德美日建设世界科技强国的经验及启示

秦 铮，孙福全，袁立科

（中国科学技术发展战略研究院，北京 100038）

在各世界科技强国建设中，英国和法国是率先建立现代科学体制，先发成为世界科技强国的国家；其后，世界格局不断调整变化，科技革命与工业革命接连发生，德国、美国、日本3 个后发国家先后抓住机遇，相继崛起成为世界科技强国。其成功经验值得中国借鉴。

1 德美日建设科技强国的历史演进

1.1 德国后来居上建成世界科学中心，引领第二次工业革命并赶超英法，成功加入世界科技强国行列

16 世纪到19 世纪中期，科学革命、技术革命、工业革命相对并行发展，英国成为第一个世界科技强国，法国继之第二［1］。英法崛起对德国影响很大。1848 年德国爆发资产阶级革命，激起科学技术发展热潮，通过大力兴办现代教育，德国科学发展突飞猛进。李比希创立了有机化学，维勒成功合成尿素，施莱登和施旺创立细胞学说，爱因斯坦提出相对论，普朗克提出量子概念，伦琴发现X 射线，等等，各方面科学成就使得德国长期成为世界科学中心［2］。科学发展带来了技术突破和产业变革，19 世纪70年代德国率先引发了以电力技术和内燃机为标志的第二次工业革命，创造了电力与电器、汽车、石油化工等一大批新兴产业，将工业社会带入电气化时代［3］。英国虽是第一次工业革命的发起国，但在第二次工业革命期间，限于工业体系惯性和巨大变革成本，被德美两国超越；法国因受普法战争失败影响，失去引领第二次工业革命的历史机遇［4］。发生在20 世纪的两次世界大战虽使德国遭受重创，但进入八九十年代，东德、西德实现统一，国际环境相对和平稳定，德国抓住全球化机遇，再次跻身世界科技强国之列［5］。

1.2 美国抓住第二次工业革命契机赶超欧洲，迅速成为世界头号科技强国，继而引领第三次工业革命

美国自1776 年独立以后，开启了工业化进程，除了第二次对英战争（1812—1815 年）和美墨战争（1846—1848 年）外，长期和平地发展资本主义［6］。南北战争（1861—1865 年）后，美国实现统一，确立了工业资本主义在美国的统治地位，并开启了经济高速发展时期。到1883 年，美国经济总量已居世界第一。第二次工业革命爆发后，德国在钢铁、化学、电气等方面全面领先，突飞猛进的科技成就传到大洋彼岸，刺激了美国人的神经，大批留学生前往德国学习并引进德国先进教育理念，促进本土教育改革，培养了一批科学人才［7］。20 世纪上半叶，美国又抓住两次世界大战的机遇，引进大批欧洲流亡科学家从事科研和教育工作。在三股力量推动下，美国科技飞速发展。在20 世纪前20 年，世界科学中心依然在欧洲，但从20 世纪30 年代开始，美国的诺贝尔科学奖获得数量就全面领先（见表1），到20 世纪四五十年代战争结束，美国已跻身世界科技强国行列。二战后，美国大力发展大科学，逐步形成国家创新体系，伴随冷战结束和苏联解体，美国成为世界头号超级大国，并于20 世纪90 年代引爆了以信息和通信技术为代表的第三次工业革命，将人类社会带入了信息化时代。

表1 世界主要科技强国历年获得诺贝尔科学奖情况 单位：人次

表1（续）

1.3 日本抓住第二三次工业革命交汇的机遇，快速崛起并成为新的世界科技强国

日本的科学技术起步相对较晚，1868 年明治维新开启现代化进程，通过不断向西方学习先进科学和技术，科学水平和工程技术能力不断提升。到二战前夕，日本在医学、微生物学领域已可与西方发达国家相提并论，武器装备制造和交通运输等方面也走在了世界前列。但不幸的是，科技的发展反而推动日本走向军国主义道路，最终参与发动了第二次世界大战。二战以后，日本借助“冷战”带来的战略机遇与美国交好［8］，经济得以快速恢复［9］。20 世纪50～80 年代，日本努力抓住第二次工业革命的尾巴，培育发展汽车、机电、机床等制造业，通过管理和制度创新，迅速实现经济腾飞，1972 年超越联邦德国成为世界第二大经济体，丰田汽车公司的“准时制生产”甚至成为继“福特流水线”之后工业生产方式的又一大革命。世纪之交，美国引发信息技术革命，日本奋力追赶，确立科学技术创造立国战略，提出“50 年30 个诺奖”计划。进入新世纪后，日本获得诺贝尔科学奖数量迅速提升（见表1），科学国际影响力和技术出口显著增长，基础研究引人注目，成功跻身世界科技强国之列。

1.4 小结

根据以上3 个世界科技强国的建设历程，若德国以1810 年创办柏林大学（开启科学快速崛起之路）为起点，到20 世纪90 年代诺贝尔科学奖获得数量遥遥领先（1910 年）为建成标志，经历共约100 年；若美国以1865 年实现统一为起点，到20 世纪30 年代诺贝尔科学奖获得数量遥遥领先（1940 年）为建成标志，经历共约75 年；若日本以1868 年明治维新为起点，到20 世纪20 年代诺贝尔科学奖获得数量全面崛起（2010 年）为建成标志，经历共约142 年。这3 个国家建成世界科技强国的平均用时约106 年，以此计算，若中国以1949 年中华人民共和国成立为起点，则有望在2050 年左右建成世界科技强国。

2 德美日建设科技强国的发展路径

2.1 从经济崛起到科技赶超

后发国家建设科技强国，一般都以经济崛起为前提。德国自1871 年统一后就引领了以电力和石油化工产业为代表的第二次工业革命，经济得以腾飞，国内生产总值（GDP）于1893 年超越英国，成为欧洲第一大经济体（见图1）。到20 世纪初，德国的有机化学工业控制了全球90%的市场［10］。1914 年一战爆发时，德国的电话数量达到英国的两倍，铁路数量也接近其两倍［11］。在经济实力的有力支撑下，德国疯狂发展海上舰队和军事科技，于20 世纪初迅速成为可与英国抗衡的军事强国，并最终引爆一战。美国在19 世纪末顺利完成工业化，经济总量于1863、1869、1879、1883 年先后超越法国、德国、英国、中国成为世界第一（见图1）。一战前后，工业流水线的发明使美国工业实现二次腾飞，强大的经济实力推动美国科技不断赶超英、法、德等欧洲国家，世界技术中心和科学中心先后从欧洲转移到北美。日本自二战后，先后实施了贸易立国、技术立国、科学技术创造立国战略，国内生产总值于1972 年超越德国（西德），长期稳居世界第二。在经济实力支撑下，日本科研经费投入力度持续增加，1970 年研发强度已赶上美国，1987 年超过2.5%，2002 年进一步提高到3%以上（比德、美还高）［12］，使日本科技水平得到快速提升。

图1 19 世纪世界主要国家生产总值走势

2.2 从技术引进到原始创新

由于后发国家技术相对比较落后，因此一开始往往需要引进发达国家的先进技术，经过消化吸收再创新的阶段，最终走向原始创新，实现“从0 到1”的突破。这在美日两国发展史上体现最为明显。美国在整个19 世纪都源源不断地从欧洲引进先进技术，之后通过专利保护制度促使人们对引进技术进行改良和应用，最终形成“技术发明在欧洲，应用在美国”的局面［13］，继而爱迪生等大批发明家得以诞生。在19 世纪后30 年，美国大批学生赴德留学并学成回国，进入高校和企业实验室从事科研工作，促进美国科技创新能力快速提升。20世纪上半叶，美国引进大批欧洲流亡科学家，让其进入高校和科研机构从事基础研究工作并培养研究生，最终美国的基础研究和原始创新能力迅速提升至世界领先水平。日本自20 世纪40 年代开始，围绕钢铁、电力、煤炭、造船等重点产业大量引进国外先进技术和专利，促进本国工业发展；60 年代后注重技术消化吸收和再创新能力的培养1），大量企业对引进技术进行分析、改造和再出口，将技术做到极致，形成工匠精神；70 年代，美日贸易摩擦逐步升级，日本为摆脱技术受制于人的局面，不断增加研发投入强度和基础研究投入力度，日益向高技术和未来技术领域发起挑战，经过长期坚持，最终从一个技术追赶型国家转变为一个技术领先型国家。

2.3 从教育改革到科学发展

凡科学崛起，必先重视教育改革。德美日三国在科学上有所成就之前，都对本国教育进行了重大改革。德国最早于1810 年率先创办了世界上第一所现代化大学——柏林大学，革新了英法大学的传统教育模式，追求科学研究和知识创造，在物理学、化学、生物学、数学、哲学等方面培养出大批世界级大师2），其中有相当一部分在二战之前都获得了诺贝尔科学奖［14］。继洪堡创立柏林大学之后，李比希于1826 年创立吉森实验室，开创了实验室教学模式的先河，使得自然科学教学方法和科研组织方式更加科学合理，直接推动了德国科学研究水平的快速崛起。美国在1876 创办了自己的第一所研究型大学——约翰·霍普金斯大学，在学习柏林大学办学模式基础上首创研究生教育，将大学教育分为本科生和研究生教育两个阶段，分别从事知识学习和生产工作，以解决知识量增长过快、教育“内卷”的问题［15］。继大学改革之后，工业界大力兴办企业研究所、工业实验室、私人基金会等，招募新培养的高层次人才从事应用基础研究甚至纯科学探索，极大促进了美国科学研究事业的发展。日本的教育改革则主要发生在二战以后，主要受美式教育影响，重视教师的研究自由和经费的持续稳定支持，同时由于受到战争的打击，日本学者从骨子里认识到科学技术的重要性，具有强烈的攀登科学最高峰愿望和极为严格务实的科研精神气质，各大学尤其是国立综合大学的“科研至上”风气十分浓厚，在20 世纪后30 年培养出许多世界一流科研人员，并取得了一批诺奖级的研究成果［16］。

2.4 从自发创新到体系建设

在制度创新路径上，后发国家政府与市场的作用此消彼长，经过长期实践而逐渐培养出创新的体系化能力。美国在整个19 世纪主要由市场主体自发从欧洲引进先进技术，政府只在专利保护和移民政策上有一定作为；伴随技术引进的是技术改良运动的大力展开，但仍以个人和企业为主，从最初的个人发明（技术工人）到职业发明（爱迪生等），再到企业雇佣研发人员，都是市场在自发演变；进入20 世纪后，经济大萧条直接刺激了政府加强对经济科技的干预，而两次世界大战又迫使政府加强科技组织能力建设；二战以后，以“布什报告”为开端，美国逐步形成了建制化的国家创新体系，并构建了以国家实验室为代表的战略科技力量。德国在19 世纪通过组建关税联盟、放松商业管制、政府主办铁路事业、大力兴办教育等方式，推动了本土工业和科技的发展，政府的主动作为十分明显；二战以后，德国确立社会市场经济模式，公立科研机构再次兴起，马普学会、弗劳恩霍夫协会、赫姆霍兹联合会等先后成立，集中协调型科技体制逐步建立，形成多层次高效协同的国家创新体系。日本自明治维新（1868 年）起，政府就主导开启了学习西方近代科学技术和体系的道路，通过大力兴办现代大学、派遣留学生、发展医学和微生物学等实验科学和工程技术等，实现了高层次人才的培养和科研水平的提升；20 世纪50 年代后，大力发展国立科研机构，发挥国家战略科技力量作用；70 年代，政府牵头组织大规模科学研究及技术攻关，先后组织了超大规模集成电路开发（1976 年）和原子能技术研究开发（1977 年）；80 年代，又通过立法确立了“产学官”多方科技合作制度，政府的主导作用一直十分明显。

3 德美日建设科技强国的基本经验

德美日3 个国家加入世界科技强国行列的时间虽然不同，而且在建设科技强国的过程中各具特色，但也拥有一些共同经验。

3.1 形成内生的技术能力

后发国家只靠技术引进和跟踪模仿不可能建成科技强国，要想科技崛起，必须形成内生的技术能力，实现科技自立自强。德国在打破英法老牌国家维护的欧洲势力均衡时，主要依靠的就是自身的科技实力，尤其是科学研究的能力，通过科学领域的各种突破促进形成新的技术和产业，从而打破了英国的垄断。美国在发展初期，主要依靠引进和改良欧洲的技术，实现了国内经济的崛起，但到达一定阶段后，就转向内生发力，通过教育改革、人才培养和科技计划安排等多种方式，促成了自身科技实力的增长。日本同样一开始依靠引进和贸易来积累技术，但到后期，通过消化吸收能力培养和“诺贝尔科学奖计划”等，把技术工艺和科学研究做到极致，从而成功加入世界科技强国之列。

3.2 持续建设人才队伍

科技强国建设的最核心要素就是人才。凡后发国家崛起，必以可持续的人才队伍建设为支撑。德国从18 世纪强制推行义务教育，到19 世纪创办研究型大学，再到20 世纪兴办职业教育和推行“双元制”教育体系，其人才队伍建设的接替性和持续性始终做得较好。美国从兴办赠地学院培养工农业技术人才，到改革高等教育培养研究型人才，再到大量引进欧洲流亡科学家扩充科学人才队伍，又到通过留学生培养、技术移民、短期访学等多种途径，从全球搜索高端人才，每个时期也都制定了符合自身发展需要的人才队伍建设策略。日本从明治维新时期派遣留学生学习西方先进科技，到大力兴办帝国大学培养爱国科学家，再到战后教育改革培养追求极致的科研人才，以及新世纪以来设立“诺贝尔科学奖计划”，都反映了其人才队伍建设的可持续性。

3.3 科技创新与制度创新并进

科技的持续发展，必须将自由市场与有为政府相结合，将科技自身的创新与体制机制的创新相结合，尤其是制度的持续改革必不可少。美国在世界上最先把科学队伍建制化，形成系统性国家创新体系；德国以教育改革为突破口，长期建设形成了发达的教育体系和行之有效的国家创新体系；日本在战后也不断调整和完善科技治理体系，以支撑其科技战略实施。可以说，德美日3 个国家都不同程度地根据时代发展特征构建、调整、优化其国家创新体系，改革其国家创新制度，逐步加强科技界、产业界和社会各界的资源整合，促进形成创新主体良性共生、创新活力竞相迸发的创新发展格局，由此产生的协同效应进一步推动了国家持续繁荣，巩固了这些世界科技强国在国际上的竞争优势。

3.4 发挥国立科研机构的引领作用

在德美日3 个国家的科技发展过程中，国立科研机构都起到了重要的引领作用。美国国家实验室是联邦科研机构的最重要组成部分，也是世界上最大的科研系统之一，主要用于支撑国家重大战略需求和抢抓科技发展战略机遇，对大科学装备研发、前沿科学研究、关键核心技术攻关等具有重要引领作用。日本国立科研机构是日本科学技术水平的象征，是日本最有实力的研究力量，主要开展基础技术和共性技术研发，在日本战后重建、产业振兴中发挥了极其重要的作用。德国的马普学会、弗劳恩霍夫协会、赫姆霍兹联合会则是德国重要的战略科技力量，分别从事创新导向的基础研究、技术导向的应用研究和国家战略导向的研究，是长期性、战略性重点基础研究项目的主要承担者。

4 结论与建议

中国自改革开放以来，经济实现了快速崛起，科技发展也经历了跟进和模仿创新的阶段，现已进入科技自立自强的新发展阶段，但科技消化吸收能力和原始创新能力仍然不足。根据德美日3 个国家建设科技强国的历史经验，本研究得到如下结论以及对中国加快建设世界科技强国的启示和建议。

4.1 适时转换创新模式，不断提升科技供给质量

后发国家在科技赶超达到一定阶段后，都是通过科技自立自强实现进一步跨越，越是进入高质量发展阶段，科技内生能力就越重要。中国建设科技强国，既要加强基础研究和关键核心技术攻关，又要注重提升科技体系化供给能力。为此，建议中国加快制定《科技强国行动纲要》，明确建设世界科技强国的总体思路、目标路径、重点任务和政策举措，将国家科技发展战略落实落地；建立财政科技投入稳定增长机制，持续引导全社会增加科研投入特别是基础研究投入，同时引导规模以上工业企业提高消化吸收与技术引进投入费用之比，增强技术消化吸收和自主创新能力。

4.2 持之以恒深化教育改革，培养创新型人才队伍

世界科技强国的演变和形成往往继发于世界教育中心，美德日三国均具有尊师重教的传统，在经济科技社会发展面临问题时均注重推动教育改革、实施科教融合，德国和美国的高等教育制度改革甚至还深深影响了人类教育的进程。因此，中国要建成科技强国，必须持续深化教育改革，实施科教融合战略。为此建议，教育改革从义务教育抓起，注重科学精神、创新能力和批判性思维培养，开设创新教育课程，首先对教育工作者进行再教育，并配套改革教师考核制度，令教师树立以“以德为先”的创新教育理念；严格规制中小学阶段校外培训班和家长作业群，逐步将“双减”措施落到实处，减轻学生和家长负担，并确保其将更多精力投入到培养孩子创新性思维和从事体育锻炼；在大学方面，大力探索新型高等教育模式，鼓励社会力量创办高起点新型大学，以高标准探索新型科研制度，推动学风作风改善和扭转。

4.3 坚定不移扩大科技开放，以开放促进科技创新

历史上，美国、日本在科技赶超和崛起过程中都吸纳了大量国际因素，都因为主动融入国际科技活动而使自身科技水平和影响力快速提升；即便是德国科学实力先行崛起，德国也注意从国际吸纳留学人才，助力本国科研事业发展。因此，中国要建成科技强国，必须坚定不移地融入全球科技创新网络，国家越是实力增强，越要坚持开放。为此，建议中国一方面主动走出去，参与和倡导国际大科学计划和大科学工程，推动全球重大科学问题研究，扩大国际学术影响力、带动力，另一方面积极引进来，加快建立和完善国际人才引进制度，改革短、中、长期人才签证制度，打通“留学/访学—短期工作—移民入籍”人才引进链，使得人才引进工作系统化长期化。

4.4 加大统筹各方资源，加强国家战略科技力量建设

根据后发科技强国建设经验，国家战略科技力量应形成一个体系，服务于国家战略目标，开展需求导向、问题导向和目标导向的重要基础研究、战略高技术研究和重大公益研究，突破关键核心技术，保障战略技术供给。为此，建议中国在人工智能、量子信息、脑科学等前沿领域加快打造一批代表国家水平，甚至在国际上具有重要影响力的国家实验室，发挥其在战略科技力量中的引领性作用。充分发挥国家科研机构突破原始创新和关键核心技术的作用、高水平研究型大学基础研究和一流人才培养的作用、科技领军企业共性关键技术研发和成果转化的作用，形成国家战略科技力量体系。加大国家实验室稳定性经费支持力度，探索建立既有中国特色又与国际接轨的管理模式和运行机制，促进优势资源集中和人才活力激发，提升国家战略科技力量体系整体效能。

注释：

1）直到今天，日本依然重视技术消化吸收这一创新环节。2018 年，日本规模以上工业企业用于技术引进与消化吸收的经费之比为1 ∶3，而同期我国为5.1 ∶1。

2）爱因斯坦、薛谔、海森堡、普朗克、冯·诺依曼、叔本华、胡塞尔、费尔巴哈等等都是柏林大学的校友，可谓人才辈出、群星璀璨。