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重磅发布!《美国科学与工程现状分析》(2024)
作者:元战略观察员 | 2024/3/31 10:30:48 | 浏览:227 | 评论:0

重磅发布!《美国科学与工程现状分析》(2024)

2024年3月,美国国家科学基金会发布《美国科学与工程现状分析》(2024)报告,该报告分析了美国科学与工程在不同时期和背景下的状况。本报告分析了各学段的科学与工程教育、科学与工程人才、公众对科技的看法、美国和国际研发现状以及美国的发明、知识产权和创新,提供了美国在高新技术产业的竞争力等方面的数据。元战略编译该报告重要内容,为洞察美国的科学与工程发展现状提供借鉴。


一、引言

本报告总结了评估美国科学与工程状况的关键指标,并概述了美国在科学与工程各个领域的全球地位。本报告将9份专题报告概括为人才、发现和转化,这三个部分共同支撑着美国在科学、技术和创新领域的全球竞争力,科学与工程人才有助于促进科学发现,而科学发现又会通过创新转化为社会和经济效益。报告第一部分介绍了美国从初等教育到博士教育的科学与工程教育体系和科学与工程人才状况,包括国际学生和工人的贡献,还详细介绍了美国公众对科学家的看法;第二部分是研发,讨论了美国在研发表现最出色的国家中的地位,并分析了美国研发资金的模式以及各经济部门和研发类型的表现;最后一部分重点介绍了科技企业的产出,让人们深入了解美国和其他主要国家和地区是如何为全球知识和创新做出贡献的。


二、重大发现


序号

重大发现

1

评估报告显示,自新冠疫情以来,美国中小学生的数学成绩骤降。从2019年至2022年,四年级和八年级学生的平均数学成绩下降至20年前的水平。

2

美国院校招收的国际科学与工程研究生人数从2020年的约20万人迅速增加到2022年的近31万人。2021年,持临时签证的国际学生约占美国院校科学与工程硕士和博士学位获得者的1/3。

3

到2021年,美国科学与工程人才达到3680万人,占美国劳动力总数的24%。超过一半的科学、技术、工程和数学(STEM)工作者没有学士学位或更高学历。在美国所有科学与工程工人才中,外国出生的占19%,在博士级科学家和工程师中,这一比例为43%。

4

在工程学、计算机和信息科学学位获得者中,女性的比例低于男性。女性在科学与工程劳动力中所占比例偏低,在2021年,这一比例为35%。在本科及以上科学与工程学位获得者中以及在至少拥有本科学位的科学与工程工作者中,西班牙裔或拉丁裔、黑人或非洲裔美国人以及美国印第安人或阿拉斯加原住民的比例偏低。

5

美国是研发规模最大的国家,2021年国内研发总支出达到8060亿美元。其他研发支出最高的国家包括中国(6680亿美元)、日本(1770亿美元)、德国(1540亿美元)和韩国(1200亿美元)。美国也是世界上研发最密集的经济体之一,2021年的研发支出相当于其国内生产总值的3.5%。

6

从2011年到2021年,联邦政府资助的研发绝对额有所增加;然而,由于企业资助的研发大幅增长,联邦政府资助的研发占美国研发总额的比例从2011年的30%下降到2021年的19%。企业部门目前资助了36%的基础研究,接近联邦政府资助的40%的基础研究份额。

7

联邦政府是学术研发的最大支持者,资助了高等教育机构全部研发活动的52%,并在2021年资助了15%的全日制科学与工程研究生。

8

在过去二十年里,在开放期刊上发表的科技文章增加了50多倍,从2003年的19000篇增加到2022年的992000篇。

9

全球科技创新能力指标,如科技研究出版物、专利申请、知识和技术密集型产业产出等,主要集中在美国、东亚、东南亚和欧洲。在过去十年中,中国在全球科技创新能力中所占的份额大幅增加。

10

中国是科技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。美国的出版物在引用率最高的科技研究中占有较大份额,在知识和技术密集型产业服务方面居世界领先地位。这两个国家是全球人工智能研究出版物中最大的贡献者。

11

美国各地的创新能力和科学与工程人才不尽相同。美国的专利申请活动主要集中在沿海地区、五大湖区的部分地区、得克萨斯州和落基山脉,这一分布情况与科学与工程就业、知识和技术密集型产业生产的分布情况类似。


三、美国和全球科学与工程教育与人才


(一)中小学数学与科学

在新冠疫情之前,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,美国八年级学生在国际数学与科学研究趋势评估中的数学(515分)和科学(522分)平均得分与发达经济体的平均分(数学532分,科学527分)相近。东亚和东南亚先进经济体学生的数学和科学平均成绩名列前茅,并明显高于美国学生的平均成绩。新冠疫情导致美国中小学生的学习受到严重干扰,许多学生在2020年3月突然转为远程教学。与大流行前的2019年相比,2022年美国学生的数学成绩急剧下降。

(二)美国的科技高等教育

美国的科学与工程领域在很大程度上依赖于科学与工程高等教育学位的获得者。在过去的十年中,科技领域授予的证书和学位数量在各个学位层次都有所增长,科技领域授予的学位总数(包括所有职业教育和副学士学位、学士学位、硕士学位和博士学位)从2012年的98.2万个增至2021年的131万个。除博士学位外,所有层次的科学与工程学位授予比例都有所上升,科学与工程学位授予比例最高的是博士层次。许多美国人群体在科技教育学位获得者中的比例仍然偏低。科学与工程领域授予的高等教育学位数量和增长情况因学位级别而异。在2021年授予的所有科学与工程学位中,学士学位占66%,其中授予社会科学学士学位的人数最多,其次是心理学、生物和生物医学科学以及工程学。

(三)国际科技高等教育和学生流动性

2020年,印度授予250万个科学与工程本科学位,其次是中国和美国。按百分比计算,从2011年到2020年,墨西哥和土耳其的科学与工程本科学位授予数量增长最快。美国在科技博士学位授予方面长期处于世界领先地位,但在2019年被中国超越。自2007年以来,中国一直是自然科学领域和工程学领域博士学位授予数量最多的国家。印度在2010年代中期授予的科学与工程博士学位数量迅速增长。美国中学后适龄人口(20-34岁)中获得科技学位的比例远高于中国和印度;但美国获得科技博士学位的人口比例低于英国或德国。大多数留学生选择赴美留学。2020年,美国接收了全球15%的国际学生。

(四)科学与工程人才市场与经济

到2021年,美国的科学与工程人才达到3680万人,从事需要科学与工程知识和专业技能的各种职业,占美国劳动力总数的24%。在过去十年中,科学与工程人才在数量和占总劳动力的比例上都有所增长。2011年至2021年间,科学与工程人才在美国劳动力中所占比例从22%增长到24%。从教育程度来看,拥有学士学位或更高学位的科学与工程人才的增长(570万)高于熟练技术人才的增长(140万)。在此期间,科学、技术、工程和数学(STEM)劳动力的增长在不同类型的STEM职业中的分布也不均衡。从2011年到2021年,从事科学、技术和工程职业的人数增长了62%(360万人),而从事科学、技术和工程相关职业的人数增长了26%(280万人),从事中等技能职业的人数增长了6%(80万人)。从事科学与工程职业的工人比非科学与工程行业的工人就业率更高,收入中位数也更高。全美科学与工程工作者的普遍程度参差不齐。

(五)科学与工程人才队伍的人口构成

2021年,女性在科学与工程中所占的比例为35%,低于她们在美国就业人口中所占的比例(47%)。就科学与工程职业类型而言,女性在科技与教育职业(27%)和中等技能职业(10%)中占少数,但在科技与教育相关职业中占多数(65%)。在科学与工程人才队伍中,以及在相关职业类型中,种族和民族的代表性也各不相同。2021年,黑人或非洲裔美国人、西班牙裔或拉丁裔美国人以及美国印第安人或阿拉斯加原住民共占科学与工程人才的23%,而在美国总劳动力中的比例为30%。2021年,外国出生的工人(无论是否为美国公民)占科学与工程人才的19%。美国国家科学委员会认为在美国从事与关键技术和新兴技术相关的职业人员中,有一半以上出生在国外,印度和中国是美国外国出生科技工作者的主要出生地,分别占所有外国出生科技工作者的29%和12%。毕业时持临时签证的美国培养的科技博士生是美国科学与工程工作者的重要来源。居留率因博士学位领域和获得学位时的国籍而异。工程学是临时签证持有者最常见的科学与工程博士专业,其10年居留率为72%。

(六)美国人对科学家的看法

几十年来,美国人对科学家的信任度一直居高不下,尽管这一信任度因教育水平而异,且近年来有所波动。2022年,77%的美国成年人表示"非常有信心"或"相当有信心"科学家会以公众的最佳利益为重。教育程度较高的成年人通常对科学家表示出最大程度的信任,而教育程度最低的成年人则表示出最小程度的信任。


四、美国与全球研发

(一)全球研发

根据经济合作与发展组织的统计数据,美国是研发表现最好的国家,2021年国内研发总支出为8060亿美元。研发表现排名第二的中国在2021年的研发支出为6680亿美元。近年来,研发支出的增长在研发表现最好的国家之间有很大差异。根据经合组织的统计数据,中国的国内研发总支出从2000年代中期开始快速增长,2009年超过日本,2013年超过欧盟27国研发支出的总和。从2011年到2021年,美国的研发支出增长了89%,高于法国(44%)和德国(60%),但低于韩国和中国台湾地区,这两个国家的研发支出都翻了一番。在研发表现最好的国家中,日本的增长速度最慢,从2011年到2021年,研发支出只增长了20%。主要研发大国的研发与国内生产总值(GDP)比率各不相同,即研发强度。美国的研发支出最高,2021年的研发强度为3.5%。然而,几个研发总支出低于美国的较小经济体的研发强度较高,如韩国(4.9%)。各国在基础研究、应用研究和试验性开发三类研发中分配不同的研发支出份额。2021年,美国研发总支出的15%(1190亿美元)用于基础研究,18%(1460亿美元)用于应用研究,67%(5400亿美元)用于实验开发。在研发表现最出色的国家中,商业部门是最大的研发资金提供者,政府、高等教育和私人非营利机构提供的研发资金所占比例较低。

(二)美国研发绩效和资金趋势

虽然美国企业部门进行的研发最多,但其他部门也进行并资助国内研发。企业部门是研发绩效的主要驱动力。企业进行的研发占2011年至2021年研发增长的87%。商业部门资助了美国进行的大部分研发活动,占2021年美国研发资金的75%,其次是联邦政府,资助了19%的研发活动。美国研发活动的大部分是实验开发(67%)和应用研究(18%),商业部门在这两类研发活动中最为活跃。商业部门专注于新产品和改良产品、服务和流程,占美国实验开发的91%和应用研究的62%。联邦研发资金从2011年的1270亿美元增至2021年的1480亿美元,但联邦政府资助的研发资金占研发资金总额的比例却从30%降至19%。高等教育机构是基础研究最重要的执行者,在很大程度上依赖联邦政府对研发的支持。

(三)联邦机构对研发和科学与工程研究生的资助

2021年,联邦政府研发预算的绝大部分分配给了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%)。其余大部分联邦研发预算分配给了能源部(7%)、美国国家航空航天局(6%)和国家科学基金会(4%)。与新冠疫情相关的补充刺激资金大大增加了卫生与公共服务部用于实验开发的研发份额(44%),而在大流行病发生前的几年,实验开发在美国卫生与公众服务部研发总支出中所占份额很小。2021年,联邦政府资助了15%的全日制科学与工程研究生(主要是博士生),比2004年最高的21%有所下降。联邦政府资助的科学与工程博士生比例高于科学与工程硕士生。


五、美国与全球科技创新能力


(一)研究出版物

从全球来看,2022年有六个国家的同行评议科技出版物占全球总数的50%以上:中国(27%)、美国(14%)、印度(6%)、德国(3%)、英国(3%)和日本(3%)。在2016年之前,美国一直是科技产品的最大生产国,之后中国一直是主要生产国。从2003年到2022年,美国的年度科技出版物增加了约1/3,而中国增加了约10倍,印度增加了8倍。按领域和地区、国家或经济体划分的出版物分布情况是衡量研究重点和能力的指标之一。在美国、英国、德国和日本,2022年发表的期刊论文中,健康科学领域所占比例最大。在中国,工程学领域所占比例最大。在印度,计算机和信息科学领域所占比例最大。美国研究人员撰写的科技出版物具有很高的影响力,这是以其被引用的次数来衡量的。从2003年到2019年,美国的高被引文章指数稳定在1.8到1.9之间,但在2020年降至1.7。中国和印度的高被引文章指数与科学出版量同步增长,中国的高被引文章指数从2003年的远低于基线(0.5)上升到2020年的1.3。2003年至2022年间,通过各类开放式获取期刊发表的科技文章数量的增长百分比远高于在传统封闭式获取期刊上发表的文章。

(二)发明与创新

全球专利活动最多的国家是中国(2022年国际专利申请量为69000件)、美国(58000件)、欧盟27国(51000件)和日本(48000件)。2010年代,来自中国发明者的国际专利申请数量迅速增长,导致全球专利申请的平衡发生了重大变化。虽然2015年美国的国际专利申请量是中国的两倍多,但到2020年,两国的申请量相差无几,中国在2021年首次超过美国。在所有国家中,2022年国际专利申请量最大的技术类别是电气工程(37%),其次是化学(22%)、仪器(17%)和机械工程(16%),其他领域占其余的7%。外国发明人在美国专利商标局专利中所占的比例从2012年的52%上升到2022年的56%,反映了美国专利日益国际化的长期趋势。专利活动在全美分布不均,在科学与工程工作者以及知识和技术密集型产业高度集中的地区,专利活动最为活跃。专利密集度最高的地区一般位于美国东北部、西海岸、五大湖区的部分地区、德克萨斯州和落基山脉。美国的专利申请率与发明人的人口特征也不平衡。在过去二十年中,女性发明人的比例有所上升,但女性发明人所占比例仍然过低。美国与大学相关的新创公司从2000年的近400家增加到2021年的1000多家。在2018年至2020年的3年间,平均有9%的美国企业(包括42%的软件出版商)推出了新产品。许多创新率最高的行业都在研发方面投入巨资,包括计算机和电子制造业以及信息技术(IT)密集型服务业。从2013年到2022年,美国的风险资本投资增长了5倍,但这一增长速度低于全球风险资本投资的平均增长速度。

(三)知识和技术密集型产业产出

2021年,全球知识和技术密集型产业的附加值产出为10.6万亿美元,其中知识和技术密集型服务业为3.3万亿美元,制造业为7.3万亿美元。从2012年到2021年,全球知识和技术密集型服务业的附加值产出增长了68%,制造业的附加值产出增长了41%。美国是知识和技术密集型产业服务的最大提供者,2021年的增值产出为1.3万亿美元。美国的知识和技术密集型产业服务产出从2012年到2021年翻了一番多,在全球知识和技术密集型产业服务中的份额从2012年的30%增加到2021年的39%。与此同时,中国的知识和技术密集型产业制造业产出翻了一番多,全球份额从22%(1.1万亿美元)增至33%(2.4万亿美元)。美国是航空和航天器、医疗和牙科器械两个知识和技术密集型产业制造业的最大生产国。2022年,全球知识和技术密集型产业制造业出口总额为11.4万亿美元。与2021年相比,出口总额增长了6.5%。2022年,在全球知识和技术密集型产业制造业出口中所占份额最高的国家是中国(21%)、美国(9%)和德国(9%)。从2002年到2022年,欧盟27国和美国的知识和技术密集型产业制造业出口在全球所占份额略有下降,而中国在全球所占份额增加了两倍多。同期,中国制造业出口总额中的知识和技术密集型产业份额从47%上升到64%,超过了欧盟27国的份额(60%),与美国的份额(64%)相当。与美国所有出口总额的平均进口含量份额(2021年为11%)相比,美国的知识和技术密集型产业制造业具有相对较高的外国附加值份额。相比之下,知识和技术密集型产业服务业的外国附加值份额要低得多。


六、结 论


美国在科学、技术和创新领域的全球竞争力得益于国家在科学与工程人才方面的投资和能力、研发驱动的发现以及通过创新将知识转化为经济和社会效益。本报告提供的数据显示了美国在全球科技与创新领域地位的不断变化。新冠疫情对科技教育和研究造成了短期干扰,并导致美国中小学数学学生的数学成绩大幅下降。就长期趋势而言,科技资源和活动的总体水平已转向东亚和东南亚,特别是中国。美国是卫生科学出版物以及化学和仪器专利的主要来源,而中国则是科技博士学位、科技出版物总量和国际专利的最大生产国。美国的研发总量超过任何其他国家,是迄今为止基础研究领域最大的国家。然而,美国的研发体系在很大程度上依赖于在外国出生的科学家和工程师,尤其是博士。美国并没有在科技创新的所有方面占据主导地位,而是凭借其大学作为留学生首选之地的优势、其科技研究的高被引次数和广泛合作,以及在知识和技术密集型产业服务领域的全球领导地位,展现出其独特的竞争力。



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