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1902年冬，李四光进入武昌第二高等小学堂读书，由于该学校是寄宿制，全部食宿均由学堂供给。李四光全家都很高兴。在那里，李四光学习十分用功，他如饥似渴地吸取各种知识，学习成绩一向名列前茅。但由于没有人帮忙疏通关系，直到1904年7月，他才被破格选派去日本官费留学。李四光回黄冈向父亲辞行，随即乘船去日本。但官费有限，他只好买了统舱票，以便节约开支留作它用。第一次去这么远的地方学习，李四光情绪无比激动，个性是当船驶出上海吴淞口，眺望大海，波涛汹涌，茫茫无际；小小少年，心旷神怡，站在甲板上，久久不愿回舱。他的思绪随着海风海浪飘得很远，很远
经过漫长的旅行，轮船最后抵达日本的横滨港，后又乘汽车来到东京，但不巧的是，临行前，亲友饯（jin）行，李四光多吃了些甲鱼之类的荤腥，在海上又着了点凉，所以一到东京便腹泻不止，医院诊治为痢疾，并对他隔离治疗，只得借钱治病。这次病对他影响很大。当大夫劝他平时多吃素少吃荤时，他永远记住了这个劝告，几乎一生饮食清淡，至多吃点鱼呀蛋呀什么的。所以，有的朋友和他开玩笑说，李四光只是吃一些不会叫的东西。
在日本，李四光首先进入东京弘文学院学习，主要学习日本国的语言和初等数理比。1907年7月毕业之后，李四光又考入大阪高等工业学校。据说，这个学校每年仅能吸收中国留学生10名左右，而报考者竟达千余人，李四光能够考中，是极其不容易的。
在学校，李四光学习刻苦，生活依旧清贫。每月收到的官费用于务必的开支后，已所剩无几。为了省钱，他常常把生米放进暖水瓶中，加上开水，浸泡一夜，第二天，凑着咸菜一齐吃下去。除了学习、生活，李四光更关心祖国的命运。他常步入留学生会馆，听演讲，听报告，结识了许多民主革命家。他剪掉自己的辫子表示站在革命一边，拥护革命。1905年7月，李四光最后在东京见到了他敬仰的伟大的民主革命先行者孙中山先生，并参加了孙中山领导的革命组织――中国同盟会的成立大会和宣誓仪式。孙中山曾亲切地摸着李四光的头说，你小小年纪就参加革命，很好，必须要努力向学，蔚（Wi）为国用。当时，李四光年仅16岁。
1910年7月，李四光从日本大阪高等工业学校毕业，结束了7年留学日本的生活，和同学们一齐回到祖国。不久，他被派到武昌县花林湖北中等工业学堂任教。从学生到教师，李四光感受到一种新鲜和职责，他对学生的要求是十分严格的。
1911年10月10日晚，武昌起义爆发。当时，李四光正在北京参加留学毕业生的全国统一考试。他听到消息后，异常兴奋，立即收拾行装南下。回到武昌不久，李四光便被委托为湖北军政府理财部参议。之后，又改任湖北军政府实业部部长等职。然而，革命的发展并不是像他想象的一样。不久，袁世凯上台，打击和排挤革命党人。李四光发展实业、造福人民、建设新湖北的宏伟计划已成幻想，他内心郁闷，陷入彷徨之中于是，李四光产生了再去读几年书，走科学救国的道路的想法。1913年7月，李四光由官派出国，赴英国伯明翰大学继续深造，年轻的李四光如愿以偿。当时，和李四光一齐留学的有4个人，政府发放的路费全是金条。李四光告诉同伴：你们慢慢收拾行李，我去银行兑换钱币。当李四光来到银行的时候，一身破旧的衣服引起了银行职员的怀疑，非但没有换回钱币，还被怀疑偷别人的金条而被抓了起来，任他如何解释也没有结果，连饿带冻，第二天才被同伴救回。尽管如此，青年李四光还心系父亲兄长，将自己旅费的一部分省下来交给他们，以供弟妹们上学之用。这是何等令人感动的情怀呵！李四光试图用所有的爱恋来报答14年乡村生活中父老乡亲所给予他的关怀与厚爱，就像他之后将自己的一生献给祖国一样，鞠躬尽瘁而又无怨无
悔！
长途跋涉，远渡重洋，李四光第二次离开祖国，最后抵达伦敦。那里是资本主义礼貌的故乡，是近代产业革命的发源地。如今早已车水马龙，五光十色，大厦林立。但在李四光的眼里，这一切无异于过眼云烟，他心里更渴求的是知识和科学。经过慎重的选取，李四光决定进入在采矿方面较为著名的伯明翰大学。他匆忙离开了伦敦，来到了英国西部重镇伯明翰城，在学校附近的一所公寓住了下来。李四光的确是一位不知疲倦的学生，即使休息时间，也下放松学习。偶尔在假日走进公园，看看名胜古迹，身边也总是少不了一叠报纸杂志，或是一卷厚厚的书籍。在林阴里，在流水旁，他一坐下来就抄抄写写，或是思考一连串的问题。但平静的学习生活没有持续多久，1914年8月4日，第一次世界大战爆发了。以英、法、俄为一方的协约国和以德、意、奥为一方的同盟国，为重
新瓜分世界，争夺殖民地，展开了生死大战。一时间，生活物资日益短缺，物价开始上涨，生活极度困难，许多留学生已无法忍受，纷纷离开英国。但李四光硬是凭着顽强的毅力和从小养成的坚忍精神，节衣缩食，克服了种种困难，把学习坚持了下来。他常常利用假期，跑到矿山做临时工，赚钱维持生活，继续完成学业。在这样艰难的时候，他乐观旷达，劳逸结合，利用业余时间学会了拉小提琴，并成了终生的爱好。
功夫不负有心人，1918年5月，李四光用英文写成了一篇长达387页的论文――《中国之地质》，并提交伯明翰大学地质系。6月，他透过了论文答辩。由于这篇论文的提出，李四光被伯明翰大学授予自然科学硕士学位。不久，李四光接到了北京大学校长蔡元培先生发来的聘书，请他回国担任北京大学地质系教授。6年多的英国留学生活就要结束了，尽管国内依然是军阀混战，你争我夺，李四光还是理解了邀请，带着为真理奋斗的治学精神，带着报效祖国的满腔热血，1920年5月，李四光结束了漫长的求学之路，回到北京。此时，他已经31岁，在这年轻的生命成长中，除了幼儿时期和暂短的工作以外，他几乎都在不停的学习中忙碌着，东奔西走，上下求索。如今，对李四光来说，该是他向祖国贡献知识和学问的时候了！新的生活就要开始了！
李四光到地质系后，主要讲授岩石学和高等岩石学两门课程。他备课认真，一丝不苟。对学生的要求很严格，个性注意基础知识和基本功的训练。从岩石的肉眼识别，到显微镜下的鉴定以及进行全面的化学分析，他都要求学生能够掌握。他考试的方法不同于其他老师的方法，除了要进行笔头的问答以外，还发给学生几块岩石的标本，要求他们写出标本的名称、矿物成份、生成条件、与矿产的关系等等。他还极其重视书本以外的知识，经常带学生赴野外考察，边看边讲，边讲边看，要求同学们超多采集标本，回来后，归类整理，陈列在实验室供教学研究之用。
在长期的国外留学生活中，他亲身感受到中国人受尽歧视的耻辱，从而产生了强烈的民族自尊心。他曾说：我们不能不承认人家的文化程度比我们高，艺术比我们精。人家的地方已经开辟到十分田地，我们的一块沃土，还在那里荒着。请他们来做好了，再拱手奉还给我们，世界上恐怕没有那么一回事。所以，我们一线的生机，还是在我们的民族，大家打起精神，举起锄头向前挖去。所以，李四光上课的时候，除了科学上的一些专有名词以外，他始终坚持用中文讲解。有一次，上课的时候，一个学生叫他Mr.李，叫了几声，他就问那个学生叫谁？那个学生说：叫你。李四光说：你能够称我老李、小李或阿猫、阿狗什么的，但是我不准你叫我Mr.李。有一次，李四光带了七八个学生到宜昌做野外考察，在街上看见一个美国人坐人力车不给车钱，还要拿起手杖打拉车人。李四光看到后，气愤极了，就跑到美国人面前必须要他付车钱，并且不准打人。那个美国人开始愣了一下，之后一看是一个穿破西服的中国人，竟蛮不讲理地冷笑一下，准备一走了之。李四光和七八个学生操起地质锤把他拦住了。那个美国人一看事情不妙，只得乖乖地给了车钱，灰溜溜地走了。路上的行人都为此感到扬眉吐气。