一、科學(xué)儀器設(shè)備結(jié)構(gòu)變遷

1．自然階段

在這個(gè)階段，科學(xué)儀器的發(fā)展同實(shí)驗(yàn)室、科研人員、大學(xué)的發(fā)展呈現(xiàn)出伴生關(guān)系。科學(xué)儀器的發(fā)展源頭可以追溯到15—16世紀(jì)。當(dāng)時(shí)從事科學(xué)研究的科學(xué)家（學(xué)者）在個(gè)人工作室內(nèi)開展探索研究，這個(gè)群體先天對自然現(xiàn)象具有強(qiáng)烈好奇心，善于學(xué)習(xí)，擅長使用科學(xué)儀器，同時(shí)擅于發(fā)明、改進(jìn)儀器，并逐漸發(fā)展出控制實(shí)驗(yàn)的能力，為科學(xué)儀器的進(jìn)步積累了大量的基本原理。這個(gè)階段的實(shí)施主體，從科學(xué)家逐漸過渡到大學(xué)和科學(xué)研究機(jī)構(gòu)，輸出的是科學(xué)儀器的底層原理和相應(yīng)的原型系統(tǒng)，此階段的科學(xué)儀器設(shè)備規(guī)模小、價(jià)格便宜。

1592—1610年，意大利天文學(xué)家伽利略在工作室制作了望遠(yuǎn)鏡和空氣溫度計(jì)（郭金明，2019）。利用望遠(yuǎn)鏡，伽利略先是觀察到遠(yuǎn)處的商船艦隊(duì)，然后觀察到月球環(huán)形山與木星衛(wèi)星，開啟了天文學(xué)的神秘大門。此后，伽利略接受了不同贊助者（政府官員、宮廷、作坊等）的贊助，并從意大利帕多瓦大學(xué)終身職位晉升到佛羅倫薩美第奇宮廷的自然哲學(xué)家，開啟了政府、科學(xué)、高等教育相互作用模式的典范。拉瓦錫重視科學(xué)儀器，與工具制造商保持密切聯(lián)系，并聘請他們?yōu)樽约褐圃炜茖W(xué)儀器（Berrata,2014）。從此，科學(xué)儀器設(shè)備的研發(fā)與資金贊助變得越來越重要。從中可以看出，工具制造商在科學(xué)儀器設(shè)備發(fā)展早期過程中起到了關(guān)鍵作用。

在實(shí)驗(yàn)儀器標(biāo)準(zhǔn)化之前，貝爾塞柳斯（Berzelius,1779—1848）自己制作玻璃和焊接工藝，為自制實(shí)驗(yàn)器材提供了典范。1826年，李比希在德國的吉森大學(xué)創(chuàng)建了世界上第一個(gè)現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)室在第一次工業(yè)革命時(shí)期蒸汽機(jī)被研發(fā)并被廣泛使用，帶動(dòng)了生產(chǎn)效率的提高，“蒸汽時(shí)代”推動(dòng)了溫度和力值的測量。18世紀(jì)的儀器設(shè)備用于展示和演示實(shí)驗(yàn)成為大學(xué)和商業(yè)的主流形式，隨后大機(jī)器生產(chǎn)推動(dòng)了大學(xué)和企業(yè)的生命周期，推動(dòng)了工業(yè)革命的革新。隨著工業(yè)革命的出現(xiàn)，現(xiàn)代大學(xué)形成，科學(xué)儀器設(shè)備發(fā)展迅猛，開始需要固定的場所來放置先進(jìn)的科學(xué)儀器，因此科學(xué)儀器高度發(fā)展的一個(gè)直接影響是催生了專業(yè)實(shí)驗(yàn)室。由于彼時(shí)科學(xué)儀器和科學(xué)研究是明顯的伴生關(guān)系，因此在科技史研究中，稱之為“伴生階段”。

2．產(chǎn)業(yè)化階段

這個(gè)階段是科學(xué)儀器從成熟的原型向?qū)I(yè)化產(chǎn)品的過渡階段，并逐漸通過大量產(chǎn)品積累形成了規(guī)模化的市場，隨著實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的擴(kuò)大，科學(xué)儀器設(shè)備的規(guī)模也不斷擴(kuò)大。此時(shí)由學(xué)術(shù)界催生了一些具有經(jīng)濟(jì)頭腦的科學(xué)家。科學(xué)家的身份從兼職顧問（Part-time consultants）轉(zhuǎn)變?yōu)槿毜墓狙芯咳藛T（Full-time corporate researchers），再轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)術(shù)企業(yè)家。學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界形成固定的通道，完成了科學(xué)儀器從原型到產(chǎn)品，再到規(guī)模化市場的跨越。產(chǎn)業(yè)化階段又可以具體分為四個(gè)時(shí)期：顧問時(shí)期（Consultancy,1820—1880）、工業(yè)時(shí)期（Industry,1880—1940）、軍事時(shí)期（Military,1940—1980）、外包時(shí)期（Outsourcing,1980—2016）。

（1）顧問時(shí)期

19世紀(jì)中葉，德國的大學(xué)通過建立實(shí)驗(yàn)室、招聘學(xué)術(shù)人員為國家資助的科研機(jī)構(gòu)吸收了大批伽利略式的人才，實(shí)驗(yàn)室發(fā)展先后經(jīng)歷了競爭、有機(jī)化學(xué)、現(xiàn)代化學(xué)實(shí)驗(yàn)室三個(gè)階段（喬世德 等，1991）。隨后德國印染產(chǎn)業(yè)工業(yè)誕生了研究以及工業(yè)實(shí)驗(yàn)室（19世紀(jì)60年代），德國為保持科學(xué)技術(shù)優(yōu)勢，加速基礎(chǔ)科學(xué)、應(yīng)用研究和工業(yè)發(fā)展的交叉，建立了新型科研機(jī)構(gòu)——帝國技術(shù)物理研究所（1887）。

為精確測量物理量，帶動(dòng)基礎(chǔ)科學(xué)和工業(yè)的發(fā)展，19世紀(jì)60年代，實(shí)驗(yàn)室在英國各大學(xué)如雨后春筍般地出現(xiàn)。1870年，第二次工業(yè)革命將人類社會(huì)帶入“電氣時(shí)代”，加速了高精度電特性儀表的探索，電工儀表從簡陋的電磁知識(shí)裝置改進(jìn)為高精密度的儀器設(shè)備。1874年，英國卡文迪許實(shí)驗(yàn)室建成，表現(xiàn)出現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的典型特征：注重科學(xué)儀器建設(shè)，有自制科學(xué)儀器的傳統(tǒng)并且具有強(qiáng)大的科學(xué)創(chuàng)新和傳承能力。1876年，美國化學(xué)會(huì)（American Chemistry Society,ACS）成立，其會(huì)徽選擇了科學(xué)家李比希的五球瓶實(shí)驗(yàn)裝置，旨在推動(dòng)化學(xué)科學(xué)的發(fā)展。俄國從1861年開始改革國立大學(xué)，并對地方政府進(jìn)行改革，為大膽進(jìn)取的科學(xué)家提供了新的工作機(jī)會(huì)。此后，門捷列夫發(fā)表元素周期表，同年著名的Nature期刊創(chuàng)刊。加利福尼亞州地質(zhì)學(xué)家惠特尼控訴耶魯大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系教授西利曼收取石油公司巨額款項(xiàng)，該爭議成為科學(xué)與工業(yè)產(chǎn)業(yè)間關(guān)系的分水嶺。

（2）工業(yè)時(shí)期

進(jìn)入20世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)特別是工業(yè)的高速發(fā)展使得科學(xué)研究工作出現(xiàn)了明顯分工，一批高水平的科研人員獨(dú)立出來成立專門制造科學(xué)儀器的公司，如卡爾·蔡司、島津等著名的儀器設(shè)備公司。與之匹配的商用實(shí)驗(yàn)室如雨后春筍般建立起來，支撐世界上實(shí)驗(yàn)室的持續(xù)進(jìn)步。科學(xué)儀器設(shè)備與實(shí)驗(yàn)室的不斷迭代發(fā)展，催生了很多改變世界的研究成果，推動(dòng)了整個(gè)人類世界的進(jìn)步。這一階段被稱為“產(chǎn)業(yè)化階段”。

（3）軍事時(shí)期

第二次世界大戰(zhàn)期間“曼哈頓計(jì)劃”的成功使人們意識(shí)到大科學(xué)裝置無法由民營的力量來組織，而必須由國家的力量來組織。1946 年，參加過“曼哈頓計(jì)劃”的阿貢實(shí)驗(yàn)室組建為美國國家實(shí)驗(yàn)室。1969年，美國軍事審計(jì)員發(fā)表《事后研究計(jì)劃》（Project Hindsight）指出，聯(lián)邦國防機(jī)構(gòu)對于開放式科學(xué)的投資回報(bào)率非常糟糕，原因在于信息的不確定性（信息熵H（U）表示）太高，經(jīng)濟(jì)學(xué)成本增加，導(dǎo)致高投入低產(chǎn)出。該研究成果給我國科技研發(fā)提供了經(jīng)驗(yàn)，這為后來有序有組織的科研提供了基礎(chǔ)。

（4）外包時(shí)期

利用信息化技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革的“第四次工業(yè)革命”中，截至2021年底，直接因?yàn)榭茖W(xué)儀器設(shè)備獲得諾貝爾獎(jiǎng)的總數(shù)有42項(xiàng)，占總獲獎(jiǎng)數(shù)的12%，其中68.4%的物理獎(jiǎng)研究、74.6%的化學(xué)獎(jiǎng)研究、90%的生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)研究的成果都是借助各種先進(jìn)的科學(xué)儀器設(shè)備來完成的，這些科學(xué)儀器設(shè)備基本由第三方機(jī)構(gòu)提供（即外包）。當(dāng)下的新發(fā)展階段，我們高校科研工作者的科研與教學(xué)活動(dòng)使用的的科學(xué)儀器設(shè)備，也基本由第三方提供。科學(xué)儀器設(shè)備產(chǎn)業(yè)變革將會(huì)重塑高校的經(jīng)濟(jì)和物資結(jié)構(gòu)，高校應(yīng)敏銳把握世界科技創(chuàng)新的發(fā)展趨勢，用好新一輪科技革命的機(jī)遇。

3．智慧階段（后工業(yè)革命時(shí)代）

隨著人工智能的快速發(fā)展，全球科學(xué)儀器朝著自動(dòng)化、智能化、便攜化、高性能化及原位測量、追蹤測量方向發(fā)展。結(jié)合軟件和硬件的智能判斷和預(yù)測，提高儀器的靈敏度、分辨率、分析速度、穩(wěn)定可靠性、容錯(cuò)性，降低儀器的體積。對于單臺(tái)（套）科學(xué)儀器設(shè)備發(fā)揮效益具有獨(dú)立性，為了發(fā)揮集聚效益，儀器設(shè)備分析測試中心、大型儀器設(shè)備共享平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。現(xiàn)代自然科學(xué)產(chǎn)生重大新發(fā)現(xiàn)模式，正從傳統(tǒng)的勞動(dòng)密集向智能信息技術(shù)密集轉(zhuǎn)變（即依靠大規(guī)模的信息、數(shù)據(jù)、方案進(jìn)行自動(dòng)化大數(shù)據(jù)篩選），科學(xué)儀器設(shè)備的管理從單一分散管理模式轉(zhuǎn)向集約化、自動(dòng)化、智能化管理，目前我國科研院所和高校多數(shù)大型科學(xué)儀器約有1/3分布在各類科技創(chuàng)新基地，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了集約化管理（袁偉 等，2018）。隨著信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)（the Internet of things, IoT）、人工智能內(nèi)容生產(chǎn)（AI-generate content,AIGC），以及生成型預(yù)訓(xùn)練變換模型（Chat generative pre-trained transformer, Chat GPT）的發(fā)展，科學(xué)儀器設(shè)備與傳感器通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起，通過自動(dòng)化、智能分析決策的模式產(chǎn)出新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。