「观点」我国理科基础学科科研水平发展现状及趋势分析

本文原载于《大学与学科》2023年第1期，作者为刘锐、丁亨通、耿立升，原标题为《我国理科基础学科科研水平发展现状及趋势分析——基于斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单的研究》。

✤ 基础研究主要是为了获得关于客观现象和可观察事实的基本原理的新知识所进行的实验性或理论性工作，是应用学科创新发展的基础和后盾。基础研究实现的理论创新为应用学科的发展提供了重要的原动力。

✤ 我国上榜机构绝大部分为一流大学和国家科研院所，企业和社会机构屈指可数。引导企业对基础研究进行投入，将是我国基础研究继续快速高质量发展的新的原动力。

✤ 清华大学、北京大学、上海交通大学和南京大学等高校所在地区有良好的理科基础研究发展环境，西部和东北地区理科发展相对薄弱，学科分布的地域均衡性还有待提高。

✤ 我国数理化生基础学科持续快速发展，国际影响力大幅提升，但我国数理化生基础学科发展的均衡性还有待进一步提高，尤其在生物领域，与发达国家差距明显。我国高校基础研究人才队伍不断壮大，反映出我国基础研究水平不断攀升，但学科校际分布不均衡，部分偏重工科高校理科基础研究水平仍有提升空间。

✤ 如何推进我国数理化生等基础学科科研能力提升，研究提出以下建议：

第一，面向世界科学前沿，以服务国家战略和引领高质量发展为主线，聚焦战略性、前瞻性重大科学问题，提高原始创新能力。

第二，建立多元化投入形式，完善项目形式和组织管理机制。

第三，优化理科基础研究布局，全面提升理科基础研究水平。

我国理科基础学科科研水平发展现状及趋势分析——基于斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单的研究

刘锐、丁亨通、耿立升

一、引言

2018年5月28日，习近平总书记在中国科学院第十九次院士大会、中国工程院第十四次院士大会上指出，“基础研究是整个科学体系的源头”，是“实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破，夯实世界科技强国建设的根基”。基础研究主要是为了获得关于客观现象和可观察事实的基本原理的新知识所进行的实验性或理论性工作，是应用学科创新发展的基础和后盾。基础研究实现的理论创新为应用学科的发展提供了重要的原动力。我国在技术和工程领域不断创新的同时，基础研究领域“源头创新”与美日德等发达国家尚有较大差距。时任国务院总理李克强指出：“无论是人工智能还是量子通信等，都需要数学、物理等基础学科作有力支撑。我们之所以缺乏重大原创性科研成果，‘卡脖子’就卡在基础学科上。”只有切实提高基础研究能力和水平，才能提高科技创新水平，加快从科技大国向科技强国跃进的步伐。因此，在当前形势下研究我国数理化生等基础学科研究水平发展现状及国际地位，明确自身发展优势与劣势，对推进我国基础学科发展、提升我国科学技术整体水平具有重要意义。斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单（World's Top2% Scientists）是爱思唯尔集团和斯坦福大学约安尼迪斯（John P.A.Ioannidis）教授团队合作项目成果，发布在爱思唯尔旗下的网站上。榜单基于斯高帕斯（Scopus）数据库，共分22个领域和176个子领域。对总引用量、h指数、hm指数、单独作者文章引用量、单独或第一作者文章引用量、单独或第一或通信作者的文章引用量6种指标数据进行综合分析，从全球科学家中遴选出世界排名前2%的科学家。榜单分为科学家终身科学影响力榜单（Career）及年度科学影响力榜单（Single Year），自2019年以来已连续发布四期（见表1）。

目前，国内对数理化生等基础学科发展的分析研究多集中在使用国际大学排名（QS，U.S.News等）、自然指数（Nature Index）和基本科学指标数据库(ESI)学科统计对排名或论文数量进行比较分析，尚没有涉及“人”的因素，即科学家影响力的比较。同时，研究对象聚焦在全球排名靠前的高校/研究机构与国内高校的比较，国家之间的科研水平比较甚少，其主要原因是“人”的因素较难定量统计。此外，包括中国人民大学、南京大学和兰州大学在内，我国多所高校已经陆续宣布退出各种“国际排名”，不再向国际机构提供任何数据。例如，《南京大学“十四五”规划》和《南京大学“双一流”建设高校整体建设方案》指出，学校发展和学科建设均不再使用国际排名作为重要建设目标。斯坦福大学全球前 2%顶尖科学家榜单从公开数据库采集数据，无需主动提供材料，在标出科学家姓名的同时，也提供了科学家所就职的学术机构/高校/公司名称及国别，通过对机构和国别进行筛选，可以客观地从科学家视角切入，获取更多关于机构和国家创新能力的信息。目前，国内鲜有利用其对我国数理化生等基础学科发展进行分析的研究。本文意在通过对年度科学影响力榜单数据的分析，客观、真实地反映我国科学家在数理化生等基础学科领域的影响力，以期更全面地反映我国基础学科科学研究的面貌。

二、研究对象与研究方法

基础学科是指研究自然和社会发展的基本规律，提供人类生存与发展基本知识的学科，一般多为传统学科，如数学、物理、化学、生物、哲学、历史等。本文旨在研究我国数理化生等基础学科的科研水平和发展现状，因此选取年度科学影响力榜单数据库的数学、物理、化学和生物作为研究对象。选择年度科学影响力榜单而不是科学家终身科学影响力榜单进行分析主要基于以下两点考虑：第一，科学家终身科学影响力榜单数据库纳入的最早统计数据为1960年，而在此数据库已经发布的四期数据（2017、2019、2020、2021年）中，数据变化较小，不具备分析意义，且无法体现近几年发展趋势；第二，我国理科基础研究起步晚，20世纪七八十年代在国际期刊发文数量少，缺乏国际可比性。

在统计过程中发现，由于全球科技发展持续升温，科研从业者数量逐年增多，前2%科研人员数量也在增加，从2017年的各学科总数约10万人增长到2021年的约21万人。因此，进入榜单的各国科学家数量均呈增长趋势，为了更好地显现出数据的真实状态，对科学家人数的分析，采用本国上榜科学家数量占全球相同领域上榜科学家总数的比例进行分析。由于中国和7国集团国家（美国、日本、英国、德国、法国、意大利、加拿大）在上述研究对象方面数据明显优于其他国家，八个国家的上榜人数占全球上榜总人数的一半以上（见表2），其中最高的为2019年的生物学科，来自这八个国家的科学家占比为72.58%，最低的为2019年的数学学科，占比为59.57%。因此，选定中国、美国、日本、英国、德国、法国、意大利和加拿大作为研究对象。同时，本文还对国内部分高校在数理化生基础学科榜单上的表现进行了统计与分析。

三、中国数理化生等基础学科科研水平国际竞争力分析

整体上，八个国家可以分为两个层次。美国各学科的上榜科学家人数均以绝对优势遥遥领先（见表3），尤其在生物学科方面，约占全球的40%。其余七个国家各有优势，总体上差距并不明显，为第二梯队。在数学学科（见图1a），我国四年连续保持领先水平，分别为6.02%、6.43%、8.09%和8.98%，呈逐年上升态势。同样四年均实现增长的还有意大利，从2017年的3.60%上升到2021年的4.42%。法国在2017年到2020年实现了三年连续的增长，2020年达到6.4%，但在2021年下降到5.46%。相比之下，其他国家每年上榜人数均有波动，范围约在1%。在四次榜单中，日本始终处在第二梯队末位。在物理学科（见图1b），拥有马普研究所（Max Planck Institute）的德国前三次排名均处于领先地位，但随着中国物理学科快速发展，2021年我国以9.64%的比例超越德国（8.16%），成为第二梯队领头羊。从实际人数看，我国物理学科上榜人数从2017年的402人增加到2021年的1289人，增长约两倍，发展迅速。法国同样实现了连续增长，但在第二梯队的位次并没有变化。在化学学科（见图1c），中国自2017年就处在第二梯队第一位（11.82%），随后优势不断扩大，在2021年榜单中已经达到20.53%，超过了美国的19.04%，成为进入榜单人数最多的国家。需要指出的是，在所有国家的数理化生四个基础学科中，中国化学学科打破了美国对基础学科的垄断，成为世界化学发展的主要创新阵地。在生物学科（见图1d），英国和德国排在第二梯队的第一、二位，中国则从2017年的1.8%上升到2021年的5.53%，实现了四年连续增长。

在高质量科研机构数量分布上（见图2），2021年美国四个学科的机构数均排在第一位。中国则处于第二位，约为美国的1/4～1/2。在生物领域高质量科研机构数量与美国差距最大，这一数据与我国生物学科科学家上榜人数占比相符，均表明中国生物学科虽然取得了一定的进步，但和世界高水平国家相比，仍存在差距。

通过科学家人数和机构数量的变化趋势可以发现，发达国家在理科基础研究领域相对位次基本保持稳定。在四门基础学科中，除了中国与美国外的其余国家的上榜人数比例变化均在2%以内。但所有国家上榜人数和机构数量整体上呈增长态势，表明在当前全球科技大发展的环境下，所有国家都在努力提升基础研究水平。美国国家科学基金会、英国研究与创新署、德国研究联合会、日本学术振兴会等主要科学资助机构纷纷出台支持基础研究的战略部署。2021年我国全年研究与试验发展（R&D）经费支出27  864亿元，其中基础研究经费为1  696亿元，占研发投入比重首次超过6%。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确要求要将基础研究经费投入占研发经费投入比重提高到8%以上。据统计，我国对基础研究的投入从2011年的411.8亿元增至2021年的1  696亿元，年均增长15.20%，年度投入仅次于美国，增速高于美、英、德、法、日等国家。这与榜单上我国基础学科强劲的上升势头相呼应，我国在基础研究领域取得了一批世界领先的成果，如铁基超导材料、量子反常霍尔效应、多光子纠缠、中微子混合角的测量等。同时，多学科交叉融合和跨学科研究也日益活跃。文被引用次数进入世界前二，成为高质量科学成果的主要贡献国。2021年，我国在化学、物理、数学、材料科学、计算机科学等14个领域学科论

对机构数据的研究发现，我国上榜机构绝大部分为一流大学和国家科研院所，企业和社会机构屈指可数。以2020年物理学科机构榜单为例（见表4），中国机构总数为259家，非高校和科研院所的机构仅有3家，约占1.16%。相比之下，其他发达国家约为10%，涉及汽车、互联网、新材料和电子电气制造等众多行业。研究表明，我国基础研究投资中政府投资占到90%，而美国政府投资仅占约45%，企业投资约为25%。因此，引导企业对基础研究进行投入，将是我国基础研究继续快速高质量发展的新的原动力。

四、中国部分高校数理化生等基础学科发展水平分析

综合国际国内大学排名，研究选取具有一定影响力的国内20所高校，对其上榜情况做简要分析（见图3）。在数学学科（见图3a），20所高校四年上榜总人数分别为24人、44人、49人和51人，年均增幅为20.7%，其中2021年上榜人数最多的复旦大学有7人。在物理学科（见图3b），20所高校四年上榜总人数分别为155人、336人、415人和481人，年均增幅为32.7%，2021年上榜人数最多的清华大学有57人。在20所高校中，有13所上榜人数呈递增趋势，结合前文的国家间比较，再次表明我国物理学科的快速发展。在化学学科（见图3c），20所高校四年上榜总人数分别为253人、391人、479人和524人，年均增幅为20%，2020年上榜人数最多的南开大学有56人。在生物学科（见图3d），20所高校四年上榜总人数分别为95人、147人、173人和177人，年均增幅为16.8%，2020年上榜人数最多的清华大学有32人。通过对比四年数据可以发现，我国高校在数理化生基础学科领域发展迅速，大部分高校的上榜科学家人数逐年上升，反映高校的基础研究水平不断提高，尤其以物理和化学学科最为明显。清华大学基础学科上榜科学家总数居全国高校首位，北京大学、南京大学和浙江大学等也都表现出强劲实力。但学科分布不均衡，部分传统工科高校数理化生基础研究水平仍有进一步提升空间。从国内高校上榜分布情况看，清华大学、北京大学、上海交通大学和南京大学等高校所在地区有良好的理科基础研究发展环境，西部和东北地区理科发展相对薄弱，学科分布的地域均衡性还有待提高。

五、结论

本文基于已发布的四期斯坦福大学全球前2% 顶尖科学家榜单，从数学、物理、化学和生物四个学科入手，对我国基础学科研究水平进行分析探讨。研究发现，我国数理化生基础学科持续快速发展，国际影响力大幅提升。尤其是化学领域，在2021年年度科学影响力榜单中，中国科学家上榜人数已经超过美国，成为上榜人数最多的国家。同时也要看到，我国数理化生基础学科发展的均衡性还有待进一步提高，尤其在生物领域，与发达国家差距明显。美国在这四门基础学科中仍保持较大优势。日本、德国、英国等发达国家从事基础科学研究的人员数量不断增多，但全球顶尖科学家人数占比没有明显变化。在对国内20所高校数理化生基础学科上榜人数的分析中发现，我国高校基础研究人才队伍不断壮大，反映出我国基础研究水平不断攀升，但学科校际分布不均衡，部分偏重工科高校理科基础研究水平仍有提升空间。

未来十年，我国基础研究将进入从“量的积累”到“质的飞跃”，从“点的突破”到“系统能力提升”的重要时期。如何推进我国数理化生等基础学科科研能力提升，研究提出以下建议。

第一，面向世界科学前沿，以服务国家战略和引领高质量发展为主线，聚焦战略性、前瞻性重大科学问题，提高原始创新能力。我国目前仍然是跟踪性研究多，原创性和引领性研究少，缺少冲击重大科学难题的勇气和能力，重大原创成果仅呈现“点状”突破。基础研究可以认为是以提出和解决科学问题为根本指向的研究活动，可以大致归纳为四种类型：（1）鼓励探索，突出原创；（2）聚焦前沿，独辟蹊径；（3）需求牵引，突破瓶颈；（4）共性导向，交叉融通。因此，对于一个具体的基础研究问题，要区分其是需求牵引的技术方法创新，还是“从0到1”的原始创新。对于前者，可以通过汇聚资源集中攻关的方式，为技术创新提供条件。对于后者，由于其具有较大不确定性，无法指定目标并预计收益，因此以管理工程的方式管理基础研究不利于创新成果的产生。此时更需要国家发挥主导作用，通过建设基础学科研究中心、国家重点实验室等措施，改革科研管理评价制度，给予长期稳定经费支持，营造鼓励创新的体制环境，才有可能出现“从0到1”的原始创新。

第二，建立多元化投入形式，完善项目形式和组织管理机制。在稳步增加国家财政投入的同时，鼓励中央—地方、政府—企业、企业—学术机构等以多种形式联合设立研究项目，如国家自然科学基金委员会设立的联合基金，就意在整合社会资源，促进社会资源与高校和科研机构合作，推动自主创新能力提升。例如，上海联影医疗科技股份有限公司与中国科学院深圳先进技术研究院、中国人民解放军总医院、复旦大学附属中山医院共同完成的“高场磁共振医学影像设备自主研制与产业化”项目，荣获2020年度国家科学技术进步奖一等奖，改变了中国在该产业的被动局面，使企业的市场竞争力进一步提升。2022年9月30日，财政部和税务总局联合发布《关于企业投入基础研究税收优惠政策的公告》，明确了企业投入基础研究相关税收优惠政策，通过政策和措施引导，提升企业对基础研究的贡献度，解决我国基础研究投入不足的问题。

第三，优化理科基础研究布局，全面提升理科基础研究水平。从全局看，我国已具备相对完整的学科体系。但过去一段时间，随着经济的飞速发展，加之功利性的评价导向影响，我国基础学科发展受到了影响。党的二十大报告指出：我国经济总量稳居世界第二位，全社会研发经费居世界第二位，研究人员总量居世界首位。从文中统计数据可以发现，我国的化学、物理和数学学科高水平科学家人数已经进入世界前二，但与美国仍有很大差距，仅占其1/3左右。生物学科高水平科学家人数落后于美国、英国和德国，美国的上榜人数约为中国的六倍。基础学科的发展既要尊重学科内在规律，也要与国家社会发展的需求相结合，通过科学调整学科结构，推动学科发展与服务国家重大需求和保障人民生命健康相统一。要通过推进一流学科建设，引领学科整体水平的提升，通过加强不同学科之间的交叉汇聚，促进数理化生等基础研究与其他应用研究的融通。形成跨学科和跨领域的基础研究创新模式，构建产学研协同的国家创新体系。

作者简介

刘锐，北京航空航天大学物理学院助理研究员；

丁亨通，华中师范大学物理科学与技术学院教授；

耿立升，北京航空航天大学物理学院副院长、长聘教授。

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