)庫摘要和引文Science-Metrix分類特別制表（2023年）?！?024年美國科學與工程指標：出版物》圖4：按出版物獲取類型劃分，2003年-2022年科學與工程類文章數(shù)量2003年，科學與工程類大多數(shù)（77%）文章發(fā)表在封閉獲取2022此開放獲取出版物的增長表明研究傳播模式向更加開放的方向轉變，也反映了學術出版結構的變化。（二）發(fā)明和創(chuàng)新對比情況2022年，中國是全球?qū)＠暾堊疃嗟膰?。通過《專利合作 年份 中國歐盟日本韓國 美國 數(shù)量條約》申請國際專利，全球?qū)＠暾堊疃嗟膰液蛥^(qū)域分別是中國（20226.9萬項）、美國（5.8萬項）、歐盟（5.1萬項）和日本（4.8萬項）（5）。2110年代，中國國際專利申請數(shù)量迅速增長，導致全球?qū)＠暾埜窬职l(fā) 年份 中國歐盟日本韓國 美國 數(shù)量注：《專利合作條約》申請受理機構根據(jù)發(fā)明者所在地確定專利申請國家。資料來源：美國國家科學與工程統(tǒng)計中心，歐洲專利書目數(shù)據(jù)（EBD）1790分析公司（1790Analytics）特別制表（2023年）。《2024年美國科學與工程指標：創(chuàng)新》圖5：按選定地區(qū)、國家或經(jīng)濟體劃分，2000年-2022年《專利合作條約》申請情況電氣工程領域?qū)＠暾埩孔罡?，中國在該領域處于領先地位。年國際專利申請量最多的技術類別是電氣工3722%17%16%，7%20002022（包括半導體、計算機技術和數(shù)字通信）1.9萬項增加9.85倍多，增速最快。中國的專利申請主要集中37%。31%。頒發(fā)的專利側重在美國市場專用專利均有所增加。202232.5萬項發(fā)14.2萬項（44%）2012年至2022年，國外發(fā)明者在美國專利商標局的專利中所占的比例從52%2022年，（4.6萬名（4萬名發(fā)明者在美國專利商標局的國外專利受讓人中占比最大，不過中國（2.8萬名）發(fā)明者的專利授權量增長速度大于日本和歐盟。在科學與工程勞動力以及知識和技術密集型產(chǎn)業(yè)高度集中的地區(qū)，專利申請活動最為活躍。專利申請強度是指某國所授的發(fā)明專利數(shù)量與其人口的比率。美國專利申請強度最大的區(qū)域一般位于美國東北部、西海岸、五大2022高的五個縣中，有三個位于圣何塞-舊金山-奧克蘭聯(lián)合統(tǒng)計區(qū)。202264%的縣均向發(fā)明者授予專利。美國大學將知識產(chǎn)權授權給從大學研究活動中分離出來的初創(chuàng)企業(yè)來實現(xiàn)其價值。20218800項新17%，小型企業(yè)（500人）占比為61%。另外，從2000年到2021年，與大學相關的初創(chuàng)企業(yè)從近400家增加至1000多家。2013年到2022年，美國的風險投資增長5倍。201820203年間，9%42%的軟件出版商，均推出新產(chǎn)品（6）。計算機和電子制造業(yè)以及信息技術密集型服務業(yè)等創(chuàng)新率最高的行業(yè)均在研發(fā)方面投入巨資。通過對具有高增長潛力的初創(chuàng)企業(yè)和早期企業(yè)進行投資，風險投資在創(chuàng)新過程中具有2021年投資激增之后，202228%。2022年，美國企業(yè)獲得全46%（2480億美元）20%（1070行業(yè)行業(yè)億美元億美元2013年20225倍，盡管如此，這一增長速所有行業(yè)軟件出版商通信設備電信科學研究與開發(fā)服務計算機系統(tǒng)設計及相關服務其他交通運輸其他化學品機械所有行業(yè)軟件出版商通信設備電信科學研究與開發(fā)服務計算機系統(tǒng)設計及相關服務其他交通運輸其他化學品機械百分比注：確定某個企業(yè)屬于哪個具體行業(yè)類別時，主要參考的是該機構支付員工工資的總額。統(tǒng)計數(shù)據(jù)僅代表美國境內(nèi)企業(yè)。產(chǎn)品創(chuàng)新指商品或服務上的改進。本圖的數(shù)201820203年間推出產(chǎn)品創(chuàng)新的各類企業(yè)所占比例。其他計算機與電子產(chǎn)品行業(yè)不包括通信設備、半導體和儀器。其他交通運輸不包括汽車和航空航天方面的運輸。其他化學品不包括農(nóng)業(yè)化學品、藥品和清潔化學品。年美國科學與工程指標：創(chuàng)新》圖6：按選定行業(yè)劃分，2018年-2020年推出新產(chǎn)品的美國企業(yè)情況（三）知識和技術密集型產(chǎn)業(yè)產(chǎn)出增加值情況202110.6萬億美3.3萬億美元，知識和技術密集型制造業(yè)的增加值為7.32012年到世界其他地區(qū) 日本美國 歐盟中國行業(yè)和年份知識和技術密集型制造業(yè)：2012年世界其他地區(qū) 日本美國 歐盟中國行業(yè)和年份知識和技術密集型制造業(yè)：2012年知識和技術密集型服務業(yè)：2021年知識和技術密集型制造業(yè)：2021年知識和技術密集型服務業(yè)：2012年（2023年年美國科學與工程指標：產(chǎn)業(yè)活動》720122021年知年知識和技術密集型服務業(yè)增加值達1.3萬億美元。20122021年，美國的知識和技術密集型服務業(yè)產(chǎn)出實現(xiàn)一倍多的增長，美國在全球知識和技術密集型服務業(yè)中所占的份額從30%增加到202120122021年有所增加，202119%，201220%相比變化不大。與此同時，中國的知識和技術密集型制造業(yè)增加值增加一倍多，在全球的份額從22%（1.1萬億美元）33%（2.4萬億美元）。美國的知識和技術密集型制造業(yè)總增加值與歐盟大致相同，低于中國，但美國是兩個知識和技術密集型制造業(yè)（航空和航天器、醫(yī)療和牙科器械）的最大生產(chǎn)國。2022年，11.420216.5%。2022年，在全球知識和技術密集型制造業(yè)出口中219%（9%，不過歐盟（包括德國）所占份額之和最大，達到31%。從2002年到2022年，歐盟和美國在知識和技術密集型制造業(yè)出口中的份額略有下降，而中國則增加兩倍多。同期，知識和技術密集型產(chǎn)業(yè)在中國的制造業(yè)出口總額中的占比從47%上升到64%，超過歐盟（60%），與美國（64%）持平。該標準反映了出口商品中所包含的進口部分的價值，當最終產(chǎn)品的國外增加值占總出口增加值的份額越大，則該經(jīng)濟體是采用一種低端增值方式來獲取價值，對價值鏈的控制能力越弱。與美國國外增加（2021造業(yè)，如航空航天（15%）、汽車（28%）和制藥（22%），具有相對較大的國外增加值份額。相比之下，軟件出版商（1%）、信息技術服務（3%）和科學研發(fā)服務（5%）這些知識和技術密集型服務業(yè)的國外增加值份額則較小（27）2017年和2012年以來，美國半導體制造業(yè)（6%）和其他計算機與電子產(chǎn)品制造業(yè)（5%）的國外增加值份額均為個位數(shù)。（四）補充內(nèi)容：關鍵技術和新興技術對比從國內(nèi)發(fā)表成果和國際合作程度來看，中國和美國是人工智能研究的兩大貢獻者。美國國家科學技術委員會確定人工智能和20032022年，中國研究27.413.4萬篇文章。在眾多國家之間的兩兩合作研究中，中美合作發(fā)表的文章數(shù)量新西蘭波蘭捷克土耳其伊朗韓