康熙六年（1667），刚刚亲政不久、14岁的康熙帝曾召见还处于软禁中的南怀仁，向他讨教天文历法知识。康熙提出了一个问题："法合天与否，有何明显的据？"即判断历法准确与否，其依据是什么？南怀仁认为，历法"合天与不合天，从古以来皆以测验为依据"。南怀仁提议，用推算日影长度的方法来验证历法准确度。

此后，南怀仁掌管了钦天监，一直到道光时期，钦天监负责人都是精通天文学的西洋人掌管。

康熙帝热衷西学，曾命张诚（Jean-Francois Gerbillon，法国人）、白晋（Joachim Bouvet，法国人）、徐日升（Thomas Pereira，葡萄牙人）、安多（Antoine Thomas，比利时人）等传教士每日轮班进宫，系统地为其讲授西方科学知识。

1 《几暇格物编》（石印本），清，现藏故宫博物院。此书是康熙皇帝在政事余暇，学习、研究、考察自然科学、文化现象的短篇文集，涉及天文、地理、生物、农业科学实验等内容，每篇都包含康熙皇帝的个人见解；2 铜镀金综合算尺，清康熙，现藏故宫博物院；3 地球仪，清康熙，现藏故宫博物院。康熙帝热衷西学，令传教士每日轮班进宫，系统地为其讲授西方科学知识

首先进讲的是《几何原本》。每天早晨，传教士白晋、张诚等人就来到宫中，在皇上用餐的地方进讲。白晋、张诚口授讲稿，康熙认真听讲，反复练习，亲手绘图，有不懂的地方立即提问。康熙为了更深入了解欧几里得的几何学，命人将明末的《几何原本》汉译本翻译成满语，并让传教士学习满语。因此张诚在日记中写道："他阅读了我们用鞑靼文（即满文）写出的定律，令我们解释给他听。皇上在透彻理解之后，把我们所讲，亲自动笔写了一遍，竟与我们的口授相符，只有名词和文理稍微变动。"

瓷青纸简平星盘仪，清康熙，直径 32.2 厘米，现藏故宫博物院

学习这些几何知识后，康熙很快爱上几何，他最喜欢的是用仪器进行测距，年纪与今天中学生相仿的康熙帝是这样学习数学应用题的：他先测量一物体长度，再命人将此物体拿到远方，由他使用测距仪器，对此物体与自己的距离进行估算。为验证自己的计算准确与否，他又让人拿着木杆和绳索，当场土法测距，结果往往与计算数值非常接近。每做对一道这样的应用题，少年康熙都会非常兴奋。几年后，在乾清门听政时，康熙帝就当众向大臣演示了南怀仁当年技惊四座的日影推算和检验方法，借助日晷表，在乾清门内广场上画出了当天正午的太阳阴影所在位置。到了正午，"日影与御笔画处恰合，毫发不爽"，在场的满汉官员当场奏曰："臣等今日仰承圣训，得闻所未闻，见所未见，不胜欢庆之至"，其实什么闻所未闻、见所未见，他们明明几年前就见南怀仁演示过。

康熙的西学功力大增，曾亲自主持过天文测量，也热衷于教授官员几何与测绘知识，还组织传教士和中国学者采用西法在全国范围内进行大地测量，绘制了《皇舆全览图》。康熙帝还自称"常留心格物之学"，对自然现象充满好奇，自然留心西学，信任传播西学的传教士。

南怀仁主持钦天监后，为解决现有明代仪器的误差问题，亲自设计督造天体仪、赤道经纬仪、黄道经纬仪、地平经仪、象限仪和纪限仪等6件大型天文仪器，被视为我国古代首批中西结合的天文仪器。这批仪器都是成吨重的大家伙，南怀仁借鉴了第谷·布拉赫（Tycho Brahe）在其著作《机械学重建的天文学》中的设计。

第谷是丹麦人，是望远镜用于天文观测前，纯肉眼观测时期数据最准确的天文学家。1576年，丹麦国王弗雷德里克二世（Frederick II of Denmark）将汶岛赐予他作为新天文台台址，并许诺他一笔经费。于是，第谷在丹麦与瑞典间的汶岛开始建立"观天堡"，并在这里设置4个观象台，配备齐全的仪器，直到1599年，第谷在这里工作20多年，取得一系列重要成果，创制大量的天文仪器。

南怀仁参考第谷的创制，为观象台配置了六大仪器：天体仪用于演示星体在任一时刻位置；赤道经纬仪用于测量天体的赤道经度及真太阳时；黄道经纬仪用于测量天体的黄道经度、纬度，随之利于测定二十四节气；地平经仪用于测量天体的地平经度；象限仪用于测量天体的地平高度或天顶距；纪限仪用于测定60°内任意两颗天体角距离和日、月的角直径。南怀仁所设计的六件天文仪器，以天体仪为核心，安放在观象台南侧正中，其左为赤道仪，其右为黄道仪，再次为地平经仪和地平纬仪（象限仪），最后为六分仪（纪限仪）。

位于北京古观象台台顶的赤道经纬仪。赤道经纬仪设计上参考了 16 世纪欧洲著名天文学家第谷的天文仪器。仪高 3.380 米，主要用来测量天体的赤道经度和纬度以及真太阳时

地平经纬仪，康熙五十二年至五十四年（1713—1715），由德国传教士纪理安监制。仪重7368 千克，仪高 4.125 米，现位于北京古观象台台顶，主要用来测天体方位角和地平高度。为制造这台新仪器，元代郭守敬创制的简仪被其当作废铜熔化

南怀仁主导思路是专器专用，用专门的仪器来测量特定的天文数据，以修正、编订历法。中国古代天文仪器长期是一器多能，代表就是浑仪，这是我国古代测量天体的仪器，其理论基础是古代"浑天说"原理，现藏江苏南京紫金山天文台内的明代浑仪由六合仪、三辰仪、四游仪和窥管等部件，以及升龙、整云、水跌等支承附件组合而成。整个仪器分为内、中、外三层，力求在一个圆心内同时呈现多个天文数据用于观测，十分复杂。铜环的层层叠扣已经达到了遮挡观测视线的程度，还何谈精度？郭守敬的简仪，其思路就是简化浑天仪，将其部分功能分到周边，南怀仁的思路也与之有相通之处，这对于观测当然是有好处的。但缺点是仪器过多分工过细，会使原先用一架仪器便容易测得的数据，要换用几架新仪分别求测，不仅费时费力，也容易导致附加误差。

也有人推测刚刚经历过大狱的南怀仁，通过大造新仪器来彻底堵死反对派反扑的可能。这几件仪器占地面积着实不小，把观象台顶原本不大的空间完全占满，旧有的明代浑仪、简仪在台顶没处搁，愣是被抬下观象台，置于台下平地上，此后不再用于观测。仪器都放在平地了，都是十几吨的纯铜家伙，就算有能耐再抬上去，观象台已经占满了，安放仪器的地方也没了，这下反对西法的保守势力哪怕想要反扑，还拿什么观测？到康熙晚年，传教士纪理安（Kilian Stumpf，德意志人）又监制了地平经纬仪，放在观象台台顶，主要用来测天体方位角和地平高度。为制造这台新仪器，元代郭守敬创制的简仪被其当作废铜熔化，现保存在南京紫金山天文台的简仪是明代正统二年（1437）的复制品，这不能不说是中国传统天文学文物的重大损失。

南怀仁除将汤若望的天文历法进一步编订外，还在三藩之乱时替清军铸造大炮。康熙帝看南怀仁大炮造得好，一下子让他做了工部右侍郎，这可是二品大员。南怀仁还曾用汉语编写地理书《坤舆图说》，已经涉及欧洲和美洲的人文地理，并描绘了各地珍禽异兽形象，被收藏于内府。康熙晚年，由于所谓的中国礼仪问题，天主教遭到禁止。不过，晚年的康熙爱上了西班牙加纳利群岛的葡萄酒，曾传谕地方官员，如果西洋人进贡洋酒，需要由洋人亲自用火漆封印，马上送往朝廷，不许别人偷尝。

《黄道总星图》，清雍正，戴进贤（IgnatiusKgler），现藏法国国家图书馆。此图以黄极为中心，以外圈大圆为黄道的二幅南北恒星图，以直线分为十二宫，边列宫名，节气随之，星分六等

曾有一葡萄牙传教士穆敬远（P.Jean Mourao）参与了康熙晚年的九子夺嫡事件，可惜站错了队，支持后来成为"塞思黑"的九阿哥胤禟，那自然是没什么好果子吃。有这些事情的刺激，雍正也继承了康熙晚年的禁教政策，但在宫廷中仍然保留了西洋人的位置，还戴上了西洋进贡的眼镜。雍正在宫中看到康熙时代留下来的西洋温度计、望远镜、玻璃镜之类，有些不认得的，就让传教士进宫来"认看"。有些东西，雍正觉得"甚好"，然后交给内务府造办处仿制，并把上面的西洋字改成中文。雍正元年（1723），耶稣会士戴进贤（Ignatius Kgler，德意志人）创作《黄道总星图》，以黄极为中心，以外圈大圆为黄道的二幅南北恒星图，此图以直线分为十二宫，边列宫名，节气随之，星分六等，它参考南怀仁的《灵台仪象志》，但又有补充。在这二幅图内，戴进贤还描绘了蛾眉相时的金星、太阳黑子、木星的条斑和四颗卫星、土星环与五颗卫星、火星的黑暗表面及月面图等现象，这包括了伽利略（1564-1642）、乔凡尼·多美尼科·卡西尼（1625-1712）、克里斯蒂安·惠更斯（1629-1695）等人的天文发现。

到了爱写诗的乾隆，对西学的兴趣就更淡了。他有一首诗是这样写的："皇祖精明勾股弦，惜吾未习值髫年，而今老固难为学，自画追思每愧旃。"说的是爷爷康熙帝西学水平高，自己小时候没有好好学习，现在年纪大了，感觉很惭愧。数学这件事很大程度上的确是童子功，即使到了今天，大部分人的数学巅峰水平也就是高三那年。乾隆此时已经年迈却还没学过最多相当于初中程度的勾股弦，这数学水平就更提不起来了，在缺乏基本数学修养的前提下，乾隆本人的天文学素养肯定无法与康熙相比。

在康雍乾三代，钦天监长期由西洋传教士主持，戴进贤后来就当上了钦天监监正。明末编成的《崇祯历书》与康熙时编的《历象考成》，都采用了第谷体系，这是一个并不赞同哥白尼日心说的旧天文体系。第谷还只能用肉眼观测天体，而到了乾隆年间阮元都能对着望远镜望月写诗了。西方的现代天文学在观测、理论方面的进步更加突出，开普勒提出的椭圆运动三定律，颠覆了第谷体系，雍正年间用第谷的方法推算日食已不太精确，于是有《历象考成》之作，以钦天监监正戴进贤、徐懋德（Andre Pereira，葡萄牙人）与汉人梅珏成、何国宗、蒙古旗人明安图等负责考测推算，乾隆七年（1742）书成，采用了开普勒（Johannes Kepler）、艾萨克·牛顿（Isaac Newton）、卡西尼（Jacques Cassini）等人的成果。

玑衡抚辰仪，仪重 5145 千克，仪高 3.379 米，现位于北京古观象台台顶。乾隆九年（1744），乾隆皇帝到观象台，看到台上的仪器都是西洋的构造和制度，遂下令钦天监按照浑仪的制度、西法的刻度铸造一架中西合璧的新仪，玑衡抚辰仪被誉为“大型青铜古典天文仪器的最后杰作”

康熙初年南怀仁监制的天体仪、赤道经纬仪、黄道经纬仪、地平经仪、象限仪和纪限仪，康熙末年纪理安监制的地平经纬仪，到了乾隆年间，戴进贤创制的玑衡抚辰仪，几代耶稣会士结合当年西洋天文学成果制造的大型天文仪器，在观象台矗立多年之后，迎来又一批西洋人。这是19世纪末的一批西洋旅行者，他们把观象台的仪器照片传回西方，甚至传到1889年的世界博览会上。1900年，八国联军侵入北京，德、法两国侵略者曾把这8件仪器连同台下的浑仪、简仪平分，各劫走5件。法国将仪器搬到法国使馆，在1902年归还观象台。德国则将其运至波茨坦宫展出，在第一次世界大战后，根据凡尔赛和约规定，这批天文仪器于1921年被装运回国，重新安置在观象台上。