IMSS svolge fin dalla fondazione attività permanenti di ricerca nella storia delle scienze e delle tecniche, della strumentazione scientifica, del collezionismo e della museografia scientifica. Le ricerche, condotte e/o coordinate dal direttore dell'Istituto, dai curatori, dai membri del Consiglio Scientifico o da studiosi esterni, vedono protagonisti giovani ricercatori italiani e stranieri ai quali vengono conferite borse di studio, assegni di ricerca cofinanziati da IMSS, contratti per ricerche finalizzate, contributi per la pubblicazione, ecc.
Una delle aree di ricerca prioritarie è quella relativa agli studi galileiani, ambito nel quale IMSS ha pubblicato innumerevoli studi originali, realizzato innovative applicazioni multimediali e promosso originali iniziative espositive. Analoga importanza è riservata alle attività di ricerca sulla storia della strumentazione scientifica, settore nel quale l'Istituto rappresenta un centro di eccellenza a scala internazionale. Vanno anche menzionati i programmi di ricerca attivati per la preparazione di mostre su aspetti fondamentali della storia delle scienze e delle tecniche, promosse dall'Istituto. Tali mostre, molte delle quali hanno avuto una lusinghiera itinerazione internazionale, scaturiscono infatti da meditate fasi di ricerca, che producono significative revisioni storiografiche e favoriscono l'avanzamento delle conoscenze.
A partire dall'ultimo decennio del secolo scorso l'Istituto si è infine distinto per l'originale impiego nelle attività di ricerca e documentazione delle nuove tecnologie dell'informazione e della comunicazione, sviluppando proficui metodi di integrazione sistematica tra i nuovi media, i processi di avanzamento delle conoscenze e le iniziative didattiche di diffusione della cultura scientifica e di divulgazione.
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