从曼彻斯特迁居伦敦之后，恩格斯准备集中精力从事自然科学方法论的研究。虽然由于投身巴黎公社革命，反对巴枯宁主义，特别是与杜林的论战，占用了恩格斯的很大一部分精力和时间，但他并没有因此而放弃自己的研究计划。
之所以要系统研究自然科学，恩格斯是这样考虑的：
马克思和我，可以说是从德国唯心主义哲学中拯救了自觉的辩证法并且把它转为唯物主义的自然观和历史观的唯一的人。可是要确立辩证的同时又是唯物主义的自然观，需要具备数学和自然科学的知识。马克思是精通数学的，可是对于自然科学，我们只能作零星的、时停时续的、片断的研究。因此，当我退出商界并移居伦敦，从而获得了研究时间的时候，我尽可能地使自己在数学和自然科学方面来一个彻底的——像李比希所说的——“脱毛”，八年当中，我把大部分时间用在这上面。
恩格斯在这里说的“八年当中”，大约是指1873年至1876年和1878年至1883年这两段时间。
1873年前后，恩格斯在肖莱马及马克思的支持和鼓励下，决定写一部关于自然辩证法的巨著，并开始了相应的系统研究。可是，这项研究由于《反杜林论》的写作而中断了整整两年。而1883年马克思去世后，恩格斯又不得不再次放下手里的研究工作，把全部精力和时间都用来整理出版马克思遗留下来的经济学手稿，并独自承担起国际工人运动顾问和导师的责任。直到1885年至1886年间，他才利用余暇，在自己的笔记里加了一些补充材料。因此，计划中的著作仅仅完成了10篇论文及169段札记和片段。
不过，从恩格斯为这部著作拟订的两个计划草案和已完成的部分中，已经可以看出《自然辩证法》的主要内容、基本写作框架及其作为恩格斯最重要著作之一的理论价值和实践价值。
《自然辩证法》已完成的10篇论文构成了该书的前半部分，排序如下（括号内为写作时间）：
（1）导言（1875-1876）
（2）《反杜林论》旧序。论辩证法（1875.5-1878.6）
（3）神灵世界中的自然科学（1878年初）
（4）辩证法（1879年底）
（5）运动的基本形式（1880-1881）
（6）运动的量度。——功（1880-1881）
（8）热（1881.4-1882.11）
（9）电（1882）
（10）劳动在从猿到人转变过程中的作用（1876.6）
构成《自然辩证法》后半部分的是一些札记和片段，篇幅大致和已完成的论文差不多。这些原始材料经过整理，根据恩格斯的计划草案，可以把它们分为如下几类：
（1）科学历史摘要
（2）自然科学和哲学
（3）辩证法
A：辩证法的一般问题。辩证法的基本规律
B：辩证逻辑和认识论。关于“认识的界限”
（4）物质的运动形式。科学分类
（5）数学
（6）力学和天文学
（7）物理学
（8）化学
（9）生物学(www.xing528.com)
把这9部分札记和片段与前面10篇论文的标题对照，可以发现，它们是相互对应的。
第一篇论文相当于札记的第一部分；
第二篇和第三篇论文相当于札记的第二部分；
第四篇论文相当于札记的第三部分；
第五篇论文相当于札记的第四部分；
第六篇和第七篇论文相当于札记的第六部分；
第八篇和第九篇论文相当于札记的第七部分；
只有第十篇论文，在札记中没有和它相当的部分。
论文和札记都是按主题分类的原则排列的，先是研究比较一般的问题，然后是说明比较特殊的问题，部分与部分之间大致遵循如下逻辑顺序：
历史的导言
唯物辩证法的一般问题
科学分类
各门科学的辩证内容
具体自然现象的方法论
向社会科学过渡
《自然辩证法》的计划草案
上述内容无疑构成了一个异常庞大的写作计划。这个计划之所以如此庞大，是由研究课题本身所要达到的目的决定的。恩格斯写作《自然辩证法》的基本目的在于，根据充分的自然科学事实来说明辩证法规律在自然界如同在人类社会和思维领域一样，是普遍存在的，并由此出发把科学的自然观系统地表述出来，从而完成自然观方面的根本变革。
计划中的《自然辩证法》，是一部能够直接同《资本论》衔接起来的著作。它不仅要揭示自然界本身的辩证发展过程，而且还要揭示自然界发展的客观过程怎样有规律地超出自然界范围，辩证地过渡到人类社会历史领域中去，从而在哲学层面上把自然科学与社会科学有机地结合起来。
在已完成的10篇论文中，有两篇是在与杜林论战前写作的，即第一篇《导言》和第十篇《劳动在从猿到人转变过程中的作用》。这两篇论文在整个著作中具有举足轻重的意义：前者作为一个总纲，写得从容而完整，集中反映了全书的基本思想；后者是从自然科学引申出社会科学的一个范例，体现了自然科学与社会科学的统一，并在自然哲学与历史哲学之间架设了一道桥梁。
在其他8篇论文中，恩格斯具体阐述了自然辩证法的基本规律、辩证思维与辩证逻辑、自然科学的分类及其辩证联系、如何运用自然辩证法解决自然科学中的疑难问题、依据自然辩证法指明自然科学的发展方向等重大理论问题。
恩格斯生前，《自然辩证法》的所有材料都没有发表过。当然，其中的一些基本思想，恩格斯已经在他19世纪八九十年代发表的其他作品里予以阐明了。
逝世前不久，恩格斯对《自然辩证法》的材料做过整理。他把有关这一著作的全部论文和札记分列为四束：
（1）辩证法和自然科学；
（2）自然研究和辩证法；
（3）自然辩证法；
（4）数学和自然科学——不同的东西。
恩格斯去世以后，《新时代》杂志1896年发表了《劳动在从猿到人转变过程中的作用》一文，《世界新历画报》年鉴1898年发表了《神灵世界中的自然科学》一文。
1925年，苏共中央马克思恩格斯研究院以德、俄双语本的形式，第一次出版了《自然辩证法》全部初稿，包括两个计划草案、10篇论文和169段札记片段。
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