古代中国工匠精神和创新能力有多强？揭秘元朝“四海测验”壮举

原标题：古代中国工匠精神和创新能力有多强？揭秘元朝“四海测验”壮举

我国古代有许多优秀的科学家，他们所取得的成就在当时的世界属于首创或者处于领先地位，以至于国外在几百年或更长时间以后才发明和发现了相似的东西，祖先的智慧之光常让我们后辈子孙感到无比自豪，同时也是一种鞭策，激励着后世子孙自强不息再创辉煌。

元朝忽必烈时期，为了修订历法曾发生了一场世界上规模空前的四海测验和和恒星坐标观测活动，参与其中并起领军作用的是元朝著名科学家郭守敬。通过他的科学家团队的努力奋斗，不仅制定出当时世界上最先进的历法——《授时历》，还制作出精密又精巧的测量仪器十几种。

四海测验和和恒星坐标观测的背后更是体现出郭守敬和其他科学家们卓越的工匠精神和创新意识，令人动容，让人无不为之叹服。 那么以郭守敬为代表的的科学家为什么要放着现成历法不用，还耗费精力制作各种测量仪器，进行四海测验和和恒星坐标观测呢，这还要从元世祖灭南宋后说起！

元世祖灭南宋以后，中国大一统，忽必烈重视农业生产的恢复。而当时蒙古使用金朝颁布的历法表现极为糟糕，农业上常用节气也算不准，江南地区用的是又是另外一种历法，南北历法不一样，不利于大一统，元世祖决定制定一个新的、全国通用的历法，更好地服务于农业生产。

至元十五年(1278年)，太史局改太史院，给印章，立宫府，掌天文历数之事。设官院使(初称令)、同知、金院、同金、院判等大小官吏七十多员，星历生四十多人。下设推算、测验、漏刻、印历等局，各司其职。王询为太史令，郭守敬任同知太史院事，“官属悉听询辟置” 。

新历的编制工作，一是对自古以来的各种历法进行研究，总结前人制定历法、测量天体运行周期、测验季节气候变化的各种经验，通过相互比较，找出不同历法各自的优点和不足，以便用最先进的修历理论指导新历的修订工作。二是要对天体运行进行精确的观测和推算，通过实践来检验对天体运行规律的认识，不因循守旧，不被古人的“成说“所束缚，而根据当世的实际情况来制定新的历法。

郭守敬(1231--1316 )，字若思，顺德邢台(今属河北)人，他毕生精力从事天文学的研究和天文仪器的创制，为我国古代天文科学的发展作出了重大贡献。郭守敬受其祖父郭荣影响很深，郭荣是一位精通数学和水利的学者，他将年幼的郭守敬送到精通天文和地理的老朋友刘秉忠那里，严师出高徒，加之郭守敬勤奋爱钻研，身边又有一些爱好科学志同道合的朋友，郭守敬进步飞快，在天文学、水利学、数学等方面都造诣颇深，刘秉忠是忽必烈所信赖的学者，正因为如此刘秉忠推荐郭守敬到了太史局。

1279年，郭守敬在“东至高丽、西极滇池、南逾朱崖、北尽铁勒“的广大地区主持了大规模的四海测验，共动用了27个天文观测站，测量规模和强度远超前代，加之自己动手创制和改造天文仪器更加精密，根据大量数据编出新历法——《授时历》，比旧历法要精确得多，它算出一年有365.2425天，同地球绕太阳一周的时间，只相差26秒。同现在通行的格里历(即公历)一年的周期相同，比欧洲人确立公历的时间要早302年。

郭守敬还极富探索精神，在恒星大观测方面也取得了非常大成就，与同时期西方相比更是有过之而无不及。在这些成就背后，郭守敬等科学家付出艰辛可想而知，没有严谨的工匠精神和孜孜不倦的钻研求索创新意识，这些不可能一蹴而就，我们就具体来看下这些成就是如何炼成的？

1、

工欲善其事，必先利其器。修订历法伊始，郭守敬便提出:“历之本在于测验，而测验之器莫先仪表。”

为了准确地观测天象，公元1279年，郭守敬先在大都城东南设计修建了一座观测天象的“灵台”，当时是世界上设备最完善的天文台。

要将历法工作做好，势必要提高观测天象的精密度，郭守敬在参考现有仪器的基础上，开始着手创制天文仪器。在三年时间里，郭守敬和同事们花费大量时间和精力设计研制出简仪、高表、候极仪、浑天象、玲珑仪、仰仪、立运仪、证理仪、景符、窥几、日月食仪、正方案、丸表、悬正仪和座正仪以及星晷定时仪等十多种仪器仪表。

正方案

其中正方案、丸表、悬正仪和座正仪是为了外地观测便于携带，另外郭守敬还绘制了《仰规覆矩图》、《异方浑盖图》、《日出入永短图》，以便在使用上述仪器时互相参考验证，保持科学的严谨性，《元史》赞这些仪器：“皆臻于精妙，卓见绝识，盖有古人所未及者”。到底有多精妙，我们逐一了解下！

先来看简仪，它是针对大都沿用的司天浑仪缺陷而重新研制的新仪器。大都沿用的浑仪是宋朝皇祐年间在开封所造，由于地理纬度的差异和年久倾斜，“规环不协，难复施用”。

而且元代以前所用的浑仪非常复杂，虽然之前的科学家，如东汉科学家张衡和唐朝天文学家李淳风对此进行过几次改造，可以说是非常完善了。但浑仪缺陷也非常明显，主要是其结构影响观测的准确性和观测范围。

浑天仪

浑天仪是测定星球在天体中位置的仪器，用它测量天体的赤道坐标、黄道坐标和地平坐标的读数，每个系统都需要有专门的环圈，互相圈套的环圈有八九个之多，每个都有一两寸厚，很影响观测的准确性，而且转动不便，妨碍观测。浑仪的环圈震复交错遮掩了大片天区，观测范围也缩小了。

郭守敬化繁就简，他发现有些星体的位置可以用数学方法来计算，相应的环圈可以撤掉。于是他把原先浑仪上的地平坐标和赤道坐标分为两个独立的装置—赤道装置和地平装置，即赤道经纬仪和地平经纬仪，每个仪器的结构十分简单。这种大胆的设计和制造，比1598年著名天文学家弟谷发明的仪器早300多年，此外精简了黄道坐标，这样就避免了环圈层层遮掩，观测不清的弊病，扩大了天体观测范围。

简仪

简仪的赤道装置与现代望远镜中广泛应用的天图式赤道装置基本结构是一致的。它由四根斜立的支柱托着一根正南北方向大轴，围绕着这根轴旋转的是赤经双环。赤经双环的两面刻着度数，最小分格是三十六分之一度。赤经双环的中间央着窥管,窥管可以绕着赤经双环的中心旋转。窥管两端架有十字线，这便是后世望远镜上十字丝的祖先。

这样，只要转动赤经双环和窥管，就可以观测天空任何一个方位的天体，并从环面的刻度上读出天体的赤纬数值。赤经数值则由旋转轴南端的赤道环上读出。紧挨赤道环的里面，固定着百刻环，环上刻着十二个时刻，以测定时间。为了便于赤道环旋转，简仪还应用了滚珠轴承装且，使之转动灵活，比达芬奇发明滚珠轴承要早200多年。

简仪的设计独具匠心，尤其是独立赤道装置，对近代和现代仪器有着巨大和深远影响。如近代进行工程测量、地形测量和实用天文测量所用的经纬仪，航空导航用的天文罗盘，它的方位角和仰角度地平装置与简仪属于同一类型，美国研制的现代大型望远镜的赤道装置，都可以看到它们借鉴了简仪的设计理念。

简仪作为当时世界上最先进的天文仪器，却在清初被法国传教士纪理安(当时他在钦天监任职)当作废铜销毁了，令人痛惜，真不知道这个愚不可及的西方人是怎么混入大清朝的天文机构的。明朝正德(1506一1521)年间仿制的一台简仪现存南京紫金山天文台，不过它在八国联军侵略中国时被劫走，后来虽然归还了，但已残缺不全。

郭守敬还设计制造了用于观测太阳位置的仰仪，用针孔成像原理把太阳投影在半球形的仪面上，以直接读出它的球面坐标值。仰仪的主体是一直径约3米的铜质半球面，形如一口大锅仰面朝天，因而得名。在半球的大圆面上，刻着东、南、西、北和十二时辰;半球面上刻着与观测地纬度相应的横纵线网。大圆平面上用纵横相交的两根杆子架着一块小板，板上有小孔。太阳光线通过小孔，在球面上投下一个倒像，映在格网上，可以观测太阳的位置和日食，用来测量太阳的赤经赤纬。使用仰仪无需用肉眼观测强烈的太阳就能得到它的位置，还可以直接观侧日食的方向、亏缺和时刻。

圭表

圭表是观侧日中影长变化以决定春分、秋分、夏至、冬至时刻的天文仪器，由圭和表两部分组成。表是直立的标竿;圭是表下端南北方向的水平尺，多以铜、石制成。每当正午，表影投射在圭面上。夏至日，太阳直射，表影最短;冬至日，太阳斜射，表影最长。因此，测量表影的长度就可以确定冬至、夏至，推算一年的节气。

郭守敬把宋代遗留的圭表高度由原来的八尺增加到三十六尺，圭长增加到一百二十八尺，圭的刻度由尺、寸、分、厘精确到毫。表上再用两条铜龙抬起一根很细的横梁，使梁心到圭面达四十尺（四丈）。高表传统的八尺加高到四丈，使得在同样的量度精度下，误差减少到原来的五分之一。由于高度增加，投影差别明显，测量的精度就大大提高了。

现在河南省登封县元代观星台还完整地保存着当时的圭表。它由三十六方青石圭面和砖砌圭座组成，长31.19米，宽0.53米，高0.56米，石圭水平良好。这是我国现存最早的天文台建筑，也是世界上重要的古天文遗迹之一。1961年，国务院把它列为全国重点文物保护单位。

景符是郭守敬根据小孔成像的原理，创制而成，来消除高表影端模糊的缺点，提高观测精度。景符是定影象的仪器。一块铜片，中有小孔，用一小架子斜撑在圭面上。太阳光经过横梁，再通过小孔，在圭面上形成了一个米粒大小的太阳像，像中间有一根细如丝线的横梁影子，非常清晰。和高表配合使用，解决了宋代圭表的影虚问题，进一步提高了测量的精度。

为了能在夜晚也能进行观测活动，郭守敬还创制了一种辅助仪器—窥几，与圭表、景符共同使用，观测者可不受时间限制，在夜晚能直接观测星光比较微弱的恒星和月亮。

景符

窥几

郭守敬研制的立运仪克服了古代仪器中经纬“结而不动”的不足，候极仪解决了观测中定极位的困难，浑天象和玲珑仪能逼真地模拟群星在天空的位置并随天球运动。《郭守敬传》：“日有中道，月有九行，守敬一之，作证理仪。……历法之验，在于交会，作日月食仪。天有赤道，轮以当之，两极低昂，标以指之，作星晷定时仪。”

其他仪器这里不再详述，郭守敬设计制造的这些仪器在当时就被人赞叹不已。“智巧不能私其议，群众无以参其功’，当时同在太史院共事的王恂、许衡等人交口称赞。太史令王恂是改历的主导者，深受忽必烈信赖和倚重，一向刚愎自用，唯独对郭守敬叹服有加。

大儒许衡，威望颇高，但谈及郭守敬，钦佩之情溢于言表:“天佑我元，似此人世岂易得”。

至元十六年(1279年)，郭守敬将所制仪表式样进呈元世祖忽必烈，并一一指点说明。忽必烈听得兴味盎然，从早朝开始直到日暮，丝毫不知疲倦。

第谷

明末清初，西方传教士汤若望来到中国，看到郭守敬创制的仪表，惊奇万分，称郭守敬为“中国的第谷”。而被西方称为“天文仪器之父”的丹麦人第谷比郭守敬晚出生了三百多年，我想应该这样说，第谷是“丹麦的郭守敬”。

正是依靠这些精密的、新制的天文仪器为观测工具，利用元朝疆域广阔的有利条件，在全国设置了范围广阔的天文观测点开展了规模宏大的四海测验。。依次对各点的日影长度、北极出地高度和昼夜长短进行了测定。郭守敬等人根据这些观测得到的材料，加以精密计算，先后经过四年的时间，使得中国历史上著名的《授时历》终于完成。也正是由于这些天文仪器的设计精密、制造考究和使用方便，对我国天文学的发展起到了非常积极的促进提高作用。

2、

中国史上规模空前的“四海测验”，范围广、测量精度高，为精确的历法提供了可靠的依据。

精密实用的仪器准备好了，郭守敬以科学为准绳，以事实为依据，展开了规模空前的“四海测验”。郭守敬继承和发扬了我国古代天文学家‘观象授时’的传统，即注重天象观测，从大自然的运行中发现规律，借以确定二十四节气，指导农事活动及时进行。

至元十六年(1279年)，郭守敬上奏元世祖:“唐一行开元间令南宫说天下测景，书中见者凡十三处。今疆宇比唐尤大，若不远方测验，日月交食分数时刻不同，昼夜长短不同，日月星辰去天高下不同，即目测验人少，可先南北立表，取直测景。”

郭守敬说的是唐代的天文学家一行在制定大衍历之前在全国选了13个点进行过一次规模宏大的天文大地测量;而如今元代的疆域比唐代大得多，若不派遣历官分赴各地进行实测，就不能了解各地昼夜时间长短的不同，日月星辰位置高下的差异，以及日月食的时刻差别等情况，因而就不能制定出精确的历法。忽必烈对郭守敬的奏章十分欣赏，立刻批准付诸实施。

于是郭守敬主持并亲自参加了全国规模的天文观测工作。郭守敬同王恂等人经过仔细规划，在原有大都、上都等5处司天监的基础上，在元朝控制的范围内陆续设立了27所观测台、站，挑选出十四名监侯官，分道相继而出，“东到高丽(今朝鲜)，西极滇池(今云南)，南逾朱崖(今西沙群岛)，北尽铁勒(今俄罗斯境内)”，进行四海测验。其最北的北海测景所在今西伯利亚，据推算应在北纬64度5分的地方，已在北极圈附近，最南的南海测景所当在占城(今越南归仁市)。

据《元史》载，至元二十二年三月，“遣太史监侯张公礼、彭质等往占城测候日晷”。故可推知。其测量范围之广，可谓前无古人。

其中，郭守敬亲自参加了上都、大都、阳城、南海等处晷景(日影)测验。。因岁月湮没，这些地方的测景所多已无迹可考，惟有位于今河南登封县东南十五公里告成镇的阳城测景所得以保存至今，是当年郭守敬途经阳城之时设计建造的，成为当时这段历史的唯一见证。

元朝疆域

郭守敬身体力行，不辞辛苦亲自带领人马从大都出发，先北上上都，再折返向南，经过阳城等处，一直到达广州和南海，历时整整一年。郭守敬从27个观测点钟重点选取了6个点，与大都的观测站一样，观测的项目多。其余的21个点，有选择性的分布全国各地，主要观测夏至的日影长度和二分(春分秋分)二至(冬至夏至)日昼夜的时刻数:并测定了北极的出地高度，即当地的地理纬度。

这次规模庞大的“四海测验”不仅涉及范围广，而且测量精度高。说它范围广是指这次著名的四海测验，从南中国海到西伯利亚，从朝鲜半岛到川滇与河西走廊。南北总长5000多千米，南起北纬15度，北至北纬65度，比唐代一行的测量范围北纬17度到40度高出一倍还多。东西绵延2500千米，东至东经128度，西到东经102度。

测量精度高更是达到惊人的地步，从史书记载的当时所测地理纬度来看，对比现在可确定的数据，其绝对平均误差只有0.35°，这样的精确度实在是非常惊人的。特别是当时陕西行省的2个点，河南行省的4个点和中书省直辖地的8个点，其误差大大低于平均值，还有2处几乎没有误差。《元史·天文志》称“是亦古人亦所未及为者也。”也就是说，郭守敬的四海测验取得的精度之高与700年后的依靠现代仪器测量的数据相差无几，其精准令今天的科学家也叹为观止。

四海测验，主要测定了日影，北极出地高度和二分二至日昼夜时刻。在这次四海测验中，郭守敬等人将黄赤交角由24度精确到23度90分30秒，为当时世界上最精确的数据。

这次四海测验的因其地域之广、规模之大、测量数据之精准，在我国历史上是空前的，在世界历史上也是一次无可比拟的、大规模、大范围的天文测量壮举，以至于到了明朝，天文学家徐光启仍然沿用“四海测验”的传统名称。法国著名数学家、天文学家拉普拉斯(1749-1827)在其著名的(宇宙体系论)一书中的天文史部分，特别提到了这次测量，认为这次测量的精度是卓越超群的。这些成就当然离不了郭守敬为代表的、那个时候的科学家和测量人员所做出的贡献。

根据各地的观测点得到的精准数据，太史局郭守敬和同事们根据这些数据，花了大约两年时间，编写了一部新的历法，这就是“授时历”，可以说没有科学严谨的数据支持，也不可能有好的历法，郭守敬和“四海测验”彪炳史册。

3、

四年磨一剑，《授时历》计算简单、精确度高，成为当时世界上最先进的历法。使用了三百六十多年。

郭守敬继承了我国古代天文学创制仪器的传统，通过规模庞大、科学严谨的四海测验为新历法的制订提供了强有力保证。

十七年(1280年)二月，历时四年之久，王恂、郭守敬、许衡及全体太史院同事，经过多年辛勤的劳动，终于完成了新历法的编制工作。

《元朝名臣事略》:“公所为历，测验既精，设法详备，行几五十年，未尝一有先后天之差，去积年日法之拘，无写分换母之陋。此历数之学,其不可及者也”。

《元史.卷五十二 志第四》:“自古及今，其推验之精，盖未有出于此者也。因《尚书·尧典)中有“敬授民时”之语，世祖特赐新历名日(授产时历》，次年颁行全国。

郭守敬根据自己多次精密测定的冬至时刻的结果，并利用历史上从祖冲之《大明历》以来的6次冬至时刻的观测资料，证实了一年为365.2425日，这与现今世界通用的格里历所用值一样，但格里历却晚了300年;《授时历》比地球绕太阳一周的实际时间只差26秒，它以29. 530593日为一月;以一年的1/24作为节气的一气;废弃了古代的上元积年，而截取近代任意一年为历元，使计算更为简便和精确。

《授时历》在日、月、五星运动的推算中有所谓“创法五事”，它应用‘弧矢割圆术’来处理黄经和赤经、赤纬之间的换算;用招差法推算太阳、月球和行星的运行度数，这在我国历法史上是一大进步。此历还给出了关于回归年长度的古大今小变化值，算出了日行最速的时间在冬至点，与当时的地球过近日点的真日时日相密合。

《授时历》的编制是一项规模较大的集体工作，新历颁行后仍需整理大量观测资料，编制各种数学用表。然而到了1282年，主要功臣王恂47岁英年早逝、许衡、杨恭懿或病退或辞归，只留下郭守敬继续工作，郭守敬于是“比次篇类，整齐分抄”，整理出《授时历》全部文稿，可谓对授时历贡献最大。

《授时历》计算简单、精确度高，根据新历法推算出的节气，比较准确，因而对农业生产帮助很大，完全达到了忽必烈修订历法的初衷，《授时历》虽说一直使用到元代灭亡，因明朝《大统历》基本上仍是以《授时历》为基础，所以《授时历》实际使用了三百六十多年，为当时世界上最先进的一种历法，日本、朝鲜也引进了《授时历》，它是西方近代天文学传入中国以前最优秀的历法。

4、

精益求精的工匠精神和不默守陈规的创新意识为后世之楷模

郭守敬无论是精心创制仪器仪表，还是辛苦进行四海测验，无一不体现出他精益求精的工匠精神和不默守陈规的创新意识。

前面提到对浑仪的改造和创制简仪，郭守敬化繁就简，敢于摒弃前人所不足，把浑仪分解为两个独立的仪器，将简仪应用了滚珠轴承装置，使之转动灵活，又是一项大胆创新。设计独具匠心的简仪，尤其是独立赤道装置，更对近代和现代仪器有着巨大和深远影响。

在天文学上，我国自汉朝以来，历代天文学家一直认为黄赤交角是24°，郭守敬表示怀疑，并用研制的新仪器连续几年进行观测，得出23°90'30"的数值，为当时世界上最精确的数据，是工匠精神的完美体现，在古今中外科技界享有很高赞誉。

对二十八宿的距度，也是追求最大程度上的精准度。早期的单位是度，到北宋度下附有少度(1/3度)、半度(1/2度)、太度(2/3度)，但郭守敬认为这样得到的数据仍不够精密准确，重新测定更为精准的二十八宿距度及由此而得的诸星入宿度。

这一次，郭守敬将数据精确到了1/20度，即百分制下的5分，所测二十八宿距度的平均误差仅为0.07度，这是当时来说精确度是非常惊人的。

郭守敬在编制(授时历)时，还坚决摒弃了旧历法家们所沿用的毫无实际意义“上元积年”法，而大胆创新，采用与近代类似的“截元法”。什么是“上元积年”呢？它是旧历法家是寻求一个所谓的“祥瑞”的计时起点，要恰逢甲子日、朔旦(朔望月的开始时刻，就是夏历初一和冬至在同一天的夜半发生;还要求“日月合璧”、“五星连珠”，就是日、月和金、木、水、火、土五大行星并见于一方。这些条件全部会齐，作为计时的起点，就是“上元”。

“积年”是从制历这一年上推到上元那一年累积的年数。旧历法家非常看重这个时间起点，把它看作是编制历法、推算节气、预测日月五星行度的前提条件，实际上这些做法不仅繁琐而且没有实际意义，被郭守敬被摒弃。

郭守敬认为“天道自然”，非人为推演附会所能苟合的，进行精密的观测，就可以获得所需要的天文数据，“又何必舍目前简易之法，而求亿万年宏阔之术哉?”因此，他编制《授时历)时，就直接以当年(1280年)的冬至(古以冬至作为一年的开始)作为推算各项天文数字的起点，结束了迂腐的推求上元积年的历元制度。

郭守敬做法和近代采用的“截元法”(截取任意一年作为元，作为计时起点)是一致的，是我国历法发展史上的一个重大进步，其观点和做法极富革新精神，令后人钦佩不已。

《授时历》应用招差法推算太阳、月亮以及五星逐日运行的方法，比欧洲要早出近四百年。郭守敬和王询等人在编制《授时历》时，采用定、平、立三次差的内插原理编制日月的方位表，虽然他们没有明确写出三次差的内插公式，但在一系列的数表计算当中，可以看出他们已经充分掌握了三次函数的内插原理，并且不难推广为任意高次函数的内插法。而在欧洲，直到1670年，英国天文学家格列高里才最先对招差法作了说明，后在牛顿的著作中(1676一1678)才出现招差法的普遍公式。

5、

“春蚕到死丝方尽”的科学巨匠，郭守敬享誉天地宇宙！

至元二十三年郭守敬继任太史令后，向元世祖进呈了有关仪器结构、观测记录和整理研究结果的著作，计有:《推步》七卷、《立成》二卷、《历议拟稿》三卷、《转神选择》二卷、《上中下三历注式》十二卷，并有《时候笺注》二卷，《修改源流》一卷。又有测验专著(仪象法式)二卷、《二至晷景考》二十卷、(五星细行考五十卷)、(古今交食考)一卷、(新测二十八舍杂坐诸星入宿去极》一卷、《新测无名诸星》一卷、《月离考》一卷，凡十四部一百零五卷，当时都收藏在朝廷的翰林国史院里，为我国天文学史增添了许多珍贵的文献资料。

元仁宗延祐三年(1316年)，郭守敬不幸病逝，享年八十六岁，归葬于邢台县城西北三十里郭村。其后继有人，后人郭伯玉“精明九数之理”，明初曾参与修订《大统历》，并“始作珠算”，名重京师。

郭守敬在科学技术上取得的成就是多方面的，不仅在天文学方面，在数学、光学、水利学、地理学都有很高的造诣。他一生坚持不懈，亲自从事科学实验，善于吸取前人的科研成果被发扬光大，一直到86岁那年他去世时为止，可谓是“春蚕到死丝方尽”，他把毕生精力都献给了科学事业。

无论是四海测验， 恒星观测 、 历法修订，无一不体现出郭守敬精益求精的工匠精神，敢于怀疑并修订前人所不足和开拓创新的意识。

1970年，国际天文学会等组织作出决定，将月球背面的一座环形山和太阳系一颗国际编号为2012的小行星，以郭守敬的名字命名。

2019年1月3日上午10点26分，嫦娥四号成功降落在月球背面，成为人类第一个月背软着陆的探测器，这是我们中国人研制的探测器，全世界只有我们中国人做到了这一点，我想月球背面这座以郭守敬的名字命名的环形山，此时此刻更加熠熠生辉，光彩夺目。