《美国科学与工程现状分析》（2024）

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。

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。

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。

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。

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%。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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作者丨Allen Wang