攻克科學難關
生活給科學提出了目標，
科學照亮了生活的道路。
第一位被載入史冊的數學家商高
商高是我國古代的數學家。關於他的生平，曆史上的記載很少。他是春秋時周朝人，大約生活於公元前12世紀。商高的數學成就主要是勾股定理和測量術。
中國古代最早的數學和天文學著作《周髀算經》上記載了一段周公與商高的對話。周公問：“竊聞乎大夫善數也，請問古者包犧立周天曆度。夫天不可階而升，地不可得尺寸而度，請問數安從出?”商高答：“數之法出於圓方，圓出於方，方出於矩，矩出九九八十一，故折矩以為勾廣三，股修四，徑隅五。既方其外，半之一矩，環而共盤。得成三、四、五，兩矩共長二十有五，是謂積矩。故禹之所以治天下者，此數之所由生也。”這是有名的“周公問數”。這段對話用我們今天的話解釋是這樣的：周公問商高：古代時伏羲是怎樣測量天文和曆法的?天沒有可攀的台階，地又不能用尺去測量，這些數是從哪兒得出來的呢?商高回答：數是根據圓形和方形的數學道理計算出來的。圓來自於方，而方來自於直角三角形。直角三角形是根據乘除法的計算得出來的。將一條線段折三段圍成直角三角形，一直角邊(勾)為三，另一直角邊(股)為四，則斜邊(弦)為五。商高的證明是用右邊的圖來解釋的。利用直角三角形三邊的三、四、五的關係可知：方盤麵積為49，而四個陰影的三角形的麵積之和為24，因此正方形BDLH的麵積為49-24＝25，這種證明方法比歐幾裏得的幾何原本中的證明更簡明易懂。
周公曾是周武王的弟弟，他輔佐周武王的兒子執政。商高是賢才中傑出的人物之一，是周公的朋友。周公十分重視發展科學技術，虛心向商高學習科學知識。他曾請教商高用矩之道(矩：是由長與短兩條帶有刻度的直尺，一端相交成直角相聯而成的)，商高用六句話簡要地概括了這一方法：“平矩以正繩，偃矩以望高，履矩以測深，臥矩以知遠，環矩以為圓，合矩以為方。”這就是說：把矩放平了可以測定水平和鉛直方向；把矩立起來，能夠測量高度；把矩反過來倒豎可測深度；把矩平放可以測定水平距離；將矩環轉一周，可得圓形；將兩矩合起來可得到方形。
商高利用矩作為測量工作，運用相似三角形的原理“測天量地”，把測量學上升到理論，為後來的數學家推廣複雜的“測望術”奠定了堅實的基礎。
勾股弦的關係和用矩之道是商高的主要成就，商高的年代離我們雖然遙遠，但他的科學創見卻永遠為後人紀念，他是世界上第一位被記載在史冊上的數學家。
我為了人類而活，我願意犧牲自己的一切。
學通中西的大科學家徐光啟
徐光啟（1562～1633）字子先，號玄扈，上海人。徐光啟以其畢生的精力推動中國科學的進步，推動中西文化的融彙與交流，殫精竭慮，鞠躬盡瘁。他在天文學、數學、農業科學、機械製造、軍事學等領域都卓有建樹。他的《農政全書》，與李時珍的《本草綱目》、宋應星的《天工開物》、徐弘祖的《徐霞客遊記》，同為明末科學的四大高峰。這樣一位獻身科學的偉人，是怎樣確定自己的人生道路，又是如何在科學的險徑上艱難攀登的呢？
少小遊學，誌在天下
關於徐光啟的祖先，由於流傳下來的材料有限，我們知道的不多。相傳徐光啟的先世是在中州人，也就是今天的河南一帶人。他的高祖徐竹軒是個家世清白的秀才，從這一代始遷居滬上。到他的曾祖徐殉的時候，家道中落，靠務農為生。徐光啟的祖父徐緒棄農經商，家境日漸富裕。徐緒去世較早，家政遂由祖母尹氏主持，請來內家兄弟尹某經商，並為長女擇婿俞氏，產業居然不斷發展，比徐緒時擴大了十倍，使他的父親徐思誠可以專心讀書。徐思誠大約在十七八歲時結婚，夫人錢氏也是讀書人的女兒。嘉靖年間，倭患甚烈。一些日本商人勾結武士和浪人，到中國沿海各地，或直接進行掠奪，或者用走私的手段竊取中國的財貨。上海地當東南沿海門戶，更是在所難免，屢遭洗劫。據史書記載，從嘉靖三十二年到三十五年的四年間，倭寇多次犯上海，大肆搶掠，其狀慘不可言。為逃避倭寇，徐光啟的祖母和母親四處流離，徐思誠被派為大戶，參加地方政府組織的抗倭武裝。徐家產業也蒙受了損失。此後，經過數年的經營，家業又有恢複。尹氏便把家產一分為三，徐氏和尹、俞兩家各得其一。不幸的是析產之後徐家又遭了竊賊，加之徐思誠不善於理財，又生性樂善好施，家道迅速中落，最後竟到了出賣田宅的地步。1562年徐光啟的出生，給這個處在困厄中的家庭帶來了新的希望。
在徐光啟的幼年時代，由於家境貧困，他的祖母、母親無論寒冬酷暑，日夜紡織不輟，以維持生計。連他的父親也不得不課農學圃，下田耕作，以圖自給。上海本來就是廣原腴壤的富庶之地，資本主義萌芽最先在這裏產生，農業、手工業和商業發展較快，民風也比較勤勞。徐光啟生長在這樣的環境裏，一方麵親眼目睹家人們辛苦勞作，一方麵也免不了親自動手做些輔助勞動，這對於 養成他日後勤勞、節儉的性情大有好處。他對農事園藝的興趣，也應該是這個時候發生的。徐光啟年幼時，倭寇來犯的事仍時常有之。他的母親經常對兒輩回憶當初避倭的情形，並議論禦倭措施的得失。他的父親參加過抗倭鬥爭，結識了許多名將奇士，聞知一些戰守方略，並通曉陰陽、醫術、星相、占候、釋道之書，且喜語舊事。耳濡目染，也在徐光啟幼小的心靈裏播下博學強記、留意兵事的種子。徐光啟七歲時便到龍華寺的村學讀書。少年徐光啟身材矯健，活潑好動。一次，他爬上龍華寺的古塔捕鴿子，偶一失足，旁觀的人失聲驚叫，他卻若無其事，舉著鴿子說：“你還能在塔頂飛來飛去，惹得我想了好幾天嗎?”他還曾爬到塔頂，與鸛鳥爭得地方，端坐在頂盤中，對下麵的人嘻笑自若，瀏覽四周風物，像是神遊雲霄。但不同於一般頑皮兒童的是，少年徐光啟便懷有遠大的誌向。有一天，老師外出，同學們暢談自己的抱負。一個講長大後要做富翁，另一個講想當道士。徐光啟說：“這些都不值得做。說到做人，應當立身行道，治國治民，崇正辟邪，不可枉活一世。”那時，讀書人都是走的科舉的路子，徐光啟也不例外。他的主要功課是誦讀《四書》、《五經》的章句，學作八股文、律詩，練習寫字。因他聰敏好學，章句、帖括、聲律、書法的成績都很好，甚至塾師出題作文，他也能不加思索，出口成章。後來他又師事當地的著名學者黃體仁，鑽研心性之學。此外，他也常讀些兵法方麵的書籍。
1581年徐光啟20歲的時候，考取了金山衛的秀才，並於同年娶吳氏為妻。依照當時社會的風俗，考中秀才之後，可以從縣學中得到一定的錢糧資助，同時也可以找個村學或家館去教書。徐光啟因家境貧寒，除了應付縣學的作業之外，便開館授業，教授裏中子弟，以便掙些銀兩貼補家用。課餘，他常到田間參加一些農業勞動。由於從小就接觸農事，徐光啟表現出非凡的經營才幹。他看到有幾小塊荒蕪廢棄的空地，便動手稍加整治，種上柳樹，然後賣柴取利。看到家鄉時常遭受水患之苦，大雨一降，禾苗被毀，屋宇坍塌，餓殍遍野，徐光啟開始留意水利，對農田水利的利弊，不斷周谘博訪。這些活動為他日後研究農學打下了堅實的基礎。
徐光啟的科舉之路並非一帆風順。他曾多次參加鄉試，都未能考中舉人。其中最為艱難的是1588年(萬曆十六年)那一次。其時徐家生活十分拮據，他的母親為供養老小，勞作一天之後居然沒吃上一口飯，最後從籬笆上摘了一隻王瓜充饑。9月徐光啟與友人結伴往太平府赴鄉試，因囊中羞澀，乘不起車 馬，隻得挑著行李，趟著積水，從句容沿江步行百餘裏到太平。這次應考失敗，使徐光啟有淡然名利之誌。正是備嚐了這種窮困與艱辛，才使得徐光啟日後做了高官仍自持儉約，不去貪圖個人享受，而是專心致力於科學研究。這個時期徐光啟雖屢試不中，可學問卻大有長進，人稱其“少年以文章名天下”。像徐光啟這樣懷抱真才實學，卻難以通過鄉試，足以說明科舉取士的製度到了晚明已走上了衰敗的末途。當時的考試內容純為章句之學，隻注重空洞的詞藻和繁瑣的格式，忽視實際內容，自然難以發現和選拔真正的人才。到了晚年，徐光啟還對此感觸良深，批評八股文“直是無用”，稱科舉為“爬爛泥路”，虛擲光陰。
在徐光啟31歲那年，他的母親錢氏去世了。第二年，徐光啟應他人之邀，遠行廣東韶州教授家館，開始了“經行萬裏”的旅程。徐光啟南行之際，西方傳教士已經叩開中國的大門，在中國的南方進行宣揚基督教的活動，因此他同西方傳教士有了初步的接觸。利瑪竇是最早深入中國內地傳教並取得成功的耶穌會士。這個來自意大利馬塞拉塔城的傳教士，於1582年(萬曆十年)抵達澳門，第二年到端州。在此地利瑪竇潛心學習漢語，鑽研六經子史等書。後行跡遍至肇慶、韶州、南昌、南京等地。徐光啟在韶州教書期間，一次偶然到城西的教堂，沒有見到已經北上的利瑪竇，卻與接替利瑪竇主持堂務的郭居靜談得很融洽。這是徐光啟與西方傳教士的第一次直接接觸，萌生了對傳教士和西學的好感，由此開啟了與傳教士長期合作共事的先河。
1596年(萬曆二十四年)，徐光啟應擔任潯陽知州的同鄉趙風宇的約請，由韶州移住潯州，教授趙氏家館。幾年之內，徐光啟由上海到廣東，又由廣東到廣西，長途旅行，飽覽山川形勝，閱曆越來越豐富，文章也寫得越來越好，尤其擅長說理和抒情。當然，一個窮書生長途跋涉，其情形也是夠狼狽的，衣衫襤褸，全靠自己縫綴。次年春天，徐光啟遠上北京，參加順天府的鄉試。這次他不但考中了，而且還被取了頭名解元，名聲大振。說起這次考中，應當慶幸徐光啟遇上了名重一時的大學者焦竑。據說，初判時徐光啟仍是名落孫山。到發榜前二日，主考官焦竑還為沒能發現可取為第一名的人選歎息，當他看到從落選試卷中選送的徐光啟那一件，不由擊節讚賞，認定此為名士大儒，拔置第一。此番中舉，既靠徐光啟平素博覽群書，好學深思，凡六經百家之書，無不遍讀，能寫出文辭宏美、義理精深的好文章，也多虧焦竑慧眼識人，全力舉薦。此後，徐光啟一直視焦竑為恩師。中舉之後，徐光啟留在京師等候會試。1598年(萬曆二十六年)會試，徐光啟未能考中進士，於當年4月離京返鄉。這一年徐光啟已經37歲，卻在科舉的泥路上滾爬了20多個春秋。
翻譯西學，會通中西
徐光啟回到家鄉繼續以教書為業，同時更加刻苦地讀書學習。這個時候的徐光啟，對背誦章句已沒有多少興趣，而把關注的焦點轉移到現實生活方麵。他廣泛閱讀古今經史和科學典籍，研究曆代王朝政治的成敗得失，尋找富國強兵的良方。他在寫給老師焦竑的信中說到自己的心情。他說自己因感憤故裏屢 遭倭寇蹂躪，生靈塗碳，故於六經子史以外，也常研習兵法和農學。看到國家比南宋滅亡時還要衰弱十倍，因此每每對人談論富國強兵的方略。他認定，隻有重視農業才能使國家富足，隻有整飭軍備才能使國家強盛。關於徐光啟的這段讀書生活，與他一同讀書的程嘉燧曾有生動的記載：那時他們住在山中的一間小屋子裏，書案旁邊的瓦罐裏隻有米粥用以果腹，即便生活條件這樣艱苦，他們卻每天咀嚼詩書之精華，暢飲文章之美醪，撫琴吟唱，十分快樂。
因為事先看到了利瑪竇在肇慶繪製的《山海輿地圖》，對上麵提供的經緯度、赤道、五帶等地球知識饒有興趣，又仰慕利瑪竇的學識和為人，徐光啟於 1600年(萬曆二十八年)到南京拜訪了利瑪竇，聆聽他的議論，對他的博學多識留下深刻的印象。不久，利瑪竇前往北京向萬曆皇帝貢獻方物。徐光啟回到上海，繼續教書和讀書，並先後寫下了《毛詩六帖》、《淵源堂詩藝》、《芳蕤堂書藝》、《四書參同》、《方言轉注》、《讀書算》、《賦囿》等經學、書法、小學、詩藝方麵的著作十餘部。1603年 (萬曆三十一年)的秋天，徐光啟再往南京訪利瑪竇，因後者居留北京不遇，遂與主持南京教堂的郭居靜、羅如望兩人晤談。他讀了《天主實義》、《天主教要》等傳教著作，聽羅如望講了《十誡》等天主教的基本教義，觀看了宗教儀式，決意受洗入教，並取了教名“保祿”。徐光啟皈依天主教有多方麵的原因。明中期以後，由於封建皇帝的提倡和庇護，佛教和道教大行其道，泛濫成災，造成了學風的空疏敗壞。士大夫往往標榜清流，束書不觀，空談竟日，視實務為濁為俗，不思如何能對國計民生有所建樹。出身寒素而又飽經憂患的徐光啟對這種現象極為不滿，天主教的傳入使他產生了一種期冀，以為可以用天主教印證儒教，補益王化，救正佛法，即所謂的“易佛補儒”。西方傳教士傳授的科學知識對曆來學主實用的徐光啟也產生了極大的吸引力，他覺得入教或許對學習和掌握西方科學技術知識能有所裨益。徐光啟入教以後，開始了與傳教士合作翻譯西書，把西學介紹到中國的事業。不過徐光啟受洗入教，也抬高了天主教的身價，擴大了天主教的影響。此後，他與李之藻、楊廷筠並稱東南地區的“天主教三大柱石”。
1604年(萬曆三十二年)春，徐光啟再度赴京參加會試，終於考中第八十八名進士，並被考選為翰林院庶吉士，進入翰林院學習。當時的翰林院庶吉士，大概相當於今天的科學院研究生，是朝廷著意培養的高級人才。翰林院的館課主要是經史製藝對策之類。徐光啟除了學習館課而外，還讀了一些時務書籍。為了集中精力攻讀實用之學，他放棄了對詩詞書法的愛好，專心致誌地研習天文、兵法、農事、水利、工藝、數學等自然科學。他利用做館課的機會揭露了一些社會弊端，提出了自己的興革主張。如他在《題陶士行運甓圖》詩中寫道：“典午朝臣鮮尚賓，竟以曠達相矜誇。娓娓玄談未終席，紛紛胡騎亂如麻。白玉麈尾黃金埒，甕間酒龍聲嗑嗑。誰使神州陸沉者，空複新亭淚成血。”詩中借東晉君臣空談誤國的舊事，諷諭當時彌漫於學壇的空疏之風。
流傳至今的徐光啟館課作品中，《海防迂說》、《漕河議》、《處置宗祿查核邊餉議》、《擬上安邊禦虜疏》四篇文章，集中反映他在政治、經濟、軍事等方麵的改革思想。《海防迂說》針對倭寇為害東南海疆的現狀，考察了倭患的發展曆史和沿海富商豪族與倭寇勾結的情況，提出“官市不開，私市不止”的見解，主張正式與日本通商。這樣，一來可以使中國的絲帛等貨物找到市場；二來掌握了主動權，日人來市則予之，來寇則殲之；三來可隨時絕市，製禦倭寇。《擬上安邊禦虜疏》則主要是針對北部邊境來自韃靼、瓦勒等部族的威脅的。疏中提出了一套練兵籌餉的辦法，包括戰略上先求可以守，次求可以戰，再求可以大戰；人員上選練十萬精兵，作為野戰的主力；戰備上務農貴粟，實行屯田等等。《處置宗祿查核邊餉疏》指出宗室俸祿已成為國家財政的巨大負擔，建議把實物俸祿改為封給土地，使其“自生粟帛而衣食之”。《漕河議》提出南糧北運，縻費巨大，應該把黃河、淮河的水用來種植穀物，減輕漕運負擔。治理運河，應當以科學測量為依據，根據地形水勢加以疏導。徐光啟的這些建議，雖不乏真知灼見，但並未受到統治者特別的重視。
就讀翰林院期間，徐光啟與客居北京的利瑪竇交往甚密。他時常布衣徒步，前往利瑪竇邸舍問學。利瑪竇還在羅馬時，就師從天主教的著名學者克拉維神父，學過數學、地理和天文學方麵的知識。到達中國後，他發現這個古老的東方國家地廣物豐，人口眾多，文化傳統曆史悠久，博大精深。他感到在中國傳教，如果采取在其他地區慣用的強硬方式，恐怕難以奏效，於是轉而推行一種學術傳教的路線，主動地介紹一些西方的科學知識到中國。他先是用三棱鏡、自鳴鍾、日晷儀之類的精巧玩藝喚起高官名士的好奇，接著又繪製了《萬國輿地圖》，介紹西方天文學知識。徐光啟在與利瑪竇的交談中，一再要求與之合作，把後者從羅馬帶來的西方科學書籍翻譯成漢語，以便更多的人能夠學習。在徐光啟的請求下，大概從1605年(萬曆三十二年)到1606年(萬曆三十四年)間開始，兩人開始合譯西方數學的經典著作，即歐幾裏得的《幾何原本》。
為什麼首先選擇《幾何原本》進行翻譯呢?徐光啟自己曾作過解釋。他認為，數學作為一門最基本的學問，就好比木匠的斧頭和尺子，是不可缺少的工具。而《幾何原本》又是數學的本原。它可以“窮方圓平直之情，盡規矩準繩之用”。其中的公理、公設雖不以直接以具體事物為對象，但它所蘊含的道理卻是一切科學技術必須遵循的。他借用前人“鴛鴦繡出從君看，不把金針度與人”的詩句，稱“金針度去從君用，未把鴛鴦繡與人”，而《原本》就是能繡出千百種鴛鴦的金針。因此，“舉世無一人不當學”，而且“百年之後必人人習之”。這就表明徐光啟對自然界的一切事物都表現為一定的數量關係的原理，和《原本》所體現的形式邏輯的思維法則，有了比較清楚的認識。徐光啟為翻譯《幾何原本》付出了艱巨的勞動。他每天下午三四點鍾前往利瑪竇寓所，由利瑪竇口授，他負責筆錄。翻譯中反複推敲，務求譯文準確，文詞通暢。當時楊廷筠、李之藻、葉向高、馮應京、曹於汴等著名學者，也參予了討論，質疑辯難，互相切磋。經過前後三次修訂，到第二年春天，終於譯成了《幾何原 本》前六卷。即使按今天的標準看，這次翻譯也是非常成功的。徐光啟在譯書過程中創立的一套幾何術語，如點、線、麵、直角、四邊形、平行線、相似、外切等，一直被沿用下來。
《幾何原本》譯畢付梓，徐光啟又與利瑪竇用同樣的方式譯出了《測量法義》初稿。徐光啟曆來重視水利，這時也向利瑪竇詢問西方水利設施和器械的情況，並從中受到啟發。徐光啟的好友李之藻曾從利瑪竇學習天文學，並運用西法進行實地測量，寫成了《渾憲通蓋圖說》一書。徐光啟亦參予了此書的修訂。1607年(萬曆三十五年)4月，徐光啟結束了翰林院為期三年的學習，授官翰林院檢討。5月，其父徐思誠病逝，徐光啟按慣例歸籍守製，回到上海。
守製期間，徐光啟仍致力於科學研究和農學試驗，他把已經譯成的《測量法義》加以整理，刪削定稿。隨後，又相繼撰成《測量異同》和《勾股義》。這三種書，都是對《幾何原本》的發揮和應用。在這幾種書裏，徐光啟運用西方幾何學的原理，對傳統數學的經典著作《周髀算經》、《九章算術》進行整理，發現傳統數學的缺陷是“隻言法，不言義”，即隻講求解的方法，不講為什麼這樣求解，從而初步揭示了傳統數學作為經驗型科學的本質特征，並由此萌生了創立“有理、有義、有法、有數”的科學體係的強烈願望。當然，作為一個講求實際的科學家，徐光啟的研究和著述，絕不單純是為了滿足自己的求知欲望，更是為了指導改造自然、征服自然的實踐活動。正像他在《勾股義序》中所說的，“西北治河，東南治水利，皆目前救時之至計。……此法終不可廢”。這些西方科學的成果，在生產實踐中可以發揮作用，產生效能。在此前後，徐光啟還幫助李之藻把根據克拉維《實用算術綱要》翻譯的《同文算指》整理成書。
1610年(萬曆三十八年)10月，徐光啟守製期滿，回到北京，恢複翰林院檢討原職。此前，徐光啟曾經計劃與利瑪竇共譯水法書，但當他回到北京時，利瑪竇已於當年4月去世，因而改請傳教士熊三拔口授。起初熊三拔表現出為難的神色，經徐光啟一再敦請，兩人才動手翻譯。這次翻譯沒有采取照本直譯的作法，而是結合我國已有的水利工具，隻選譯其中比較實用和確實先進的部分，一邊譯書一邊試驗，把製器和試驗的方法與結果都記錄下來。《泰西水法》一書具有極強的實用性和可操作性，對發展農田水利事業很有指導意義。為了呼應日益高漲的改曆輿論，徐光啟還把昔日聽熊三拔講授簡平儀構造與用途的筆記加以整理，編成《簡平儀說》刊行。
以徐光啟翻譯《幾何原本》、李之藻編譯《渾憲通蓋圖說》為發端，在晚明的學術界，翻譯西方科學書籍成為一時盛事，較有代表性的還有焦勖譯《火攻挈要》、王征譯《遠西奇器圖說》等書。此外，當時還譯介了一批歐洲宗教、哲學、邏輯學、語言學等方麵的書籍。自唐代大規模翻譯佛經以來，這是中外文化交流史上的第二次譯書高潮，而此次譯書涉及的領域之廣，科學意義之大，又是第一次譯書高潮無法比擬的。它在較高的層次上實現了中國和歐洲兩大文化體係的融彙與交流，使中國文化初步納入了世界文化發展的體係，為中國科學文化的發展注入新的活力與生機。徐光啟運用西方科技解釋農業生產，把傳統農學理論進一步係統化，有相當高的水平。不過，它們還停留在以比較抽象的哲理來闡釋農業生產現象，當時仍缺乏顯微鏡一類科學觀察實驗手段，難以深入探索農業生物內部的奧秘，形成建立在科學實驗基礎上的理論，這就不能不妨礙我國農學以後的進一步發展。
縱觀我國古代農書，在卷帙浩繁、體裁多樣、內容豐富深刻、流傳廣泛久遠等方麵，遠遠超過同時代的西歐。這是我們的祖先給我們也是給全人類留下的寶貴遺產。
下麵將分別對我國古代農學體係的主要內容加以介紹。
土地利用“廣種不如狹收”
土地利用是農業技術的基礎，擴大農用地麵積和提高單位麵積農用地的產量(即土地生產率)，是發展農業生產的兩條途徑。隨著人口的增加，中國曆代都在擴大耕地麵積和農用地範圍，但各個農業經營單位在考慮它的生產方針時，總是把重點放在提高單位麵積產量上。起碼戰國以來就是這樣。戰國初年李悝(虧)為魏相，頒行“盡地力”的教令，指出治田勤謹還是不勤謹，每畝將增產或減產三鬥，在方百裏可墾田 600萬畝的範圍內，糧食總產的增減達 180萬石，幅度為20％。“盡地力”，用現在的話來說就是提高土地生產率。荀子也認為，如好好種地，可以畝產“數盆”(盆是量器，合一石二鬥八升)，等於一年收獲兩次，潛力很大。
要通過提高單產來增加總產，就不能盲目地擴大經營規模。曆代農學家無不提倡集約經營，少種多收。如賈思勰認為，“凡人營田，須量己力，寧可少好，不可多惡”(《齊民要術》)。陳枓主張“多虛不如少實，廣種不如狹收” (《農書》)，並提出耕作規模要與“財力相稱”。明代《沈氏農書》也主張“寧可少而精密，不可多而草率”。這種主張的產生不單純因為人口增加、耕地緊缺和小農經濟力量薄弱。人們在長期生產實踐中認識到，集約經營、少種多收，比之粗放經營、廣種薄收，在對自然資源的利用和人力財力的使用上都是更為節省的。《沈氏農書》以桑地經營為例，指出如果深墾細管，多施肥料，可以“一畝兼二畝之息，而工力、錢糧、地本，仍隻一畝”。又引老農的話說：“三擔也是田，兩擔也是田，擔五也是田，多種不如少種好，又省氣力又省田。”
我國古代農業單產比西歐古代和中世紀高得多。西歐糧食收獲量和播種量之比，據羅馬時代《克路美拉農書》記載為4~5倍，據13世紀英國《亨利農書》記載為3倍。而從《齊民要術》看，我國6世紀粟的收獲量為播種量的 24～200倍，麥類則為44～200倍。據《補農書》記載，明末清初嘉湖地區水稻最高產量可達4~5石，合今每市畝 901～1126市斤，比現今美國加利福尼亞州的水稻產量還高。我國古代農業的土地生產率，無疑達到了古代社會的最高水平。
種無閑地與種無虛日
土地生產率與土地利用率關係密切。在“盡地力”思想的指導下，我國古代土地利用率不斷提高，集中表現在以種植製度為中心的耕作製度的發展上。徐光啟相繼在天津、房山、淶水等地尋訪適宜屯田的地點，並最終選定天津做他的試驗場所。來到天津，他購置了一批雜草叢生的荒地，雇用了一些農戶開荒種地，他本人也親執農具，在田頭勞作。這些新墾殖的荒地被種上了小麥、水稻等農作物，獲得了較好的收成。徐光啟所關心的不僅僅是收成的好壞，而是利用屯田進行科學試驗，總結種植的經驗教訓。他十分重視調查研究，搜集民間經驗。他時常布衣敝履，奔走於田野，向當地農民了解土壤、施肥和耕作方法等方麵的問題，仔細筆錄下來，然後博考中外古今的農業典籍，再結合自己的實驗結果，寫成許多充滿科學精神的筆記。靠這種方法，他先後寫下了《宜墾令》、《北耕錄》等農書，並借鑒前人成果創造了名為“糞丹法”的施肥方法。
經濟作物的種植培育也是徐光啟科學實驗的重要內容。赴天津之前，他曾寫信給家人索取各種花草和麥地冬、生地、何首烏等藥物的種籽，利用空地進行種植，還計劃用西方的製藥法加工提煉，製成藥露，既便於使用又便於保存。後來，他還打算把苧麻、蔓菁等南方作物引種到北方。曆史上北方曾經是主要的蠶桑產地，可隨著經濟重心的南移，江南桑蠶業後來居上，北方的桑蠶業反倒衰敗下去。徐光啟對北方的氣候、土壤等條件進行了考察，發現很適宜植桑養蠶，決心在北方試養試種，重振北方桑蠶業，推動北方經濟的發展。他特意叮囑在家鄉的兒子徐驥“養好桑椹，曬幹寄來”。
他在天津養蠶，頭蠶由於春旱取得成功，二蠶可能因為多雨，吃了濕葉，結果壞了。徐光啟就此總結出經驗，即要養好蠶，關鍵在於桑葉要幹，桑幹在天，人要與天爭時，這反映出既要尊重自然規律，又要因地製宜，創造條件的科學思想。徐光啟第二次屯田天津是 1621年(天啟元年)。這一年，他因練兵受挫，憤然辭職，複寓津門。在此期間，他寫了《糞壅規則》，記錄了北京、天津、山西、山東、江蘇、浙江、江西、廣東等全國各地老農、老兵和過往行人傳授的壅糞方法和他自己的施肥經驗，還保留了一些很有價值的筆記。可見，徐光啟的農學研究，不但注重試驗結果，還注意采集別人的經驗，兩者互相印證，一個環節一個環節地推敲，最後作出自己的判斷。這是徐光啟科學研究的一大特色。
《農遺雜疏》是徐光啟屯田天津所寫的另一部農學著作。此書泛論糧、棉、果、蔬、農藝及牧畜技術，今已不傳。從散見的一些佚文中，可以看到大麥、蠶豆、柑桔、石榴、棉花、竹子等的種植栽培和肥豬法等方麵的內容。如說蠶豆是百穀中最早成熟的，蒸煮代飯，炸炒供茶，無所不宜，而且不受蝗害，不為蟲蝕，可藏之數年，誠為備荒的佳種。還說大麥最宜久藏，可以多積。徐光啟把自己長期積累的經驗，采取通俗易懂的語言記錄在《農遺雜疏》裏，便於識字不多的廣大農民掌握和應用。他循循勸告農民采用先進的生產技術，實行多種經營，提高作物單產，積粟備荒，增強國家的物力財力，實現富國強兵的理想。在長期的科學實踐中，徐光啟收集積累了大量第一手材料，總結了許多珍貴經驗，這些都為他編纂《農政全書》奠定了堅實的基礎，他在這個時期取得的大量研究成果，也都在《農政全書》中有所反映。
誠然，由於徐光啟善於經營，也使他自己的經濟狀況大有改觀。他在天津開辟的土地大約在一千五百畝到二千畝之間，以與所雇用的農產四六分成計算，每年也有三四百石糧食的收入。但是，徐光啟畢竟是傑出的科學家，不像一般封建地主純粹過著不勞而獲的寄生生活，是專門消耗社會財富的蠹蟲。稍加分析就會發現，徐光啟的農業經營活動是從屬於他的農業科學試驗的，其動機是為了研究和推廣農業科學技術，推動社會生產力的發展，創造更多的社會財富。他不僅自己從事勞動，還把收獲的一部分投入到科學事業上，為擴大研究範圍和規模提供資金。因此，應該把徐光啟與那些專靠剝削為生的封建地主區別開來。
督練新兵，守城製器
徐光啟對軍事問題有強烈的興趣，這種興趣來自童年的經曆。前麵說到過，在徐光啟的童年，他的故鄉屢遭倭寇蹂躪，生靈塗炭，民不聊生，他的家人也飽受流離之苦。從父親那兒聽到的抗倭故事，給少年徐光啟留下深刻的記憶。倭奴的凶悍殘暴，國家的積貧積弱，激發起他對倭寇的仇恨和對國勢衰敗的感憤。他的富國強兵思想最早也應該是從這個時候萌生的。研習舉業之餘，徐光啟瀏覽了許多兵家典籍，翰林院讀書期間也曾寫下了《擬上安邊禦虜疏》這樣閃爍著真知灼見的館課文章。不過，他真正有機會統領軍隊，推行自己的軍事主張，卻是在很多年以後了。
明朝晚期，東北地區的女真族勢力不斷發展壯大，對明王朝的統治構成了威脅。1616年(萬曆四十四年)，努爾哈赤統一女真各部，建立了後金政權。其後二年，後金興兵南犯，相繼攻占明朝東北重鎮撫順和清河。明王朝統治者大為震動，廷議紛紛。禮部左侍郎何崇彥以“夙知兵略”舉薦徐光啟參預軍務，萬曆皇帝急召徐光啟入京。這時徐光啟正在天津養病，接到詔書，即刻啟程，抱病回到左春坊左讚善任上。1619年(萬曆四十七年)3月，兵部左侍郎兼遼東經略使楊鎬率四十萬援遼大軍，出山海關後兵分四路向後金軍發起反擊，結果一敗塗地，還在剛剛得知楊鎬兵分四路出擊的部署時，徐光啟就指出“此法大謬”，後金兵必於諸路堅壁清野，集中兵力對付其中一路，並判定這一路必定是由山海關總兵杜鬆所率由沈陽往撫順的明軍。局勢的發展完全被徐光啟不幸言中，杜鬆在二度關遭遇後金精兵伏擊，全軍覆沒，其餘各路亦先後敗沒。至此，徐光啟心急如焚，連上三疏，痛切陳詞，闡明自己對挽救危局的看法和主張。
繼《敷陳末議以殄凶酋疏》、《兵非選練決難戰守疏》之後，局麵急劇惡化，朝廷仍因循守舊，不思改弦更張，徐光啟於8月7日又上了《遼左阽危已甚疏》，籲請朝廷火速選練精兵，不可延宕誤國。在此疏中徐光啟提出了“正兵”的五條綱領：亟求真材以備急用；亟選實用器械以備中外戰守；亟行選練精兵以保全勝； 亟造都城萬年台以為永久無虞之計；亟遣使臣監護朝鮮以聯外勢。這裏包括了選材、造器、練兵、建台、聯外五個方麵，其中徐光啟尤為強調軍事人才的選拔與培養。他指出，國勢衰微，漸貧漸弱，關鍵的原因之一是朝廷在選拔人才上拘泥常格，因循積弊，結果是論資排輩，任人唯親， “用者未必才，才而用者未必當”。戰爭本來就是鬥勇鬥智，如果不是才力智計殊絕於人，就很難打勝仗。選拔人才的辦法是，由在京諸臣各自舉薦文武才略、絕技巧工之士，再經吏、兵二部考竅核實，根據其特長決定推升、改調或谘取，一一置之在京衙門和畿輔重地，以憑隨時調用。所舉人才建有奇功，舉薦人亦分別賞擢，若誤國敗事，舉薦人一並坐罪。倘若徐光啟的建議被采納，該會對用人問題上的弊端起到一定的遏製作用的。
徐光啟的建議起初並沒受到應有重視。後來因遼東危急，京城的安全也受到嚴重的威脅，眾臣紛紛推舉，萬曆帝才於1619年(萬曆四十七年)9月頒旨：“徐光啟曉暢兵事，就著訓練新兵，防禦都城。”尋升徐光啟為詹事府少詹事，兼河南道監察禦史，管理練兵事務。徐光啟受領新職後，滿懷信心，於10月 21日上《恭承新命謹陳急切事宜疏》，條陳有關練兵事項，包括關防、駐紮、副貳、將領、待士、選練、軍資、召募、征求、助義等十款，希望能在財政和人員方麵得到朝廷的支持。他曾設想挑選壯兵丁二萬人，在京營附近建築營房二千間，由工部和戶部各自支付兵器和糧餉費用若幹，一麵造器，一麵練兵，一年之後這支部隊便可以投入使用。不料他處處受朝中權臣牽製，要人沒人，要錢沒錢，計劃雖好卻難以實施。
1620年(泰昌元年)4月，徐光啟費盡周折才領到一點餉械，便風塵仆仆趕到通州、昌平，著手進行選練新兵的工作。當時供徐光啟訓練的新兵半雜老弱，身無完衣，麵有饑色，他下決心裁汰老弱，隻保留了一部分精壯兵丁，結合實戰陣法進行操練。但是由於萬曆、泰昌兩帝一年之內相繼駕崩，加上餉械不繼，缺少兵源，徐光啟的練兵工作遇到很大困難。1621年(天啟元年)2月，他舊疾複發，再回天津養屙。不久因沈陽、遼陽接連失守，禮部奏請襄理軍務，又奉旨返京。
還在昌平、通州練兵時，徐光啟曾經致信李之藻，要他前往澳門購置西方火器。李之藻派門人張燾赴澳門，向葡萄牙當局購買了四門大炮，並物色到炮手四人。時值徐光啟辭職，李之藻恐大炮落入敵手，留在江西不再北運。徐光啟複職後，重抄了練兵三疏進呈，請求恢複練兵計劃，並把製造火器放在首位。他看到，明朝軍隊原先在火器上的優勢，因為連戰皆輸，大量兵器被敵軍俘獲，已經轉化成為劣勢，隻有大量鑄造火炮才能改變這種不利的態勢。他一邊把留在江西的大炮運到前線，一邊力請多鑄西洋火炮，以資城守。他還推薦傳教士陽瑪諾、畢方濟堪任此事，請速訪求前來。然而好景不長，複職僅四個月，徐光啟又受到閹黨的攻訐，眼見練兵計劃付諸東流，他憤然辭職，回到上海搞他的農學試驗。
徐光啟的練兵雖因層層阻撓而告失敗，但也產生一些積極的效果。經過他訓練的新兵在遼東戰場作戰，顯示了頑強的戰鬥力，遠比一般的明朝軍隊出色。他引進的西方大炮在寧遠戰役中發揮了巨大的威力，其中的一門被天啟皇帝封為“安國全軍平遼靖虜大將軍”。在練兵過程中，徐光啟還留下了二十四篇《練兵疏稿》和《選練條格》一卷。《選練條格》共分選士、選藝、束伍、形名、營陣五章，在募選、訓練、指揮、戰法等方麵都提出了一些重要思想。如關於選拔士兵，他提出“以勇、力、捷、技四者取之”。他特別強調軍隊要有嚴明的紀律，行動要一致，“如擂鼓要進，就赴湯蹈火也要進；鳴金要退，後麵有水火也要退。眾人共一耳，共一目，共一心，此齊眾之一法，陣無有不堅，敵無有不破矣”。後來，徐光啟把他有關軍事問題的疏稿彙刻為《徐氏庖言》五卷，這是他留給傳統兵學的一份寶貴財富。
時隔八載，徐光啟再度投筆從戎。這時崇禎皇帝已經即位，懲治權閹魏忠賢，剪除了閹黨勢力。崇禎力圖刷新政治，任用賢能，恢複了徐光啟禮部右侍郎兼翰林院侍讀學士協理詹事府事的原職。其實此職是徐光啟辭官閑住時由魏忠賢之流封的，他並沒有到任。1628年(崇禎元年)8月，徐光啟束裝就道，由上海到北京，覲見崇禎。次年4月升任禮部左侍郎，主持禮部日常事務。9月他又受命督修新曆。正當徐光啟全力以赴地籌劃曆局事宜時，後金軍隊由皇太極率領揮師入關，圍困薊州，攻陷遵化、撫寧，威逼京師。1629年(崇禎二年)12月，後金兵攻入太安口，京師宣布戒嚴。半月後後金兵已攻至北京德勝門。兵臨城下，勢如壘卵，崇禎急忙召集群臣，商討退敵計策。徐光啟在召對中力主守城，得到皇帝的首肯。徐光啟隨即放下曆局工作，以主要精力從事火器製造和保衛京師的鬥爭。
年近古稀的徐光啟，滿懷愛國之情，日夜在城防上奔波，教練軍士，布置防務，饑渴俱忘，風雨不避。他製定的《城守條議》，就守衛京師作出了具體規劃。《條議》提出，應當動員廣大市民投入保衛京師的鬥爭。城中並不缺乏智勇奇士，應廣泛收求加以錄用。不論是勇力絕倫的，武藝出眾的，善用火器的，能造守城器械的，都可由京官保任。對於市民提出的有關城防的意見，不拘尊卑，每天由負責官員議定，可行的便通知各處遵照執行。如吏部主事楊伸有名家人善用石炮，徐光啟提議任命他為教師，教守城軍民製作炮架，臨時施用。這些事實反映了徐光啟的軍事民主思想。正是因為徐光啟采取了行之有效的舉措，森嚴壁壘，嚴陣以待，才使得後金軍隊最終不敢進攻北京。
後金軍隊退去後，徐光啟建議利用這段間隙，立即趕造火炮和加緊選練守城士兵，進一步鞏固京師的防務。他指出，後金軍之所以不攻京師，不攻涿州，就是因為畏懼火器的威力。這種當時最先進的新式武器，物料真，製作巧，藥性猛，射程遠，精度高。他籌劃在北京設立一個小兵工廠，並建議在揚州、潞安開局鑄炮。徐光啟聽到傳教士陸若漢、公沙的西勞提議去澳門購炮和遴選銃師，極為讚賞，表示願親自前往。光有火器並沒解決所有的問題，還必須有能熟練使用火器的軍隊。為此他提出一套組建和訓練車營的辦法。所謂車營，就是組成一支三五千人裝備火器的隊伍。這支隊伍不但能守衛城垣，而且能出城作戰。以此為基礎，把習銃的軍隊擴大到二三萬人，一半在城中訓練，一半在城外巡守。製定訓練計劃要嚴格，辦法要切實，“寧為過求，不為冒險；寧為摭實，無敢鑿空”。1631年(崇禎四年)11月，徐光啟又上書皇帝，提出一個他精心設計的精兵方案。這個方案的要點是，以六萬人編為十五營，每營四千人，配備雙輪車一百二十輛，炮車一百二十輛，糧車六十輛，另配西洋大炮十六門，中炮八十門，鷹銃一百門，鳥銃一千二百門。他請求以登萊巡撫孫元化的部隊為基幹，先組成一營，然後逐步擴展。練成四五營，則不憂關內；練成十營，則不憂關；十五營俱就，則不憂進取。可是兩個月後，後金兵進攻關外大淩河，孫元化派部將孔有德增援，孔有德在吳橋發動兵變，西洋火器悉數落入孔有德之手，不久孔有德又帶著這些武器投降了後金，致使徐光啟的計劃完全破滅。自此以後徐光啟心灰意冷，再也不言兵事。
徐光啟的軍事思想中包括了許多有價值的見解。如他重視民眾的作用，主張動員民眾參加軍事鬥爭；他注重提高軍隊的戰鬥力，主張嚴加選練；他認識到武器是克敵製勝的重要因素，倡議引進西洋火器；他反對平分兵力，主張集中優勢兵力殲敵一路，等等。但他的軍事實踐卻是失敗的，具體的表現就是練兵計劃的屢次落空。其根本的原因是晚明政治腐敗，經濟凋蔽。一方麵是國力衰弱無力支付巨大的練兵製器費用，一方麵是權奸當道，百般刁難，處處掣肘，單靠徐光啟一人的苦心經營是無法挽回明王朝的頹勢的。
精研天文，督修新曆
在守城製器的前後，徐光啟還領導了修改曆法的工作。天文曆算在我國有悠久的曆史和輝煌的成就。十三四世紀歐洲的儒略曆出現嚴重失誤的時候，我國元代科學家郭守敬便製定了《授時曆》，把中國曆法提高到更加準確的程度。明代的《大統曆》就是直接承襲《授時曆》的。但是由於長期沒有修訂，到明晚期，《大統曆》也多次發生顯著的失誤。
徐光啟很早便潛心學習和研究天文學。天文學曾是徐光啟學習西學的重要內容之一，入翰林院後，仍花了很大氣力從事天文學的研究，他先後寫了《山海輿地圖經解》、《題萬國二寰圖序》、《平渾圖說》、《日晷圖說》、《夜晷圖說》、《簡平儀說》等著作。這說明徐光啟不但對西方天文儀器的構造、原理、用途有了充分的知識，甚至對西方測天的方法和理論，也進行了深入的研究。徐光啟在當時的天文學界已有較高的聲譽，所以禮部在1612年(萬曆四十年)1月奏請修改曆法時，他便以“精心曆理”與邢雲路、範守己、李之藻等同時受到舉薦。因萬曆帝久居深宮，疏於政務，此議被擱置下來。然而，徐光啟並未放棄修改曆法的努力，繼續進行各方麵的準備，如物色培養天文學人才，翻譯西方天文學著作等等。
機會終於來了。1629年6月21日(崇禎二年五月朔)日食，欽天監預推失誤，而徐光啟用西法推測食分時刻卻被驗證。崇禎嚴辭切責欽天監官員。在這種情況下，禮部奏請開設曆局，修改明初開始推行的《大統曆》。9月1日，崇禎皇帝正式下令修曆，並命徐光啟督領修曆事務，李之藻協理修曆。曆局設在宣武門內原首善書院。9月13日，徐光啟上《條議曆法修正歲差疏》，提出修改曆法的步驟和方法，急需的儀器及人員的調配等。這份文獻實際上成為修曆工作的綱領。後來他提出的“欲求超性，必先會通；會通之前，必先翻譯”，則成為貫穿整個修曆過程的指導思想。
按照徐光啟的計劃，修改曆法應當以西法為基礎。其中固然有西法運算周密，在推算上確實優於舊法的科學本身的原因，也有舊法創製已久，法理難明，而西法經傳教士廣為宣傳造就了一批通曉天文曆算的人才這種客觀上的原因。徐光啟把翻譯西方天文學著作當作修曆的第一個必須的步驟。那時傳到中國的西方天文學著作雖然卷帙浩繁，如1620年傳教士金尼閣攜來的七千部書籍中，相當一部分是天文學著作。盲目翻譯需耗費大量的人力物力，且曠日持久，顯然不行。徐光啟又有針對性的提出，要有選擇地組織翻譯，要區別輕重緩急，首先選譯那些最基本的東西，循序漸進。在內容上要包括歐洲天文學的理論、計算和測算方法、測量儀器、數學基礎知識以及天文表、輔助用表等的介紹、編算等。徐光啟本人也積極投入了翻譯工作，他參預編譯的著作就有《測天約說》、《大測》、《元史揆日訂訛》、《通率立成表》、《散表》、《曆指》、《測量全義》、《北例規解》、《日躔表》等。
作為修曆的組織者和領導者，徐光啟的眼光並沒有停留在譯成一批西方天文學著作上。他的心願是編成一部融彙中西曆法優點，達到當時最高科學水準的曆書。為了實現這個理想，徐光啟對曆書的結構作了精心的擘劃。他提出整部曆書要分為節次六日和基本五日。節次六日是《日躔曆》、《恒星曆》、《月離曆》、《日月交食曆》、《五緯星曆》、《五星交會曆》。這六種書由易到難，前後呼應，研討天體運動的規律，介紹測算天體運動的方法。基本五目包括“法原”、“法數”、“法算”、“法器”和“會通”，是整部曆書的五大綱目。法原是天文學的基本理論，包括球麵天文學原理。前述節次六日即屬於法原的範圍。法數是天文表。法算是三角學和幾何學等天文學計算中必須的數學知識。法器是天文儀器。會通是舊法和西法的度量單位換算表。這基本五目包容了有關天文曆算的全部重要知識。以後《崇禎曆書》的編寫工作，幾乎完全是按這個計劃進行的。徐光啟是曆局的最高領導人，直接對皇帝負責。他主持曆局的四年間，從製定計劃、用人、製造儀器設備、觀測、譯撰直到錢糧細事，一應事務，無不操持，僅就各種事宜向皇帝上疏便有三十四次之多。他不辭辛勞，親自參加撰寫和編譯工作。《崇禎曆書》中的《曆書總目》一卷、《治曆緣起》八卷、《曆學小辯》一卷，都是他獨力撰著的。此外，他還要對全部書稿進行審閱和修改，作文字上的潤飾。每卷要修改七八次才能定稿。1633年辭世前夕，他還上疏介紹剩餘的六十卷書稿的情況。其中三十卷由他審改定稿，另三十卷草稿中也有十之一二經他修改，十之三四經他審閱。可以說，沒有徐光啟的全力支撐，曆局工作順利進展將是不可想象的。
徐光啟深知實測天象對天文學研究的重要意義。為了使新曆更趨科學，修曆當中徐光啟多次組織曆局人員觀測日月食、五星運動和節氣時刻，取得了大量科學數據。每逢日月食，他常常親往測候，盡可能掌握交食時刻和食分的第一手資料。此前，我國觀測日月食多用肉眼，精確度很低。尤其在觀測日食時，由於陽光強烈刺目，初虧與複圓的時刻很難定準，食分的大小也不易測準，食分小的日食更難發現。古代也曾有用水盆映象的方法測量日食，但往往受水麵搖蕩的幹擾。徐光啟把剛剛傳入中國的望遠鏡技術用於天文觀測，取得了很好的效果。在他的治曆疏稿中，多次提到用望遠鏡觀測日月食的情況。其方法是在密室中斜著開一道縫隙，將窺筒眼鏡置於此處，日食的情況透過望遠鏡投射到畫好日體分數的圖板上，虧複和食分一目了然。用這種方法大大提高了觀測數據的精度。製造望遠鏡並用於天文觀測，徐光啟是我國曆史上的第一人。徐光啟自己備有一部《觀景簿》，是他持之以恒觀測天象的記錄。其中有多年諸曜會合、淩犯行度和節氣時刻的觀測結果。1629年(崇禎二年)，他還主持了一次天文大地測量，測定了山東、河南、湖廣、四川、北京、南京等地的經緯度。測量中采用了西方先進的測量方法和技術。後來，根據實測的結果，他又主持繪製了一份當時最完備最精確的星表和星圖。這份星圖現即稱為“徐光啟星圖”，它是我國目前所見最早包括了南極天區的大型全天星圖。
對天文學研究來說，儀器設備的重要性比起其他學科更加明顯。儀器設備先進與否，直接決定著天文學發展的水平和曆法的準確程度。徐光啟在改曆之初，就提出了製造儀器的計劃。他為此事專門上疏皇帝，提出“急用儀象十事”，建議製作地球儀、七政列宿大儀(即天球儀)、平渾懸儀、交食儀、60度紀限大儀、90度象限大儀、日晷、星晷、自鳴鍾以及望遠鏡等十種儀器共二十七件。像這樣大量引進製造西法儀器，是前所未有的。在原有的觀測手段相當落後的情況下，引進仿製西法儀器是迅速提高觀測水平的有效辦法。當然，引進的目的是“會通超勝”，因此在實際製作中根據中國的情況作了適當的改造與變動，例如儀器上二十四節氣的刻畫，宮、度等對應的中文名稱和刻度，儀器的造型風格的和花飾等等，都體現了中國的特點。徐光啟等明代科學家在這方麵的探索，為清初用西法澆鑄大型銅質天文儀器積累了寶貴的經驗。特別值得指出的是，伽利略望遠鏡問世不久，1618年由傳教士鄧玉函介紹到中國，徐光啟便敏銳地感覺到它對天文觀測所具有的重要意義，剛著手修曆就裝配了三架望遠鏡，使得觀測精度大為提高。
精心培育造就科學人才，是徐光啟主持修曆期間的又一貢獻。他以一個科學家的長遠眼光和博大胸懷，把曆局辦成了一個延攬八方英才的科學家搖籃，表現出非凡的領導才能。在用人方麵，他采用廣谘博取、不拘一格的方針，果斷宣布：“不拘官吏生儒，草澤布衣，但有通曉曆法者，具文前來”，“果有專門名家亦宜兼收”。他把能明度數本原、精通測驗推步、善於製造大小儀器的人選為“知曆人”，參與修曆，還招考能書善算的年輕人為“天文生”，進行重點培養。曆局中不但有李之藻這樣的對天文曆法造詣甚深的中國學者，也有知曉西法的外國傳教士龍華民、鄧玉函、羅雅穀、湯若望等。為使修曆大業後繼有人，徐光啟在培養扶持後生晚輩上傾注了極大的熱情。他自知病重，便於1633年(崇禎六年)10月31日上疏，大力舉薦原山東布政司右參政李天經，說他“博雅沈潛，兼通理數，曆局用之尤為得力”，請求派他接替自己主持曆局事務。李天經果然不負所望，在徐光啟去世後秉承遺願，主持完成了《崇禎曆書》。徐光啟很重視培養官生。每一部書稿編寫完，就把它作為教材向官生傳授。這樣做的結果，待到新曆編成，一大批掌握新曆法的天文學專門人才也就培養出來了。對曆局工作人員的勞動成果，徐光啟是十分尊重的。他在臨終前還特意上疏，保舉改曆有功人員和學業優良的官生。曆局全體人員團結一致，通力合作，終於使《崇禎曆書》這部煌煌巨著得以順利完成。
在鞏固內部，充分發揮修曆人聰明才智的同時，徐光啟還同反對改曆的保守勢力進行了不懈的鬥爭。修改曆法在封建社會是關係王朝統治的大事，一些拘守舊法冥頑不化的人，處心積慮地設置障礙，阻撓修曆。1595年(萬曆二十三年)和1612(萬曆四十年)改曆的呼聲兩度形成高潮，但終因這些人以“祖宗之製不可變”為辭極力阻止而夭折。新的曆局設立以後，舊法與新法的論爭也從未中斷。徐光啟從中國天文學發展的曆史實際出發，反複闡說我國的曆法正是由於不斷改革而逐步完善的，治曆要依據天時的變化，不能拘泥古法而違背天象。他為了回答來自守舊人物如冷守中、魏文魁之流的攻擊，專門寫了《學曆小辯》一書。他在書中揭露了冷守中曆書玩弄的神秘數學遊戲，又指出魏文魁的曆法書不但數據陳舊，理論和方法上也有許多矛盾和漏洞。徐光啟還采取了用事實說話的辦法，凡遇有日食、月食，他都預先公布推算結論，然後在北京觀象台和國內其他地方觀象測驗，用測驗的結果證實新法的正確和優越，借以回擊守舊派，說服那些對新法懷有疑慮和成見的人。
徐光啟對待修曆的工作態度十分感人。當時他已是年近七旬的老翁，且又體弱多病，可對科學事業仍一絲不苟。每次觀測，他總要登上觀象台，親自操作儀器或進行指導。1630年(祟禎三年)12月31日，他登台安排觀測事宜，不慎失足墜落，腰膝受傷，很長時間難以行走。1632年(崇禎五年)5月4日月食，他不顧七十高齡，仍於夜間率領欽天監官員和曆局人員一同登台，守候在儀器旁進行觀測。當年6月，他以禮部尚書兼東閣大學士入閣辦事，白天處理完繁忙的公事；入夜回到寓所，仍秉燭奮筆，審訂新編成的曆書草稿。1633年11月7日是他生命的最後一日，他念念不忘修曆之事，再次上疏崇禎皇帝，推薦李天經接替曆局事務。他身居高位，操守清介。死後囊無餘資，官邸蕭然，除卻幾件舊衣服，留下的隻有一生著述的書稿。