全球科學(xué)與工程研究現(xiàn)狀

Dana Mackenzie

Senior Technology Writer

2020年1月，美國國家科學(xué)委員會公布了關(guān)于美國和世界科學(xué)與工程（S&E）研究狀況的每兩年一期的報告[1]?？茖W(xué)的整體健康狀況從未像現(xiàn)在這樣好——根據(jù)該報告，自2000年以來，世界范圍內(nèi)用于研究和開發(fā)（R&D）的資金增加了3倍。美國國家科學(xué)委員會主席、馬薩諸塞州梅德福塔夫茨大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與數(shù)學(xué)教授Diane Souvaine說：“全世界都意識到了開發(fā)新知識對促進(jìn)經(jīng)濟(jì)繁榮的重要性?！?/p>

根據(jù)這份報告可知，中國和亞洲其他國家在過去的20年在科學(xué)與工程研究方面取得了長足的進(jìn)步。到2017年，也就是可獲得數(shù)據(jù)的最后一年，中國在科學(xué)與工程研發(fā)方面的年度投資總額幾乎趕上了美國（圖1）[1]。之后的兩年中，據(jù)非官方數(shù)據(jù)統(tǒng)計，中國的年度研發(fā)投資總額幾乎超過了美國[2]。兩國的研發(fā)支出合計占世界研發(fā)總支出的48%。

然而，把科學(xué)看成中美之間的競賽是不恰當(dāng)?shù)?。Souvaine說，科學(xué)研究不是“零和游戲”（zero-sum game）。一個國家花費的研究經(jīng)費不僅有益于該國家，而且，只要信息公開共享，就會使其他國家受益。

圖1. 2000—2017年，按選定的地區(qū)、國家或經(jīng)濟(jì)體劃分的國內(nèi)研發(fā)總支出。美國和中國的國內(nèi)研發(fā)總支出（美元）居世界領(lǐng)先地位，到2017年，中國幾乎趕上了美國。2000—2017年，中國和韓國的國內(nèi)研發(fā)總支出增長尤為強勁。EU：歐盟；PPP：購買力平價。注：圖中數(shù)據(jù)來自研發(fā)支出排名前8的國家和歐盟成員國。并非所有國家所有年份的數(shù)據(jù)都能獲得。此處歐盟包括法國、德國和英國。圖中美國的數(shù)據(jù)反映了計算研發(fā)總支出的國際標(biāo)準(zhǔn)，與美國國家科學(xué)與工程統(tǒng)計中心（NCSES）關(guān)于計算美國研發(fā)總額的協(xié)議略有不同。數(shù)據(jù)來源：NCSES的《研發(fā)資源國家模式》；經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）的《主要科學(xué)技術(shù)指標(biāo)2019/1》；聯(lián)合國教育、科學(xué)及文化組織（UNESCO）統(tǒng)計、研究和實驗發(fā)展研究所數(shù)據(jù)集[1]。圖片來源：美國國家科學(xué)基金會。

進(jìn)入21世紀(jì)20年代，美國和中國面臨著截然不同的情況。在美國，研究的“強度”，即研究支出占國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的百分比多年來保持相對穩(wěn)定（圖 2）[3]。然而，其資金的來源和分配發(fā)生了巨大變化[3]。在20世紀(jì)60年代，美國聯(lián)邦政府是科學(xué)與工程研發(fā)的最大贊助者。而現(xiàn)在，它只提供22%的資金。這部分減少的金額已通過增加商業(yè)資金得到補償。然而，這兩個資金來源具有不同的優(yōu)先級。Souvaine說：“商業(yè)研究集中在某些行業(yè)，如計算機(jī)、航空航天和制藥。只有聯(lián)邦政府才能對整個研究企業(yè)做出戰(zhàn)略性的長期承諾?！边@一承諾多年來一直依靠通貨膨脹調(diào)整后的美元維持，而GDP的增長則更快。隨著GDP的上升，聯(lián)邦政府的研發(fā)承諾應(yīng)該如何緊隨GDP的增長一直是政治辯論的主題[4]。

不太明顯的是，大學(xué)和非營利基金會已經(jīng)加大了對科學(xué)研究的支持力度（見圖2中的下部曲線）。資金主要被用于基礎(chǔ)研究，即在沒有特定商業(yè)應(yīng)用的情況下進(jìn)行的研究。在美國，有17%的資助研究是基礎(chǔ)研究，而在中國只有6% [1]。其他一些西方國家甚至更高，如法國占21%。紐約伊薩卡康奈爾大學(xué)工程與應(yīng)用數(shù)學(xué)教授、圖靈獎獲得者（1986年）John Hopcroft說：“對沒有應(yīng)用價值的基礎(chǔ)研究的投資是美國所做的最好的投資之一。”他經(jīng)常擔(dān)任中國在教育問題方面的顧問[5]。John Hopcroft指出：“基礎(chǔ)研究的方向各不相同，但大多沒有什么影響。偶爾有人會做一些事情，創(chuàng)造了一個全新的學(xué)科，提供了數(shù)百萬個就業(yè)機(jī)會，并為我們的國內(nèi)生產(chǎn)總值增加數(shù)十億美元?！?/p>

John Hopcroft稱贊中國在教育方面的巨大投資推動了其科學(xué)的繁榮（圖3）[1]?！爸袊庾R到一場信息革命正在進(jìn)行。過去，能源和物質(zhì)資源造就了強大的國家。未來，他們相信所有國家都能獲得能源和物質(zhì)資源，而真正造就偉大國家的將是人才?！?/p>

John Hopcroft說，但在某些方面，中國的教育體系可能會抑制其年輕人才的發(fā)展。他說：“一方面，中國注重客觀的評估手段，如資金和出版物數(shù)量。但教育如此復(fù)雜，客觀的衡量標(biāo)準(zhǔn)無法體現(xiàn)其真正的本質(zhì)。”潛在問題的一些特征是，中國的大學(xué)機(jī)構(gòu)對學(xué)生人數(shù)有配額，這意味著學(xué)生實際上不能在最令人興奮的領(lǐng)域進(jìn)行訓(xùn)練。青年教師必須要為資深教師服務(wù)，而沒有自己的創(chuàng)新想法?？蒲袡C(jī)構(gòu)仍然面臨著較大的實驗研發(fā)壓力，這意味著國家對教育和基礎(chǔ)研究的關(guān)注較少[5,6]。

或許正是由于這些原因，國家統(tǒng)計局的報告發(fā)現(xiàn)，即使在過去3年里，在美國的中國研究生人數(shù)一直在增加[7]。這表明，許多中國學(xué)生正在美國尋找就業(yè)機(jī)會，85%的中國研究生在獲得博士學(xué)位后在美國仍然要呆至少5年[1]。顯然，美國仍然是“國際流動”（internationally mobile）人才的有力競爭者，并從他們職業(yè)生涯開始階段就能擁有這些人才。因此，Souvaine說，“美國需要盡其所能保持研究環(huán)境的開放性，歡迎國際學(xué)生，同時在培養(yǎng)國內(nèi)人才方面做更多的工作。我們不應(yīng)該試圖超越中國。我們需要成為最好的自己?！?/p>

圖2. 按聯(lián)邦、商業(yè)和其他非聯(lián)邦研發(fā)資金角色劃分的1953—2017年美國研發(fā)支出占GDP的比率。在美國，研發(fā)支出占GDP的比率在1964年達(dá)到峰值，但之后在2017年首次超過這一峰值。資金來源發(fā)生了巨大的變化，商業(yè)研發(fā)資金（紅色）現(xiàn)在比聯(lián)邦研發(fā)資金（黃色）所占比例高，而其他非聯(lián)邦研發(fā)資金（綠色，主要是大學(xué)和基金會）開始產(chǎn)生重大影響。注：2017年數(shù)據(jù)為初步數(shù)據(jù)，以后可能會對其進(jìn)行修訂。聯(lián)邦資助數(shù)據(jù)代表聯(lián)邦政府是所有執(zhí)行者研發(fā)的資助機(jī)構(gòu)，與商業(yè)資助數(shù)據(jù)類似，其他非聯(lián)邦資助數(shù)據(jù)包括由所有其他來源（主要是高等教育、非聯(lián)邦政府和其他非營利組織）資助的研發(fā)。圖中使用的GDP數(shù)據(jù)反映了美國經(jīng)濟(jì)分析局對2018年7月國民收入和產(chǎn)品賬戶的全面修訂以及2019年7月的年度更新。資料來源：NCSES的《國家科學(xué)基金》《研發(fā)資源國家模式》（年度系列）[3]。圖片來源：美國國家科學(xué)基金會。

圖3. 2000—2016年按特定地區(qū)、國家或經(jīng)濟(jì)體劃分的科學(xué)與工程學(xué)士學(xué)位。從2002年開始，中國授予的科學(xué)與工程學(xué)士學(xué)位數(shù)量急劇上升，目前中國在世界上遙遙領(lǐng)先。歐盟前6名的國家為法國、德國、意大利、波蘭、西班牙和英國。注：并非所有地區(qū)、國家或經(jīng)濟(jì)體所有年份的數(shù)據(jù)都能獲得。為了便于進(jìn)行國際比較，美國的數(shù)據(jù)來源于OECD報道的數(shù)據(jù)，這與報告的其他部分所描述的NCSES的領(lǐng)域分類略有不同。歐盟前6名的數(shù)據(jù)包括2016年獲得科學(xué)與工程學(xué)士學(xué)位數(shù)量最多的6個歐盟國家，即法國、德國、意大利、波蘭、西班牙和英國的匯總數(shù)據(jù)，日本的數(shù)據(jù)來源在2014年發(fā)生了變化，可能會導(dǎo)致時間序列中斷。資料來源：OECD的2019年《教育和培訓(xùn)指標(biāo)》；歐盟統(tǒng)計局教育和培訓(xùn)數(shù)據(jù)庫；日本教育、文化、體育、科學(xué)和技術(shù)部各年份《教育調(diào)查報告》；中國國家統(tǒng)計局各年份《中國統(tǒng)計年鑒》；中國臺灣地區(qū)教育部門各年份《教育統(tǒng)計報告》 [1]。圖片來源：美國國家科學(xué)基金會。