通常意义上的科研效率与人力、物力的投入及产出有关。由于科研人员、经费投入与科研产出的关联数据难以获得,本报告将科研规模和科研效率的内涵均限定在科研产出的范畴内,将论文产出视为“投入”,投入后产生的效果视为“产出”,效率指投入产出的比值。

根据以上思路,本报告从科研规模、科研效率两个视角出发,设计了6个指标、2个综合指数。6个指标包括：3个科研规模分析指标——论文数量、引文数量、重要成果数量;3个科研效率分析指标——重要成果份额、篇均引文、通讯作者份额。2个综合指数——规模指数和效率指数,分别以对应的3个指标为基础,揭示国家在科研规模和科研效率方面的整体表现。指标体系如图1所示。

6个指标的得分在各学科数据基础上进行计算。学科数据汇总时为规避学科研究体量、引文特征差异等造成的各学科权重不同,利用学科归一化方法赋予各学科相同的权重。规模指数、效率指数及6个指标的定义如下。

国家的规模指数S_j由归一化之后的论文数量指标P_j、引文数量指标C_j、重要成果数量指标E_j三部分组成：

j代表国家。

◆ 论文数量指标P_j

对于国家j而言,P_j是其各学科论文数量所占世界份额之和。P_j的计算公式如下：

i代表学科,n代表学科数量,P_ij为j国i学科的论文数量,P_iw为世界i学科的论文数量。

◆ 引文数量指标C_j

对于国家j而言,C_j是其各学科引文数量的世界份额之和。C_j的计算公式如下：

i代表学科,n代表学科数量,C_ij为j国i学科的引文数量,C_iw为世界i学科的引文数量。

◆ 重要成果数量指标E_j

本报告重要成果的统计依据为学术声望较高的期刊(期刊名单见附表1)论文。期刊名单由国内相关领域专家遴选确定。

对于国家j而言,E_j是其各学科重要成果数量的世界份额之和。E_j的计算公式如下：

i代表学科,n代表学科数量,IP_ij'为j国i学科以通讯作者发表的重要成果数量,IP_iw为世界i学科的重要成果总数。

需要特别指出的是,本报告中国家重要成果的计算只考虑通讯作者。

国家的效率指数EF_j由归一化之后的重要成果份额指标EP_j、篇均引文指标EC_j、通讯作者份额指标EE_ij三部分组成：

j代表国家,EP_j、EC_j、EE_ij的定义及计算公式如下。

◆ 重要成果份额指标EP_j

重要成果份额(本国份额),即重要成果数量与全部论文数量的比值,将国家发表的全部论文视为“投入”、重要成果视为“产出”,用于测度国家重要成果产出的效率。

对于国家j而言,EP_j是其各学科的相对重要成果份额(重要成果份额/世界均值)之和,计算公式如下：

i代表学科,IP_ij'为j国i学科以通讯作者发表的重要成果数量,P_ij'为j国i学科以通讯作者发表的论文数量,IP_iw为世界i学科的重要成果总数,P_iw为世界i学科的论文数量,n代表学科数量。

◆ 篇均引文指标EC_j

篇均引文指标通常用于规避论文体量对引文数量的影响,评估每篇论文的平均学术影响力。从另一角度看,篇均引文将国家发表的论文视为“投入”,产生的学术影响力视为“产出”,可以反映国家学术影响力的产出效率。

对于国家j而言,EC_j是其各学科的相对篇均引文(篇均引文/世界均值)之和,计算公式如下：

i代表学科,P_ij为j国i学科的论文数量,C_ij为j国i学科收到的引文数量,P_iw为世界i学科的论文数量,C_iw为世界i学科的收到的引文数量,n代表学科数量。

◆ 通讯作者份额指标EE_j

通讯作者是科研活动中发挥主导作用的作者。本研究将通讯作者份额分析限定在重要成果范围内。通讯作者份额,即通讯作者论文量与本国全部论文量的比值,将重要成果视为“投入”,通讯作者身份发表的重要成果视为“产出”,可以反映占据主导地位的重要成果产出效率。

对于国家j而言,EE_ij是其各学科相对通讯作者份额(重要成果的通讯作者份额/全部论文的通讯作者份额)之和,计算公式如下：

i代表学科,IP_ij'为j国i学科以通讯作者发表的重要成果数量,IP_ij为j国i学科的所有重要成果数量,P_ij'为j国i学科以通讯作者发表的论文数量,P_ij为j国i学科的所有论文数量,n代表学科数量。

本报告采用科睿唯安公司(Clarivate Analytics)的Web of Science数据库论文,即SCI论文作为分析依据。统计口径如下：

作者统计口径：在分析重要成果时,为突出反映通讯作者的核心贡献,采用了通讯作者的统计方式。其余章节均采用全作者统计口径。

学科分类体系：考虑到国家层面科研竞争力分析时的学科划分力度,本报告采用了OECD的学科分类体系,共25个学科类目(含3个综合学科类目),其中有明确学科内涵的类目22个。

重要成果界定：本报告采用定性评估的方法遴选重要成果。重要成果来自各学科学术声望较高的重要期刊论文。重要期刊的确定基于对专家的调研结果。期刊遴选时综合考虑了学科体量、期刊载文量、期刊类型(基础研究或应用研究)等因素。各学科期刊的数量在10种以内。重要期刊列表见附表1。

引文(被引频次)：采用的引文统计口径为累计论文的即年引文,即论文的统计时间窗为累计年,引文统计时间窗为当年。某一年的引文是指截止到该年的所有论文在当年收到的引文数量。例如：2013年的引文指截止到2013年发表的所有论文在2013年收到的引文。

样本国家和案例国家：样本国家选取了2015年SCI论文数量排名前20名的国家/地区。在部分章节,为挖掘样本国家的共性特征,将样本国家大致划分为科技强国(美国、英国、德国、法国)和新兴科技国家(中国、韩国、印度、巴西)两种类型。

由于中国在部分指标得分已居于世界第2位,为加强数据对比的针对性,在部分章节选取了世界第1位的美国作为案例国家。

图2是2015年样本国家的规模指数和效率指数的二维图(坐标原点分别为样本国家两个指数得分的中位数),可以直观显示出主要国家在两个指标上的表现。表1与表2分别列出了两个指标的得分情况。

图2及表1、表2的数据表明：美国、英国、德国、加拿大、法国等主要科技强国位于第一象限,其规模指数和效率指数超出了中位数,处于领先位置。其中,美国表现尤为突出,其规模指数超过了20,在排行榜中独占鳌头,其余国家该指标得分均低于5;美国的效率指数得分也接近100,以微弱的劣势落后于瑞士,排名世界第二。

图2中第二象限国家的特点是研究规模较小,科研效率较高,例如瑞士、荷兰和瑞典,这几个国家的规模指数低于中位线,但其科研产出的效率较高。如：瑞士的规模指数仅为1.40,位列排行榜第14位,效率指数却高达100.96,位列首位。

以中国为代表的新兴科技国家均坐落在图2的第三或第四象限。这些国家的共同特征是效率指标低于中位数,反映出新兴科技国家科研活动产出效率相对较低。其中,中国位于第四象限,中国的规模指数得分为10.32,位列样本国家的第2位。这一指标得分虽不可与美国相媲美,但以较大优势领先于其他样本国家,是第3名英国的2倍多。然而,中国的效率指标得分仅为57.47,位列效率指标排行榜的第12位。同期主要科技强国效率指标得分基本都在70以上,中国与之相比还存在显著差距。韩国、巴西、印度等国处于第三象限,无论是规模指数还是效率指数在样本国家中均处于低位(见图2,表1,表2)。

从规模指数的变化看：2011–2015年中国的规模指数得分逐年上升,由6.35增加到10.32,表明中国SCI论文数量、引文量、重要成果数量均以较快的速度增长。同期,美国及其他主要科技发达国家的这一指数呈小幅下降趋势。从效率指数的变化看,2011–2015年TOP10国家中除了英国、西班牙略有下降外,多数国家的得分呈小幅上升趋势。同期,多数科技新兴国家,如印度、巴西、土耳其、伊朗等国的效率指数均有不同程度的下降。与上述国家不同,中国的科研效率指标得分由54.22增加至57.47(见表2)。整体而言,在科研效率方面多数新兴科技国家与发达国家的差距在加大。

统计及分析结果显示,中国的规模指数得分较高,具有较大优势,在样本国家中仅次于美国,领先于其他科技强国,已经具备相当的研究规模,是名副其实的科研产出大国。在规模取得快速突破的同时,中国科研效率的得分与科技强国有一定差距。

3.2.1 中国在工程技术领域具有论文数量优势;在生命科学领域,中国不断缩小与美国的产出规模差距

从2015年样本国家发表SCI论文的数量看,美国的SCI论文数量为32.0万篇,远超其他国家。中国以24.9万篇的论文产量位列世界论文排行榜的第2位,以较大优势领先于英国(9.2万篇)、德国(9.0万篇)等世界科技强国(见附表2)。

从各学科的SCI论文产出看,2015年,中国发表SCI论文数量最多的3个学科均属于物质科学领域,分别为化学、物理与天文科学和材料工程,论文数量分别为5.6万篇、3.6万篇和3.3万篇。美国、英国、德国等科技强国产出规模最大的学科大多集中在生命科学领域。以美国为例,产出规模最大的3个学科依次为：临床医学、生物学和基础医学,2015年论文数量分别为9.1万篇、5.6万篇和4.1万篇。与美国相比,中国在上述学科的SCI论文数量分别为美国的32.1%、55.4%和59.4%。虽然中国与美国仍然存在很大差距,但与2014年的数据(28.1%、48.0%和46.4%)相比^[1],差距在不断缩小(见附表2)。

图3列出了2015年科技强国与新兴科技国家各学科论文的世界份额,以规避学科间的体量差异,有利于学科间的横向对比。中国在材料工程等多个工程类学科的SCI论文的世界份额都接近30%,远高于本国其他学科,工程技术领域是中国相对优势的学科。同期,中国在生命科学、农业科学领域的世界份额落后于其他学科,生命科学、农业科学是中国的相对弱势学科。除中国外,韩国、印度等新兴科技国家的不同学科的分布格局与中国呈现类似的特征。美国、英国等科技强国论文产出的学科分布与中国基本相反,生命科学领域在上述国家的学科布局中具有突出优势。以美国为例,美国论文世界份额接近或超过30%的学科均来自生命科学领域(生物学、医学工程、基础医学、临床医学、健康医学)(见图3)。

3.2.2 纳米技术、材料工程的引文世界份额居中国各学科的前列

附表4列出了2015年样本国家各学科的引文数量。中国2015年共计获得342.4万次引文,列世界引文排行榜的第4位,被引用量分别相当于美国、英国、德国被引量的21.1%、81.7%和95.7%(见附表4)。

从各个学科获得的引文数量来看：2015年,中国在化学、材料工程、物理与天文科学的SCI引文量最多,分别为120.8万次、56.5万次和52.7万次。与论文产出规模的表现类似,以美国为代表的科技强国在生命科学领域的影响力规模大于其他学科,例如：美国2015年SCI引文数量最多的3个学科是临床医学、生物学和基础医学,引文数量依次为408.3万次,372.8万次和231.8万次(见附表4)。

图4列出了2015年科技强国与新兴科技国家各学科引文的世界份额,以规避学科间的引文特征不同导致的体量差异,有利于横向对比不同学科的影响力规模。图4数据表明,中国引文世界份额的表现与论文类似：2015年,中国在纳米技术、材料工程、工业生物技术等工程类学科的引文世界份额高于其他学科,而生命科学及农学相关学科的份额在各学科中相对较低。其中,纳米技术的引文份额最高,达到27.8%,健康医学的引文份额最低,仅为2.9%。再来看美国的数据,美国在医学、地球科学、数学、物理与天文领域的引文世界份额均超出了40%,说明美国上述学科SCI论文的学术影响力具有显著优势(见图4)。

3.2.3 中国的重要成果主要来自工程领域;生命科学领域是中国重要成果产出的薄弱学科。美国重要成果的学科分布呈现出与中国相反的特点

附表6列出了2015年样本国家在22个学科发表的重要成果数量。从附表6可以看出,由于不同学科研究内涵的宽泛程度存在差异,因此样本国家在研究体量相对较大的学科会发表数量较多的重要成果。例如多数样本国家在物理与天文科学领域发表的重要成果数量居于本国各学科之首。为了规避学科体量差异在分析各国不同学科重要成果产出水平时的影响,本节采用了各学科重要成果的世界份额作为学科间对比的依据(见附表6)。

图5显示了中国、美国两国2015年22个学科重要成果的世界份额。观察图5可以看出：化学工程、机械工程、环境生物技术等学科位列中国各学科重要成果份额榜的前列,工程相关学科的世界份额整体排名较之其他学科靠前;而基础医学、临床医学、健康医学、生物学等生命科学领域学科的世界份额均低于3%。整体来看,2015年中国重要成果世界份额的学科分布呈现出工程领域优势凸显、生命科学领域相对薄弱的分布特征(见图5)。

美国2015年重要成果世界份额的学科分布呈现出与中国互补的特征。美国的基础医学、健康医学、生物学等学科的重要成果世界份额超过了50%,相当于中国在上述学科世界份额的20多倍,说明在上述学科中全球50%以上的重要成果来自美国。与其他学科(除综合性期刊)的份额相比,美国医学领域的学科居于本国的前3位。可见,美国在生命科学领域的重要成果产出优势非常突出。农学、工程领域相关学科是美国份额相对较低的学科,多数学科的世界份额低于20%(见图5)。

3.3.1 中国在22个学科中有16个学科的重要成果产出效率低于世界基线

重要成果份额揭示了各国重要成果的产出效率。为了比较各国不同学科的重要成果产出效率,本报告采用了归一化之后的重要成果份额指标(算法见指标说明)。图6-1至图6-8展示了部分科技强国与新兴科技国家22个学科的相对重要成果份额,基线为世界均值。对于某个国家而言,当该国在A学科的相对重要成果份额大于1时,说明该国在A学科的重要成果产出效率大于该学科的世界平均水平。反之说明低于世界平均水平。

观察中国各学科的指标得分可以看出：在全部22个学科中,中国有6个学科的指标得分大于1,说明这几个学科中国的重要成果产出效率高于世界平均水平。其中,兽医学、农业2个研究规模较小的农业学科的产出效率最高,指标得分接近2;除上述两个学科外,化学工程、环境生物技术、机械工程、土木工程等工程类学科的指标得分超过1,位于各学科的前列。生命科学相关学科的重要成果产出效率相对较低,基础医学、临床医学、生物学等学科的指标得分均不足0.3。

前文的分析中提到,在论文数量指标方面,工程类学科是中国的优势学科,而生命科学相关学科则表现相对弱势。各学科重要成果份额指标的分析表明,工程领域的优势学科不仅在论文数量上具有优势,在重要成果产出效率方面也同样表现出色,而“弱势”学科则无论在科研规模和重要成果产出效率方面都有提升的空间。

分析其他新兴科技国家如韩国、印度和巴西的数据后发现,这些国家多数学科重要成果产出效率不及中国。以印度为例,印度仅有一个学科(环境生物技术)的重要成果份额略超世界基准线。巴西仅在电气与电子工程有较高的重要成果产出效率,有3个学科的得分接近(但略低于)世界平均水平,其余学科的重要成果产出效率低于世界均值。

对比科技强国美国、英国、德国和法国的数据,美国只有一个学科(兽医学)的重要成果产出效率低于世界均值,其余学科的重要成果份额均以较大幅度超过世界平均值。

3.3.2 中国在22个学科中有14个学科的篇均引文高于世界基线,其中,医学工程、土木工程和环境工程的篇均引文列前3位

篇均引文指标揭示了论文学术影响力的产出效率。为了比较各国不同学科的篇均引文,本报告采用了归一化之后的篇均引文指标(算法见指标说明)。图7-1至图7-8展示了部分科技强国与新兴科技国家22个学科的相对篇均引文,基线为世界均值。对于某个国家而言,当该国在A学科的相对篇均引文大于1时,说明该国在A学科的学术影响力效率大于该学科的世界平均水平。反之说明低于世界平均水平。

从图7系列可以看出：科技强国多数学科的篇均引文超过了世界基线。例如美国全部学科的篇均引文指标均大于1,英国仅有1个学科低于世界均值。而新兴科技国家则多数学科的相对篇均引文指标小于1。例如韩国有19个学科、巴西全部学科、印度有17个学科的篇均引文低于世界均值。

中国篇均引文指标的表现整体优于韩国、巴西、印度等新兴科技国家。在全部22个学科中,中国有8个学科的篇均引文小于1。与本国其他学科相比,工程类学科具有相对优势,篇均引文指标领先于其他学科。生物学、基础医学等生命科学领域学科的指标得分普遍偏低,在0.7~0.8之间,这些学科的影响力效率尚未达到世界平均水平。横向比较中国与美国、英国等科技强国的篇均引文指标,中国的差距不仅表现在较多的学科低于世界基线,即使高于基线的学科,其多数的相对篇均引文得分仅略大于1,而美国、英国等科技强国绝大多数学科的相对篇均引文得分在1~1.5之间(见图7组图)。

3.3.3 从重要成果的主导性看,除化学工程外,中国在其他学科的通讯作者份额低于基准线,工程类学科的指标得分接近基准线,生命科学领域学科指标得分均不足0.6

通讯作者论文的份额揭示了科研活动中发挥主导作用成果的产出效率。为了比较不同学科重要成果中通讯作者份额的差异,本报告采用了归一化后的通讯作者份额指标(算法见指标说明)。图8系列展示了部分科技强国与新兴科技国家22个学科的相对通讯作者份额,基线为各国相应学科全部论文中通讯作者所占份额。对于某个国家而言,当该国在A学科的相对通讯作者份额大于1时,说明该国在A学科通讯作者在重要成果发挥的主导作用要强于本国均值。反之说明弱于本国均值。

图8-5中数据表明,美国多数学科的相对通讯作者份额大于1。个别学科如兽医学、农业、物理与天文美国人的重要成果主导性不及全部论文。英国、法国和德国的特点与美国相似,与全部论文的通讯作者份额相比,科技强国在重要成果上占据更多的主导地位。

对于中国而言,除土木工程之外,其他学科的相对通讯作者份额均低于1,说明中国在重要成果中通讯作者率低于全部论文。在生物学、基础医学方面,中国重要成果的主导率不及全部论文的半数,反映了中国科研人员在生命科学领域学科重要成果中的主导作用相对较弱。

规模指数和效率指数分别由3个指标构成。不同指标对综合指数得分的贡献程度有所不同。本报告定义指标的贡献程度为贡献力。分析各指标对规模指数和效率指数贡献力的差异,有助于从多个层面发现中国科研规模与科研效率中存在的问题。

3.4.1 中国规模指数得分中论文数量指标贡献了45.1%,说明论文数量优势是中国规模指数得分的主要推手

从各指标对规模指数的贡献来看,科技发达国家与新兴科技国家表现出不同的特征：对于科技发达国家而言,引文数量和重要成果数量指标对综合规模指数的贡献较大。例如,2015年美国的规模指数得分(20.36)中有75.7%来自这两个指标(15.4),只有24.3%的得分(4.95)源于论文数量。而以中国为代表的新兴科技国家的表现则正好相反,例如：论文数量指标(4.66)对中国的规模指数得分(10.32)的贡献超过了45%,其他2个指标——引文数量和重要成果数量得分之和(5.66)仅占规模指数总得分的54.8%。说明SCI论文数量是中国获得较高规模指数分值的主要推手,而引文数量和重要成果数量对规模指数的贡献相对较小。因此,在未来中国的科研工作中,随着研究规模的不断扩大,需要更加着眼于重要科研成果和学术影响力的提升(见表5,图9)。

3.4.2 篇均引文指标(40.1%)对中国效率指数得分贡献最高,重要成果份额指标贡献率最低(27.9%)

从各指标对效率指数的贡献来看,科技发达国家与新兴科技国家表现出不同的特征：对于美国等科技发达国家而言,重要成果份额指标、篇均引文指标、通讯作者份额指标对效率指数的贡献力依次递减,贡献率范围分别为37.5%~44.9%、31.4%~33.9%和30%以下。

与科技强国相比,新兴科技国家的篇均引文指标贡献率最高,通讯作者份额指标次之,重要成果份额指标的贡献率明显低于前两个指标。以中国为例,中国的篇均引文指标贡献率为40.1%,通讯作者份额指标为32.%,重要成果份额仅为27.9%(见表6及图10)。这说明中国科研论文的整体学术影响力较高,但重要成果的产出效率仍有待加强。