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回朝后，他多次上疏铸造西洋大炮，得到批准。
当时朝政被魏忠贤为首的阉党把持，许多不肯依附的大臣被弹劾，徐光启也是其中一员。
庄烈帝即位后，徐光启又被召回朝廷。
当时，因为预测日食不准确，庄烈帝想要处罚主管官员。
徐光启指出：“本朝的历法，一直沿用元朝郭守敬制定的《授时历》，已经使用了三百多年，有误差是正常的，朝廷应该考虑重修新历。”
庄烈帝采纳了他的建议，专门聘请西方人推算历法，由徐光启主持此事，历时五年，编成《崇祯历书》。
《崇祯历书》是我国最早吸纳西方先进天文学知识，对我国传统历法进行改革的大型学术著作，全面系统地介绍了西方天文学知识，比如托勒密和第谷的宇宙体系、哥白尼的日心体系等；在算法上，大量吸收西方数学成果，使得精确度得到了很大提高。
我国天文学从此走上了一条吸收融汇西方天文学的新路。
徐光启能够在天文历法领域取得成就，跟他精通数学分不开。
徐光启在数学领域的最大贡献，就是与利玛窦共同翻译了古希腊数学家欧几里得的《几何原本》（前6卷）。
徐光启提出了“度数之学”
的思想，首次把“几何”
作为数学的专有名词来使用。
此书译成后，很长时间内成为学习数学的启蒙读本，极大地影响了我国的数学研究方向，是我国数学史上的一件大事。
此外，徐光启还精通农学。
早在1607年，徐光启的父亲去世，他回乡服丧期间，就在家乡进行农业实验，积累经验和材料。
明神宗末年，徐光启又在天津继续垦殖，再次进行实验。
明熹宗时，他一度辞职在家，继续实验。
与此同时，开始搜集整理资料，动笔撰写农书，在庄烈帝即位后初具规模，完成了毕生夙愿。
1639年，即徐光启死后六年，此书刻版付印，这就是《农政全书》。
《农政全书》分为十二目，六十卷，五十多万字。
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