1.天文學
(1)天文學理論和天文觀測
明朝的天文學理論，較前代有一定的進步。董谷作《豢龍子》一書，對宇宙起源問題提出了樸素唯物主義的設想，認為宇宙沒有開端，也沒有終極，而某一具體的天體系統則有一個生滅發展的過程。明代邢雲路著《古今律歷考》一書，認為“星月之往來，皆太陽一氣之牽系也。”明確提出行星運動是受太陽牽引的結果，這與刻蔔勒的思想有異曲同工之妙，且已開了萬有引力說的先河。明末宋應星在《天工開物》中著有《談天》、《論氣》等篇，認為“盈天地皆氣也”，把“氣”作為構成物的基礎，具有唯物主義色彩。他還對日食作出了比較科學的解釋。以上都說明明朝的天文學理論在傳統理論的基礎上有所突破。明朝的天文設施、歷法推算與儀器制造，較前代更為完善與精密。洪武十七年（1384年）在南京雞鳴山設觀像台，台內設有天體儀、渾儀、簡儀等。50年後，又復制了一套渾儀、簡儀置於北京齊化門。這兩件儀器至今尚存於南京紫金山天文台。明朝還在司天台設立回回科，把元代設在上都的回回天文台人員召回北京，翻譯了《明譯天文書》等。成化年間，貝琳又譯出《七政推步》，介紹了回回歷法的推算方法。明末光學儀器專家孫雲球在蘇州自制“千裡鏡”，據民國《吳縣志》上說，在城郊七裡外的虎丘山上用此鏡觀察城內，景物如在眼前，可見“千裡鏡”已大大超過目測能力，這可以說是我國自制望遠鏡的開始。此後，徐光啟用望遠鏡親自進行月蝕觀測，發出了“與目測迥異”的感慨。在天像觀測中，1572年與1604年對超新星爆發的觀測是中國天文學家的一大貢獻。1572年的超新星，我國比西方的第谷早發現3天，多觀察了一個多月，而且觀察周密，記錄盡善。明朝天文學的另一個貢獻，是航海天文學所取得的舉世矚目的成就。明朝人茅元儀所編《武備志》中，記載過洋牽星圖4幅，為鄭和七次下“西洋”的航海圖，描述了從中國劉家港經南海、東南亞海域、印度洋直達非洲東海岸的線路，這是航海天文學的寶貴資料。書中還介紹了測量星辰地平高度的方法——牽星術。用大小不同的牽星板進行觀察，確定星辰高度，並與羅盤相配合，以解決海上的航向問題。
(2)西方天文學的傳入與《祟禎歷書》
明朝末期，隨著一些耶穌會傳教士來到中國，西方天文學知識逐漸傳播，促使中國傳統天文學向近代天文學轉變。利瑪竇（1552—1610 年）首先介紹了有關日月蝕的原理，七曜與地球體積的比較，西方已測知的恆星，天文觀測儀器的制造等。隨後，熊三拔（1575—1620 年）著《簡平儀說》、《表度說》，詳細介紹了簡平儀的用法以及根據天文學原理測日定時的方法。1610 年來華的陽瑪諾（1574—1659 年）著《天問略》，用問答形式說明了天像原理，並附有圖片。崇禎年間，成立了歷局並聘用龍華民（1559—1654 年）、鄧玉函（1576—1630年）、湯若望（1591—1666年）等耶穌會教士參與歷法修改，並翻譯西方著作，編制天文圖表，制作觀測儀器等。在編纂《崇禎歷書》時，確定了利用西方的方法“入大統之模型”的方針。這部長達137卷的歷書於1634年完成，其中采用了丹麥天文學家第谷的宇宙體系。此體系認為，日月在不同層次圍繞地球運轉，其他行星圍繞太陽行轉，這雖是介於哥白尼與托勒密之間的折中體系，但在中國第一次衝破了地球中心說，這不能不說是一個很大的進步。《崇禎歷書》引入了明確的地球概念和西方經緯度測定計算方法，使天文計算，特別是日、月蝕計算比傳統方法更加精確。《崇禎歷書》首先采用360度制，一天為96刻，經度以12次為系統，緯度從赤道起算至90度。這個計算方法也比傳統方法簡便。此外，《崇禎歷書》以本輪、均輪體系解釋天體運動的速度變化，使中國天文學從代數系統轉向幾何系統。《崇禎歷書》的編就，說明中國天文學走向了一個新的階段。
2.地理學
明代地理學的成就，主要表現在航海地理學的進展和溶洞、植被的考察研究方面。
(1)航海地理
明朝航海地理是隨“三保太監”鄭和下“西洋”而發展起來的。明永樂三年（1405年）至宣德八年（1433年），鄭和率領一支龐大的船隊七次往返於太平洋與印度洋上。其艦船多至200 多艘，將士與技術人員多達27000多人，寶船長150米，帆12張，有羅盤導航等設備。其活動範圍從北緯27度至南緯7度，東經180度至東經44度，共計航程10萬余裡，到過東南亞、南亞、阿拉伯和東非許多國家和地區。這比哥倫布發現新大陸要早半個多世紀，可以說是世界航海史上空前的壯舉。鄭和船隊在遠航中，繪制了精確的航海圖。他們在沒有前圖的情況下，堅持探路觀察，詳細記錄了沿途山、灘、礁、沙，並利用指南針測定方向，利用帶墜的繩子測定深度，用繩子系上雞毛測定流速，然後把測定所得形像地標在一張對景圖上，最後把不同海域所獲得的對景圖排列成航海圖。這張航海圖，至今仍保存於茅元儀所編《武備志》之中，全圖分20幅，42面，堪稱精細。圖上起點為南京龍江關（下關），經長江口，沿東海、南海，直至海外國家。圖上標有航線的精密針位，以“更”（一更相當於60裡）計算距離，海島畫有內外線，它標明平潮時的礁石、淺灘、港口等。由於此圖“詳而不誣”，具有極高價值，故受到當時及後世學者的贊揚。其次是關於海路與外國情況的記載。鄭和的隨員中有馬歡、費信、鞏珍等人，他們把航海所見記錄下來，分別著有《瀛涯勝覽》、《星槎勝覽》、《西洋番國志》三書，內容是記述航行與沿途國家的政治、經濟、氣候、水文、物產、民族、風俗、宗教、歷史等。這些內容遠遠超過元代汪大淵《島夷志略》之所記。汪大淵所敘海路僅限印度半島西岸與波斯灣口，而《星槎勝覽》等書記述了更西的佐法爾、阿丹（今亞丁）、刺撒（今索馬裡北部）、木骨都束（今摩加迪沙），直達馬達加斯加。三書所載的有關非洲的知識，不僅超過了古人，而且也超過了同時代的歐洲。此外，三書所記明王朝與南洋諸國的友好往來和中國人民至南洋謀生居住的情況，是中外關系史上寶貴的資料。
(2)溶洞、植被研究
明代對於溶洞、植被的考察研究成果，在徐宏祖（字振之，別號霞客，1586—1641年）所著《徐霞客游記》中得到集中反映。徐霞客從小熱愛大自然，鑽研地理學，他從21歲起至54歲止，走遍華東、華中、華南與西南各省，游歷名山大川，進行實地考察。他考察了華南石灰岩地貌，詳盡地記錄了各種溶洞的方向、高深，寬窄的具體數字，揭示了溶蝕地貌的特征，訂定了石峰、環窪、石梁等地質地理名詞，並對溶洞、鐘乳石、石筍等成因進行了研究，得出石灰岩易為雨水與地下水所溶蝕而發育成為溶洞等比較符合科學的結論。這在世界上實屬首創，比系統研究溶岩地貌的西方人克維治克要領先200余年，至今仍有應用價值。同時，徐霞客還記錄了由於高度與緯度不同，氣候差異而形成的不同植物群落。他指出，在高山之上，由於地勢高，氣溫低、風速大，樹木生長緩慢，故多為伏地矮小之樹。在山頂上更往往只有荒草，而無樹木；山上植物的花期，也比山下要遲。他對植物的生態作了科學的分析，論述了植物垂直分布不同狀況及其原因，促進了植物地理學的發展。
(3)對西方地理知識的吸收
明朝後期，中國地理學家學習了西方的地理知識與繪圖技術。利瑪竇在萬歷十一年（1583年）受廣東肇慶地方官的委托，根據所攜圖冊，采用華名、華裡和華辰計算，繪出了一幅世界地圖《山海輿地全圖》。雖然此圖未經利瑪竇復校，且刻工不慎，印刷錯誤尚多，但這是向中國第一次介紹地圓學說、地球大孝五洲的概念、五帶的劃分等，擴大了中國知識分子的眼界，其功不可沒。圖中所標洋名、國名、地名，如大西洋、亞細亞、歐羅巴等也為中國所承認，一直沿用到現在。此圖出版後，經過多次重刻，先在廣州始印，十余年後在蘇州翻印，萬歷二十八年（1600年）經利瑪竇親自修訂後在南京刻櫻1602年，李之藻請利瑪竇再次增訂，在北京印發。與此同時，還出現了介紹世界各國概況的地理著作《職方外紀》。《職方外紀》為西人艾儒略（1582—1649年）增訂翻譯，華人楊廷筠彙記。此書圖文並存，卷首為五大洲總圖，卷一至卷四分別述說亞洲、歐洲、美洲和南極地方，每卷都有總說與分說，介紹各國風土物產，條貫十分清楚。卷五為“四海總說”，介紹海名、海島、海族、海產、海舶、海道等。由於西方世界地圖和地理學說在中國的流傳，使中國人開始了解全球的地理概況，增長了不少地理知識，這在中國地理學史上是一個明顯的進步。
綜合來看，明朝中國，是中國歷史上，思想最開放，眼界最為遠大，統治者階層對於傳播引進外國先進思想技術最為熱心，心態也最為良好的時期，這和明代本身經濟的高度發展，思想的高度活躍，廣大知識分子的以天下為己任的意識空前高漲是分不開，而所有的這一切追根溯源，都必須歸源到明朝開國之初所制訂的政策。
明朝前期是文明的恢復期，後期是文明的崛起期。正是在明朝統治下，經濟的發展，文化的空前普及，士大夫階層的活躍，哲學思想的突破，使得原來開始走下坡路的中國文明挽回了頹勢，重新煥發出多樣多采的的活力，重新顯示出人性的尊嚴，個性的張揚。中國歷史上在春秋戰國以後再一次呈現出百花齊放，百家爭鳴的局面。夏鹹淳在其著的《明末奇才——張岱論》中有這麼一段話：“歐洲文藝復興時期的光輝燦爛的文化，大批多才多藝的人物，乃是人類的驕傲。明朝時期，中國也出現了群星燦爛，人才輩出的文化景觀。當時思想文化的精英們，不論在自然科學領域，還是在人文科學領域，抑或是在文學藝術的園地，都有著超越時代的卓越建樹。李時珍，徐光啟，吳有性，徐弘祖，宋應星，李贄，唐順之，王陽明，黃宗羲，方以智，朱載堉，蘭陵笑笑生，湯顯祖，袁宏道，袁小修，馮夢龍，張貸，張溥、唐伯虎，石濤，八大山人，徐文長，李漁，傅山這一顆顆明星將中華文明點綴得格外絢麗奪目，那時中國也有自己的達芬奇，米開朗基羅，拉菲爾，莎士比亞，塞萬提斯。”
明朝晚期，西方傳教士進入中國是以傳教為目的，他們的本意決非是好心好意來傳播科學的，但是結果他們不得不和中國知識分子合作翻譯出版大量的科學書籍。並非他們像白求恩這麼具有國際主義精神，而是當時明朝知識分子對科學的熱情和關注遠遠超出了對宗教的關注，傳教士要想為傳教開辟通路，要想取信於中國的士大夫，贏得他們的尊敬與看重，就必須出版科學書籍，就必須傳播西方的科學，否則他們幾乎寸步難行。
當傳教士取得了士大夫的信任，取得在中國居住和旅行的資格以後，他們對翻譯傳播西方科學的熱情就極度減弱，當中國知識分子要求他們翻譯時候，往往尋找各種理由推脫搪塞，難以搪塞的時候，才勉強答應。傳教士本來到中國以傳播宗教為目的，到結果卻變成了不得不傳播科學，這種現像本身就意味深長。
李申在《中國古代哲學和自然科學》一書中說，“統觀明代的改歷過程，這裡沒有神學觀念的干擾，也沒有政治權利的無理干預。無論是皇帝還是禮部官員，都沒有把自己的意見強加於人。雖然某些人因為個人利益或其他因素為改歷設置過障礙，但一般說來，這些障礙都是新事物成長中所必然碰到的正常障礙。”“明政府設置四個局，讓各家互爭雄長、百家爭鳴，其措施也是正確的。其間可能有某些人為了個人或小集團的利益，阻撓新法的情況，但無論如何，改歷的阻力，不是政權的無理干涉，也不是什麼傳統觀念、保守閉關、盲目排外的情緒。”
到了清朝，一切都變化了。當時西方傳教士南懷仁看見滿清統治下，科學技術在中國殘敗沒落，甚至過去明朝已經取得的成果都喪失掉，實在看不下眼去，於是他把過去明朝翻譯編寫的大量科技著作加以彙編整理，並略微補充了一些他自己的翻譯和著作，編成《窮理學》，想呈現給康熙，並加以刊行流傳。
說起南懷仁，確實是傳教士當中的異類，和其他傳教士不一樣，他並非把科學僅僅當成傳教的手段，他本人就對科學技術有非常濃厚的熱情興趣，而且有相當的才能。關於他的貢獻作為，在下面還會介紹。現在單說他的這部叢書，這部書本身也不是他的新著作，主要還是明朝翻譯出版的書籍的彙集綜合，按照他的想法，明朝的崇禎皇帝能熱心鼓勵贊助的書籍，他現在又加以整理彙總，讓康熙過目一下，然後“鏤板施行”，應該是沒有問題的。畢竟明朝的崇禎組織人力對西方科技進行有組織有系統的大規模翻譯研究，現在不必要求你滿清再去這麼做，那至少把過去已經做好的東西加以整理保存、發揚流傳，總不是太難的事情吧！
然而他，卻真的是熱臉貼了冷屁股，碰了一個大釘子！愚昧到極點的康熙，也確實呢看了或者說翻了這部書，然後怎麼樣呢？他就把書很輕松很仁慈地發還給了南懷仁！在《康熙起居注》中有這樣的記載：“上曰：‘此書內文辭甚悖謬不通’。明珠等奏曰：‘其所雲人之知識記憶皆系於頭腦等語，於理實為舛謬。’上曰：‘部復本不必發還南懷仁，所撰書著發還。’”
就這樣，《窮理學》這套完整彙集了西方科技譯著的叢書，就因為康熙的愚昧，沒有被刊刻，不僅沒有刊刻，而且也沒有能完整保存下來，只剩下殘本，而殘本中一大部分都是1627年明代李之藻和耶酥會士傅泛際開始合作翻譯的《名理探》。
說起來寫《康熙起居注》的那些御用奴才和文人們，留下這段記錄，本來是想作為康熙如何英明睿智的證據，現在卻反成了康熙等滿清主子奴才愚昧而又無恥嘴臉的標本，這大約是他們所萬萬想不到的吧。
這裡提到的所謂“於理實為舛謬”的“知識記憶皆系於頭腦”，其實在明代知識分子那裡，已是常識了。比如崇禎元年進士金聲（後在隆武元年被清兵俘虜，不屈而壯烈殉國），精通西學，曾經說過“人之記憶皆在腦中，小兒善忘者，腦未滿也；老人健忘者，腦漸空也”，明末思想科學巨人方以智（明末四公子之一，崇禎十三年（1640）進士，曾受邀擔任明朝內閣大學士，被清兵俘獲，不屈服，削發為僧，在康熙十年，被滿清統治者抓捕，在“惶恐灘”——就是文天祥北上抗元路過，所寫詩句中“惶恐灘頭說惶恐，零丁洋裡嘆零侗中的惶恐灘——毅然自盡而死）的《物理小識》中也明確提到“人之智愚，系腦之清濁”。可笑的是，明代人早就知道的科學常識，到了滿清主子和奴才那裡居然被說成“於理實為舛謬”！更可笑的是，盡管有很多的事例證明明和清很不一樣，但是更多的人仍然認為明和清差不多。