在教科版小學《科學》教科書二年級下冊的首頁，描繪了一幅中國古人在茫茫大海上航行、依靠指南針辨別方向的場景。指南針是我國勞動人民在長期生活實踐中，隨著對物質磁性認識的不斷深入，並經過多方實驗和研究，發明的用於指向的磁性工具。
北宋的沈括是一位政治家和科學家。他出生在浙江杭州錢塘縣（現在的浙江杭州），從小就跟隨父親遊歷各地，仔細觀察了各地的地理形勢、山川道路和人文風俗，並進行了詳細的記錄。沈括在數學、物理、化學、天文、地理、水利、醫藥和藝術等方面都有很深的造詣和卓越的成就，被李約瑟譽為「中國整部科學史中最卓越的人物」。沈括在他晚年的著作《夢溪筆談》中，記錄了人工磁化的方法，總結了指南針的四種使用或安裝方法：指甲旋定法、碗唇旋定法、水浮法和縷懸法。此外，沈括還指出，指南針不指正南，而「常微偏東」，這表明他已發現了地磁偏角的存在。沈括的系統總結和科學實驗，極大地推動了指南針的發展和應用。11世紀末到12世紀初，中國船舶開始使用指南針導航。12世紀末到13世紀初，指南針傳入阿拉伯，後來輾轉傳入歐洲，直接應用於歐洲後來的航海活動和地理大發現。指南針的發明對推動人類文明的進步起到了不可估量的作用。
早在春秋時期，中國勞動人民在找礦時就發現了天然磁鐵礦，即磁石，並發現了這種神奇的黑色石頭具有吸鐵特性。
中國古人很早就將磁石的磁性用於軍事，成功將磁性用於戰爭的記載則來自《晉書·馬隆傳》。
在生活實踐中，中國古人還觀察到兩塊磁鐵放在一起相互靠近時，有時候互相吸引，有時候相互排斥的現象。
在對磁性的認識過程中，中國古人還觀察到磁石具有指向性，並逐漸掌握了人工磁化製作指南魚和指南針的方法。
《武經總要》記載的水羅盤「指南魚」復原圖，潘吉星復原（2001）
指南魚的製作是一個非常了不起的發現和發明，包含豐富的科學道理：當鐵片燒至通紅，溫度超過其居裡溫度點（Tc）時，磁疇瓦解，其鐵磁性消失，變成順磁性；隨後在水中逐漸冷卻到居裡溫度點以下時，魚尾正對子位（北方），在地磁場作用下，磁疇重新形成且具有方向性，因而被磁化。而且，知道將魚形鐵片微向下傾斜對磁化有利，表明中國古人已經發現並開始利用地磁傾角（地磁場對水平面的傾角）。
2005年，中國國家博物館考古學者孫機根據對前北平歷史博物館舊藏殘宋本《論衡·是應篇》的考證提出，「司南之杓」的「杓」字實為「酌」，而且這個「酌」字一直至元本都沒有改變。這樣一來，「司南之酌，投之於地，其柢指南」的現代漢語解釋就成了：「使用司南車，把它放置在地上，其橫杆指向南方。」也就是說，司南其實指的是指南車，是一種木製的、靠機械結構的運動來固定指向的器物。如果孫機的論點正確，就說明司南與天然磁石指南無關了。需要指出的是，古人製作司南和指南車的技術均已失傳，也沒有留下實物。因此，有關司南是最早的指南針還是指南車，還有待進一步的考古學研究證實。
真正中國古代磁學知識和指南針技術的集大成者是北宋時期政治家、科學家沈括。沈括在《夢溪筆談》卷二十四《雜誌一》中寫道：「方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也。水浮多蕩搖，指爪及碗唇上皆可為之，運轉尤速，但堅滑易墜，不若縷懸為最善。其法取新纊中獨繭縷，以芥子許蠟綴於針腰，無風處懸之，則針常指南。其中有磨而指北者。予家指南、北者皆有之。」這條記載概括了沈括對磁學的四大主要貢獻。
（1）指出指南針是方家（堪輿家）首先發明和使用的，是以天然磁石去摩擦鋼針使其帶上磁性，從而在地磁作用下保持指南或指北性能。與天然磁石磨製而成的司南和採用地磁場磁化製作的指南魚相比，指南針的製作相對簡便且磁性強，指向精度更高，更具使用價值。
（2）詳細記述了指南針的四種安裝方法。第一種是水浮法，將磁針上穿幾根燈芯草浮於水面進行指南，這是水羅盤的肇始，後來廣泛用於早期航海，雖然比較平穩，但容易動蕩不定；第二種是指甲旋定法，將磁針置於指甲上，指甲表面光滑，磁針轉動靈活，但容易滑落；第三種是碗唇旋定法，將磁針置於碗口邊上，轉動較靈活，也容易滑落；第四種是縷懸法，用蠶絲將磁針懸掛起來，轉動靈活又穩定。
《夢溪筆談》所載水浮指南針復原圖，潘吉星復原（2001）
（3）提出與其他三者相比，縷懸法「彈性韌性好，不易扭曲攪結，便於使用」，因此為最佳方法。法國科學家庫侖（C.A.de Coulomb）在1777年參加法國科學院懸賞徵集船用羅盤的最佳方案時，提出以絲懸指南針的方法，最後獲得了頭等獎，實際上就是沈括在600年前總結的縷懸法。
（4）發現指南針的指向是在地理南向而略微偏東一些，即地磁子午線與地理子午線並不完全重合，在世界上首次觀測到地磁偏角現象，這比歐洲記錄早了400多年。
沈括注重繼承傳統，善於觀察和開拓創新，重視調查研究和科學實驗，對當時中國在磁學領域所取得的成就進行了系統總結，極大地推動和普及了世人對指南針的認識。不久之後，宋末元初的中國人將方位盤與磁針連成一體構成羅盤，也叫羅經盤，還出現了將磁針穿上小木條浮在水上的指南魚和樞軸支撐式的指南龜，即「水針（水羅盤）」和「旱針（旱羅盤）」的先驅。
指南針的發明、完善和使用，一舉改變了早期航海中僅靠天象定航向的窘境，開啟了中國宋朝航海商貿時代，促進了中外貿易的發展，給人類文明的進程帶來了重大影響。1119年，北宋朱彧在《萍洲可談》中第一次記載了指南針用於航海：「舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦觀指南針。」一般認為，約在1180年前後，中國的指南針（羅盤）通過阿拉伯商人傳入歐洲，並在歐洲成熟和發展。此後，指南針在世界航海事業上被廣泛應用，直接影響了15～16世紀的大航海時代和歐洲人的地理大發現。依靠海道針經（24/48方位指南針）導航並結合「過洋牽星術」（天文導航），我國明代偉大航海家鄭和七下西洋，率領龐大船隊歷經東南亞、印度洋、波斯灣和紅海，訪問了30多個國家，最遠到達非洲東海岸，在世界航海史上寫下了光輝的一頁。鄭和航海結束後，1492年，義大利航海家克里斯多福·哥倫布（Cristoforo Colombo）起航，橫越大西洋，抵達了美洲大陸；1498年，葡萄牙航海家達·伽馬（Vasco da Cama），組織了更大的船隊，從葡萄牙的裡斯本港出發，開闢了從歐洲繞好望角到印度的新航路；1519年，葡萄牙航海家斐迪南·麥哲倫（Fernao de Magalhaes）率領的船隊，成功繞地球航行一周，證明了地球是圓的，並打開了通往東方的新航線。
可以看出，中國古人執著於對磁石的認識和磁性的應用。遺憾的是，對磁現象的本質及解釋往往是含糊的，對物質磁性產生機理和指南針工作原理缺乏深入細緻的研究，甚至出現一些匪夷所思的解釋。具體表現在以下幾個方面。
（1）中國古人根據磁石吸鐵能力對磁石進行分類，也發現了磁石並不能吸附金、銀和銅等金屬以及磚瓦等物品，但並沒有深入研究物質磁性的來源和產生機理，因而沒能認識到物質的磁性是普遍存在和多種多樣的。
（2）中國古人很早就有「琥珀拾芥」和「玳瑁吸」的記載，即琥珀和玳瑁摩擦後生電吸引微小物體的現象，並根據吸引現象將電與磁並列為同一類。漢代王充在《論衡·亂龍篇》中寫道：「頓牟掇芥，磁石引針，皆以其真是，不假他類。」東晉郭璞在《山海經圖贊》中也寫道：「磁石吸鐵，玳瑁取芥，氣有潛通，數亦宜會，物之相投，出乎意外。」然而由於缺乏系統的科學研究和數理分析，中國古人並沒有建立完整的電磁場理論，把電與磁統一起來，使人類進入電氣化時代。
（3）儘管中國古人在很早就觀察到了磁指向性、地磁傾角和地磁偏角現象，然而由於缺乏嚴密的科學研究和理論探討，中國古人並沒有認識到地球有磁場，也沒有建立正確的指南針理論。
（4）更為荒誕的是，有些文人學者從陰陽五行學說出發，提出指南針的「感應說」。例如，最晚成書於宋代的《管氏地理指蒙》首先提出如下邏輯：「磁針是鐵打磨成的，鐵屬金，按五行生剋說，金生水，而北方屬水，因此北方之水是金之子。鐵產生於磁石，磁石是受陽氣的孕育而產生的，陽氣屬火，位於南方，因此南方相當於磁針之母。這樣，磁針既要眷顧母親，又要留戀子女，自然就要指向南北方向。」圍繞磁偏角現象，中國古人認為地是平的，大小有限，因此地面必然有個中心，通過該中心的那條子午線就是唯一的南北方向，一旦測量地點不在這條南北線上，指南針所指向自然「少偏」。直到19世紀中葉，中國仍有學者用「感應學」說來解釋指南針問題。
中西方對磁性認識的分水嶺——地磁學作為一門科學出現發生在17世紀初，其標誌就是威廉·吉爾伯特（William Gilbert）在1600年出版的《論磁》一書。
隨著地磁學的誕生和研究逐漸深入，19世紀中期地球磁場的基本模型在西方國家中逐步建立起來。
總而言之，中國古人在實踐中觀察到了天然磁石的「吸鐵」和「指向」特性，並經過反覆試驗發明了指南針，並開創了指南針導航的歷史。然而，由於缺乏細緻深入的科學研究和邏輯嚴密的數理推演，中國古人沒有建立自己的地磁場理論，造成對指南針工作原理的不理解或錯誤認識。
中國古代對磁的認識
（１）磁石的吸鐵性及其應用
我國是對磁現象認識最早的國家之一，公元前４世紀左右成書的《管子》中就有「上有慈石者，其下有銅金」的記載，這是關於磁的最早記載．公元前４世紀的《鬼谷子》中有「其察言者，若慈石之取針」的話．類似的記載，在其後的《呂氏春秋》中也可以找到：「慈石召鐵，或引之也」．東漢高誘在《呂氏春秋注》中談到：「石，鐵之母也．以有慈石，故能引其子．石之不慈者，亦不能引也」．在東漢以前的古籍中，一直將磁寫作慈．相映成趣的是磁石在許多國家的語言中都含有慈愛之意。
我國古代典籍中也記載了一些磁石吸鐵和同性相斥的應用事例．例如《史記·封禪書》說漢武帝命方士欒大用磁石做成的棋子「自相觸擊」；而《淮南萬畢術》（西漢劉安）還有「取雞血與針磨搗之，以和磁石，用塗棋頭，曝幹之，置局上則相拒不休」的詳細記載．南北朝（ 511 ～ 518 年）的《水經注》（酈道元）和另一本《三輔黃圖》都有秦始皇用磁石建造阿房宮北闕門，「有隱甲懷刃入門」者就會被查出的記載。《晉書·馬隆傳》的故事可供參考：相傳 3 世紀時智勇雙全的馬隆在一次戰役中，他命士兵將大批磁石堆壘在一條狹窄的小路上．身穿鐵甲的敵軍個個都被磁石吸住，而馬隆的兵將身穿犀甲，行動如常．敵軍以為馬隆的兵是神兵，故而大敗（「夾道累磁石，賊負鐵鏜，行不得前，隆卒悉被犀甲，無所留礙」）。
古代，還常常將磁石用於醫療．《史記》 中有用「五石散」內服治病的記載，磁石就是五石之一。晉代有用磁石吸出體內鐵針的病案．到了宋代，有人把磁石放在耳內，口含鐵塊，因而治癒耳聾。
磁石只能吸鐵，而不能吸金、銀、銅等其 他金屬，也早為我國古人所知。《淮南子》中 有「慈石能吸鐵，及其於銅則不通矣」，「慈石 之能連鐵也，而求其引瓦，則難矣」。
（２）磁石的指向性及其應用
在我國很早就發現了磁石的指向性，並制出了指向儀器—— 司南．《鬼谷子》中有「鄭子取玉，必載司南，為其不惑也」的記載．稍後的《韓非子》中有「故先王立司南，以端朝夕」的記載．東漢王充在《論衡》中記有「司南之杓（勺子），投之於地（中央光滑的地盤），其柢（勺的長柄）指南」。
不言而喻，司南的指向性較差．北宋時曾公亮與丁度（ 990 ～ 1053 ）編撰的《武經總要》（ 1044 年）在前集卷十五記載了指南魚的使用及其製作方法：「若遇天景噎（陰暗）霾，夜色瞑黑，又不能辨方向……出指南車或指南魚，以辨所向……魚法，用薄鐵葉剪裁，長二寸闊五分，首尾銳如魚形，置炭中燒之，候通赤，以鐵鈐鈐魚首出火，以尾正對子位，蘸水盆中，沒尾數分則止，以密器收之．用時置水碗於無風處，平放魚在水面令浮，其首常南向午也」．需要特別指出的是，這裡極為清晰地論述了熱退磁現象的應用．當燒至通赤時，溫度超過居裡點，磁疇瓦解，這時成為順磁體．再用水冷卻，磁疇又重新恢復．這時魚尾正對子位（北方），在地磁場作用下，磁疇排列具有方向性，因而被磁化．還應注意到，「鈐魚首出火」時「沒尾數分」，魚呈傾斜狀，此舉使魚體更接近地磁場方向，磁化效果會更好．從司南到指南魚，無疑是一個重大進步，但在使用上仍多有不便。
我國古籍中，關於指南針的最早記載，始見於沈括的《夢溪筆談》。該書介紹了指南針的四種用法：水法，用指南針穿過燈芯草而浮於水面；指法，將指南針擱在指甲上；碗法，將指南針放在碗沿；絲懸法，將獨股蠶絲用臘粘於針腰處，在無風處懸掛．磁針的製作，採用了人工磁化方法．正是由於指南針的出現，沈括最先發現了磁偏現象，「常微偏東，不全南也」。
南宋時，陳元靚在《事林廣記》中記述了將指南龜支在釘尖上．由水浮改為支撐，對於指南儀器這是在結構上的一次較大改進，為將指南外用於航海提供了方便條件．
指南針用於航海的記錄，最早見於宋代朱彧（ｙù）的《萍洲可談》：「舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦觀指南針」．以後，關於指南針的記載極豐．到了明代，遂有鄭和下西洋，遠洋航行到非洲東海岸之壯舉．西方關於指南針航海的記載。是在 1207 年英國納肯（ A.neckam,1157 ～ 1217 ）的《論器具》中．
（３）其他與磁有關的自然現象
極光源於宇宙中的高能荷電粒子，它們在地磁場作用下折向南北極地區，與高空中的氣體分子、原子碰撞，使分子、原子激發而發光．我國研究人員在歷代古籍中業已發現，自公元前 2000 到公元 1751 年，有關極光記載達 474 次．在公元１～ 10 世紀的 180 餘次記載中，有確切日期的達 140 次之多．在西方最早記載極光的，當推亞里斯多德，他稱極光為「天上的裂縫」。「極光」這一名稱，始於法國哲學家伽桑迪。
太陽黑子，也是一種磁現象．在歐洲人還一直認為太陽是完美無缺的天體時，我國先人早已發現了太陽黑子．根據我國研究人員搜集與整理，自前 165 年～ 1643 年（明崇禎十六年）史書中觀測黑子記錄為 127 次．這些古代觀測資料為今人研究太陽活動提供了極為珍貴、翔實可靠的資料．
遺憾的是，關於磁的認識儘管極為豐富，而關於磁現象的本質及解釋，往往又是含糊 的，缺乏深入細緻的研究．就連被稱作「中國科學史上的坐標」的沈括，對磁現象也認為「莫可原其理」，「未深考耳」，致使在我國歷史上，一直未能產生可與英國吉爾伯特《論磁》比美的著作。