在宋代时，人们已经在使用滴漏了。人们也了解到天空中有1350颗星星的位置与太阳在一年12个月中的位置具有相应的关系。公元976年，司天监的一位学生张思训建造了一座水力驱动的浑象，放置在京城开封一座精心建造的10米高的三层塔中。但直到科学家苏颂在吏部任职的时候，才把先前的浑天仪进一步完善。这个环形钟的设计思想有三重：天文演示、天文观测和计时。这个钟表装置的机械结构把计时装置和用于观测星辰位置的浑仪连接在一起，它还与判定精确时间的天球连接了起来，并使该装置和包括太阳、月球和五大行星等天体产生了关联，其目的是用于确定历法。这就使时间和空间的关系处于和谐之中，于是，这个装置被称为“天球仪”。
这个前所未有的、花费巨大的工程建造动机可以追溯到公元1077年，当年苏颂作为使节被派往辽国向其皇帝祝寿。苏颂发现宋朝的日历比辽国提早了一天。他于是向宋神宗报告了他的发现。皇帝对司天台的所有官员进行了惩处。公元1086年，显然是处于政治上的考虑，哲宗命令苏颂建造一座在精确度上超越先前各种仪器的环形钟。公元1088年，一座小型的木质钟的模型完成了测试。公元1090年，一座同样结构的带有各种复杂功能、用铜铸的球体浑仪被放置在开封皇宫。在其公元1094年完成的《新仪象法要》中，苏颂阐述了他这个发明装置的工作原理。
木塔有12米高，上层平台设有浑仪一座。如果天气许可，天文学家可以在上面观测天象。浑仪和上层的旋转式天球很巧妙地与钟表装置的驱动机械契合在一起，因此天文学家不管天气如何都可以计算出天体的位置。在这个装置小房的下面是个五层的塔型报时装置结构，窗口上有许多木质的支架，支撑起一块写明时刻的木简，这个装置能够按整点、按时刻或者按其他时间间隔，日夜不停地显示时间。报时不仅可以用文字显示，而且也可以用打钟、敲锣或者击鼓等方式。整个机械装置通过齿轮和水轮接合，水轮上配有许多小铲子，从水箱流出来的稳定水流推动小铲子。水轮的直径有三米多长。我们可以理解为有一个和钟表摆轮有同样功能的特殊装置被用于调节水轮的运动。这个机械装置把时间切割成一系列精确的“滴答”声。
这座巨大的水钟建成后不久，朝中保守派和改革派的政治争论也对科学与技术产生了影响。公元1094年，一些政客出于意识形态的理由要求拆除天文水钟。曾经不赞成赵佶继承皇位的宰相章惇虽然使水钟避免了被拆的厄难，但是约30年后，获胜的女真人还是把所有的天文装置运到了他们的京城。只有15吨重的浑仪完好无损的保留在了原地。公元1195年的一场暴风雨中，球体被闪电击中。后来浑仪被修复后安放在一个观测用的塔中，即是蒙古人把金人从北京驱逐出来后发现它的地方。
苏颂还发明了一种缓慢旋转的假天仪，用于训练天象观测者确定天体的位置和运动。这台“浑天象”建于公元1092年，许多天文学家和历法专家都聚集在那里观看它的运转。由于它的球形结构围绕轴心而建，因此也常常被称为第一座天象馆。这个轴心与垂直方向形成23.5度的角，与地球的中轴保持一致。大约600年后，欧洲的第一座天象馆才由德国人为俄罗斯的彼得大帝建成。
对自然现象的观察与描述上的进步，特别是在天文学、时间测量、制图学、地球科学、医学和动植物研究上的进步，与如何把看得到的现实世界用图来说明的新观念密切相关——如何把风景、人和其他生物及物体用图表现出来。对自然世界的研究，对内在和外在世界关系的理解，以及对现实世界的描绘使人们对万物间的相互依赖关系有了前所未有的了解，并对天地间人的作用有了新的理解。士大夫们在艺术和审美领域及科学领域的活动为这些领域后来的发展奠定了基础，同时也使这种观点得到了支持：宋代精英们在世俗化的过程中起到了催化剂的作用，而这种世俗化过程是与道学日益增长的影响相一致的。
