基于科学的创新与产业：典型产业相关概念与识别研究_科学论文

基于科学的创新与产业：相关概念探究与典型产业识别，本文主要内容关键词为：产业论文,典型论文,概念论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

改革开放30多年来我国产业发展取得了很大成就，这些成就主要来源于以产品和工艺技术、工程技术的改良为基础的创新，即“基于技术的创新”，集中于对科学依赖性弱的产业，即“基于技术的产业”，如水利工程、机械工程、船舶制造、机床制造、家电业等。但是在另一类产业领域，尽管我国在政策、投资、研发、新技术产业化等方面都进行了诸多努力，却仍然难以缩短与发达国家的差距，如生物技术相关产业、制药业、有机化学工业等。这类产业中的创新强烈地依赖于科学的新发现，产业发展与科学互动性很强，我们将其归纳为“基于科学的创新”和“基于科学的产业”。我国在这类产业领域的赶超存在诸多困难，在于基于科学的创新及其产业有其独特的内在规律。

作为一个新的产业研究问题，分析该类产业发展内在规律，首先要理清其概念内涵，并识别有哪些产业属于基于科学的产业。本文在系统梳理总结前人理论的基础上通过专利分析对“基于科学的产业”的概念内涵进行了分析研究，通过设计“产业-科学关联指数”对产业的“基于科学”倾向进行了测量，识别了典型产业，并最终对国民经济中大部分产业进行了“基于科学”倾向的排序。

1 基本概念界定：基于科学的创新与基于科学的产业

在创新研究中，基于原始动力，创新往往被分为两类，即“技术推动的创新”[1][2]和“市场拉动的创新”[3][4]。然而自20世纪后半叶，逐渐出现了大量与科学研究紧密相关的创新活动，一些产业的发展也越来越依赖科学研究[5]。进入21世纪，这种趋势则更加明显。“技术推动的创新”其机制与模式分析已经不能够完全解释这类创新发生和产业发展的新现象。Klevorick、Levin和Coriat等学者也发现了科学研究、企业研发等知识源在创新过程中的不同作用[6][7]。基于此，我们认为目前基于原始动力的创新分类过于笼统，应将创新分为“市场拉动的创新”、“技术推动的创新”和“基于科学的创新”。

基于科学的创新是指与科学研究有很强关联性的创新，创新依赖于科学研究。这类创新主要有两种类型：(1)由新的科研成果激发形成的创新，创新形成的原因在于科学上的新发现。例如，2004年成功分离出石墨烯，这一科学新发现直接激发、形成了应用于海水淡化、DNA测序的石墨烯薄膜技术的创新。(2)新的科研成果推动已经形成的创新，科学上的新发现促进了创新进程。例如，晶体管、电子管的出现推动了心电图仪的创新过程。

基于技术的创新是指与科学研究关联性较弱的创新。基于技术的创新表现为技术自身的演化，也就是由已有技术的突破、改进、组合、调整、变形而形成的新技术[8][9]。

基于科学的、基于技术的创新分类与根本性、渐进性创新分类不同。后者的分类视角为一项具体的技术，分类的标准为该技术性能进步的程度。而前者分类的视角为产业的演化，分类的标准为产业中技术创新的来源。所以基于科学的创新可以是根本性的也可以是渐进性的，如制药业中运用生物学上的新发现、新的原理制成的新药是根本性创新；基于以前的药理但提高了已有药物的疗效或者吸收率，是渐进性创新，但创新依然是应用了新的科研成果形成的创新。同样，基于技术的创新可以是根本性的，也可以是渐进性的。例如，公路、铁路桥梁工程、船舶制造等工程领域，企业通过长期的技术经验储备研发的基于不同原理的机械设备或工程方法，属于根本性创新；同时也有与科学研究成果没有直接的关联小范围的技术改进。

对应于基于科学的创新，有基于科学的产业：产业发展强烈地依赖于科学研究，产业的技术进步主要由基于科学的创新推动。这类产业的前沿技术可以来源于企业的科研部门，但更多来源于企业外部的公共研究部门[10]。在这类产业-科学关联中，往往是产业与其所基于的科学两个领域发展都不成熟。例如生物医药业，该产业处于成长期，所基于的科学领域——生命科学、生物医学也处于快速发展时期，不断有新的研究发现。

基于技术的产业：产业发展对科学研究依赖性弱，该产业的技术进步主要通过基于技术的创新推动。这类产业的前沿技术主要来源于企业内部，外部创新源很少。在这类产业-科学关联中，往往是产业处于成长期或成熟期，而相关的科学领域发展比较成熟。如公路、铁路桥梁工程、船舶制造、机床自造等工程领域，对应的机械原理、工程学等相对成熟、稳定，在较长的时间内没有突破性的新发展。

2 基于科学与基于技术的创新及其产业的分类依据

2.1 前人相关观点

学者们对“基于科学的创新及其产业”的关注始于20世纪70年代。他们感受并意识到一种新的变化和趋势，认为有一类具有共同演化特点的产业在19世纪末逐渐形成，并在二战后导致了全球经济和社会的巨大变化[11～13]。学者们不断尝试解释这类变化和发展趋势，产生了“基于科学”的创新、产业、技术、公司、范式等一系列概念。同时为了将这种新的范式与传统范式加以区分，他们还提出了与上述概念相对应的分类概念。这些分类提法的共同特点是一致的强调新的发展范式与传统范式的区别，强调新范式“基于科学”的特性。总结起来，有八个具有代表性的概念及分类：

Freeman和

等提出了“基于科学的技术(science-based technology)”[14][15]，认为有些技术与科学之间具有很强的互动性，而有些技术与科学的互动性并不强。例如，机械工程技术并不是基于科学的，而只能算是以应用为导向的一系列规律和规则。

Gibbons和Johnston提出“基于科学的产业(science-based industries)”和“基于传统工艺的产业(traditional 'craft' industries)”[16]，认为前者的发展比后者更多依赖于科学。

Nelson和Winter在其《经济演化理论》一书中进行技术创新实证研究时，将企业样本按两类技术范式分类：“基于科学的技术范式(science-based technological regime)”和“积累性的技术范式(cumulative technological regime)”。他们认为在基于科学的产业中，创新引发于本产业以外的变化，如大学科研的新发现，技术发展的可能性存在外生变量，创新不依赖于企业已有的技术能力。而“积累性的”产业中，技术发展的可能性不存在外生变量，创新依赖于企业已有的技术能力[17]。

Pavitt将产业分为“基于科学的产业(science-based industries)”、“生产密集型产业(production intensive industries)”和“供应商主导的产业(supplier dominated industries)”，认为基于科学的产业中技术轨道主要决定于公共科研部门的科学突破[18～20]。

Cardinal提出“基于科学的创新(science-based innovation)”和“基于技术的创新(technology-based innovation)”[21～23]，认为前者为产业和相关的科学领域都未成熟所形成的产业-科学互动模式，后者为产业未成熟但对应的科学领域已经成熟，没有大的科研突破时所形成的产业-科学互动模式。他认为化学，生理学，毒理学，药学相关产业属于基于科学的产业。

Autio、Bruni等提出“基于科学的企业(science-based firm)”与“基于工程的企业(engineering-based firm)”[24][25]，认为前者企业相对较多地将科学知识转化为基础技术和特定的应用技术，主要精力用于将科学现象和理论概念转化为商业应用。相对而言，在后者企业更多地将基础技术转化为特定的应用技术，主要精力用于推广应用技术。即“基于科学的”更多地处于第一代创新模型线性创新模型的上游，而“基于工程的”处于相对下游。

Chandler认为“基于科学的产业(science-based industries)”中，科学研究成果的产生到成果的产业化时滞很短[26]。他认为制药业、生物科技产业、半导体产业、精细化工业可归为上述类型产业，而汽车、机床制造、家用器具属于传统“工艺”产业。

陈劲、赵晓婷等将产业分为“基于科学的创新”和“基于技术和工程的创新”。前者为被科学研究直接推动、强烈依赖于科学研究的创新，对应的典型产业有家电行业、传统装备制造行业、电气产业、传统汽车产业等。后者为以技术开发和工艺工程为基础的创新，对科学研究的依赖性弱，代表产业有生物技术产业、精细化工产业、新材料产业、航天航空产业等[27]。

上述研究在分类概念提法上有所区别，但意图一致，都在突出强调创新、产业、企业等主体的“基于科学”发展特性。在Cardinal[28]、Coriat[29]等学者的基础上，我们进一步总结了基于科学与基于技术的创新及其产业的不同特征：

基于科学的创新及产业特点：(1)创新显著的来源于科学研究成果。(2)创新源往往来自企业外部，多为公共研究部门。大学和研究所参与创新的程度很高，产学研是最典型的创新模式。产品和工艺等创新的本质是将科学新发现商业化。(3)企业与公共研究部门保持密切联系来获得外部知识成为创新成功的关键要素。(4)产业的技术创新机会丰富，科学上的进步创造了一系列的潜在产品[30]。(5)R&D投入强度很高。

基于技术的创新及产业特点：(1)创新是技术本身的发展或工程活动的结果。(2)企业创新能力主要来源于组织内部积累性的学习过程。(3)创新成功的关键在于企业对各种技术知识和能力要素的整合。

通过对技术史和产业发展史的研究，我们认为上述差异来源于“基于科学的创新”与“基于技术的创新”在触发机制上的差异。而这种差异本质上又源于科学与技术分别有其独立的演化轨道。人类文明在不掌握科学原理的前提下，取得了很多伟大的技术成就，这是通过试错学习完成的[31][32]。例如，Bessemer发明了平炉炼钢法，但他并不懂Sorby开创的冶金学和冶炼原理。Bell是一个声学生理学家和聋哑人语的教师，他发明电话的初衷是为了放大声音帮助听力弱的人。他发明电话时并不懂Maxwell开创的电磁学。Edison发明了电灯，留声机，活动电影放映机等，但是他并没有什么数学知识。另外，科学研究成果也不仅仅是基础知识，有时科学成果产业化的周期很短。例如晶体管、塑料和石墨烯的技术产业化进程。

由于基于科学的创新与基于技术的创新的区别，基于科学的产业与基于技术的产业在创业、企业商业模式、产业演化、产业发展的主要动力、公共研究部门在创新系统中的角色等方面有很大差异。例如，Meyer发现，同样是传统意义上的“高科技”产业，各产业与科研领域的互动性差异很大：化工业专利对科学文献引用率很高，而电信业却很低，这是与我们的经验不符的[33]。再如，数码产品产业与制药业的产业演化存在很大差异：过去30年，在电子产品产业中，领先与落后企业频繁的更迭[34]，然而在制药业，在过去一个世纪的时间里领先企业往往能够长期保持领先优势[35]。

上述两类技术创新及产业发展的差异越来越大，基于科学的发展创新逐渐成为的一种新趋势。进入21世纪，这种趋势越来越明显，基于科学的产业逐渐成为国家经济的新引擎和支柱。如今，这类产业逐渐成为经济中最具活力的部分，成为经济的新引擎，成为各国经济结构转型升级的主要推动力。它们的形成和发展可能引发新的产业革命，甚至推动社会经济范式的转变。因此这些产业也成为各国政府普遍关注的战略产业，成为国际产业竞争的新焦点。微软和剑桥大学的一项联合研究报告Toward 2020 Science指出基于科学的创新在未来会越来越频繁，成为创新的一种主要模式：“科学革命仅仅是一个开始。它有潜力酝酿出一个基于科学创新的时代，而这个新的时代将最终完全取代过去半个多世纪基于技术创新的时代。这种改变，将带来全球社会、技术、经济增长的新浪潮”[36]。

2.2 “基于科学的产业”与“基于技术的产业”划分的意义

首先，“基于科学的创新及产业”与“基于技术的创新及产业”的划分有助于解释现有分类未能解释的创新形成和产业发展的新现象。基于科学的创新及产业在20世纪后半叶逐渐形成并迅猛发展，推动了经济发展范式的变革，并在21世纪逐渐成为经济的新引擎。这类产业的发展范式具有有别于传统产业的共同特征，却鲜有研究。新的划分明确了研究对象，为以后的研究奠定了基础。

其次，新的划分引出了一系列重要且有趣的研究问题。如，基于科学的创新发生和实现的内在机制是什么?基于科学的产业国际赶超内在机理是什么?技术扩散机制，科学、技术、产业互动机制、产业组织模式等与传统发展范式有什么差异等。具体地，可以分为两个层面的问题：

在企业管理的层面，“基于科学的创新及其产业”形成的新发展范式是对传统管理方式的挑战，管理学如何应对这种变化是一个有趣的课题。例如：基于科学的产业中，大企业战略、创业企业发展路径与其他产业不同。由于更长的研发周期、相对更高的研发投入比率、风险投资更高的风险和回报率等产业特点，公司战略往往与其他企业不同。例如，创业企业会经历更长的“烧钱”阶段，更不易吸引风险投资，研发本身风险较高，如果遵循传统的创业企业发展路径，往往失败。

在国家创新系统及产业发展战略层面，新划分的意义来源于“基于科学的产业”本身的重要性。基于科学的产业往往成为经济的新引擎，如今许多国家将生物科技、材料技术视为战略性新兴产业。并且，基于科学的创新可能改变整个经济范式[37]，典型案例如20世纪半导体对整个经济范式的改造[38]。基于科学的创新对经济范式的影响在未来也许会更加重要。基于科学的产业必然成为国际产业竞争的焦点，也会成为各国政府所密切关注的产业。取得竞争优势优先要理清其内在规律，于是产生了一系列问题，在此列举两例：(1)基于科学的创新是否必然形成创新的平台，广泛地推动一系列创新?历史上，创新随时间不是均匀分布的，往往是在某些时期出现大量的创新，而有些时期相对平静，创新涌现往往是由基于科学的产业所形成的平台性技术推动的。如，19世纪形成的化学产业对其他产业的带动，20世纪晶体管研究对整个IT产业的推动[39][40]，心电研究对19世纪以来整个人类心脏医学的推动，石墨烯成功提取对包装材料、医疗、光通信、电子产品、超级计算机的推动。(2)基于科学的产业中，创新生态系统内各类型组织的角色与传统产业有哪些不同?因为在基于科学的产业中，大部分复杂而系统化的核心知识形成于研发早起，公共研究部门如高校、其他科研机构以及组织科研的某一核心企业(可能是供应商、制造商等)高度参与研发，而创新系统中其他组织很难参与到研发环节，只能跟随。那么公共研究机构、政府在基于科学的产业领域的作用机制是什么?基于科学的创新与基于科学的产业还有待进一步的研究。

3 基于科学与基于技术的典型产业识别

3.1 科学-产业关联度指数

通过上述研究综述我们发现，学者们对于“基于科学的产业”的概念总体上有一致的观点，但在细节上存在三方面的问题与分歧：(1)“更多的依赖”、“更强烈的依赖”、“更高的互动性”到什么程度可以称为基于科学的产业?(2)具体哪些产业属于基于科学的产业，上述学者所提出的典型产业不一致。(3)如何定义与“基于科学的产业”所对应的其它产业，“积累性的”、“基于技术的”、“基于工程的”等哪些词汇描述的更准确?上述三方面的分歧来源于上述概念的共同缺陷——定性的、经验性的概念，“更多的依赖”、“更强烈的依赖”、“更高的互动性”等用于比较的描述性词汇不能明确划分标准、分类的边界和阈值。上述学者未能准确的界定“基于科学的产业”。为消除上述分歧，我们在总结定性概念的基础上，尝试提出一个定量概念。

专利分析是研究该问题一个有效的方法，专利的引用信息系统的将产业发展与相关科学领域联系起来。专利的申请往往需要引用其他文献。被引文献可以分为两类，一类是其他专利，另一类为非专利文献(non-patent-literature，NPL)。其中后者包括期刊论文、会议论文、学位论文、研究公开、技术报告、学术图书等，即科学文献。

我们将基于科学的产业定义为长期高频引用科学文献的产业。并使用下面的指数来衡量产业对科学研究的依赖性。其中，分母为某个产业的专利总数，发表产业的发展。分子为所有专利中有非专利文献引用(NPL)的专利数，代表产业发展与科学研究的关联。这个指数则表示产业发展和科学研究的关联程度。

数据来源于Global Patent Index(GPI)。GPI为欧洲专利局(European Patent Office，EPO)提供的EPO全球专利数据的索引。GPI提供了来自全球90多个国家的超过8亿个专利的信息，这些信息包括专利技术信息，法律信息，引用信息等。GPI系统使用Structural Query Language(SQL)，可以用于专利查询，统计分析和其他学术研究。GPI中欧时间每周五12：00更新一次。

产业分类标准采用International Patent Classification(IPC)。IPC建立于《国际专利分类斯特拉斯堡协定》，又名《斯特拉斯堡协定》(International Patent Classification Agreement/Strasbourg Agreement)，根据1954年的发明专利国际分类欧洲公约创建的发明专利国际分类法制订，生效于1971年3月24日。《斯特拉斯堡协定》把技术分为8个部和69，000个小类。每1个小类有1个标志符，由各国家或地区工业产权局标注。分类系统每5年修订一次。目前，IPC为欧洲专利局使用最广泛的专利分类标准之一。

通过EPO提供的GPI检索系统进行结构化检索，我们得到了2008年1月1日至2012年12月31日59个行业的专利数据。

我们选用IPC第二级分类对产业进行划分。选取二级分类是因为第一级只将产业分为7类过于笼统，第三级分类太过详细，而第二级最适于划分产业。我们对第二级分类进行微调，得到59个产业，基本覆盖了IPC分类所涵盖的所有产业。

对上述“有NPL引用的专利数/有引用的专利数”指数进行以下数学变换，将数据转化到[-100，100]。我们将新的指数称为“产业-科学关联度指数”(industry science correlation index，ISCI)并将指数为正的产业称为基于科学的产业，将指数为负的产业称为基于技术的产业。同时，为正的指数数值越大其产业基于科学的倾向越强，为负的指数绝对值越大其产业基于技术的倾向越强。

3.2 科学-产业关联度指数的时间稳定性

分别选取ISCI指数值高、中、低的几个典型产业检验ISCI指数随时间的稳定性。从1988年1月1日起每5年为一个单位进行分析。分析截止到2012年12月31日，因为部分专利申请周期较长，2012年后存在大量正在申请过程中的专利，我们避开了这类数据的干扰。

基于上述SICI指数的数据，我们计算从1988年年初到2012年年末25年典型产业的ISCI指数，发现整体上ISCI指数具有稳定性(见图1)。

图1 产业-科学关联指数的时间稳定性

3.3 多产业“基于科学”倾向的排序

最后我们通过分析59个行业的ISCI指数，得到了产业-科学关联度轴。其中典型的基于科学的产业为生物化学、制药业、有机化学，而典型的基于技术的产业为水利工程与给排水、道路、铁路和桥梁建设、建筑业(见图2)。

图2 基于科学的产业与基于技术的产业分类

4 前述产业划分的启示

4.1 相关启示

通过上述产业划分以及专利数据分析的结果，我们得到四点启示：

第一，通过对生物化学相关产业、制药业、塑料制备与加工业、半导体产业、光学产业、水利工程、道路桥梁建设等产业1988年到2012年25年间的分析，我们发现“产业-科学关联度指数(ISCI指数)”随时间是稳定的。通过图2我们发现该指数的三个特征：(1)各个产业的“产业-科学关联度指数”数值有所浮动，但大小顺序基本没有变化。各个产业的指数数值浮动基本是同趋势的，这种系统性变化可能来自于全球经济的变化或者欧洲专利局数据收集、统计方法等的变化。(2)指数浮动区间不大，随时间推移指数较大的产业其指数始终处于高位，其他区间的产业其指数也一致稳定在原有的区间。(3)各个产业ISCI指数的相对差距是基本稳定的，各个产业的ISCI指数排序基本不变。上述三点可以表明产业发展对科学研究的依赖程度是各个产业本身的内在特性之一。产业的这种内在特性，成为“基于科学的产业”与“基于技术的产业”分类及产业排序的重要基础。

第二，不同产业领域中，产业发展和科学研究的关联性强弱存在显著的差异。在科学研究关联性很强的生物化学产业，产业界有将近80％的专利引用了非专利文献，而在关联性很弱的产业，如水利工程领域，上述比例只有不到15％。这表明产业-科学关联度在不同产业差异很大。

第三，我们将生物化学、制药业、有机化学、糖工业、化妆品业认定为典型的基于科学的产业。这类产业的发展强烈的依赖科学研究，产业中大量专利引用科学文献。在这类产业领域，前沿技术往往来源于公共研究部门的科研进步，这是产业发展的外生变量。科研领域的重大突破形成了核心创新产品，而由重大科研突破引发的一系列科研活动会促进核心创新产品形成一系列创新产品，同时一个领域的核心突破也可能会扩散到其他领域，形成产业集群。所以该类产业中的企业需要与公共研究机构建立合作以跟踪前沿科学发展，保持核心竞争优势。

第四，对应地，我们将水利工程与给排水、公路铁路桥梁建设、建筑物建设、照明业、家具业认定为典型的基于技术的产业。这类产业的技术创新往往表现为技术自身的演化，也就是由已有技术的突破、改进、组合、调整、变形而形成的新技术。这类创新的发生一般来源于组织内部积累性的学习过程。创新成功的关键在于企业对各种技术知识和能力要素的整合。

4.2 关于进一步研究的研究

在研究过程中我们发现了一些有趣的问题有待进一步的探索，如：(1)在更长的时期内，基于科学的产业与基于技术的产业是否能够相互转化?或具有何种特征的产业可能出现上述转化?(2)通过产业-科学关联指数的时间稳定性，我们发现，ISCI指数很高和很低的产业在近20年的时间里相当稳定，而ISCI指数适中的产业指数有所下降，这是否能反映出一定的规律?(3)纳米技术产业是我们所分析产业中唯一一个在出现ISCI指数增减幅度很大的产业，如何解释这一不寻常的现象?“基于科学的产业”值得进一步深入的研究。

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