沈括
一、傑出的一生
我們中華民族有著五千年的文明曆史，在這浩瀚的曆史長河中，曾經湧現出了無數傑出人物。在他們當中，有思想家、政治家、文學家、科學家、軍事家，等等。北宋時期的大科學家沈括，就是繼東漢張衡、南朝祖衝之以來，我國最偉大的科學家。
沈括博學多才、成就卓著，他在天文、地學、物理、化學、生物以及工程技術、文學、音樂、美術等許多方麵都有精湛的研究和開創性的發現，其中有許多研究成果在當時的世界上，處於領先地位。如此博學，成就又如此恢宏，這在中國科學史上是少見的。因此，英國當代著名科學家李約瑟博士在他的巨著《中國科技史》中，稱沈括為“中國科學史上最奇特的人物”，他的著作《夢溪筆談》為“中國科學史上的裏程碑”。
沈括，字存中，宋仁宗天聖九年（公元1031年）出生在錢塘（今浙江杭州）西七十裏風景秀麗的南新鄉。他的青少年時代是隨為官的父親在各地渡過的。二十四歲時，他當上了沭陽（今江蘇沭陽縣）主簿（縣長助手），開始踏上仕途，以後曆任東海（今江蘇東海）、寧國（今安徽寧國）、宛丘（今河南淮陽）等縣縣令。其間，他克盡職責，關心勞動人民疾苦，領導各地民眾興修水利工程，開始了他最初的科學實踐。三十三歲時，他考中進士，來到京城汴梁（今河南開封），在昭文館編校書籍，研究天文曆法，後被提拔為提舉司天監（政府天文觀測長官），他主持重修了曆法。不久，沈括被派往今浙江、河北等地視察農田水利，他對這些地方進行了較為細致的水利、地質等方麵的研究。
王安石主持變法運動後，沈括積極參加並成為骨幹。他的才能被宋神宗所賞識，先後擔任過幾種重要職務，如“權三司使”（主管國家經濟財政）、“兼判軍器監”（兼管軍器製造）並被派出使契丹（遼國，今吉林、遼寧等地）、率兵抗擊西夏（今我國西北地區）軍隊的進犯。在這段時期內，沈括在處理政務的同時，考察了各地的地理形勢、山川道路和風俗人情等自然、人文情況，收集了許多寶貴的科學資料。
1082年，北宋邊塞重鎮永樂（今陝西米脂縣西北）失陷，沈括受到牽連被貶官，不久就結束了他的仕途生涯。六年後，他遷居到潤州（今江蘇鎮江市）的夢溪園。在那裏，沈括把自己一生的所見所聞和科學研究成果加以整理總結，完成了流芳千古的科學巨著《夢溪筆談》。1095年，這位博學多才的科學家與世長辭。
二、初入仕途展露鬥角
沈括有一個幸福的家庭，父嚴母慈，哥哥沈披和他一起長大。沈括的父親沈周出身進士，先後曾在簡州（今四川簡陽）、潤州（今江蘇鎮江市）、泉州（今福建泉州市）、江寧（今江蘇南京市）等地任地方官，而沈括的青少年時代就是隨父親遷任各地中度過的，其間在繁華的泉州居住了八年。沈括的父親是位為官清正、同情下層的開明官吏，這為沈括思想的形成帶來了許多積極的影響。沈括的母親很有文學修養，是位知識婦女，在她的教導培養下，兩個兒子都得到了良好的啟蒙教育。良好的家庭環境和廣泛的社會接觸，使小沈括對許多方麵知識都有濃厚的興趣。這個有著強烈求知欲的少年無論走到哪裏，對所見所聞都很留意、注意觀察各種事物。他之所以成人後成為一位博學多識的科學家，與少年時代打下的基礎有著密切的關係。
沈括十二歲時開始正式拜師讀書。他和哥哥看到當時國家邊疆常有戰爭，給老百姓帶來許多災難，就立誌長大後立功報國，於是常在一起練武。他們的舅父許洞能文善武，著有兵書《虎鈐（qián）經》，雖然這時已經去世，但他們的母親在自己理解的情況下，把書中的軍事理論深入淺出地傳授給兩個兒子。所以，沈括和他的哥哥以後均是文武全才，與這時的軍事知識教育有很大關係。
沈括從小就在學習上有一種鍥而不舍的精神。十五歲時，他因練習寫小字不分晝夜，結果得了眼病。一位有良好醫術與醫德的醫生王琪給他進行了精心的治療，於是他對醫學產生了興趣，他認真研究醫術、到處搜尋藥方，與醫學結下了不解之緣。
就這樣，沈括在如饑似渴地吸收各方麵知識的過程中，渡過了他的青少年時代。時光冉冉，他二十一歲了。就在這時，噩耗傳來，他的父親去世，懷著沉痛的心情，沈括在故鄉錢塘為父親守喪三年。服喪期滿後，宋朝政府按當時官員死後蔭其子的製度，任命沈括為沭陽縣主簿。至和元年正月，這位二十四歲的青年人離開家鄉前往沭陽縣就職，從此開始了他近四十年的為官生涯。
在宋代，主簿這個職務低微而勞苦。在給朋友的一封信中，沈括談到：官職中最低微而辛苦的，就是主簿了。沭陽縣方圓幾百裏，即使沒有人而隻有鳥獸的地方，主簿也要履行自己的職責。……整天忙忙碌碌，就連天氣冷暖、刮風下雨都顧不得了。即使工作這樣繁忙，沈括依然盡心盡職地完成自己的工作。
這時，流經沭陽縣的沭水由於年久失修、河道淤塞，以至泛濫成災，許多田地顆粒無收，百姓生活困苦。而沭陽縣令不但不興修水利，對百姓進行救濟，反而侵吞上級的救濟款，並以修複水利為名，橫征暴斂、搜刮百姓。自然災害和貪官一起，使得民不聊生，最終爆發了百姓反抗官府的事件。事件發生後，上司唯恐事態進一步擴大，就把縣令調走，讓沈括處理這件事。沈括明白這一事件是因為治河不力，加上官府征斂過重而引起的，所以他便平息民憤，撤銷了那些令百姓難以生存的賦稅。這樣處理後，風波平息了下去。
治理好沭水是事情的關鍵，於是沈括便組織民眾整治沭水，數萬民夫參加了這次修浚沭水的工程。他們在沈括的指導下，迅速疏通了阻塞的河道，拓寬了河床；同時做為輔助工程，修了一百餘條灌溉水渠、九條堤堰。通過這次大的整修，沭水附近地區做到了澇時能排洪，旱時能灌溉，使得七千頃土地變成旱澇保收的上等良田。以後多年糧食豐收，使廣大勞動人民的生活得到了改觀。
沭水修浚工程，使沈括的才能得到了上司的賞識。1055年，他被調任到東海做代理縣令。在任職期間，當地曾出土了一件古代的弩機。沈括對此進行了研究，他針對弩機的設計，提出了三點一線的射擊理論，即弩機的望山（瞄準器）、箭端、目標三點連成一條直線，認為這樣瞄準，可以提高射擊的精度。通過沈括對弩機的研究，我們可以知道沈括早在青年時代，就對兵器製造理論有了一定的理解並且產生了興趣。
嘉祐六年（1061年），沈括的哥哥沈披在宣州寧國（今安徽寧國）任縣令，沈括此時正好客居此地。當時，江南轉運使張顒（yóng）準備修複廢棄已久的秦家圩（今安徽蕪湖地區），任命沈披主持修複。因沈括整治沭水成功，也派沈括參與此事。他們廣泛考察了周圍的地勢，調查了過去築圩的情況，把當地的地形地貌繪製成圖，提出了施工方案。
秦家圩原是一片麵積很大的圩田。這種圩田，是此地人民依據農業經驗而從大自然手中奪取的耕田。由於當地地勢低窪而水位較高，勞動人民就在低窪地區的四周環築堤岸，把耕田保護在堤岸之中，這就是圩田。圩堤上設置閘門，圩區內修築溝渠直通閘門，做到了澇能排、旱能灌。北宋初年，一場特大洪水衝毀了秦家圩的全部圩堤，圩田一片汪洋。洪水退後，雖多次有人提議修複，但都因遭到反對而作罷。反對的理由是，在水邊築堤護田會使江河水道不夠通暢，天長日久就將再度成災。
沈披、沈括提出修複秦家圩的消息一傳開，人們有的讚成、有的反對。反對者提出：圩田麵積廣大，會嚴重影響洪水排泄，每至汛期，必然引起水災；還有，圩的東南堤岸連接大湖，長年被風浪衝擊，難以堅固等等理由。沈括以科學的理論和調查得來的第一手資料為依據，對反對說法進行了駁斥，並針對具體問題製定出了切實可行的辦法，如在堤上種樹、堤下植蘆葦，即可鞏固堤岸。由於他的主張有理有序，反對者無言可對。沈括、沈披的建議最終得以付諸實施。
秦家圩修複工程浩大，調動了附近八個縣一萬四千民夫，用了八十多年正式竣工。新修複的秦家圩規模壯觀：圩堤寬20米，高4米，長40公裏，圩田麵積近八千公頃；在圩堤上，栽植了數萬棵桑樹。修複後的秦家圩被宋仁宗賜名為“萬春圩”。由於有高大圍堤的保護，能防洪又可蓄水灌溉，使得八千公頃的荒廢土地變成上等良田，每年收糧達二十四萬斛。萬春圩的修複成功，證明了沈括弟兄科學倡議的正確性，使沈括的科學才能再一次展現出來。
萬春圩工程完成後，沈括被調到陳州宛丘擔任過一段時間的縣令。這段時間內，沈括練習了氣功，把自己肺髒、脾髒多年的慢性病治愈了。到這時，沈括入仕快十年了，官職始終不過縣令一級，而且在宋朝憑父蔭循常例遞升官階，也不是正經出身。到嘉祐七年（1062年）秋，三十二歲的沈括參加了科舉考試，考中進士。從這以後，他的政治生活進入了重要時期。
第二年，沈括被朝廷派至揚州做司理參軍，由於他才學出眾，頗得上司張芻的賞識。經張芻的舉薦，在治平三年（1066年），他來到京城，入昭文館編校書籍。由於他平時公務不多，昭文館又有大量藏書，所以沈括利用時間和職務之便，閱讀了大量館藏書籍，尤其深入鑽研了天文學。年輕的英宗皇帝也曾向他詢問過一些天文方麵的問題，他作了很好的回答，得到了皇帝的嘉獎。這時，昭文館的一位官長對他的才學還有些懷疑，便又提出一些問題要他回答。
沈括對朔和望當然是非常清楚的。他知道，陰曆每月初一，月亮運行到太陽和地球之間，這時月亮和太陽同時出沒，在地球上看不到月亮，這就叫朔。初一這天也稱朔日。陰曆十六日左右，地球運行到月亮與太陽之間，這天太陽從西邊下落時，月亮正好從東方升起，這時在地球上看到的月亮就是圓的，這就叫望。這天就稱望日。官長的意思很明白：即然在朔望期間日月總是幾乎和地球成一條直線，那為什麼並未都發生日月食呢？沈括對這個問題早就研究過，因此馬上作了回答：
“當太陽射到地球上的光線被月亮擋住時日食便發生了，所以日食一定發生在朔日。當地球擋住了日光，月亮這時走入了地球的影子中，便發生了月食，所以月食就一定發生在望日。但是太陽軌道黃道與月亮軌道白道並不重合，它們之間有一個夾角。所以，隻有在黃道、白道交點的附近，日月和地球真正處在同一直線上，才有可能發生日月食。”
官長聽得愈發明白。接著，沈括又詳盡描述了日月食出現的方位，井指出黃道與白道的交點每月向西後退一度多，經過十八年零六個月，交點退行一周。
沈括對於這幾個天文學問題的解釋，與現代天文學理論與實際大體相符。黃白交點退行時間的計算，更是與現代數值極為近似。在九百多年前，沒有先進的天文觀測儀器的情況下，得到這樣的答案是很了不起的成就。
正因為沈括具有相當精深的天文學知識，到了熙寧五年（1072年），宋神宗任命他為提舉司天監，就是國家天文台的台長。司天監掌管天文曆法，其主要任務是觀測天象、推算曆法。顯然，這是一個業務性很強的部門，沒有學有專長的內行是不行的。然而沈括到任後，發現監內官員大多不學無術，沒有真正懂得天文的人才，觀測儀器也很匱乏。他們得到的一些數據，多半是憑主觀臆斷或脫離實測的紙上推算得來的，缺乏科學性又脫離實際，對農業生產也起不到應有的作用。
為了改變這種狀況，沈括從兩方麵同時進行全麵整頓。首先，他打破官階資曆和門閥等級，排除阻撓，推薦平民曆算學家衛樸入司天監。衛樸本是一個雙目失明的算卜者，但他擅長心算與籌算，記憶力非凡，對天文曆法也有很深的研究。沈括讓他擔任業務骨幹，主持曆法的修改。同時，他還罷免了六個不稱職的官員，調入一批懂業務的新人進行培訓，學成後分配在監內工作。
另一方麵，沈括破除了北宋傳統的以推算為主要手段的修曆方法，堅持深入實際，通過實測進行參驗的方法來製定新曆。要進行實測，必須有準確的觀測儀器，而司天監的舊儀器都已無法使用，因此沈括對舊儀器進行了改造。首先，他改造了渾儀。
渾儀，是天文學家觀測天體方位的重要儀器，它是一個模擬天空星辰實際運行情況的模型。我國在公元前四世紀就有了渾儀，它的上麵還有兩個圓環，一個是固定的赤道環，另一個是赤經環。隨著科技的進步，到了東漢海儀上增裝了黃道環，張衡又加上地平環和子午環，到唐朝初年，李淳風把渾儀由兩重（儀體、環）改為三重，加入了由黃道，白道和赤道等三環相交的三辰儀。這就是宋以前渾儀的簡要發展史，可以看出，儀器的發展方向是環數越來越多，結構越來越複雜。物極必反，由於環數太多而相互交錯，勢必會遮掩部分天區，減少觀測範圍而不利於觀測。
實踐經驗豐富的沈括，發現了渾儀發展的不良趨勢。為扭轉這種現象，經過反複研究，他發現白道環沒有大的價值，又常常遮蔽儀器中的了望孔，於是就取消了白道環；同時，他還改變了一些環固有的位置，使它們不擋住視線。沈括此舉，使渾儀發展方向發生了可喜的轉折。元代科學家郭守敬，就是沿著他的方向，取消了黃道環，既大大開闊了觀測者的視野，又能保證觀測效果。
此外，沈括對計時器——浮漏與觀日影的儀器——影表都做了改進，使它們更加準確。為了說明他改製儀器的原理，沈括寫成了著名的《渾儀議》、《浮漏議》和《景表議》等三議。實際上這三篇文章的內容，不僅是對儀製改製的說明，同時闡述了沈括的幾個重要的天文理論。它們是我國天文學史上的重要文獻。
有了學有所長的人，又有了新的觀測儀器，熙寧八年（1075年）閏四月，由沈括和衛樸通力合作修成的新曆《奉元曆》，正式頒行了。新曆以365.243585日為一年，這同現在實測的365.2422日比較，雖稍大卻比宋朝已頒行的曆法都準確。因此，新曆受到人們的好評，宋神宗也對它大加讚賞。但由於實測的時間不長，數據不夠豐富，因此新曆沒有達到應有的水平。元祐五年（1090年）發生了冬至落後一天的誤差。但是，沈括靠實測修曆的原則對後世產生了深遠影響，郭守敬的《授時曆》就是遵循沈括的修曆原則而修成的，它使古代曆法躍上了新的台階！
在主管司天監的日子裏，沈括又通過測定日影，對“蒙氣差”現象作出了科學的解釋。“蒙氣差”指的是天體發出的光從空間稀薄的外層空間進入地球大氣時所發生的光線折射現象。就好比把一支鉛筆放在盛有水的玻璃杯中，看上去鉛筆就發生彎曲一樣，實際上是光線折射現象所引起的。因此沈括認為，人們在地麵上觀察到的太陽位置，並非太陽的實際位置；人們觀察到的太陽高度，比太陽的實際高度要高。他對“蒙氣差”現象的這一科學解釋，比西方要早五個多世紀。
三、激流勇進變法骨幹
沈括是一位有卓越成就的科學家，又是一位有先進思想的政治家。他是王安石變法運動中的一名骨幹人物。
北宋初年結束了五代十國的分裂局麵，政局相對穩定，社會經濟較前代有了很大的發展。但到了沈括為官時，建立了一百餘年的北宋，已暴露出了封建國家的各項固有矛盾。豪強地主大量兼並土地，廣大農民卻無立錐之地；外患紛亂，北有遼國、西有西夏，後來又有金國，他們不斷犯邊，使得北宋政府增加大量賦稅以備軍費；北宋政府官員劇增，各項開支浩繁，更使得統治階層加重對廣大平民的壓榨。許多農民辛苦一年收的糧食，幾乎全被官府收走充做多如牛毛的賦稅，他們隻能以糠麩、菜根、植物的果實等渡日。民不聊生、官逼民反。沈括之時，就發生過京東王倫，京西張海、郭邈三，河北王則等領導的農民起義。
社會矛盾如此尖銳，使得北宋統治者不得不考慮改弦更張。代表中下層地主利益的王安石提出了推行新法的創議，希望通過變法使得社會矛盾得以緩和，國家實力得以增強。宋神宗接受了王安石變法的主張。熙寧二年（1069年），變法運動正式開始。
沈括與王安石早就相識，兩人的思想有許多一致的地方，所以二人是知己。沈括多年在基層為官，了解社會現象和農民疾苦，對社會積弊深有感觸。他也認為隻有通過一場大的政治改革，抑製兼並，減輕賦稅，興修水利，使得國富兵強而最終解決社會危機。所以當變法運動剛一醞釀，沈括就積極參加進去。然而這時沈括的母親去世，他送靈柩回故鄉錢塘安葬，處理完喪事後返回京城開封已是第二年。此時變法運動正方興未艾，王安石被拜為宰相，均輸法、青苗法、農田水利法等一係列新法相繼製定、推行。這些措施使得社會經濟有了一定程度的發展，暫時緩和了日益發展的社會矛盾，勞動者的負擔相對減輕，整個國家實力也有了提高。
看到這種局麵，沈括更加積極地投入到這場運動之中。沈括當時任太子中允、檢正中書刑房公事之職，官位雖不很高卻握有實權，許多變法規劃都有他的參預。沈括利用自己的科學才能積極為推行變法、富國強兵而服務。首先是疏浚和整治汴水。
整治汴水是推行農田水利法的重要保證之一。北宋京師的給養輸送，主要依靠汴水水運，如果汴水淤塞，則京師的物資供應就會受到嚴重威脅。而此時，汴水淤塞的問題已很嚴重，因為汴水引自黃河，自然就攜帶大量的泥沙，由於年久失修，河床逐漸增高，有的地方河床已經比堤外地麵高出三、四米形成“地上河”。這樣，河堤一旦潰決，非但物資無法運輸，堤旁的千家萬戶都有生命之憂。如此情況下，能否疏浚汴水，化險為夷，是直接關係到新法推行成敗的大問題。
沈括受命治汴後，認真地進行了疏浚河道和測量工作。他認為，如果仍然引黃河水作為汴河的水源，即使這次疏通，天長日久後也會再次淤塞，所以治汴的關健在治本，即水源問題，最好能引水質較清的洛河水入汴。為了達到這個目的，根治汴河，他對汴河的地勢進行了非常詳細的測量。
測量的地段，從開封上善門起，至泗州（今江蘇盱眙地區）止，這段是汴河的關鍵地段，長度是八百四十裏又一百三十步，這是比較容易測量的。關鍵是兩地地勢高低的差別，而這用一般的測量工具是無法得到準確數字的。但這難不倒博學多知的沈括，他創造了一種新的測量方法——分層築堰法。沈括先指導民工把開挖汴河時取土形成的堤外小溝開通，形成一條與汴河平行的小河道；然後往裏灌水，使水積蓄在地勢最低的泗州一段的河道。當水麵平穩時，靠近上遊的河段就逐漸形成淺涸；在這築一道橫截小溝的堤堰，再往上遊方向灌水，如此直到開封河段。因為小溝中的水是靜止與水平的，因此可以把堤堰的分層看成是一級級台階。隻要測量各級堤堰的水平麵，將其各層高度加以比較即可。最後，沈括測得京城附近的地勢，要比泗州高出十九丈四尺八寸六分。沈括的這種測量地勢的方法，開創了世界測量史上的先河。
汴河地勢的測量完成，為引洛水入汴開創了便利條件。元豐二年（1079年），工程完成取名為“清汴”。由於有了新的水源，就封閉了黃河入汴的水口，減少了泥沙的淤塞，使堤坎不會再有被決的危險，水患被根除；同時更加方便了開封與各地的物資交流。這一切都是與沈括的建議與測量分不開的。
熙寧六年（1073年）六月，在王安石的舉薦下，沈括受命前往兩浙（今江蘇、浙江等地）視察農田水利及差役等方麵情況。他一到任，就同地方官員協商整修水利之事；同時，他親自到各地進行實地調查、處理問題。在常州、潤州，他召募饑民興修水利；在蘇州、秀州，他指導疏浚湖浜；在溫州、台州、明州等地，他發動百姓圍海築堤來保護東部臨海的田地。這麼多的農田水利工程，對於兩浙農業經濟的發展，起到了很大的作用。
為了減輕百姓的負擔，沈括向朝廷提出建議，減免兩浙人民每年額外上供的十二萬匹絹帛，得到批準。早在沈括擔任地方官時，他就發現農民生活貧苦的一個重要原因：每當秋收，糧食多而價格很低，而此時農民又需錢用，就隻得將糧賣給大戶；到了青黃不接之際，農民無以為食隻得高價向大戶買點口糧。這樣，大地主大商賈大發其利，廣大農民卻愈發困苦。鑒於這種情況，沈括建議各地官府設立機構，收糧時平價購入，糧乏時平價賣出，以解決農民的實際問題。這一建議被朝廷采納。沈括注意體恤民情，由此可見一斑。
在處理政務的閑暇之餘，他繼續了自己的科學研究。1074年春，沈括來到浙東的溫州地區，聽說雁蕩山風景奇美，就決定去遊覽一番。他剛進入雁蕩山區，井未發現什麼特別的地方。可是進入深處後，他大吃一驚：山峰都是那樣陡峻險怪，挺拔高聳，景色奇秀。原來這些山峰全座落在穀地當中，四麵被山包圍著，所以從山外向裏看就發現不了什麼。更奇怪的是，從山外高處看，各峰的頂與高與地麵幾乎相平，有的還低於周圍山的山腳。
這種奇異的景象是如何形成的呢？沈括再一次進山仔細觀察，探尋其中的奧秘。他踏遍穀內的山嶺溪澗，發現山峰頂部都有岩石被水流侵蝕的痕跡，由此他得出結論：由於山穀中的泥沙被大水衝走，隻剩下堅硬巨大的岩石高峻挺立，這就形成了山穀內千峰競秀的奇特景色。由此他還聯想到陝北一帶的黃土高原中，突立的黃土柱往往高達幾十米，這和雁蕩山奇峰形成的原因一樣，是水流長期衝刷的結果，隻是一個為石一個為土而已。
這年四月，沈括還朝。不久，遼國不斷在邊境挑釁，北方局勢吃緊。為加強邊境防禦，朝廷任命沈括為河北西路察訪使，任務是視察和整頓邊防。進入太行山區後，他突然發現遠處山崖上橫著一層怪怪的石壁，就象一條長帶，走近一看，原來是許許多多的螺蚌殼和卵形礫石。
“山上怎麼會有海邊才有的東西？真是奇怪！”又走了一段路，沈括發現前麵岩層中又有這樣的東西。他取了一些樣品，仔細觀察了一番，一點不錯，真是隻有海裏才有的東西，那為什麼到這裏了？沈括思索著。
“滄海桑田”，沈括想到了這句習語。大海可以變為桑田、桑田也可以歸於大海，這就是說海陸可以相互變遷。這裏東離大海雖有千裏之遙，但在上古時代可能就在海邊，所以才會有這些東西。這一大片陸地都應是後來水流攜帶的泥沙沉積，並靠水流衝積而形成的。”
關於水流衝積可以形成陸地的觀點，沈括是第一個提出來並做出解釋的。西方提出這個觀點的英國學者赫頓，是生活在六百年之後的人了。
沈括到處視察邊防後，發現薄弱環節就立即采取措施。他在半年時間內，經批準采取了三十多項防務措施，這些對於保障邊境人民的生命財產安全起到了積極的作用。
其中一項重要措施是挖掘陂塘。早在宋遼交戰之初，兩國接壤的河北平原上，為了阻擋遼軍尤其是騎兵的前進，宋修築大麵積塘泊阻擋，這種措施起到一定的作用。但許多陂塘因年久失修，失去了防禦價值。為了對付遼國新的進犯，沈括利用原來修建的陂塘，加以重修和擴建。例如徐村澱的修複。此澱原是深州（今河北深縣）北部的門戶，防禦作用很重要，因長期廢棄已幹涸，此時的深州城就直接暴露在遼國騎兵的鐵蹄之下。經沈括設計，奏請朝廷批準後，花了兩年時間引來河水注入澱內，形成了五十裏水上防線。
沈括還積極在邊境推行新法中的保甲製度。具體地說，就是每十戶編成一保，有保長；十保為一大保，有大保長；十大保為一都保，有正副部保長。保戶中的男子為保丁，政府允許他們使用兵器，練習武器。這種製度的推行，可以作到寓兵於民，加強政府的軍事力量。
此外，他還在邊防線上的重要位置修築城防，在交通樞紐處架設浮橋，在許多前沿陣地安置營寨等等。總之，沈括這次北方之行采取了許多措施，加強了北部邊防。這是王安石變法重要目的——富國強兵的一個主要內容。
沈括作為一名精通科學的政治家，十分注意在變法中為加強國家軍事實力而研究軍事學。由於他博學多才，又處事幹練，所以倍受器重，北方之行尚未結束，朝廷又委派了他新的職務——兼製軍器監。這是王安石變法中為增強軍事實力，進行軍事改革、加強兵器生產所設的新機構。沈括在任此職一年之中，結合自己很早就研究過的軍事理論，在實際應用中進行更深一層的軍事學研究取得了可觀的成績。