作者：潘秀英
出版社：安徽美术出版社
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科学巨人：走在科学的最前沿试读：
前言
科技人才的培养，基础在于教育。谁掌握了面向未来的教育，谁就能在未来的国际竞争中处于战略主动地位。青少年是祖国的未来，科学的希望，担当着科技兴国的历史重任。因此，把科技教育作为一项重要的内容，从小学抓起，为培养未来的人才打下坚实基础是势在必行。
图解科技内容，进行科学普及，对培养广大读者学习科学方法，树立科学思想和科学精神，从面成为具有创造精神的，适应未来社会发展的建设人才打下基础具有十分重要的意义。
在新的世纪，随着科学技术日益渗透于经济发展和社会生活的各个领域，成为推动现代社会发展的最活跃因素，并且是现代社会进步的决定性力量。发达国家经济的增长点、现代化的战争、通讯传媒事业的日益发达，处处都体现出高科技的威力，同时也迅速地改变着人们的传统观念，使得人们对于科学知识充满了强烈渴求。
对迅猛发展的高新科学技术知识的普及，不仅可以使广大读者了解当今科技发展的现状，而且可以使我们树立崇高的理想：学好科学知识，为人类文明作出自己应有的贡献。
为此，我们特别编辑了这套丛书，知识全面、内容精炼、图文并茂，形象生动，通俗易懂，能够培养我们的科学兴趣和爱好，达到普及科学知识的目的，具有很强的可读性、启发性和知识性，是我们广大读者了解科技、增长知识、开阔视野、提高素质、激发探索和启迪智慧的良好科普读物。第一章青史留名伟大的博物医学家李时珍
我们的祖国是一个伟大的文明古国。在古代，一直到19世纪以前，我国的科学文化，都是居于世界最前列的。
就医学而言，我国医药学已经有数千年的历史了，而且内容十分丰富。在近代西医还没有发展起来以前，中医是具有世界先进水平的。它向外传播，在世界上有着十分重大的影响。许多东方国家像朝鲜、日本、越南、东南亚各国的古代医学，都明显地受到中医的影响。
在古代中医发展的过程中，出现过许许多多有名的、杰出的医学家，有的具有世界性的影响。
由于中医的理论体系独特，其他国家的文化与我国有很大差别，不易为外国人所理解。惟独中药学这门学问，其所研究的对象是自然界的动物、植物和矿物，其内容很容易为人们所接受。古代的中药学叫做本草学，研究的是自然界的各种事物，所以又称为博物学。
我国古代的博物学是世界闻名的。其中，明代的本草学家李时珍及其代表作《本草纲目》为世界科学界所推崇。英国的科技史学家李约瑟和鲁桂珍博士称李时珍为世界上“伟大的博物学家”，是博物学界的“无冕之王”；生物进化论奠基人达尔文曾引用李时珍著作的内容，并把它列入“古代中国百科全书”。李时珍被世界科学界认为是可以与哥白尼、伽利略等并列为科学界的伟人。志在从医
李时珍是蕲州人，就是现在湖北省的蕲春县人。
他的父亲叫李言闻，又名李月池，是一名远近闻名的医生，家中常有不少病人来求诊。李言闻在平时常上山采药，李时珍小时候也经常跟随父亲去采药，抓蚂蚱、蝴蝶，玩玩花草。
李言闻也很有学问，他不但收藏许多医药方面的书，还收集一些古代的经书。不仅如此，他自己还有著述，他的著作有《艾叶传》、《人参传》、《四诊发明》等等。
生活在这样一个环境中，李时珍从小就受到医药的熏陶。他同情那些被病魔折磨的患者，喜欢那些芬香的药草味，对做一个医生十分向往。当他看到患者经他父亲调治痊愈以后，自己心中有说不出的欣慰和羡慕。他渴望自己将来也能做一个济世救人的医生。
可是，李言闻却不这么想。他盼望李时珍能步入官场，为自己的家庭争得荣誉，所以从小就督促李时珍读书。儒家的“四书”、“五经”是必读的，有些还要求背诵烂熟。当时社会上实行的是科举制度，就是通过考试，选择其中统治阶级认为优秀的人去做官。
尽管李时珍的志趣不在官场，而是在医药这门学问上，但他当时还很小，只是个刚刚懂事的孩子，他还不敢与父亲的命令拗抗，硬着头皮读下儒家那些经典著作。他天资聪颖，虽觉乏味，却也都记了下来，并且能灵活运用。
13岁那年，父亲带他到黄州参加考试，果然一试命中，得了个“秀才”。父亲十分高兴，更加起劲地督促他深入读书。可是李时珍却愈觉厌烦，也无心再深造了。他16～19岁曾两次到武昌参加中级水平的考试，都失败了。
就在这个时候，李时珍也得了骨蒸劳热病，发烧、咳嗽不止，人也日渐消瘦。他苦苦哀求父亲，不要再迫他读那些枯燥的八股文了，他愿做一名继承父业的医生。
父亲看到这般情景，也不忍心再迫逼他，只好答应他的要求。他一方面用自己高超的医术，亲自为儿子调理，一面安慰他。李时珍心情也逐渐开朗起来，不多久，病也痊愈了。
经过这一番曲折的经历，李时珍开始步入医药职业的行列了。读书、实践与著书
自从得到父亲的谅解和同意之后，李时珍的心情就一天天好起来。他不喜欢四书五经，并不是不爱读书，而主要是那时候的读书目的不明确，觉得没有“奔头”。
现在，为了当一名为病人解除疾苦的医生，他拼命的读起书来了。他不但复习了以前读过的四书、五经，还广泛涉猎其他能看到的书，其中包括小说、稀奇古怪的故事、寓言等等。与此同时，他也开始脱离只是帮父亲抄抄方子的阶段，而进入独立处理病人的阶段。每当他有不够了解或无法解决的难题时，他才去向父亲讨教。每当他自己治好一个病人时，他心中那种宽慰的心情，就更无法形容了。
不过，随着时间的推移，李时珍的兴趣开始发生了变化。小时候因与父亲上山采药，所以对大自然的一草一木，一山一水，一虫一兽，他都感兴趣。但他对治疗病人所用的药物，比对疾病的兴趣更浓一些。为了满足自己这方面的兴趣和志愿，李时珍开始阅读古代那些专门论述自然界各种事物的书籍，像《山海经》、《尔雅》等，都是他阅读的重点。有些专门论述自然界花草虫兽的书，像《竹谱》、《香谱》、《菊谱》、《兽经》、《龟论》等等，以至于历史书、地方志、小说、炼丹书、药方书、笔记、传记、博物志……他都感兴趣。换句话说，只要他能看到的书，他就要拿来看。他还边看，边摘录，边做笔记和写心得。
就这样，他在家中关门读书达十年之久，据说连大门也不出。他十年内读书多达800种。这个数字现在看来不算太多，但在四五百年前的明代，是一个很了不起的数字。他在27岁那年，还以医术高明，被推荐入朝，在北京当上了太医。这对他自己来说，倒不是什么值得引以为自豪的事，但他自己倒觉得这是读书的好机会。这是因为，在当时那种条件下，有许多宝贵的好书，在民间根本看不到，只有在朝廷的藏书处才能看到。李时珍正是利用这个机会，收集到许多十分宝贵的医药资料的。
李时珍知道，书本上的知识是前人的亲身经历所记载下来的十分宝贵的资料，但他自己也觉得这些资料可能会存在不少不正确、甚至是错误的东西。例如，梁代陶弘景的《本草经集注》“亦多谬误”，唐代的《新修本草》“亦多驳误”，而宋代唐慎微著的《证类本草》也常常“草木不分，虫鱼互混”。他还举出一些例子，如他指出书中把“萎蕤”和“女萎”混为一种药物，其实前者是草本，后者却是藤本植物；而前者是补益性的药，后者却是排浓、消肿的解毒药。更为严重的是把有毒的钩吻误当成能补益身体的黄精。这些都是严重的错误。
李时珍深深知道，医药是人命关天的大事，如稍一不慎，用错了药，那就会是害人而不是救人，这种事是医生所绝对不许可出现的。神圣的责任感，促使李时珍立下志愿，要重修一本新的本草书，也就是中药学著作。
在李时珍以前，历代的本草学著作，重要的就有四五十种。他为了超过前人，除深入钻研前人的本草书和参考其他各类著作以外，还重视实践，用亲身经历的第一手资料来补充前人的不足，纠正前人的错误，发挥自己的新知。
在广泛阅读前人著作的基础上，他决定到自然界去，做实地调查，亲自实践。他除了在自己家乡各地巡游学习、为人治病以外，还不辞辛苦，跋涉万里，足迹踏遍几乎大半个中国，包括河北、江苏、湖南、安徽、河南等地。通过实地考察，获得了可贵的第一手资料，这就大大增加了写作的科学性。
李时珍就是这样，前后用了近30年的时间，读书、实践、实地考察，最后投入著作。他把自己的著作取名《本草纲目》，全书52卷，190万字左右，书中共收药1892种，其中374种是前人没有提到过，由他新增加入本草书的。书中还绘有药物图1000多幅，治病验方10000多个。
由于书的篇幅过大，刊刻出版困难，直到他去世以后3年才得以出版。实事求是的科学精神
为了研究每一种药物的效用，使读者能得到正确的知识，并在临床时准确地应用这些药，李时珍除了大量查阅前人已取得的成就并加以利用外，他还对自己认为尚未研究清楚，或还存在疑问的地方，都认真负责地进行调查、研究、分析，最后才得出应有的结论。
为了证实鱼类有发声的功能，他特地到海边向渔夫请教学习，终于获得了这方面的知识：渔人们总是认真倾听水中的声音，如果声音如雷声轰隆隆，这就是石首鱼群来了；如果水中发出轧轧声，那是黄颡鱼群的声音。
为了证实猎人捕蛇的方法，并看看白花蛇身上的花纹的结构，他特地去拜访猎人，并与猎人一同去捕蛇。他看到猎人在石南藤下面铺上沙堆，等白花蛇爬过来盘在沙堆上，便用叉子把蛇捕住。他亲自把蛇翻来覆去地看了一遍，证实这种蛇身上的确有24块方格的花纹。
古代有一本书叫《诗经》，在描写一种细腰蜂的生活时，写下这样的诗句：“螟蛉有子，蜾蠃负之，教诲尔子，式壳殳似之。”这首诗说的是一种细腰蜂（蜾蠃），又叫做蠮螉，自己不会繁殖后代，它总是到螟蛉这种昆虫的窠里，把螟蛉子衔到自己的巢里，并且会念念有词，不久就把螟蛉都变成自己的后代，变成小蜂，用这种方式来繁殖后代的。
这段诗经故事，历代有许多争论：一种意见认为《诗经》所说的就是事实；另一种认为这是错误的，螟蛉不可能变成细腰蜂。在历代本草学家中，也有这两种意见在争论。梁代的陶弘景主张后一种意见，而宋代的苏颂则是前一派的拥护者。做为一个本草学家，如何解决这个争端，证实和判断哪一种意见是对的，李时珍采取认真的态度，亲自到细腰蜂的蜂巢里去解剖，打开蜂巢。他发现：在蜂巢里，有很小的小蜂，它们把螟蛉虫咬住、撕碎，并且把虫子咽下去。原来，它们是在吃虫子，把虫子作为自己的粮食。李时珍说：我“屡破其房”，也就是不止一次地破开蜂房，来证实细腰蜂自身具有繁殖后代的能力，从而否定了《诗经》的说法。而古代把那些自己没有孩子的人，向别人要个孩子抚养的义子，称为“螟蛉子”的说法，当然也是基于错误的认识的。
为了证实铅对人体是有毒的，李时珍曾亲自到铅矿井，与工人一起下井采矿。他还看到采矿工下井以前，总是先吃许多肥肉、狗肉，并喝一些酒，然后才下井去采矿。矿工说：如果空着肚子下井，必然会中铅气的毒，日久就浑身瘫痪，面色发黄，贫血而死亡。李时珍把亲自见到的情况记了下来。
像这样的记载，《本草纲目》多不胜数。过去好多本草学家都没有这样认真负责的精神，所以不是记得不确切，就是缺乏记载。李时珍在这方面大大超过了前代的本草学家。他记载了矿工常发生汞中毒，煤矿工人发生煤气中毒的症状都十分确切，这些在我国是最早的记载。
然而，一部载药1892种的大部头的本草书，一个人是不可能样样都亲自去实践和试验其功效的，更何况其中还有不少是域外、异国的物产，更无法去一一检验。对于这类问题，李时珍只好如实地加以记录，并提出个人的见解和建议。
如有一种药叫麻勃，古书上说凡患疔疮的人忌见到这种麻勃，如见了就会死去。李时珍对此表示怀疑。他说，不知为什么这种病人不能见麻勃，这是“理不可晓”。
古书上记载两种植物，一种叫白龙须，一种叫万缠草。这究竟是些什么东西，李时珍自己根本弄不清，他知道这是古人有时故意给植物起的暗语，所以他说：“二树名皆隐语，无从考证。”他不敢随便乱猜，不懂装懂。
还有一种奇怪的说法，说金刚石是“鹰隼”把沙子吃进肚子后，然后由粪中排出，在河北的沙碛石间变化而成的；还有一种叫“撒八儿”的东西，是玳瑁这种动物遗精在水中，被蛟鱼所吞食，经过多年才结成的……对这些稀奇古怪的东西，多数都是外国传过来的说法，是无法肯定其真假的，李时珍只好说，这些事“无所征询”，但对它也不敢随随便便就加以否定，只好说“理外之事，容或有之”，也未可知，只好留待以后搞博物学的人进一步证实，再加以肯定或否定了。
李时珍这种实事求是的精神，表现出一个自然科学家所应具备的高贵品质，很值得我们大家学习的。他的著作之所以有很高的科学价值，为人们所推崇，这也是其中的一条理由。为科学而献身的勇气
从事自然科学研究，需要亲身实践，进行科学研究，才能取得第一手资料。在某些学科，亲身的实践有时是需要冒一定的风险的。例如搞化学试验，有时会起火、爆炸等等，没有牺牲精神和勇气，是不可能取得真知灼见的。
对一个本草学家来说，同样存在这样的问题。
李时珍曾经说过，要取得正确的知识，需要亲自实践，绝不能道听途说。例如有一种药叫蛇床，对男人、妇女都有补益作用，而且是比较普通易得之药，但一般群众不愿用它，而随便听人介绍，舍近求远另用它药。李时珍批评这种做法是“贱目贵耳”，就是只相信别人的话，而不相信自己亲眼所见。又如一种叫餽的植物，历代对它也有很多说法，他引述了历代所说的、餽、莕、金莲等不同说法，指出古代之所以这样众说纷纭，没有一定说法，是因为他们“惟据纸上猜度而已”，这种主观的猜度根本要不得，也是解决不了问题的。李时珍解决这种纷争的办法，是亲自去实践，“一一采视，颇得其真”，通过对每一种植物的采集，加以比较，才得到真实的结论。他对于那种胡乱猜度、道听途说的做法，痛加批判，认为那种做法，不足以效法，“殊无指归”。
有些药物的作用，需要亲身去实践，如他对鲮鲤（即穿山甲），曾经自己做过解剖，以观察它是否真的是以蚂蚁为食，结果发现这种动物胃中果然是充满了蚂蚁。他就是用这种亲眼所见，亲手所做来加以检验的，所以他的著作具有很高的科学性，道理就在这里。
更为可贵的是李时珍还以自己的身体去检验某些药物的药理作用。这是需要有献身科学的精神才能做得到的。
有一种叫罗勒子的药物，据记载可以把眼睛中的异物移去，其功效究竟如何呢？是真是假，李时珍决定做试验。他先用一个碗，碗中放些水，把罗勒子放在碗中，不多一会儿，罗勒子即吸水膨大，形成一层膜，这就说明了它在眼中也能把眼泪吸收起来，这层膜就会吸住异物，所以它确有这种作用。后来他还用自己的眼睛做了试验，效果的确不错。
李时珍的献身精神还不止此。用药试眼，最多眼睛受病。他还曾试验一种药理作用极剧烈的曼陀罗花。曼陀罗花具有麻醉作用，饮用后有如酒醉，可以用来做麻醉药，开刀做手术，都没有问题。古书上曾经说过，曼陀罗花汤喝下去以后，人就会感到像酒醉一样，不由自主地又笑又闹，手舞足蹈。究竟是不是这样，要喝多少才能达到麻醉的程度呢？当时没有现成的经验可循，只有自己亲身试验，才能知道多少药量合适。麻醉药有一个特点，就是麻醉用量与中毒用量常常相差不多，也许就是一滴之差，多一滴即可使人中毒，而少一滴即有麻醉作用。李时珍深知，这个试验不能在病人身上试验。病人有病，已经很痛苦，身体也弱，不能再经受折腾，他决心自己亲自饮药试验。
他是知道用药的危险性的，但为了把药量药性搞清楚，“不入虎穴，焉得虎子”，他亲自试验了。药量一点一点地加，他自己也以身体的感受来判断用药量，最后，他终于弄清了这种药的用量，要达到“半酣”，也就是半醉的状态，人就会不自觉地手舞足蹈，欢笑而不自主。
李时珍成功了，他用自己的身体，把这种麻醉药的用量弄清楚了。伟大的科学成就
李时珍学问渊博，对博物学有深入的研究，其中有许多成就是具有世界水平的。
就《本草纲目》中对药物的分类来说，在当时是具有世界先进水平的。中药的分类最早是汉代《神农本草经》的三品分类法，就是把药物分成补养作用（无毒）、治疗兼补养作用及治疗作用（有毒）三类，叫上、中、下三品。这些方法比较原始，也比较笼统。到梁代的《神农本草经集注》，就改成按药物自然属性把药分成七类，即玉石、草木、虫兽、果、菜、米食、有名未用等，这就比以前进了一步。生物学家发展史表明，分类的情况在一定程度上代表着该学科的水平。经过近千年的进步，李时珍在药物分类学上取得了极大的进展。他把1892种药分成16部62类。就植物而言，他把1195种药分成5部30类，其中包括草部（分山草、芳草、隰草、毒草、蔓草、水草、石草、苔、杂草）、谷部（分麻麦稻、稷粟、菽豆、造酿）、菜部（分荤辛、柔滑、蓏菜、水菜、芝栭）、果部（分五果，山果、夷果、味果、蓏果、水果）、木部（分香木、乔木、灌木、寓木、苞木、杂木）等。植物的分类法，在《本草纲目》表现出相当高的科学性，例如他已经把桔梗科的沙参、荠苨、桔梗编排在一起；把伞形科的柴胡、防风、独活排在一起；把姜科的高良姜、豆蔻、白豆蔻、缩砂密、盖智子排在一起；还把菊科的菊、野菊、菴鯈、蓍、艾、千年艾、茵陈蒿、青蒿、黄花蒿、百蒿排在一起；把蓼科的蓼、水蓼、马蓼、荭草、毛蓼排在一起。这样的排列法，说明李时珍已经对植物的自然分类法有较深入的了解，有较高的科学水平。国际科学史界有人把他的这种科学分类法，与18世纪植物分类学家林奈的分类法，也就是现在通用的拉丁双名分类法相提并论。虽然林奈的分类命名比较科学，但林奈最初的分类，仅仅有12页的《自然系统》，还不如《本草纲目》高明，而且比李时珍晚了140多年。
最值得提出的是，李时珍在动物分类学及遗传学方面的成就。在《本草纲目》中，李时珍共记载动物药444种，占全部药物的23.4%。他把这些动物药分成虫、鳞、介、禽、兽和人这几部。为什么要这样分，必然有一个主导思想。李时珍对这个分类法，有他自己的原则，认为这是“由微至巨，从贱至贵”。微与巨，可能是指动物机体体积的大小，从小小昆虫，直至哺乳动物等巨大的兽类。这里的贱与贵最值得注意，它并不是指动物的经济价值的贵贱，也不是人们思想中关于贵与贱的含义。
大家都知道，在封建社会里，龙与凤在人们思想中是至贵的生物，皇帝自比为真龙天子，要穿龙袍，睡龙床；而皇后则比为凤凰，这样才能龙凤匹配。旧小说还认为龙是一种神物，能呵气成云，甚至呼风唤雨。如果是用这个意义上的贵贱而言，则龙、凤应当排列在诸动物的榜首，但实际上《本草纲目》把龙列在鳞类，而比龙应该说低一等的凤，书中把它列为禽类。
再看看猩猩，当时认为猩猩只是一种与鹦鹉相仿，只会学舌的动物。但李时珍却把它列入兽类，而且是兽类中最高的寓怪类。至于人本身呢，李时珍把人列在动物中最高的一级，专立“人”一部。
由此看来，他所说的“贵贱”另有所指，不是指动物的经济价值，也不是指人们思想中所认识的贵贱。那又是指什么呢？
我们具体看一下各类中都有什么动物。虫类都是一些微小的昆虫，鳞则是鱼类，介类中有爬行动物，也有两栖动物；禽类则是指飞禽包括鸡、鸭、鸟等等，兽类几乎都是哺乳动物，最后是万物之灵的人类。
由此看来，李时珍所说的贵与贱，是指动物在智力进化及生物高低方面的贵贱。他排列的这个顺序，与达尔文生物进化论中关于动物进化顺序的排列几乎不谋而合，除了具体到每一种动物，可能有归类不当之处外，从总体上说，李时珍的排列正好符合生物进化的顺序。
由此，人们可以得出这样的结论，李时珍在动物学的研究上，已经具有了生物进化的思想了，至少已有了生物进化思想的萌芽。李时珍较达尔文早二三百年，他的这种思想在生物学上是非常先进的。
李时珍还对生物环境的适应，有相当深刻的认识。他十分重视环境对生物，尤其对动物的影响。如地域、气候对生物的影响，他早就注意到了。如说天方国的罂粟花到7～8月以后，其皮还是青色的，他指出这是地域方土差异的结果。他指出百谷在中国九州内，其性质都不一样。而鱼类的颜色及其习性，生活在清水和浊水、流水和止水的都不一样。
有些动物为适应环境，其身体的结构与环境有密切关系。比如生活在山中的鸟类的尾巴长而鸟喙短，而生活在水上的禽类则相反，尾巴短而其喙长。鱼的鳞与水波粼粼是相适应的，他甚至说鱼的鳞就是这样起的名字，也就是清澈的水中，块块小石清晰可见的意思；又指出鸟类因为栖息在树林里，因此，它们的羽毛就与树叶片片相似；兽类身上披着的是毛皮，这是因为兽类动物都穴居山中，所以这些毛都与草相像。这些都是动物与环境相适应的结果。他把这种现象概括地说成是“毛协四时，色合五方”，也就是动物的外态形色，都与时间，地域的变化不同相适应。
对于生物的遗传现象，李时珍也已经有所认识。我们经常碰到这种情况，有些人才20多岁，头发已经布满银丝，满头花白了，我们称之为“少白头”。有些人说这是未老先衰，也有的说这是用脑过度，说法不一。其实，对这种现象李时珍早就有了解释。他说一个人的头发变白，有迟有早，有的老了才白，有的少年就白了，这些现象与人的寿命长短没有关系，而是由于“祖传及随事感应而已”。这里，他已经涉及了白发发生的两个因素：一个是“祖传”，也就是先辈传下来的因素，我们现在称之为遗传因素；二是“随事感应”，也就是与人的精神活动有关。李时珍的这个观点也是相当全面而正确的，在遗传学发展史上有着重要的地位。
就医学而言，他的主要贡献当然是在本草学方面，但他本人又是一位高明的医生，他对中医的脉诊特别有研究，著有《濒湖脉学》一书，具有世界性的影响。
此外，李时珍在天文、地质、矿冶、化学等等方面，也都有不少成就。深远的影响
李时珍的本草学著作面世以后，一直受到人们的重视，不仅在国内如此，在国外同样影响深远。《本草纲目》自16世纪问世以后，历代对它进行过深入的研究。像这样一部将近200万字的巨著，就是在现代，要翻印起来也并不容易。但是，就在这将近400年间，人们对它的翻刻次数，包括现代用活铅字排版的印刷，竟多达近60次！其重要性可以不用再多费笔墨了。
近代以来，人们以现代科学，包括现代医学的眼光，研究李时珍的科学思想、工作方法、生平事迹、医疗成就，甚至他的文学修养等等，研究《本草纲目》中博物学，包括现代自然科学的各个学科的成就的学术论文，数以百计，研究专著也源源不断。李时珍已经成为我国古代自然科学家的杰出代表。
在国外，他的影响也是相当大的。生物进化论的奠基人达尔文（1809～1883）在他研究和创立进化论的过程中，曾经引用过李时珍在生物学方面的成就。如他在《人类的由来》这本著作中曾经引用过一段关于金鱼颜色的形成的材料，指出其颜色是由于人工细心的培养而引起的突然变异，指出这种动物在中国很早就被人们细心地培养着，认为宋代就已开始培养了。这一材料就是从《本草纲目》中引用过来的。达尔文曾经提到他所引用的是“古代中国百科全书”，指的就是《本草纲目》而言。《本草纲目》很早就传到国外，被日本、德国、欧美的学者进行研究、翻译。这样大的部头巨著，其中还有不少中医特殊的名词术语，要译成外文，是有相当大的困难的。
至今，《本草纲目》已经被全文或部分译成英文、日文、德文、朝鲜文、拉丁文、法文等等译本。此外，《濒湖脉学》也已经有了德文的译本。
李时珍已经成为我国古代科学家的杰出代表，与世界科学名人罗蒙诺索夫、达尔文、哥白尼等相并列。“巧思绝世”的机械发明家马钧
在我国的江南的一些地方，至今还在使用着一种木制的灌溉工具——龙骨水车，它的最初发明者不是近代人，更不是现代人，而是古代的一位杰出的机械发明家——马钧。由于他改进了织绫机，发明了龙骨水车，制造了指南车、抛石机、“水转百戏”等精巧的机械装置，在历史上曾获得了“巧思绝世”的机械发明家的美称。指南车的指引
马钧，字德衡，我国三国时代的魏国扶风（今陕西武功县、兴平县一带）人，生卒年代不详。他出身于一个贫苦的家庭里，祖籍世代务农。马钧从小就口吃，因而一生都不善言谈。他虽动口不好，但却善于动脑、动手，尤其喜欢读书。每当看到一本好书，他往往爱不释手。有一次他从书上读到了一个发明的故事，便立刻被吸引住了。
书上讲的是上古时代黄帝大战蚩尤的故事。一次，黄帝领兵作战，因天降大雾，军队辨不清方向，结果被蚩尤打败了。回去之后，黄帝就想，在这种多雾的地区作战，如能辨明方向就好了。这时手下一个聪明的谋士便提出一个设想。他建议制作一种装置，能始终指向一个固定的方向，将士们看到它就可以不迷失方向了。黄帝觉得这个设想很好，便命人进行研究和试验，终于制作了一种指南车。这是一种奇妙的车，车轮与一套装置相联，这套装置又与车上一个手臂指向南方的小木人相联。当车子转变方向时，通过这套装置的转换，总能保证木人的手始终指向南方。这样，在大雾再一次降临的时候，蚩尤部落倾巢出动，想藉此机会使黄帝全军覆没。但他们没有想到，这一次黄帝的军队，由于有了指南车的指引，加上黄帝指挥有方，使队伍进退自如，士兵们越战越勇，最终却把蚩尤打败了。
在读了这本书之后，马钧又从另一本书上读到，在周朝初年，南方的越裳氏派来的使臣迷失了回去的路线，周公便利用制作的指南车，派人护送他们回国了。
这些故事简直使小马钧着了迷，当时只有十几岁的他，竟异想天开，也要造一台指南车。他找来父亲干木匠活的工具和一些木板，边琢磨边动手试验，一干就是几天。可究竟怎么才能指南，书上没说，他试验来试验去仍是一筹莫展。母亲见儿子这几天神秘地忙个不停，常常愁眉苦脸，不思茶饭，便心疼地问他在干什么。他告诉母亲黄帝造指南车的故事，并说他也在造指南车。母亲一听就笑了，说那只是传说，不一定是真事儿。可小马钧挺倔犟，非说是真事儿不可。母亲见他一脸孩子气，又是那样认真，便半开玩笑地逗他说：“我儿现在年纪还小，等长大了就一定能造出指南车来。”马钧听到妈妈的鼓励才高兴地笑了。他决心等自己再长大一些时，再来造指南车。尽管这一次没造成指南车，但却培养了小马钧对机械的兴趣和勤于动手的习惯。这无疑影响了他日后的发展方向。改进织绫机
马钧从小生活在乡间，从父老乡亲们每日沉重的劳动中体味到生活的艰辛，并总想用什么办法来减轻乡亲们的劳动。为此，他非常注意研究当时所能见到的各种机械，并设法改进它们。其中比较突出的是他对织绫机的改进。
我国是世界上最早发明养蚕缫丝的国家。早在商朝的时候，以桑养蚕与缫丝织绸的技术就有了相当的发展。当时的人们已经掌握了平纹织法和挑织法，用以织出带有各种图案的丝织品。到了春秋战国时期，已掌握了能织出十几种丝织品的方法。到了汉代，中国的丝绸开始传入国外，我国由此获得了“东方丝国”的称号。
与此密切相关的是纺织机的发明和改进。我国最早的织布机大约发明于商朝的手纹织机，到周朝又发展出提花机械，至少在战国末期已经开始使用足踏织机了。利用脚踏板作提综（织机上使经线上下交错分开以便梭子通过的装置）开口的装置，就可以腾出手来投梭，手脚并用，使功效大大提高。这种织机是纺织技术史上具有划时代意义的发明。到了西汉初年，对织机又有了进一步的改进，有人还曾发明了一种新型提花机。它用120根经线，60天就能织出一匹花绫。但这种织绫机的最大特点是每根经线都要用一个脚踏的蹑（即踏板），这样120根经线就要有120个蹑，操作起来既费力又费时，很不方便。后来有人对它作了改进，把它简化成“五十综者五十蹑”或“六十综者六十蹑。”
马钧家的一位邻居大妈就有一台这样的“六十综者六十蹑”的织绫机。这种织绫机虽然效率有所提高，但织一匹绫子仍需几十天的时间，且复杂笨重、不便操作的问题仍没得到解决。
马钧从小就非常喜欢去大妈家看织绫。他觉得大妈的织绫机神秘、可爱，在大妈的熟练操作下，一匹匹色彩鲜艳、图案生动的花绫从织机中“流出”，比妈妈巧手绣出的刺绣还漂亮。随着马钧逐渐长大，大妈一天天变老，面对60根线、60个踏板，逐渐有些力不从心，动作也明显不如以前熟练，以往一个月就能织出的布，现在往往要用三个月甚至更长时间才能干完。马钧觉得这都是由于这种织绫机太复杂造成的。如果能使它的机构再简化一下，操作方便一些，就不会这么费力了。马钧那颗喜欢钻研的心又活动起来了，他决心要对这种织机加以改进。
马钧趁大妈有一段时间卧病在床之际，把她的织机全部拆开，仔细地研究了它的结构和各种零部件的功能。然后经过日夜的苦心钻研和反复实验，又重新设计了织机，将“五十综者五十蹑”和“六十综者六十蹑”两种旧织机，都改装成只需12个蹑的织机。这样就大大简化了织绫机的构造，使生产效率一下子提高了5倍。
当大妈身体康复，再次站到织绫机前时，看到的是一台很简便的织机。当她坐到机前操作时，更觉得方便至极，自己仿佛一下子又回到了身体强健的年轻时代，甚至比那时还要强。原来织一匹绫至少也要一个月，可现在她十来天甚至更短的时间就可织出一匹。她高兴得合不拢嘴，逢人便称赞马钧的才能。由于用新绫机织出的图案自然，变化多端，质量也有很大提高，所以在市场上成了畅销的抢手货，深受人们的欢迎。
于是，远近的许多人都慕名而来，请求马钧传授制作新型织机的技术。看到自己的发明赢得了人们的欢迎，马钧也很兴奋，对上门求教者都热心传授，并且不收分文。由此，经过马钧改进的新型织绫机便迅速地被推广开来，为家庭手工织布业的发展做出了贡献。马钧的名字开始为世人所知，“天下知其巧矣”。夭折的抛石机
马钧即使在改进织绫机的时候，脑海里仍不时地闪现着童年时代要制造指南车的梦想。但同时也觉得单凭自己当时的力量，很难完成如此复杂的大型器械的制作任务。为此，他于公元233年来到魏国京城洛阳。此次来京城所抱的希望之一，就是能借助朝廷的力量来实现自己的梦想。后来经人介绍，他认识了京城的一位著名学者、文学家傅玄。中国历代统治者都有重视文学的倾向，所以作为文学家的傅玄能够有机会与上层权贵们接触。傅玄很欣赏马钧的才学，也听说过他改进织绫机的事。因此，两人相识不久便成了莫逆之交。傅玄答应帮他想办法，找机会向朝廷推荐。
傅玄深知，在他那个时代里，要想举荐成功，仅有才华是不行的，一定要为当时的官府作出一定的贡献，才能为权贵们所重视。马钧虽然成功地改进了织绫机，但对于那些视生产为“下人”所为的权贵们来说，根本不屑一顾。当时，由于魏、蜀、吴三国之间经常打仗，所以朝廷对个人的军事功绩比较重视。傅玄思忖，按马钧的才能，虽然不能在领兵打仗上建立功勋，但却可以在兵器的改进方面有所作为。
当时，蜀国丞相诸葛亮创制了一种武器叫连弩，可以连续发射几十支铁制弩箭，对魏国的军队威胁很大。马钧看到了魏军从蜀军那里缴获的连弩后，认为巧是很巧，但还不是最好的，如果改进一下，威力还能提高几倍。但他没有马上着手去改进连弩，而是看中了一种威力更大的攻城武器——发石车。这种发石车就像一个大天平，一头挂着一个斗，里面可以装几斤或几十斤重的大石球；另一头挂着很多根绳子。几十或几百名士兵拉着绳子，一齐用力把挂绳子的这一头拉下来，挂石头的那一头飞快地翘了起来，石头就被抛了出去，借以打击敌人。马钧发现，这种发石车不但用人多，花费时间长，抛出去的石头速度低，威力不大，敌人只需在城楼上悬挂湿牛皮，就可以轻而易举地挡住石弹，而且它只能间断性地单射，不能连射。
为了克服这些缺点，马钧研究设计了一种新的攻城武器——轮转式连续抛石机。他设想，用一个竖置的并能绕轴转动的大木轮，在轮缘周围用绳子吊上几十块“石弹”，然后用机械使轮子飞速旋转，轮边的“石弹”也会随之一起旋转，当转速达到一定程度，按一定节奏断开绳索，就会使石弹“首尾电至”，连续发射打击敌人。马钧按照这一设想，利用车轮和几十块砖瓦作了简易实验，结果与设想的一致，接连不断打出去的砖瓦，能飞出几百步远，威力很大。
傅玄见到这一试验结果非常高兴。他想，国家正处在交战之时，权臣们一定会对这一发明感兴趣，也一定会重用马钧这样的不可多得的人才。于是，他便亲自带领马钧，拿着设计图，直接去拜见安乡侯曹羲。曹羲见傅玄推荐的所谓“人才”，只不过是一个乡村匠人，便有些不以为然。但碍于傅玄的面子。才勉强地问了问这种武器的一些情况。由于马钧本来就不善言辞，加之又是第一次见到如此高官，未免有些紧张，一时间竟不知该说些什么。曹羲便以不善辞令、讲不出深奥的道理为由，不同意让他进行试制。傅玄为国荐才心切，只好亲自向曹羲讲述了这种武器的精巧及其威力，并将其称之为“国之精器”，力劝曹羲应“以考试为衡器”进行试验，以便不至于把美玉当成石头而随意抛弃了。经过傅玄的耐心说服，曹羲才同意将此事上奏主持军事并辅政的武安侯曹爽。但曹爽此时正忙于和司马氏争夺权势，对马钧的这一发明根本无心理会。傅玄和马钧都很失望。这一天才发明就此夭折。对这件事，傅玄曾感叹说：试验一下，本来是极容易的事。可是像马钧这样天下知名的巧人尚且得不到重视，更何况那些不出名的人呢！水转百戏
此事过后不久，有人给魏明帝进献了一种叫做“百戏”的木偶玩具，它设计精巧，造型优美，美中不足的是不能动作。善于谄媚的曹爽这时才又想起了小马钧。为了取悦于明帝，这次曹爽派人找到了马钧。魏明帝问马钧：“你能使这些木偶人动作起来吗？”马钧略一观察，便自信地回答说：“能！”于是魏明帝便命马钧加以改制。
马钧奉诏后，便在宫廷内开始研制起来。他调动了自己的全部才智，制作了一套复杂而巧妙的齿轮、连杆、凸轮等组成的传动装置。然后又用木材制成了原动轮，用水作动力，使其旋转，通过传动装置的传递，使旋转运动变成了各个木偶各自不同的动作。这就是传说中的“水转百戏。”
制作完成后，魏明帝传旨，让群臣到后花园观赏改进后的“水转百戏”。这一天，宫廷里张灯结彩，鼓乐齐鸣，群臣朝服齐整，嫔妃们妆抹艳丽，一同随着明帝来到了设置“水转百戏”的后花园里。人们只见一个圆形的水池中，设有一木制大轮，平放在池底，轮子的侧面设有喷水的竹管。当竹管向外喷水时，轮子开始转动起来，同时，轮子上面“戏台”上设置的木人也都一起动作起来，有的击鼓吹箫，有的翩翩起舞，有的跳丸（古代的一种杂技，以手掷球，上下交替）掷剑，有的爬绳倒立，还有的舂米磨面，斗鸡杂耍，出入自如，变化无穷，场面热闹非凡，直看得明帝和嫔妃及群臣们目瞪口呆，拍案叫绝。发明指南车
通过“水转百戏”，马钧虽然得以进入宫廷，但也没受到重视，只给他当了个“给事中”的小官。马钧对此倒也不十分计较，他心中惦记的仍然是要制造指南车。于是他决定把制作指南车的事上奏明帝。在等待明帝召见的朝房里，马钧和部分官员谈起了指南车的问题，许多人对此都抱怀疑态度。当时在场的散骑常侍高堂隆和骁骑将军秦朗则全然否认指南车的存在。于是，马钧和他们便展开了争辩。
马钧说，黄帝、周公都曾制造过指南车；他们则说，这只是传说，不可靠。马钧又指出，史书上记载过，春秋时期也曾出现过指南车，特别是近时（指东汉）的张衡也曾造过指南车；他们说，这是古书上随便说说的。马钧坚定地认为，古代很可能造出过指南车，只是我们没有深入去研究罢了，其实，这也不是多么深奥的事，给我时间和材料，我就可以把它造出来。
一听马钧也要造指南车，高堂隆和秦朗便拿出平时空谈中练就的绝招，利用文字游戏来讽刺马钧。他们说：“先生名钧，字德衡。‘钧’是器物的模型，‘衡’可以定物的轻重。可你说话连个轻重都不分，难道可以作为模型吗？”意思是说马钧没有真凭实据，只是信口开河，乱说一气。马钧深知没有事实的证明，很难说服这些“空谈高手”，于是便直接了当地回答说：“徒作空论是没有用的，不妨试制一下，自见分明。”
他们一同去见魏明帝，奏明此事。魏明帝虽然对管理朝政庸碌无为，但对游玩奢侈之事却兴致甚浓。他以前也听说过古代帝王出行时有一种先驱车，叫指南车。车上站着一个木人，伸臂南指，不管车子怎么转动，木人手臂总是指向南方。他虽未曾考虑过这种说法是真是假，但现在听马钧说他可以为自己造出一台来，想到自己以后也可享受用指南车开路的气派，便立即下旨命令马钧重造指南车。这样，马钧不但获得了充足的材料、上等的工具，而且由于皇帝准奏，宫廷内的能工巧匠都可以由马钧调配了。
经过马钧的苦思冥想，终于弄清了指南车的动作原理，然后开始设计机构，并画出了设计图。在工匠们的帮助下，没有多长时间，终于制成了指南车。这下，高堂隆和秦朗无话可说了。
尽管受到人们的称赞，但马钧却是一个从不爱炫耀自己的人。当时的一位著名地理学家裴秀，第一次见到马钧后，见其言语迟钝，便对人们给予马钧的赞扬不以为然。他自恃知识广博，要找马钧辩论。马钧听说后，便有意避开他。裴秀更加得意了。马钧的朋友傅玄听到此事后，便找到裴秀，对他说：“你擅长的是说话，马先生擅长的则是智巧。你用自己的擅长去攻击马先生，当然会占上风。要是你和马先生较量智巧，未必能占上风！马先生非常谦虚，不愿和你纠缠，所以一直避开你，你还不知道吗？”裴秀听后也觉得有些惭愧。
自马钧制成指南车以后，朝廷上下都逐渐佩服马钧这位很有智巧的人，“天下服其巧矣”。发明龙骨水车
马钧虽然有许多杰出的发明创造，却始终也未能受到封建统治者们的重视，反而常常受到阻挠和蔑视，才能也未能得到充分的发挥。对此，马钧的好友傅玄曾慨叹说：马先生的巧，虽古时的公输般、墨翟，近时的张平子（张衡）也比不过，但公输般、墨翟为时所用，有益于世；平子虽任侍郎，马先生虽为给事中，但都没有做工官，不能发挥更大的作用，用人不能尽其才，实在太可惜了。尽管如此，马钧并没有过多计较，而是在完成了指南车的制造之后，便又开始了一个造福于子孙后代的构思，即要发明一种新的灌溉机构——龙骨水车。
离马钧在洛阳的住处不远的地方，有一片坡地，由于地势较高，无法引水灌溉，一直荒芜着。马钧觉得，如果能解决灌溉问题，则将是一片好菜地。由此，又萌发了他要发明新的灌溉机具的想法，并开始了对以往的灌溉工具的研究。
我国在东汉以前的主要提水灌溉工具是桔槔和辘轳。桔槔早在春秋战国时期就已经应用，实际上它是一种利用杠杆原理的提水装置。它是在井旁支一个木架，在木架上安装一根结实的木杆，木架将木杆分成短端和长端，短端系着木桶，长端坠个石块。当桶向上提水的时候，由于杠杆和坠石的作用，便比较省力了。辘轳则是利用轮轴原理制成的一种提水灌溉工具，它特别适用于深水井。但无论是桔槔还是辘轳，都不能连续灌溉，且效率也很低。马钧在研究了原有灌溉器具的基础上认为，只有使提水工具连续动作才能提高灌溉效率。为此，他开始了新的设计和试验。经过反复的试验和研究，终于制造了一种新的灌溉器械——龙骨水车，完成了具有世界历史意义的一项发明。
龙骨水车又叫翻车、踏车或水车。其构造是这样的：用木板作一个长约6.6米、宽约1.32～2.31米、高约0.33米的木槽，在木槽的一端安装一个比较大的带齿轮轴，轴的两端安装可以踏动的踏板。在木槽的另一端安装一个比较小的齿轮轴。在两个齿轮轴之间安装上木链条（即所谓龙骨），木链条上栓上串板。这样，在灌溉农田的时候，就把木槽的安有小齿轮轴的一端放入池塘或河中，人只要踏动大齿轮轴上的踏板，就可以使串板在槽里运动，刮水而上，实现了将水从低处提升到高处的目的，并且可以“更出更入”，循环不息，能连续不断地提水。龙骨水车比原来的提水工具效率提高近百倍。特别是由于它的结构轻便灵巧，妇女儿童都能踏转，所以很受欢迎，并迅速得到推广应用。这是当时世界上最先进的提水工具。
一千多年来，马钧发明的龙骨水车，一直作为一种重要的农业灌溉工具，在我国的农村被广泛的应用着。甚至在今天，江南的一些地方仍在使用着。
马钧的一生虽有过许多的发明创造，但一直未受到当时的统治者、官府的重视。然而，他的发明却受到了广大劳动人民的欢迎。后人敬仰他，称颂他为“天下至巧”。马钧已作为“巧思绝世”的机械发明家永远载入史册。中古时代的天文学巨星郭守敬
在世界历史的中古时代，欧洲正处于中世纪时期，古希腊天文学的光辉被淹没了，天文学似乎出现了千年沉寂。当时，亚洲的中西部、埃及和西班牙是阿拉伯帝国的统治区，天文学还比较发达。而在世界的东方，中国天文学在上古时代诞生后一直沿着自己的道路独立地发展着，在这过程中出现过许多著名天文学家，本文所介绍的郭守敬则是其中最杰出的一位。在世界上同一时期，他的天文学成就也是极其突出的，他不愧被誉为中古时代的天文学巨星。与此同时，他还以治水方面的卓越贡献而彪炳史册。少年显天赋
13世纪初至30年代，中国的南方由南宋王朝统治，而北方由日益没落的金朝和日益强盛的蒙古汗国统治。金哀宗天兴三年（1234年），成吉思汗之子、蒙古大汗窝阔台灭金朝，统一了中国北方。在这之前三年，即金哀宗正大八年（1231），本文主人公郭守敬出生于邢州的邢台县（今河北省邢台县）。他出生时邢台已为蒙古汗国所辖。
郭守敬号若思，其父亲大概在他出生后不久便去世了，所以郭守敬由其祖父郭荣抚养长大。郭荣粗通五经，熟谙数学、天文、水利等多种学术，给郭守敬以深刻的影响。少年的郭守敬不爱和年岁相若的孩子们嬉戏，而热衷于读书和观察周围的自然现象。据记载，他在十五六岁时曾获一幅《莲花漏图》，莲花漏是当时计时仪器壶中较先进的一种。因战乱，那时已很难见到实物，郭守敬仅凭此图加以琢磨，很快弄懂了它的原理。后来，在他31岁那年，据少年时的记忆独立研制出一台莲花漏。
郭荣有位老朋友刘秉忠博学多才，深通天文、算学、音律、术数等各种学问，受到成吉思汗之孙忽必烈亲王的器重，把他留在亲王府内当谋臣。大概在郭守敬十七八岁的时候，刘秉忠回家乡邢州奔丧。3年服丧期间，他带了一位名叫王恂的少年到邢台县以西100多里的紫金山闭门读书。郭荣听到这个消息，立即把郭守敬送至刘秉忠门下进修，王恂比郭守敬略小几岁，他们两人成了师兄弟和好朋友。3年后两人的学业都大有长进，刘秉忠对他们很赏识。
大概正当刘秉忠3年服丧期间，忽必烈亲王听取了另一谋臣张文谦的意见，派良吏去治理地处南北要冲但因长年战乱而农业凋零的邢州地区。张耕、刘肃被派到了邢州，他们采取了多种措施恢复农业生产，其中整治水道也为措施之一。邢州城的北郊有3条河流顺着地势从西向东流，最北的一条河道因泥沙堆积而淤塞，河水破堤泛滥，形成一片泥淖，中间的一条连河上架的石桥都陷于淤泥中，日子一久，连桥的所在处也找不到了。张耕、刘肃打算治理河道、修复石桥，便命年方21岁、刚师从刘秉忠3年后回家不久的郭守敬负责勘查和工程的治理设计工作。郭守敬通过现场实地勘测，提出了治理设计方案。根据他的方案，官府征调400多民工，挖出淤泥，疏通河道，使3条河流各有归宿，通行无阻，连埋没多年的旧石桥也被顺利地挖了出来，重新架设在河上。去往北方的大路上，过往行人再也不用艰难跋涉于泥淖之中了，河流也得以通航，农田又得到了灌溉之利。这项工程的顺利完工，首次显示了郭守敬在治水工程方面的杰出才华。治水专家
蒙古蒙哥汗元年（1251），蒙古王公大臣拥立成吉思汗之孙、窝阔台之侄蒙哥为大汗，于是蒙哥成了蒙古汗国的最高统治者。蒙哥把包括邢州一带的广大汉族居住地区的军政大事全部交给其胞弟忽必烈亲王掌管。为巩固自身的统治，忽必烈采取了笼络汉族士大夫阶层和发展农业生产的方针。他召来在家乡守丧的刘秉忠。蒙哥汗三年（1253），他又让19岁的王恂担任其次子的伴读。郭守敬暂未进入仕途，他留在家乡潜心研究学问。
蒙哥汗九年（1259）秋，蒙哥汗在攻打四川合州的战役中阵亡。翌年，忽必烈在一些蒙古军事首领的支持和汉族谋臣的策划下，打破大汗应由王公大臣推选的蒙古传统，抢先自立为大汗，建都于开平（后称上都，在今内蒙古多伦县西北上都河北岸），并参照中原传统，下诏用年号纪年，这年便是中统元年（1260）。张文谦被封为“左丞”，不久又特派他兼任大名路（今河北省西南部地区）和彰德路（今河南省东北部地区）宣抚使。张文谦来到自己家乡邢州，诚恳邀请郭守敬出山做他的助手。
当时，忽必烈的军事力量主要用于蒙古族居住地区，与他的汗位争夺者阿里不哥和海都等人打内战。忽必烈十分需要一个巩固且能保障军需供应的后方。因此，发展农业生产成了大名路、彰德路宣抚使张文谦的主要任务。郭守敬认为，治水是恢复和发展农业的一个根本问题。在张文谦的支持下，郭守敬在大名路、彰德路两地区的各处奔波，认真勘察河流水渠分布，仔细研究地势地形，周密考虑引哪条水、修哪些渠、能增加多少灌溉耕地的面积等问题，最后逐渐在头脑中酝酿出一套整治水利的地区规划设想。
张文谦任大名路、彰德路宣抚使仅一年左右，便奉忽必烈之召返回都城开平。中统三年（1262），张文谦向忽必烈推荐了郭守敬，称许他“习知水利，且巧思绝人”。忽必烈很快召见了郭守敬。郭守敬向忽必烈汇报了自己在大名路、彰德路两地区的水利勘察情况，提出了6条治水建议，并详细阐述了每条建议中的工程方案及其效用。这些建议的实施，将对发展燕京（今北京市）以南、黄河以北的大片地区的农田水利灌溉和水上运输带来极大的好处。忽必烈对此深感兴趣，他当即派郭守敬担任提举诸路河渠的职务，让他经办各地河道水利事宜。翌年，郭守敬又被提升为佩带银符的副河渠使。
郭守敬的6条治水建议未能一一得以实施，原因是在他的第一条建议获准付诸实施之后，朝廷又派他去执行别的任务。中统五年，忽必烈更改年号，改称这年为至元元年（1264年）。这年初夏，郭守敬被派到西夏一带去视察河渠水道。几个月后，忽必烈决定建都燕京，并将其改称为中都。接着张文谦被派任西夏地区行政长官。西夏位于沿黄河的河套平原，一向是西北重要农耕地带，很早就开凿了许多灌溉渠道，但那时这些河渠大多已年久失修。在张文谦的领导下，郭守敬以副河渠使的职衔负责筹划整修西夏古渠，计划制定后，得到许多当地官员的支持，民众也踊跃参加。不到一年时间，不仅疏浚了旧有河渠，还开辟了几条新渠，同时设计修建了许多水坝、水闸来控制和调节河渠的水量。于是这一带出现了渠水四达、稻麦丰收的景象。后来，西夏人民特意在当地建了一座生祠，来纪念他的功绩。
至元二年（1265），郭守敬回到中都，忽必烈升他为都水少监，这是掌管全国治水的中央官署的副长官。郭守敬升任都水少监时期，中都日益成为蒙古汗国的政治中心。但从华北平原利用天然水道和运河只能到达离中都四十多里的通州（今北京市通县），从通州到中都原先虽有一条运河，但因所引水源太小，流量有限，无法通航，有时甚至河水干枯，因此通州和中都两地间只能依靠陆路运输。郭守敬提出改引卢沟河之水为运河水源的方案，为防河水暴涨，还提出了开凿减弱水势的减水口的补充建议。经忽必烈批准，此计划得以实施。但在至元三年（1266）完工后，并未完全解决水路运输问题，主要原因是卢沟河挟带泥沙太多，运河上不能加设可调节流量却会阻碍泥沙冲走的水闸，同时由于引水后水流湍急，巨大的粮船无法逆流而上。但它对两岸农田的灌溉则起了很大的作用。
至元八年（1271），忽必烈建国号大元，中国历史上的元朝便从这一年正式开始起算。翌年，忽必烈将中都改称大都，成为元朝的统治中心。郭守敬于至元八年升任为都水监，即掌管全国治水的中央官署的正职长官。至元十三年（1276），忽必烈将治水部门并入工部（掌管各种工程、水利等事务的中央官署），郭守敬被封为工部里的高级官员工部郎中，仍分管河工水利事务。郭守敬在任都水监和工部郎中任内，做了大量工作，勘察和治理过的河、渠、泊、堰以数百计，他还奉命沿着黄河和黄河故道测量地形，掌握了黄河以北纵横数百里地区内地势的起伏变化，并绘出地图，注明情况。
在长期负责河工水利工作中，郭守敬逐渐形成了地形相对高度的概念。元代齐履谦著的郭守敬传记《知太史院事郭公行状》中说，郭守敬“又尝以海面较京师至汴梁（今河南省开封市）地形高下之差”，即尝试拿海平面作标准来比较大都到汴梁不同地方的地势高低之差，这是当今地理学中“海拔”概念的最早应用，也是他长期水利工作中的一项创造性成就。这一概念的提出远比西方为早。研制天文仪器
在金朝灭亡之后的三四十年中，南宋王朝与蒙古汗国处于南北对峙的局面。但南宋王朝腐败没落，军力衰弱，而忽必烈在一些汉族士大夫的谋划下，治国有方，军事强盛。至元十二年（1275），忽必烈发兵攻打南宋王朝，军事行动节节胜利，大军直逼宋都临安（今杭州市）。翌年，南宋恭宗赵儳投降。这以后，虽然宋室在文天祥、陆秀夫等人领导下，相继拥立赵正曰、赵昺奋力抵抗了三年多，但大势已去。至元十六年（1279），南宋王朝完全覆灭，元朝政权一统全国的局面形成。
中国历代封建王朝都把制定和颁布历法视为皇权的象征，忽必烈和他的谋臣们当然也这样认为，再加当时旧有历法错误甚多，的确也迫切需要一部准确的新历。至元十三年（1276），元军一占领临安，忽必烈就下令成立专门机构太史局（掌管天文、历法的中央官署），筹划编订新历。此事起初由王恂具体负责，不久忽必烈又同意王恂等人的建议，把郭守敬从工部调到太史局来，负责仪器制造和天文观测工作。两年后太史局扩大为太史院，张文谦任该院最高领导人太史院事，王恂为太史令，郭守敬为同知太史院事。太史院还集中了全国许多天文学者和历法工作人员。
郭守敬上书说：“历之本在于测验，而测验之器莫先仪表。”这就是说，制订历法的根本在于实际观测，而观测得先准备好适用的天文仪器。这种在实测的基础上编订新历法的原则得到太史院同仁的认同和元世祖忽必烈的批准。
郭守敬不光是制造传统的天文仪器，而且大胆革新，研制出许多前人所没有的、测量精度更高的新仪器。他首先对传统的圭表进行改革。圭表诞生很早，相传西周初（公元前11世纪）周公就已使用过圭表。它由直立的表和被称为圭的正南北方向水平放置的尺组成。正午时，太阳将表的顶端投影在圭面上，夏至时表影最短，冬至时表影最长，通过长时间的实测可以定出一回归年的长度。同样是在夏至或冬至，圭表在南方或北方所处的地理位置不同，影长也不同。历代的圭表其表的高度一般均取为8尺，但郭守敬却建造了高4丈的巨型圭表，因此称为高表。表加高到4丈后，圭长也相应增至128尺（指专门测量表影长短的影表尺，1尺等于24.525厘米），圭面周围有水槽，以便注水检验圭面安装是否水平。高表中的表系铜制品，原长5丈，入地深1丈4尺，在圭面上露出3丈6尺，表顶东西两端支撑起一道横梁，横梁至表顶4尺，这样横梁到圭面的高度差正好为4丈。横梁两端可系铅垂线，以检验表是否与圭面相垂直。设置高表的目的是为提高测量日影长度的精度，但表加到如此之高之后，表的影子就会模糊不清。为解决这一问题，郭守敬发明了一种叫景符的装置，它是一个宽2寸、长4寸的中间有一小孔的铜叶，北高南低地放在一个架子上，并随同架子在圭面上来回移动，利用小孔成像的原理，可在圭面上清晰地呈现出太阳和4丈高表的横梁的像，当梁影正好平分太阳像时，即可由此位置正确地读出日影长度。
为了测量星星和月亮的视位置，郭守敬又为高表设计了一种叫窥几的附属仪器，它是一张桌面开有长缝的长方桌，桌子长6尺、宽2尺、高4尺。将窥几顺着南北方向放在圭面上，人在窥几之下观测。窥几几面的狭缝中有两根界尺，叫窥限，观测时，使两窥限分别与天
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