谈科研创新和教学实践的支撑仪器

科学研究始于仪器测量

图1 迈克耳逊干涉仪

在最近英国举办的第41届世界技能大赛上，国内相关专家在总结比赛失利原因时，发现“我们带去的量具的精度就不如别人——拿着精度不够的量具，如何能做出高精产品”。文汇报对此做了“做制造强国，我们需要补什么”的深度报道。这一报道，用具体的实例说明了仪器对中国从制造大国向制造强国转变的重要支撑作用。更进一步作为生产力之一的科学研究方面，俄国化学家门捷列夫说过:“科学研究是从测量开始的”，现代科学本身就起源于科学仪器的使用。如伽利略制作的可用于天文观测的望远镜，在1609～1610年进行一系列天文观测，发现了月球表面上的高山、裸眼见不到的恒星、银河中个别的星星以及绕着木星运转的4颗卫星。他的新发现将天文学研究引入一个新时代。伽利略改良的望远镜成为早期一个重要的人眼延伸的仪器。这项现代科学仪器深刻地改变了科学的实践活动，开启了现代科学研究的新纪元。有人可能会说，许多理论学家的原创性科学研究是不依赖于任何仪器的。是的，少数进行理论研究的科学家在进行研究时并未使用任何仪器，比如爱因斯坦的狭义相对论。然而，狭义相对论的一个最基本的前提——光速不变，却是在基于测定光速干涉仪(图1)的“迈克耳逊——莫雷”实验的基础上建立的。显然，科学理论促进了仪器的发展，而仪器的发展，又反过来促进了科学理论本身的进步。仪器的水平实际上决定了科学研究的水平，完全脱离现代科学仪器来搞科学研究，实际上寸步难行。

仪器保障高等学校人才培养

仪器不仅是科学研究的技术支撑，还是高等学校人才培养的重要保障。大型、精密、贵重的仪器设备在科学研究和教学实践中发挥越来越关键的作用。中国科学家的工作能力是一流的，然而中国科学家对现代科学原创性的重大贡献却很少，中国本土科学家甚至还没有获得过诺贝尔奖。这可能与教育、文化、经费等很多因素有关，但其中一个重要的原因就是我们长期以来忽视工具研究与开发，认为买来的仪器设备要比自己研制的性价比高。这种认识直接导致了难以及时发现科学研究中的问题，科学创新举步维艰。这种倾向在研究生的培养中也有很显著的体现，如我们研究生、博士生毕业的条件对是否发表论文有明确规定，但对新型科学仪器的研究与开发却没有任何关注。研究和开发新型科学仪器花的时间很多，风险很大但论文又很少。一般情况下学生不愿意做，老师也不选。对比国外和中国的研究生培养，国外导师支持学生根据自己的想法设计仪器设备作博士论文，学校也不将论文发表与学生的学位挂钩，就使学生敢于选择一些风险较大但可能对科学技术和国民经济发展产生重大影响的学术问题进行探索;而现在，越来越多的国内著名的院士专家清楚地意识到仪器的掌握与创新对于研究生创新能力培养以及科学创新的重要性。例如上海交大物理实验教学中心根据实际需要，开发了许多教学仪器设备，自制仪器占实验教学项目的50%。这些仪器设备对实验教学，尤其是创新性的人才培养提供了重要的技术实现平台(图2a、b、c、d)。

图2 交大物理实验教学中心学生用实验室自制仪器做实验

工欲善其事 必先利其器

《论语》的这句名言很好地印证了仪器在科学研究中的作用。新的科学研究成果和发现，如信息论、控制论、系统工程理论，微观和宏观世界研究成果及微弱信号提取技术，计算机软、硬件技术、网络技术、激光技术、超导技术、纳米技术等大量高新技术均成为促进仪器仪表和测量控制科学技术发展的重要动力，现代仪器仪表不仅单独成为高技术新产品，而且集成新原理、新概念、新技术、新材料和新工艺等最新科学技术成果的综合装置和系统层出不穷。科学技术的发展，决定了科学仪器和设备的水平，反之科学仪器和设备的进步也推动了科学技术的不断发展和创新。当今，科学仪器和设备的水平在一定程度上就决定了科学技术的发展和创新的水平。科学仪器和设备是社会的科研能力的重要组成部分，既是一个国家科学大厦的物质支柱，也是一个国家科学技术水平的主要标志。各种现代传感器和检测仪器在物理、化学、生物、医疗等领域的应用也越来越广泛，借助于仪器，人类感知能力的敏感程度得到了提高，感受方式得到了延伸。发明更加灵敏、更加精确的科学仪器，成为科学研究工作中的重要部分和支撑经济社会发展和安全的重要手段。基于以上的认识，国家基金委早在1998年就设立了自然科学基金科学仪器基础研究专款，专门用于资助新原理科学仪器的探索与研制。为贯彻落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006－2020年)》和《国家“十二五”科学和技术发展规划》，提高我国科学仪器设备的自主创新能力和自我装备水平，支撑科技创新，服务经济和社会发展，科技部、财政部2011年首次启动“国家重大科学仪器设备开发专项”。这些条件对于我国仪器行业的发展、科技创新，尤其是中国科学技术在引领新的科学技术革命方面，起到重要的支撑和导向作用。

文章来源：《现代科学仪器》 网址: http://www.xdkxyq.cn/qikandaodu/2021/0304/407.html