一、科学仪器设备结构变迁

1．自然阶段

在这个阶段，科学仪器的发展同实验室、科研人员、大学的发展呈现出伴生关系。科学仪器的发展源头可以追溯到15—16世纪。当时从事科学研究的科学家（学者）在个人工作室内开展探索研究，这个群体先天对自然现象具有强烈好奇心，善于学习，擅长使用科学仪器，同时擅于发明、改进仪器，并逐渐发展出控制实验的能力，为科学仪器的进步积累了大量的基本原理。这个阶段的实施主体，从科学家逐渐过渡到大学和科学研究机构，输出的是科学仪器的底层原理和相应的原型系统，此阶段的科学仪器设备规模小、价格便宜。

1592—1610年，意大利天文学家伽利略在工作室制作了望远镜和空气温度计（郭金明，2019）。利用望远镜，伽利略先是观察到远处的商船舰队，然后观察到月球环形山与木星卫星，开启了天文学的神秘大门。此后，伽利略接受了不同赞助者（政府官员、宫廷、作坊等）的赞助，并从意大利帕多瓦大学终身职位晋升到佛罗伦萨美第奇宫廷的自然哲学家，开启了政府、科学、高等教育相互作用模式的典范。拉瓦锡重视科学仪器，与工具制造商保持密切联系，并聘请他们为自己制造科学仪器（Berrata,2014）。从此，科学仪器设备的研发与资金赞助变得越来越重要。从中可以看出，工具制造商在科学仪器设备发展早期过程中起到了关键作用。

在实验仪器标准化之前，贝尔塞柳斯（Berzelius,1779—1848）自己制作玻璃和焊接工艺，为自制实验器材提供了典范。1826年，李比希在德国的吉森大学创建了世界上第一个现代化的实验室在第一次工业革命时期蒸汽机被研发并被广泛使用，带动了生产效率的提高，“蒸汽时代”推动了温度和力值的测量。18世纪的仪器设备用于展示和演示实验成为大学和商业的主流形式，随后大机器生产推动了大学和企业的生命周期，推动了工业革命的革新。随着工业革命的出现，现代大学形成，科学仪器设备发展迅猛，开始需要固定的场所来放置先进的科学仪器，因此科学仪器高度发展的一个直接影响是催生了专业实验室。由于彼时科学仪器和科学研究是明显的伴生关系，因此在科技史研究中，称之为“伴生阶段”。

2．产业化阶段

这个阶段是科学仪器从成熟的原型向专业化产品的过渡阶段，并逐渐通过大量产品积累形成了规模化的市场，随着实验室规模的扩大，科学仪器设备的规模也不断扩大。此时由学术界催生了一些具有经济头脑的科学家。科学家的身份从兼职顾问（Part-time consultants）转变为全职的公司研究人员（Full-time corporate researchers），再转变为学术企业家。学术界与产业界形成固定的通道，完成了科学仪器从原型到产品，再到规模化市场的跨越。产业化阶段又可以具体分为四个时期：顾问时期（Consultancy,1820—1880）、工业时期（Industry,1880—1940）、军事时期（Military,1940—1980）、外包时期（Outsourcing,1980—2016）。

（1）顾问时期

19世纪中叶，德国的大学通过建立实验室、招聘学术人员为国家资助的科研机构吸收了大批伽利略式的人才，实验室发展先后经历了竞争、有机化学、现代化学实验室三个阶段（乔世德 等，1991）。随后德国印染产业工业诞生了研究以及工业实验室（19世纪60年代），德国为保持科学技术优势，加速基础科学、应用研究和工业发展的交叉，建立了新型科研机构——帝国技术物理研究所（1887）。

为精确测量物理量，带动基础科学和工业的发展，19世纪60年代，实验室在英国各大学如雨后春笋般地出现。1870年，第二次工业革命将人类社会带入“电气时代”，加速了高精度电特性仪表的探索，电工仪表从简陋的电磁知识装置改进为高精密度的仪器设备。1874年，英国卡文迪许实验室建成，表现出现代实验室和大学实验室的典型特征：注重科学仪器建设，有自制科学仪器的传统并且具有强大的科学创新和传承能力。1876年，美国化学会（American Chemistry Society,ACS）成立，其会徽选择了科学家李比希的五球瓶实验装置，旨在推动化学科学的发展。俄国从1861年开始改革国立大学，并对地方政府进行改革，为大胆进取的科学家提供了新的工作机会。此后，门捷列夫发表元素周期表，同年著名的Nature期刊创刊。加利福尼亚州地质学家惠特尼控诉耶鲁大学应用化学系教授西利曼收取石油公司巨额款项，该争议成为科学与工业产业间关系的分水岭。

（2）工业时期

进入20世纪，科学技术特别是工业的高速发展使得科学研究工作出现了明显分工，一批高水平的科研人员独立出来成立专门制造科学仪器的公司，如卡尔·蔡司、岛津等著名的仪器设备公司。与之匹配的商用实验室如雨后春笋般建立起来，支撑世界上实验室的持续进步。科学仪器设备与实验室的不断迭代发展，催生了很多改变世界的研究成果，推动了整个人类世界的进步。这一阶段被称为“产业化阶段”。

（3）军事时期

第二次世界大战期间“曼哈顿计划”的成功使人们意识到大科学装置无法由民营的力量来组织，而必须由国家的力量来组织。1946 年，参加过“曼哈顿计划”的阿贡实验室组建为美国国家实验室。1969年，美国军事审计员发表《事后研究计划》（Project Hindsight）指出，联邦国防机构对于开放式科学的投资回报率非常糟糕，原因在于信息的不确定性（信息熵H（U）表示）太高，经济学成本增加，导致高投入低产出。该研究成果给我国科技研发提供了经验，这为后来有序有组织的科研提供了基础。

（4）外包时期

利用信息化技术促进产业变革的“第四次工业革命”中，截至2021年底，直接因为科学仪器设备获得诺贝尔奖的总数有42项，占总获奖数的12%，其中68.4%的物理奖研究、74.6%的化学奖研究、90%的生理学或医学奖研究的成果都是借助各种先进的科学仪器设备来完成的，这些科学仪器设备基本由第三方机构提供（即外包）。当下的新发展阶段，我们高校科研工作者的科研与教学活动使用的的科学仪器设备，也基本由第三方提供。科学仪器设备产业变革将会重塑高校的经济和物资结构，高校应敏锐把握世界科技创新的发展趋势，用好新一轮科技革命的机遇。

3．智慧阶段（后工业革命时代）

随着人工智能的快速发展，全球科学仪器朝着自动化、智能化、便携化、高性能化及原位测量、追踪测量方向发展。结合软件和硬件的智能判断和预测，提高仪器的灵敏度、分辨率、分析速度、稳定可靠性、容错性，降低仪器的体积。对于单台（套）科学仪器设备发挥效益具有独立性，为了发挥集聚效益，仪器设备分析测试中心、大型仪器设备共享平台应运而生。现代自然科学产生重大新发现模式，正从传统的劳动密集向智能信息技术密集转变（即依靠大规模的信息、数据、方案进行自动化大数据筛选），科学仪器设备的管理从单一分散管理模式转向集约化、自动化、智能化管理，目前我国科研院所和高校多数大型科学仪器约有1/3分布在各类科技创新基地，在一定程度上实现了集约化管理（袁伟 等，2018）。随着信息技术、物联网（the Internet of things, IoT）、人工智能内容生产（AI-generate content,AIGC），以及生成型预训练变换模型（Chat generative pre-trained transformer, Chat GPT）的发展，科学仪器设备与传感器通过网络连接在一起，通过自动化、智能分析决策的模式产出新的科学发现。