一个朝代的科学技术发展离不开前一个朝代的积累，更是与这一时期的政治、经济、社会、文化等诸方面的因素息息相关。宋代在政治上并不强大，经常需要面对北方少数民族的威胁与挑战，并最终使得江山易主。然而，这种政治上的危机感、紧迫感未尝不是科学技术发展的有利因素，战争或备战带动和促进了一些科技的运用，为了便捷地运输粮食等物资，水上交通大大得到重视和加强。宋代在与唐代相仿的统治时间内，兴修了高于后者几倍的水利工程。运河推动了长途贸易和人口流动，从而为都市化、劳动分工和新的社会关系的产生都打下了基础。正是在这个意义上，日本京都学派的学者宫崎市定把宋代称为“运河中心时代”，以区别于黄河中心或内陆中心时代②。火药也从唐代道观的“实验室”中走出来，战场成了其发挥威力的试验田。
　　宋代以成熟的郡县制度、中央独裁和官僚体系代替了之前朝代的九品中正制，削弱了贵族的权力，伴随着科举制度的完善，士绅、官僚阶层迅速崛起，社会结构发生了根本性的变化。经历了王安石变法等经济、政治领域内的革新之后，宋代的土地制度、税制和货币制度的革新带来了经济、商业、都市的繁荣。新儒学(理学)取代了汉唐时代的经学，确立了其显要位置，而其中透露出来的世界观、认识论，也都植根于这些经济和社会基础之中。宫崎市定把宋代的这些变化与欧洲的文艺复兴现象相提并论，誉为“中国文艺复兴”，立足点便是“唐宋转变”。另一位日本学者内藤湖南也断言：“唐和宋在文化的性质上有显著差异：唐代是中世的结束，而宋代则是近世的开始，其间包含了唐末至五代一段过渡期。”③尽管把西方社会发展的一些概念和模式如“资本主义”、“近世”等套用到中国的宋代不尽妥当，但是由唐转宋，中国社会发生了深刻的历史性变化却是毋庸置疑的。时至今日，京都学派的这些观点已经愈来愈为史学界所重视。
　　一、统治阶级为满足自身政权和社会对科学技术的多方面需要，通过完善教育体系，举行多元化考试，奖励发明创造和培养扶植科技人才等措施，助长、推动和促进了科技的发展，而安定与富裕的社会环境和发达的出版业则又提供了良好的研究条件。
　　教育因素在宋代的科技发展中具有举足轻重的作用。经过宋初的三次兴学，宋代的教育体制较之汉唐更加完备和发达，形成了官学、私学和书院三种教育鼎足而立的情形。在宋代，科学研究大多带有浓厚的官方色彩，除极少例外，如毕昇发明活字印刷是个人行为，其他的研究多数是在政府的引领或者赞助的条件下实现的。因而，科技发展不能不直接与政府的科技政策密切相关。有学者通过科学计量研究得出了宋代科技政策曲线与科技成果曲线之间的关系：“两曲线发展趋势一致，说明在宋代科技政策确实对科技成果的产生起了主导作用，但是成果曲线比政策曲线要滞后75年。”科技成果相对与科技政策而言有个时间上的延后，这说明良好、宽松的科技政策并不能起到立竿见影的效果，而是需要有一定的稳定性和长期性，不能急功近利。同时，帝王关心的科技领域也会获得发展上的便利。“天文、大气、水利、农业为宋代帝王最关注的问题，其次为建筑、武器、地球物理、金属、轻工，而自然科学总论、数学、物理、化学等相对较低，说明帝王一方面有很强的重视天象观察的传统，同时还有很强的‘重农’思想，而对于科学的基本理念和基础学科关注不够，有明显的‘实用主义’倾向”④。宋代帝王注重天象观察不仅与科学有关，与政治统治、外族入侵等因素的关联更加密切一些。
　　二、宋代理学的求索物理，格物致知，怀疑、探索、创新的学风催促知识分子中具有务实思想的人考察和研究自然事物以及如何使之有利于国计民生。
　　这里主要讨论宋代兴起的理学和科技研究之间的关系。关于中国传统的儒家思想与科学技术发展之间的关系，向来有两种截然不同的观点，一种观点认为儒家思想压抑或阻碍了中国古代的科技进步，甚至被视为导致近代以来中国科学技术落后的罪魁祸首；另一种观点则看到了儒家思想在科技发展中的积极作用。这种争论也反映到对宋代理学和科技发展关系的认识上。很多学者从各个方面论证理学对于科技进步的贡献，比如理学对中医学理论的积极影响，“受理学影响，宋代中期以后的医学家，开始重视理论，探求原理，敢以抉发”⑤。有人指出了理学思想本身所富含的科学精神，甚而不少理学家也同时关注科学研究与成果，以至于身体力行地进行科学观察与实践，在理学的集大成者朱熹身上就体现出二者的完美融合。然而，也有学者持反对意见，认为“程朱理学对宋代科学技术的迅速发展并没有多大的贡献”，而且，“程朱理学的兴起对宋元以后我国自然科学发展的停滞却起着十分重要的作用”⑥。
　　众所周知，儒家思想经历了漫长的发展与演变，中间也吸收了道家、佛教等的一些思想，宋明理学也完成了从理学到心学的转变轨迹，因此，如果不具体到某个时期和某派思想，笼统地谈论儒学促进或阻碍了科技的进步没有意义。其次，儒家思想与科技发展之间固然有着必然的联系，但儒家思想本身却不能被等同为科学，它所追求的仍然是“修身，齐家，治国，平天下”的道德、伦理、政治理想和抱负。对于科学，儒家的态度是矛盾的，李约瑟注意到了这一点：一方面，“儒家思想基本上是重理性的，反对任何迷信以至超自然形式的宗教”，另一方面，“儒家思想把注意力倾注于人类社会生活，而无视非人类的现象，只研究‘事’(affairs)，而不研究‘物’(things)。因此，对于科学的发展来说，唯理主义反而不如神秘主义更为有利”⑦。不过，宋代儒学表现出与之前儒学显著的差异，被称之为“新儒学”或“理学”，正如“理学”这个名称所显示的，新儒学的思想中闪耀着理性主义的精神。
　　新儒学的理性精神首先表现在其疑古思想上。自汉武帝“罢黜百家，独尊儒术”以降，儒家学说逐渐被奉为经典，这种经典化的最终结果就是即使是为经典所作的注也不能怀疑，更不用说经典本身了。唐代孔颖达奉唐太宗命令修《五经正义》，即提出了“疏不破注”的原则。但在宋代，不但古代文献中子、史、集部受到了怀疑，经同样成为怀疑的对象。朱熹说：“借经以通乎理尔，理得则无俟乎经。”陆九渊也称：“六经皆我注脚”；“我不注六经，六经注我”。宋代思想也完成了从疑传到疑经的飞跃，孙复的《春秋尊王发微》是宋初疑古和疑传思潮的代表作，刘敞的《七经小传》和王安石的《三经新义》则是变古和疑经思潮的代表作。这个飞跃也标志着由古代精神向近代精神的大转变。宋代的疑古思想涵盖的范围之广，俨然成为一种时代的思想风气。在文学领域，有欧阳修、苏轼和苏辙；在史学研究领域，以郑樵为代表；在文献学及语言学领域内，以吴棫为代表；在哲学领域则以朱熹及其三传弟子王柏为代表。疑古思想体现出一种理性批判精神，赋予了宋代学者独立精神和自由思想，他们抛开汉唐主流，自己通过研读儒家经典寻求义理。因而，宋学门派众多，关中学派、苏学、百源学派、洛学等等，不一而足。这些学派之间也经常进行辩论，宋代成熟的书院体系为此类辩论提供了平台。书院会讲针对一些重要的理学概念及经义进行激烈辨析问难，著名的如张栻与朱熹岳麓书院之会、朱熹与陆九渊等人铅山鹅湖之会等，营造出了活跃的学术氛围。这种活跃的思想氛围堪比战国时期，形成了中国思想史上第二次“百家争鸣”的局面。区域性的市场和货币的发展则是宋代商业发展的两个重要标志。随着商业的发展，建立于其上的政治、科学和思想领域也发生了相应的变化，发生在北宋初期的疑经惑古思想正是这种经济变革在思想文化领域内的表现。
　　新儒学历经北宋五子(周敦颐、邵雍、张载、程颐、程颢)，至朱熹而集其大成。“理”或“天理”是新儒学中最为核心的概念，它既是世间万物存在的普遍依据，也代表了最高的宇宙本体。“理”或“道”作为哲学概念，其实早在战国时期的哲学著作中即已出现，《庄子》中有“语大义之方，论万物之理”的说法。但是抛开“理”内涵的变化不说，在宋代之前，“理”尚未成为解释宇宙万物的先验的认识论概念，也未能充当思想的本体论范畴。相比于之前儒家学说道德色彩浓厚的“天道”概念，“理”无疑更具有科学性。所以有学者认为，“被胡适称为‘中国文艺复兴时期’的宋代，也是中国传统科学走向近代化的第一次尝试。这时完全、彻底抛开了天道、地道、人道这些陈旧的概念，而以‘理’来诠释世界”⑧。新儒学改变了儒家“不研究物”的传统。在朱熹的“格物致知”论中，“格物，是物物上穷其致理。致知，是吾心无所不知”，“格物”成为一切知识来源的途径。虽然这里的“物”不仅指天地自然万物，还包含人世伦常之事，但是“物”在儒学中的重要性被提高到了从来未有的地位。“格物穷理”中的“穷理”精神与科学的寻根究底精神非常接近。颇有意味的是，中国人在近代最早翻译西语“科学”(Science)一词时用的就是“格致学”，从一个侧面也反映出了宋代新儒学中所寓涵的科学精神。
　　新儒学中“天人相分”和“理一分殊”的思想也促进了科技的发展。关于自然与人的关系，中西方存在相当大的差异。有人用“天人合一”和“天人相分”来概括这种差异，甚至将其视作中西文化精神的本质区别。实际上，尽管儒家思想中占主导地位的是“天人合一”思想，但也不乏“天人相分”的看法，譬如荀子的天人观。及至宋代，二程延续了“天人合一”的思想，成为北宋“天人合一”思想的主要代表。另一方面，“天人相分”也在儒学内部获得了发展。王安石在北宋是第一个提出“天与人异道，天而以人事之”⑨的思想命题。“所谓得天，得民而已矣”⑩，“民即天”的观念是“天人相分”思想的进一步深化，也是王安石新学的根本特点。王安石通过突显人的主体地位，为变法和反神学奠定基础。“天人相分”思想对科学研究的有利性是显而易见的，它唤起了人类认识自然、征服自然的主动性，被视为西方近代科技先进的文化依据和社会发展的动力之一。
　　“理一分殊”是程朱理学的重要组成部分，对于理学的形成与发展有着至关重要的作用。该命题由程颐在回答学生杨时关于张载《西铭》的疑问时提出，并在《周易程氏传》中进一步作了分析，“天下之理一也，途虽殊而其归则同，虑虽百而其归则一。虽物有万殊，事有万变，统之以一，则无能违也”(11)。朱熹在《西铭论》中对“理一分殊”思想作了深化，“一统而万殊，则虽天下一家，中国一人，而不流于兼爱之蔽；万殊而一贯，则虽亲疏异情，贵贱异等，而不告于为我之私。此《西铭》之大旨也”。“理一分殊”探讨的是作为宇宙间最高本体的“理”(天理)与万物之“理”(物理)之间的关系，换言之，即普遍性与特殊性之间的关系。如果说“格物致知”是程朱理学的认识论，那么“理一分殊”则是方法论。朱熹认为，“天地中间，上是天，下是地，中间有许多日月星辰，山川草木，人物禽兽，此皆形而下之器也。然这形而下之器之中，便各自有个道理，此便是形而上之道。所谓格物，便是要就这形而下之器，，穷得那形而上之道理而已”(12)。然而，无论是二程还是朱熹，都反对只格一物便可。“所谓穷理者，非欲尽穷天下之理，又非是止穷得一理便到，但积累多后，自当脱者有悟处”(13)。从特殊中认识一般，离不开近代科学中所常用的分析、类推方法。“一物有十分道理，若只见三二分，便是见不尽，须是推来推去，要见尽十分，方是各物。既见尽十分，便是知止”。“今以十事言之，若理会得七八件，则那两三件触类可通。若四旁都理会得，则中间所未通者，其道理亦是如此”(14)。
　　新儒学的理性精神得益于其善于借鉴、吸收其他思想，其中既有道家有机宇宙论的思想，也有对佛教理论挑战的积极回应。有学者指出，“二程把‘天理’作为世界万物的本原，可说是受佛教三论宗、华严宗的启发”(15)。实际上，“理”能成为本体论范畴是儒、释、道三教融合趋势的结果，其中也渗透着道教的智慧。所以钱穆在《国学概论》论及“宋明理学”时先由中国学术中“阴阳五行”这一“伏流”谈起，周敦颐的太极图式中明显融入了这一思想，“其于宇宙，仅为惟物的说明，以阴阳五行为骨干，而不取先古神帝创造之说。其于人生，则主与天地合德之大我。其立说根据，依藉于周易，而来源则实始于方外之道士”。邵雍、张载和周敦颐一样，“此三人者，皆以惟物之观念，说明宇宙之本体。皆以化小己为大我，奉为人道之正鹄。其思想渊源，皆受方外老、释之影响，而研极阴阳五行，尤与道家为近”(16)。这样一来，理学便呈现出一种表面看来似乎是矛盾的面貌，一方面是竭力“辟二氏”、排佛道，另一方面则是大多理学家都对《易经》研习颇深，深受其影响。实际上，这正是一种批判的接受态度，理学家排斥释、道虚无、遁世的一面，但是这并不妨碍他们借鉴其宇宙观和认识论。
　　由唐至宋，中国佛教经历了历史性的变化。唐代是佛教繁荣的时代，但多局限于学僧对佛教义理的探讨，是一种带有贵族化特征的经院佛学。理论色彩浓厚，对社会和大众的影响甚微。唐代中后期，慧能顺应时代的变化改造了禅宗，强调内心的省悟，而不重视对于佛教经义的研习和记诵，开创了南宗。南宗讲究“顿悟”，把佛教从高不可攀的圣坛带向了芸芸众生。南宗的出现是中国佛教史上的一次革命性变革，中国佛教的基本精神也由出世而变为入世。慧能说：“若欲修行，在家亦得，不由在寺。”(17)俗世与天国、此岸与彼岸、人与佛之间从此不再难以逾越。佛教的世俗化、平民化为宋代南宗的风靡作了铺垫，禅宗的南北正统之争已经不太重要，南宗凭借通俗易懂的教义和简单易行的修行方法获得了大众的青睐。宋人有“家家观世音，处处弥勒佛”的说法，可见当时佛教信仰的普及程度。
　　道教源自于民间，但是魏晋南北朝时期贵族门阀制度使得道教逐渐走向上层社会。南北朝之后，道教与佛教并立为正统宗教，并在唐朝进入全盛时期。在唐代，道教仍带有贵族性质，道士需要研习经法，恪守戒规。到了宋代，道教也发生了一些新的变化。其一是得道成仙的信仰发生了动摇，其宗教精神也由出世转向入世。修炼的目的不再是一心为了得道成仙，而变成了如何拯救尘世的苦难。其二是外丹术向内丹术的转变，宋神宗时期的张伯端《悟真篇》标志着内丹术的集成。相比于外丹术的服饵仙术，内丹的简便、节俭之处显而易见。其三是道教也在某些层面受到了儒家的影响，或者说有意向儒家思想进行倾斜、靠拢，这或许是因为在三教(儒、释、道)之中，它的力量最为薄弱之故。比如，道教的自然观也受到了理学的影响。道教开始采用“太极”而非之前习用的“混沌”来构建宇宙学说。综观由唐至宋佛教、道教所出现的新变，其共同的倾向在于“世俗化、平民化”，这和宋代世俗社会、平民社会的崛起步调一致，正是宗教适应社会变化作出的相应调整。余英时先生将唐代中后期兴起的新禅宗、两宋之际兴起的新道教和宋代的新儒学相提并论，“都代表着中国平民文化的新发展，并取代了唐代贵族文化的位置”(18)。
　　儒、释、道三教的新动向都宣告了一个新的时代的采临，世俗化是其主要特征之一。这也体现在新儒学所饱含的经世致用精神上。张载的雄伟抱负“为天地立心，为生民立命，为去圣继绝学，为万世开太平”，可以说也是宋儒共有的安身立命之本。钱穆在《中国近三百年学术史》中谈及宋学的精神的，认为，“所谓‘道德仁义圣人体用，以为政教之本’者，此正宋儒所以自立其学以异于进士场屋之声律，与夫山林释老之独善其身而已者也”。“故言宋学精神，厥有两端：一曰革新政令，二曰创通经义，而精神之所寄则在书院。革新政治其事至荆公而止；创通经义，其业至晦庵而遂。而书院讲学，则其风至明末之东林而始竭”(19)。可见其精神流布之广、之长。书院形成于唐末，在两宋得到了发展和兴盛。在“偃武教、兴文事”的倡导下，书院在宋初即获得了快速的发展。官方教育体系尚未成形，书院起了某种替代性的作用。到了南宋时期，理学家倚重书院传播学派思想，从而推动了书院的复兴。至南宋后期，书院教育模式被官方所采纳，从而成为官办地方教育的组成部分，书院教师也多是由朝廷选派正式官员担任，呈现出官学化的特征。书院提倡自由开放，注重培养怀疑和创新精神，朱熹和陆九渊都提倡这一点，尤其是象山学派。学者在其中可以自由地讨论学术、交流思想、品评时事，因而培养出了一种自由而独立的文化人格。
　　宋代私学很重视对儿童进行农业和自然科学方面的教育，如《三字经》中涉及了数目、四时、五行、六谷、六畜等名物常识，《千字文》顾名思义仅1000个字，但却涵盖了天文、地理、动物、植物、农林、园艺等学科知识。方逢辰的《名物蒙求》全书仅2720字，以四字韵语编成，适合少儿诵读，涉及到天文、地理、鸟兽、花木、服饰、器物、建筑、日用工具和种植技术等。至于官学方面，北宋曾历经三次兴学：庆历兴学(范仲淹主持)、熙丰兴学(王安石主持)、崇宁兴学(蔡京主持)。旨在革除北宋中后期科举与官学的流弊，培养具有真才实学的经世致用人才。兴学规模巨大，完善了学校制度，州县普遍兴办官学。北宋初期出现的安定学派与范仲淹关系很大，以胡瑗为中心，集结了上千人，知名者有程颐、徐仲车等人。该派学风注重科学，有很强的实践精神，经世致用是其总体特征。胡瑷在北宋思想史上，是第一个从学校教育的角度提出“明体达用”的理学家，他以“敦尚行实”为教育的最高目标。首创“经义”与“治事”的“分斋教学法”，强调学生必须具备一定的技术实践能力和应用科学素质，对向来存在的“德高义轻”是种挑战。
　　官学普遍重视经世致用，专科学校在这一时期获得了极大的发展，完备了原先的医学、武学、律学等专门学校，崇宁兴学时还新建了算学、书学和画学等专门学校。庆历兴学改原来科举考试先诗赋后策论为先策论后诗赋，赋予了策论头等位置。三次兴学中最有创造性、影响最深远的是熙丰兴学，王安石贯彻其教之、养之、取之、任之齐头并重的教育政策，大兴州县之学。它开创了一代新的科学教育的历史，率先以经义策论取代诗赋取士，特别注重教育从实际出发，为现实政治服务。据不完全统计，北宋最优秀的科学家主要集中在宋仁宗与宋神宗两朝，与两次变法相重合，这应该不是偶然的。
　　除此而外，宋代设立了一些职官性科研、教育机构，融行政、科研和教育为一体，有隶属于翰林院的天文局、医官局。之下则有太史局、司天监、天文院、太医署、太仆寺等机构。政府鼓励科技发明和创造，开宝三年(970)，冯继升因进献火箭而被赏赐衣物束帛。熙宁六年(1073)，宋神宗采纳大臣建议，在全国范围内征集新发明的军用器械法式。在军事发明之外，民用领域的发明创造也能得到奖励。如熙宁六年(1073)，许州民贾士明改进了制瓦法，“宋廷予以重奖，赐钱五十万”。“木工高超设计八车船，王亨创造防洪新法，怀丙打捞河中铁牛，都得了了表彰赏赐”(20)。值得一提的是，在受政府奖励的人中，为数不少的是平民，这也从一个侧面反映出在一个日渐世俗化的社会，在政府的鼓励之下，民间的科技创造热情被激发出来，对官方引导的科技研究、发明形成了很好的补充。政府同时制定了一些常规的制度性的科技教育、研究机制，积极创办科技专科学校，对医学等专科学校的优等生实行奖学金制度；同时提拔重用科技人才，对学校出身的学行兼优的直接授予官职，对在任官员或民间有成就者给予提拔重用，通过科举直接选拔人才。可以说，“宋代的科技教育机制更是其科技不断创新和发展的原动力”(21)。
　　宋代由此形成了朝野上下重视科学技术的社会思潮，从帝王将相、文人士大夫到平民百姓都对科学发明创造怀有浓厚的兴趣。这一时期的著名文人学者，如胡瑗、欧阳修、司马光、苏颂、张载、王安石、沈括、苏轼、朱熹都曾有科技方面的论述乃至专著。有的更是身兼文人与科学家的双重身份。这方面最有代表性、贡献最大的可能要数沈括和朱熹了，二人也恰好横贯北宋、南宋时期，他们身上集中地反映了宋代新儒学等理性精神映照之下科技活动的显著特征。
　　沈括被李约瑟称为“中国整部科学史中最卓越的人物”，他的《梦溪笔谈》被李约瑟赞叹为“中国科学史的里程碑”。沈括生活的时代是北宋儒学兴盛的时期，他在天文、数学、历法、物理、医药、水利、声律、地理等领域都卓有研究。同时他自己也曾撰写过不少儒学著作，他的科学研究不只是单纯地搜集材料和经验性的记录，更在于把握其中的“理”。比如他在研究音律时说：“此皆天理不可易者。古人以为难知，盖不深索之。听其声，求其义，考其序，无毫发可移，此所谓天理也。”(22)沈括的科学研究体现了科学怀疑精神，他对古代置闰之法提出修正，认为其不能反映一年四季的寒暑变化和万物生长的实际情形，不利于农事活动，因而提出废弃置闰之法，代之以“十二气历”，就是怀疑精神与经世致用精神融合的典范。沈括的科学创新精神还体现为一种科学求实精神：《神农本草经》是古人假托神农氏所编写的古代医药学经典，其中不乏错讹与粗疏之处。沈括通过大量的实地调查和亲事观察，对其中许多内容进行了考订，纠正了一些不正确的记载。
　　近代科学有两个基础，一是以逻辑思维为特征的理论科学，二是以观察和实验为特征的实验科学。中国古代科技向来依靠观察与经验，而缺少实验方法。实验方法在科学研究中的普遍运用是近代科学革命的重要标志之一，也是现代自然科学的重要特征。它通过模拟、创造一定的环境和物质条件，揭示自然的本质和规律，摆脱了人对带有偶然性的自然条件的依赖性，从而体现出人的能动性与创造性。在沈括的科学研究中，就运用了不少的实验方法。例如，他曾模拟月亮反射太阳光多少的实验，“一弹丸，以粉涂其半。俯视之，则粉处如钩；对视之，则正圆”，以此直观地重现并解释月亮盈亏的现象，断言“日、月之形如丸”。沈括在科学研究中，也大量运用了科学的逻辑推理方法。他在浙东雁荡山考察时发现，“雁荡诸峰，皆峭拔险怪，上耸千尺，穹涯巨谷，不类他山，皆包在诸谷之中，自岭外望之，都无所见；至谷中则森然干宵”(23)，推测原因在于流水侵蚀、“大水冲击沙土尽去”。从而推测黄土高原的地貌也是由相同的原因形成的。综上观之，对于沈括来说，“北宋儒学的济世精神、博学精神、怀疑精神和求理精神深深地影响着他的科学研究，以至于他的科学研究明显带有北宋儒学的特征”(24)。
　　南宋的朱熹是理学大师，但他同时对自然科学和音律学也很有研究。朱熹在博览群书、广注经典的同时，还致力于乐、佛等方面的研究，对《黄帝内经》、《灵宪》、《正蒙》、《梦溪笔谈》、《新仪象法要》以及历代的天文、历法、音律等自然科学方面的典籍用力甚勤，对沈括的《梦溪笔谈》更是倾心研习。“在《笔谈》成书以后的北宋到南宋时期，朱子是最重视沈括著作的科学价值的唯一学者，他是宋代学者中最熟悉《笔谈》内容并能对其科学观点有所阐发的一人，正因为他自己也是一位对于自然界现象非常关切而留意考察和研索的科学家之故”(25)。
　　朱熹还身体力行，从事科学研究。在地学方面朱熹就有一个重要见解，即根据高山上有螺蚌壳的化石现象，推断该山地远古乃是海域：“尝见高山有螺蚌壳，或生石中。此石即旧日之土，螺蚌即水中之物。下者却变而为高，柔者却变而为刚。此事思之至深，有可验者。”“今高山上多有石上蛎壳之类，是低处成高。又蛎须生于泥沙中，今乃在石上，则是柔化为刚。天地变迁，何尝之有?”(26)这些看法虽然不一定十分准确，但是却标志着地质学的某种萌芽。李约瑟认为“朱熹是第一个辨认出化石的人”，比西方早出400多年。在天体现象方面，朱子根据沈括的见解，坚持认为月体常圆无缺说。“月体常圆无缺，但常受日光为明。初三、四是日在下照，月西边明，人在这边望，只见左弦光。十五、六则日在地下，其光由地四边而射出，月被其光而明。月中是地影。月，古今人皆言有缺，惟沈存中富无缺”(27)。在农业上，他科学地总结了水稻的栽培技术。在重视理论探讨的同时，朱熹对观察实验也有浓厚的兴趣，据载他家中有一架浑天仪，他还曾设想重建苏颁发明的水力驱动装置。
　　朱熹在《论语集注》中对孔子所说的“志于道，据于德，依于仁，游于艺”中的“游于艺”作注释时，认为“礼乐之文，射、御、书、数之法，皆至理所寓，而日用之下不可阙者也”，显示了他对于“艺”的重视。“艺”的重要性来源于两个方面，一是其中体现了“至理”，二是维持了生活“日用”所需。在这里同样展现了宋儒经世致用的抱负。在“理”的认知和探究方面，朱熹提出了著名的“主宾之辨”说：“知者，吾心之知，而理者，事物之理。以此知彼，自有主宾之辨。”(28)不管朱熹的“理”是客观世界的规律，还是某种虚无缥缈的东西，相对于认识主体而言，它都是客观的、外在的。这是一种客观理性主义精神，为自然科学的探索奠定了哲学认识论基础。李约瑟的《中国科学技术史》以重要的篇幅讨论了朱熹理学的科学思想，其中涵盖三个方面：一、朱熹的理学是一种有机的自然主义；二、朱熹理学是现代有机自然主义的先导；三、朱熹的有机自然主义是科学的。(29)以这些判断来评价整个新儒学背景下的宋代科学技术研究的特点及其对于后代的影响，也都是恰如其分的。