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《梦溪笔谈》包括《笔谈》《补笔谈》《续笔谈》三部分。
《笔谈》二十六卷，分为十七门，依次为“故事、辩证、乐律、象数、人事、官政、机智、艺文、书画、技艺、器用、神奇、异事、谬误、讥谑、杂志、药议”。《补笔谈》三卷，包括上述内容中十一门。《续笔谈》一卷，不分门。全书共六百零九条（不同版本稍有出入），内容涉及天文、历法、气象、地质、地理、物理、化学、生物、农业、水利、建筑、医药、历史、文学、艺术、人事、军事、法律等诸多领域。在这些条目中，属于人文科学例如人类学、考古学、语言学、音乐等方面的，约占全部条目的18％；属于自然科学方面的，约占总数的36％，其余的则为人事资料、军事、法律及杂闻轶事等约占全书的46％。
就性质而言，《梦溪笔谈》属于笔记类。从内容上说，它以多于三分之一的篇幅记述并阐发自然科学知识，这在笔记类著述中是少见的。因为沈括本人具有很高的科学素养，他所记述的科技知识，也就具有极高价值，基本上反映了北宋的科学发展水平和他自己的研究心得，因而被现代人誉为“中国科学史上的坐标”。
例如，《梦溪笔谈-卷十八-技艺》正确而详细记载了“布衣毕升”发明的泥活字印刷术，这是世界上最早的关于活字印刷的可靠史料，深受国际文化史界重视。此外，北宋其他一些重大科技发明和科技人物，也赖本书之记载而得以传世。如记载喻皓《木经》及其建筑成就、水工高超的三节合龙巧封龙门的堵缺方法、淮南布衣卫朴的精通历法、登州人孙思恭释虹及陆龙卷、河北“团钢”“灌钢”技术，羌人冷作冶炼中对“瘊子”的应用、“浸铜”的生产等，均属科技史上珍贵史料。《梦溪笔谈》上述对北宋科技成就的记述，已足以使其名垂青史。非但如此，该书还记录了沈括自己的许多创见，这进一步推进了北宋的科学发展。
在天文学方面：
《梦溪笔谈》阐释了沈括自己对浑仪、漏刻、圭表等天文仪器研制方面的许多创见，记述了他的“日有盈缩”这一重要发现以及他关于实行阳历“十二气历”的建议。书中还准确描述了五星运行轨迹，计算出月道与黄道交角每月后退度数更为精确的数值，正确说明月亮的盈亏生光现象，发明准确测定极星位置的方法，详细记录并描述陨石特征及陨落过程，指出了铁陨石的存在，等等。这些均系天文学史上值得一提的重要成就。
在物理学方面：
《梦溪笔谈》记述了算家所谓的“格术”，沈括以之解释小孔和凹面镜成像，开辟了“格术光学”这一光学新领域。沈括对透光镜的研究，思考缜密，多有可采之处。另外，沈括还讨论了指南针的不同安装方法，记录了“以磁石磨针锋”的指南针人工磁化方法及指南针“常微偏东，不全南也”的现象（卷二十四），从而肯定了地磁偏角的存在。在声学方面，《梦溪笔谈》记述的沈括在琴弦上贴小纸人，以验证声音共振现象的发明，比欧洲类似的发明要早约七百年。
在数学方面：
《梦溪笔谈》讨论了垛积问题，建立了隙积术，其实质是解决了高阶等差级数的求和问题。书中还探讨了会圆术，沈括从计算田亩出发，考察了圆弓形中弧、弦和矢之间的关系，得出了新的弓形面积的近似公式。隙积术和会圆术的建立，为中国古代数学的发展开辟了新的方向。
在地质地理方面：
《梦溪笔谈》记述了沈括对浙江雁荡山、陕北黄土高原地貌地质的考察，明确提出了流水侵蚀作用说。该书还通过对化石的讨论来论证古今气候变化，对矿石资源亦有涉及，指出江西铅山山涧水中有胆矾，可以炼铜；发现陕北的石油可以用于照明和制墨（卷二十四）。在地图制作方面，记述了沈括以熔蜡和木屑制作立体地图的发明，这一发明早于欧洲约七百余年。书中对地图制做中州县相对方位的描述，由传统8个方位增至24个方位，同时特别重视对两地间直线距离——“鸟飞之数”的测量，使州县相对位置更为可靠。在生物医学方面：
梦溪笔谈》也多有记述，且大都观察准确，记录详实，能够从实际出发，辨别真伪，补正古书之不足。
此外，《梦溪笔谈》还以大量篇幅记述了当时的政治、军事、法律、人事以及一些传闻轶事、艺文掌故等。对赋役扰民、西北与北方军事利弊及典礼礼仪和古代音乐演进，均有翔实记载。该书对于研究北宋社会、政治、科技、经济诸方面有重要参考价值。
《梦溪笔谈》对沈括的治学思想和方法也多有反映，是研究沈括科学思想的主要参考材料。
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