工匠們在抓緊時間建造新式加熱爐，與此同時，趙劍寒在孤兒的教育方面也沒有放鬆，語文開始講解簡短的課文，主要內容是中國歷史上的傑出人物和民族英雄的事蹟，包括炎黃二帝、祖沖之、張衡、衛青、霍去病、文天祥、岳飛、蘇武等等，訓練他們遣詞造句的同時，進行愛國主義教育。
數學開始講授他設計的各種度量衡，包括長度、重量、面積、體積（容積）、時間、溫度單位以及各種單位的進制換算關係。其中長度重量和時間單位是根據中國目前使用的單位加以擴充而來的。
長度單位規定爲千丈、丈、尺、寸、分、釐、毫，從丈一下都採用十進制，以此爲基礎，面積和體積單位也做出了相應的變化。重量單位規定爲千石、石（一百二十斤）、斤（16兩）、兩（10錢）、錢（10分）、分（其中1分=0.37克）。
時間完全照搬時、分、秒、毫秒這些計時單位，溫度也是按照攝製度的方式進行劃分。
這些改變考慮了中國的傳統習慣，同時更加系統，更加精細，基本上可以滿足這段時間科技和工業發展的需要。
不過現在測量工具極其匱乏，不僅對教學效果有一定的影響，對實際生產的影響更大，趙劍寒準備在玻璃和鋼鐵生產試驗成功之後，立即著手製造時鐘、溫度計、壓力計等測量儀表，這中間的難度非常大，連趙劍寒也沒有多少把握。
沒有工業基礎，一點簡單的事情都會變的非常複雜，工業發展的道路沒有捷徑，只有老老實實的一步一步的建設，西方工業革命用了幾百年纔有了後來的成就，趙劍寒對此有著充分的心理準備和足夠的耐心。
這天下課之後，趙劍寒帶著三個工匠開始製作燒鹼。先將天然鹼和水加熱製成鹼液，然後加入高濃度的石灰，經過化學反應形成了燒鹼（氫氧化鈉）和碳酸鈣，再經過澄清、過濾、蒸發濃縮、冷析等工序，就製成了含氫氧化鈉百分之九十以上的固體燒鹼。
製作過程並不複雜，但是燒鹼的腐蝕性極強，生產過程中絕對不能讓自己的皮膚直接接觸，因此操作規範就顯得十分重要，趙劍寒特意用一隻小老鼠做了試驗，被淋了一小杯高濃度燒鹼的小老鼠被腐蝕得直冒青煙，狂叫著到處亂撞，死的時候渾身千瘡百孔，還散發著十分噁心的氣味。
這種景象讓旁觀的工匠們一個個象見了鬼一樣，臉色煞白，寒毛直豎，有些人的腿直打哆嗦，他們都沒想到這種看起來像水一樣的東西居然如此厲害，堪比最劇烈的毒藥，現場的工匠沒有一個人敢掉以輕心，以後都成了安全生產的模範。
做好了燒鹼，趙劍寒又帶著他們製作純鹼，原料還是天然鹼，第一步先製成鹼液，濾掉雜質，然後將燃燒石灰產生的二氧化碳與鹼液進行反映生成小蘇打溶液，蒸乾水分，然後對固體小蘇打煅燒，就得到了純鹼，入庫前還要將其碾磨成細細的粉末，才能用於工業生產。
固體燒鹼和純鹼都有吸溼性，需要妥善保存，趙劍寒對這些細節都做了妥善的安排，還指令這三個工匠和他們的徒弟以後專門負責純鹼和燒鹼的生產管理事宜。
無機化學工業最重要的是“三酸兩鹼”，現在燒鹼和純鹼已經解決了，製造玻璃的原料只剩下泡花鹼。
另外，趙劍寒已經準備了金屬鉛，以後找到了硫磺礦，就可以製作硫酸了，硫酸是鋼鐵工業所不能缺少的，特別是軋鋼的時候，每生產一噸鋼鐵需要兩噸硫酸。用硫酸和硝石還可以生產出硝酸，有了硫酸和硝酸，還可以製造**，其意義不言自明。
據趙劍寒所知，大量的天然鹼和硝石礦藏都在新疆、蒙古這些地方，目前實力不足，只能用貿易的辦法，用布匹進行交換，可是現在邊境形勢緊張，明軍和蒙古部落正處於軍事對峙，邊境貿易每年只開放一次互市，這也是趙劍寒急於在關外獲取立足點的原因之一。
過了十幾天，趙劍寒設計的新式加熱爐完工了，加熱爐坐落在水壩的後面，比一般鐵匠們使用的爐子高大了許多，有一架水車專門爲加熱爐的風箱提供動力，幾個月前搶修的水壩不僅擋住了河水，還成爲諸多新設備實驗的場地。
同時，工匠們完成了四個不同大小的粘土坩堝和石墨坩堝，趙劍寒決定馬上就進行試驗。
四個坩堝裡都按照一定的比例放了石英砂和純鹼，然後放到加熱爐內，首先用煤做燃料進行試驗，結果過了好長時間，坩堝裡的石英砂和純鹼還是沒有融化的跡象，此時爐內的溫度已經明顯比一般鐵匠們使用的爐子高，至少證明了新式加熱爐設計上是成功的。
趙劍寒下令向爐內加入焦炭，爐內的溫度進一步提高，石英砂和純鹼終於開始融化了，石墨坩堝裡的混合物融化的速度明顯要快上不少，正當人們高興的時候，那兩個石墨坩堝“嘭”的一聲碎裂了。
石墨坩堝的製作難度較大，需要先對天然石墨晶體進行提純，還不能讓它在高溫下和氧氣發生反應，出現這樣的情況實屬正常，製作這兩個坩堝的工匠叫楊道中，看到這種情況，他的臉色變得煞白，身體搖搖欲墜。
趙劍寒眼明手快，一把將他扶住，說道：“楊師傅，你不要難過，這種石墨坩堝以前從來沒人做出來過，想要做好很不容易，要經過反覆思考、設計和實驗，一次失敗不要緊，只要堅持下去，我相信你一定會成功的。”
聽到小東家安慰自己，楊道中心裡好受了一些，趙劍寒接著將自己所知道的有關石墨的知識告訴了楊道中，並讓他先用石墨製造出鉛筆，藉機瞭解和熟悉石墨的性能，然後再來攻克石墨坩堝這個難關。
趙劍寒最後說道：“楊師傅，你的這項工作非常重要，我知道你的手藝精湛，才把這個任務交給你的，我有足夠的耐心，哪怕需要幾年的功夫我也等得起，你就大膽地試驗吧，有什麼困難或者有什麼新的設想，你可以隨時找我商議?！?
話已經說到了這個地步，楊道中終於放下了思想包袱，向趙劍寒表態：“既然東家看得起楊某，我一定竭盡所能，爲東家做出這種石墨坩堝！”