當前，我們比歷史上任何時期都更需要建設世界科技強國。為提升各界對建設科技強國意義的認識，人民出版社約請中國科學院和中國工程院的100多名院士編寫了《百名院士談建設科技強國》一書，將廣大院士的重要思想和建議匯集起來，作為推進我國建設科技強國的重要抓手之一。
建設世界科技強國，首先必須建設世界儀器強國，建設世界儀器強國是建設世界科技強國的必備基礎和前提條件。在我國特定條件下，建設世界儀器強國將面臨三大挑戰，即：計量測試體系不完整；儀器體系呈現碎片化；全民性質量意識差，對測量與儀器的基礎性作用和引領性作用認識不清。建設世界儀器強國，必須完成四大重點任務，即：建立具有科學性、先進性和完整性的國家計量測試體系，培育體系完整、結構合理的高精尖儀器企業；建立國家級高精尖儀器研發基地；建立國家級專家咨詢中心，統一規劃與指導計量測試體系與儀器體系建設發展；提高全民質量意識，培育專精精神。
建設世界儀器強國的必要性與緊迫性
建設世界儀器強國在我國具有十分突出的必要性和緊迫性。建設世界科技強國必須以強大的整體儀器創新能力為支撐，儀器創新必然引領科技創新，這主要表現在如下三個方面。
1、重大儀器發明會促進重大科學發現和基礎研究突破
世界科技強國一定是基礎研究強國，基礎研究強國一定是測量與儀器強國。門捷列夫說：“科學是從測量開始的”，“沒有測量就沒有科學，至少是沒有精確的科學、真正的科學”,“測量是科學的基礎”。儀器是測量的載體，是實現科學發現與基礎研究突破的手段。截至2017年，諾貝爾物理學獎、化學獎、生理學或醫學獎獲獎項目總數為371項，獲獎總人數為594人；直接因測量科學研究成果或直接發明新原理儀器而獲獎的項目總數為42項(占11.3%)，總人數為64人(占10.8%) ，如電子顯微鏡、質譜儀、CT斷層掃描儀、掃描隧道顯微鏡、超分辨熒光顯微鏡、冷凍電鏡、激光干涉儀等；同時，72%的物理學獎、81%的化學獎、95%的生理學或醫學獎都是借助于相關尖端儀器完成的。
因發明高分辨率核磁共振儀器而獲諾貝爾獎的理查德·恩斯特(R.R.Ernst)說：“現代科學的進步越來越依靠尖端儀器的發展。”
2、高端精密儀器是科技產業高質量發展的基礎
儀器科學與技術對現代科技產業、國家安全、人類健康、環境保護和社會生活等各個方面有序進行與發展的支撐作用越來越大。儀器技術與工程支撐的是整個現代科技產業、國家經濟和社會管理。王大珩院士對測量儀器的作用曾有過高度概括：“儀器儀表是科學研究的先行官，工業生產的倍增器，軍事上的戰斗力，社會生活中的物化法官。” 20世紀90年代初，美國商務部所屬的美國國家標準與技術研究院(NIST)的統計數據表明：為保證產品制造質量和實施有效控制，每天要進行2.5億次測量。在制造領域，只有通過測量，才能知道產品哪里不合格；只有通過大量測量數據的積累，才能找到產品不合格的根源；只有建立起基于在線傳感與儀器的工業互聯網，才能建立起智能裝備和智能工廠，才能實現智能制造；只有建立起面向先進制造的完整的計量測試體系和儀器體系，才能從根本上解決困擾我國幾十年的“四基問題”(即基礎材料、基礎工藝、基礎零部件和質量技術基礎)，才能從根本上形成高端裝備制造能力。在國防領域，沒有偵測儀器，就不能發現和準確定位敵方目標；沒有精準的導航制導儀器，就無法實施精確打擊。在醫療領域，沒有精準的診療儀器，就無法實施精準醫療。在環保領域，沒有成千上萬的分布式傳感器，就無法及時準確地獲取環保監測息。同樣，沒有遍布于城市水、電、氣、交通等設施和千家萬戶的各類網絡化傳感器，就無法實時獲取海量監測信息，平安城市、幸福城市和智慧城市就無法實現。
3、高端精密儀器的創新是驅動和引領科技創新發展的原動力
儀器科學與技術的創新發展對相關技術領域具有引領與推動作用。“工欲善其事，必先利其器”。以高端精密裝備制造領域為例，高端精密裝備的精度水平取決于工作母機的精度，按照精度分配原則，工作母機的精度要比高端精密裝備的精度高三分之一至一個數量級；而工作母機的精度水平取決于測量儀器的精度，按照精度分配原則，測量儀器的精度要比工作母機的精度高三分之一至一個數量級。從精度角度看，測量儀器處于精度的最頂級，是高端中的高端；從技術角度看，測量儀器使用的共性核心技術更先進、更前沿、更具有先導性，因而更具有技術引領作用。在高端精密裝備領域，測量儀器技術處于優先發展的地位。聶榮臻元帥在經歷了“兩彈一星”發展后，形成的重要認識之一是，“科技要發展，計量須先行”。從另一方面看，儀器產業對相關科技產業的發展有重要拉動作用。美國國家標準與技術研究院的分析報告指出：“美國國內儀器產值僅占工業總產值的4%，但對國民生產總值(GNP)的拉動作用則達到了66% ”。儀器技術“四兩撥千斤”的作用反映了儀器的內在價值在產業鏈中具有放大效應。
我國儀器科學與技術發展現狀
我國錯過了第一次工業革命和第二次工業革命，幾乎沒有現代意義上的相關科技的積累作為基礎。發展現代意義上的儀器科學與技術，起步很晚，經歷了初創期，即1949年至1969年的20年間，建立起初步的儀器科學與技術學科。第三次工業革命階段，即1970年至2010年的40年間，前20年我國因基礎薄弱而儀器科學與技術發展緩慢，后20年我國因科學技術的整體發展較快，儀器科學與技術進入快速發展期，這期間取得了一大批前沿儀器技術成果，支撐和引領了一批重大科技創新和重大高新技術工程的發展，如以自主研制的銫原子噴泉鐘、光鐘、量子化霍爾電阻基準和約瑟夫森電壓基準等為代表的一批尖端計量儀器，支撐了我國北斗系統工程、電力電子工程和電氣工程的發展；以自主研制的超精密工程測量儀器為代表的一批大型高端專用測量儀器，支撐了我國戰略導彈、核潛艇、航空發動機和航天高分工程等國家重大工程的發展。
從總體上看，我國儀器科學與技術落后于美國、德國和日本等科技強國，而且落后的幅度較大，但在一些專用儀器領域已經接近國際先進水平，在個別方向上已經處于國際前列地位。從發展趨勢上看，我國儀器科學與技術的自主創新能力在不斷增強，追趕速度在加快，差距在逐漸減小。
建設儀器強國面臨的三大挑戰
回顧我國現代工業和儀器工業的發展歷程，有利于認清我國儀器科學與技術發展的特殊性與不平衡性，有利于明確我國建設世界儀器強國將面臨什么樣的挑戰。
1949-1969年，在蘇聯的援助下，我國建起了哈爾濱量具刃具廠等幾個儀器生產廠，可生產量具和中低端測量儀器；在幾所大學里設置了精密儀器專業，在一些專業領域，逐漸進入精密級測量階段；改革開放以后，我國中低端制造業發展規模快速擴大，但精密測量手段并沒有跟上，在精密級測量能力上發展不平衡，不成體系，沒有形成整體能力，因而沒能保證產品質量同步提升。而在航天和國防領域，雖然部分形成超精密測量能力，但也不成體系。總體狀況是，精密級測量能力需要整體補齊，超精密級測量能力需要大范圍追趕。要想整體上追齊德國工業4.0，將面臨如下三大挑戰。
1、計量測試體系不完整
盡管我國建立起以國家計量院為核心的國家法定計量體系，形成科學計量、法制計量和工程計量能力。但從國家級、中間級、一直到工廠車間級對產品實現全部參數測量能力的角度考察，會發現我國的計量測試體系不完整。以幾何量測量為例，我國國家計量院現有工程參量計量標準80個，而德國有123個。若考慮到德國是有選擇的發展制造業，而我國是全面發展制造業，我國缺少的計量標準就更多了。從縱向看，因計量手段不足，使很多參量的量值傳遞鏈出現斷裂，量值傳不到工廠的計量儀器上；即便是有些量值傳遞到了工廠的計量儀器上，但由于我國現行的年檢和周期校準制度，量值不能實時的傳遞到產品上，測量儀器對產品質量的監控處于失控狀態。實際上，我國計量測試體系，從頂級的基準級和標準級儀器到產品級測量儀器的量值傳遞鏈上，存在“中間一公里”和“最后一公里”的盲區。在產品質量的層次上，我國的計量測試體系，在很多量值上，不能保證在全國范圍內的準確一致。
從總體上看，我國現有的計量測試體系無法支撐起龐大制造業，特別是高端裝備制造、智能制造和強基工程的發展。
2、儀器體系呈現碎片化
高質量產品是如何完成的？從工業發達國家的成功經驗中可以總結出一般規律，即必須對制造全過程進行嚴格精密測量，并依據測量數據不斷改進和完善工藝、包括材料加工工藝、零件加工工藝和裝配工藝。誰的測量數據更精準、更全面，誰在各個工藝環節上做得更扎實，做得更精益求精，誰的產品質量就更勝一籌。在高端制造和智能制造階段，由于主要依賴更加精準、更加全面的長期積累的大數據，以實現更高的質量、更高的效率和更多變的個性化，因而具有完整性和充分性特征的超精密測量的基礎支撐作用更加突出。
王大珩院士曾總結美、德、日等先進制造國的成功經驗，在一次報告中指出：對測量儀器的投入占總裝備投入的三分之一。而我國既缺乏這種經驗，也缺乏對別人經驗的認識。
考察高端裝備制造，其精密制造過程可大致分為四個環節，即零件加工、部件裝配、整機裝配和整機性能測試實驗。每一個環節都有大量的被測參數，需要一批測量儀器。以大型精密回轉裝備為例，共有約2.5萬個零件，其中65%是超精密零件，有20多萬個測量參數，加上部件裝配中的測量、部件工作特性的測量、整機裝配中的測量和整機性能測量與試驗，共需要至少500多種專用測量儀器。而實際上，我國現有生產線上的儀器尚不足十分之一，而且測量儀器配置的內在關聯性很差，不成體系，表現出嚴重的碎片化。如考慮到智能制造階段，制造上升到超精密級，具有精度完整性和充分性特征的超精密測量所需要的參數被細化，被測參數成倍數，或成數量級增加，生產線上缺失的儀器數量就更多了，測量儀器更不成體系，即測量儀器體系碎片化將更嚴重。
導致測量儀器體系碎片化的原因主要有三個方面：一是我國真正懂得測量需求和測量技術的專家與工程師非常少；二是對測量儀器體系缺乏整體規劃；三是國內對高端測量儀器的研發整體上能力較差，缺少長期系統地研發高精尖儀器的團隊與基地，很多項目不是最有優勢的人在做，幾乎沒有生產高端測量儀器的企業，只有少量的科研院所能研發一些專用測量儀器，高端測量儀器95%以上依賴進口。
可見，測量儀器體系碎片化導致無法構成整體測量能力。沒有整體測量能力,就不能支撐產品質量提升，就不能支撐高端裝備制造、智能制造和強基工程的發展。
3、質量意識淡薄，缺乏專精精神
質量意識主要體現在兩個方面：一是能否自覺堅持質量第一的原則；二是能否掌握提高質量的方法與手段。質量意識淡薄是我國各個行業發展的最大短板，一方面，人們追求快速成功，快速擴張，心浮氣躁，不愿意埋頭于需要大量基本功、成效慢的質量提升工作；另一方面，重視產品質量的人又說不清楚產品質量為什么做不上去。在這方面，我們應該向德國學習。
德國質量與德國品牌不是天生就有的，而是經歷過浴火重生的蛻變過程。
第一次工業革命發生在英國，技術領先，產品質量最有競爭力。德國處于追趕和仿制階段，此時“德國制造”是價低質劣的代名詞。1887年8月，英國議會通過侮辱性的商標法條款，所有從德國進口的商品必須明確標注“德國制造"，以此將劣質的德國產品與優質的英國產品區分開來。英國這一侮辱性做法使德國舉國震動，引起全民性反思,認識到：不提高產品質量，德國工業就沒有出路。強烈的質量意識成為德國全民族的共同認識，成為每個人的自覺行動。那么如何提高產品質量呢?專家們認識到，沒有精密的測量，就沒有精密的產品。西門子公司創始人出資建立起世界上第一個具有現代意義的德國聯邦物理技術研究院(PTB)。德國由此起步，逐漸建起嚴格完整的工業標準體系、計量測試體系和質量保證體系;支持發展起以蔡司、萊卡為代表的一批世界一流的精密儀器企業，建立起完整的測量儀器體系。一個必然的結果是，德國由“德國制造”成功轉向“德國質量”和“德國品牌”。
相比之下，我們的質量意識和對測量作用的認識仍然停留在第二次工業革命初期德國人的水平上。
專精精神的本質是：專心致志做好一件事，把一件事做到極致。
我國有世界上規模最大的科學家群體，卻沒有研究出相應數量的世界級基礎研究成果;我國有世界上規模最大的各類專家群體，卻沒有研制出相應數量的世界一流的高精尖裝備;我國有世界上規模最大的工程師和技師群體，卻沒有制造出相應數量的世界品牌的產品。一個重要的原因是，絕大多數人缺乏專精精神，低水平重復，淺嘗輒止，不斷跟蹤熱點，終其生也沒有做出一個像樣的成果來。
要想實現由”中國制造“向"中國質量“和“中國品牌”轉變，就必須從根本上轉變全民族的質量意識“質量第一、測量數據第一 ”的意識要融入每一個中國人的血液里；“專心致志做好一件事，把一件事做到極致“要成為每一個中國人的不懈追求，這是我們建設世界科技強國和儀器強國面臨的最大挑戰之一。
建設儀器強國必須完成的五大任務
要建設世界儀器強國，就必須應對上述三大挑戰，完成如下五大重點任務。
1、建立完整的國家計量測試體系
基于國際計量科技和儀器科技前沿的發展趨勢，基于未來30年我國科技、工業、國防等各個行業的整體需求，應及時規劃國家計量測試體系，該體系必須具有系統性、完整性和科學性。對七個基本量，要完善與提升量子化和扁平化量值傳遞能力與水平，確保在全國范圍內的準確一致;在國際比對中處于國際前列地位。對工程計量標準，在向下傳遞量值時，要與科學實驗儀器和工程測量儀器無縫對接，確保量值準確傳遞到科研院所的科學實驗儀器上和企業工程測量儀器上，并通過工程測量儀器準確傳遞到產品上。該體系可使國家計量體系與科研院所科學實驗測量體系和企業工程測量及測試體系融為有機整體，統稱為國家計量測試體系。該體系既滿足“國家質量基礎’框架(國際測量聯合會和國際標準化組織聯合倡導)，又具有中國特色，有利于解決中國問題。該體系沒有工程參量量的缺失，沒有“中間一公里”和“最后一公里”的盲區。該體系可有效支撐科學實驗測量體系和企業工程測量體系高效率，高性能運行，可有效支撐各個行業標準體系和質量保證體系高效率高性能運行。該體系是“中國創新”“中國質量”和“中國品牌”的基石。
2、建立完整的儀器體系
完整的國家計量測試體系必須有完整的儀器體系支撐。面向各個行業，系統規劃，培育體系完整的各類科學儀器、各類工程測量儀器、各類專用高精尖儀器和醫療儀器等自主品牌生產企業。在實施過程中，要重點整治儀器市場競爭不規范等阻礙高質量自主品牌儀器發展的市場環境問題。
沒有完整的儀器體系，就無法支撐完整的國家計量測試體系建設，就沒有手段和能力支撐“中國創新”“中國質量”和“中國品牌”的實現。
3、建設一批國家級重大儀器技術創新研發基地
建立完整的儀器體系不能全靠從國外買，必須主要依靠自主研發和生產大批具有自主知識產權的高精尖儀器，而創新研發高精尖儀器是關鍵，必須建設一批國家級重大儀器技術創新研發基地。每個基地面向一個領域，系統規劃，組織系列攻關，成體系地研發高精尖儀器。以提高產品質量為核心，源源不斷地向國家和企業提供成體系的核心技術和成套解決方案，支撐我國高端裝備制造、智能制造和強基工程能力與水平可持續提高。
4、建立統一規劃與指導國家計量測試體系和儀器體系建設發展的國家級專家咨詢中心
建立完整的國家計量測試體系和完整的儀器體系，首先必須要做出一個系統完整、科學合理、適合國情的發展規劃，以指導完整的國家計量測試體系建設、指導完整的儀器體系建設和指導國家級重大儀器技術創新研發基地建設。該規劃應該由一個國家級專家咨詢中心組織完成。該規劃應該最大限度地集中我國戰略科學家、儀器專家、計量科學家、測量科學家和相關領城的專家的集體智慧，使其真正起到建設世界儀器強國高水平藍圖的作用。
5、提高全民質量意識、專精精神
建設世界儀器強國，最重要的是人，是千千萬萬以建設世界科技強國和世界儀器強國為已任的科學家、專家、工程師、工匠、企業家和領導者。中國有世界上最大的智力資源和人力資源，如何能讓這個世界上最大的智力資源和人力資源產生世界上最大的創新能力和最強有力的質量提升能力，創造出世界上最多的世界品牌.是新時代必須要解決的重大問題。
因此，不僅要樹立全民創新意識，還要樹立全民質量意識。“ 質量第一、測量數據第一”的認識必須成為每一位科學家 、專家、工程師、工匠、企業家和領導者的共同理念和工作準則。
專精精神要求一個人、一個團隊、一個企業一輩子只做一件事，把這一件事做到極致、做到世界一流，而且，這件事要代代相傳。如果每個人都以專精精神做事，最大資源的累積效應就會產生“由量變到質變”的飛躍。“中國創新”“中國質量”和“中國品牌”就一定會實現！世界儀器強國和世界科技強國就一定會實現！
建設世界科技強國必須首先建設世界儀器強國。世界儀器強國是世界科技強國建設的基石，必須優先發展。
建設世界儀器強國是一項十分艱難、循序漸進、扎扎實實的基礎性、系統性工作。建設世界儀器強國中最大的難題是改變人們的觀念，自覺堅持“質量第一測量數據第一”必須成為一種民族素質;“專心致志做好一件事，把一件事做到極致”必須成為一種民族秉性。
世界儀器強國建設是一項系統工程，要理清思路。既要規劃好近期，又要規劃好遠期。遠期規劃要重點放在儀器科學基礎研究和高端創新性儀器人才培養上。沒有儀器科學的重大原始創新，就不會有未來的儀器技術領先；加強儀器科學與技術學科專業高端人才培養模式的改革，適度擴大儀器科學與技術學科的規模，以適應世界儀器強國建設的需求。
世界儀器強國建設進展緩慢，不是別人卡住了我們的脖子，主要是我們自己不爭氣，是自己卡住了自己。對測量與儀器的基礎性、戰略性地位認識不清；對我國計量測試體系和儀器體系的系統性、完整性差距認識不清；對我國測量與儀器領域巨大的智力和人力資源調動、使用不利，都是我們自身的問題。只要深刻認清制約儀器強國建設的關鍵問題，找到破解問題的方法和正確發展的途徑，建設儀器強國的夢想就一定能實現。
作者：哈爾濱工業大學 譚久彬院士。《百名院士談建設科技強國》一書出版于2019年2月，本文文刊登在該書的第447頁-458頁
