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在垦务局，张光斗结识了一同实习的清华留美学生张昌龄。他比张光斗高一届，二人志趣相投，相处甚好。
一天，张光斗接到清华导师汪胡桢先生的来信，要他代表中国水利学会去马萨诸塞州参加在哈佛大学举办的国际土力学和基础工程学会成立大会。张光斗接到此信，犹豫不安，因为当时的他对土力学一窍不通。经张昌龄再三劝说，张光斗最终抱着学点东西的目的去参加了会议。
到了哈佛大学，他听取了不少会议报告。虽不能完全听懂，但收获不少。此行最大的收获就是，他发现大名鼎鼎的力学专家威斯脱伽特和土力学权威卡萨格兰地两位教授都在哈佛大学工学院任教，于是萌生了到哈佛大学攻读力学研究生的念头，以便将来从事大坝设计工作。经过清华大学驻美办事处的批准和国内导师的同意，张光斗转学到了哈佛大学。他回到丹佛城垦务局后，萨凡奇先生也很赞同他师从威斯脱伽特教授。
1936年下半年，张光斗正式到哈佛大学工学院学习。这一次，他的恩师是赫赫有名的威斯脱伽特。张光斗选修了导师的弹性理论课和研究论文课。他很喜欢哈佛大学的课程，虽然有时学起来比较吃力，例如学习单行理论课用到的向量数学学起来就比较辛苦，但他从不曾放弃。一段时间后，威斯脱伽特教授对他的勤奋努力和优异的成绩赞赏有加，建议他多做一些研究性工作，还常带他出席一些重要的力学会议。
到了寒假，威斯脱伽特教授要到密歇根安阿伯城密州大学参加力学会议，他让张光斗也去。张光斗乘火车去开会，哪知道搞错了方向，误打误撞进了加拿大的辖区，结果被查票员发现他无签证入境，被送回美国，然后又换乘火车才到达安阿伯城。在密州大学，他巧遇了交大的同班同学张仁滔，他乡遇故知，自然格外高兴。热心的张仁滔硬要介绍夫人的同学钱玫荫给张光斗认识。当然，独居异国他乡的张光斗通过书信往来结识了钱玫荫小姐——日后，这场小插曲还真促成了一段金玉良缘。
1937年6月，张光斗两年的留学期满。为巩固学业，他申请延长半年，得到了批准。导师威斯脱伽特教授殷切希望这个来自中国的优秀学生能留在哈佛继续攻读博士学位，张光斗却期望能够早日回国，报效桑梓，况且留学期限只剩半年，来不及攻读博士学位。威斯脱伽特教授劝说道，这些问题都可以解决，而且保证一年后就授予博士学位，同时给他一等奖学金。考虑再三，张光斗同意继续留在美国读博。
于是，张光斗准备参加哈佛大学的博士生入学考试。他面临的最大困难就是通过法语考试，因为当时哈佛规定考生必须通过一门第二外语。张光斗的法语老师是振动学权威邓哈托，也是考试的主考官。经过两个月的刻苦准备，张光斗居然通过了他最为担心的法语考试——他估摸着，是威斯脱伽特请邓哈托教授照顾了自己。因为考的都是邓哈托课上教过的内容，可见，威斯脱伽特是多么想留住这个优秀的中国学生。
张光斗对这位丹麦籍的老教授也充满了感激。自他来到哈佛工学院后，几乎每个节假日，威斯脱伽特教授都要请张光斗到自己家里做客。有一次，张光斗问起，恩师何以如此款待这位来自遥远中国的留学生？老教授感慨万千地说起自己的经历——他来自丹麦，当初在哥本哈根大学毕业后来美国读研究生。只身一人求学异国，多亏导师指点照顾，才得到硕士、博士学位和留校任教的机会，导师还把自己心爱的女儿嫁给了他。而现在，该是他像导师一样来帮助那些外国留学生的时候了。
张光斗被恩师威斯脱伽特先生的这番话感动了，他觉得，在异国他乡居然遇到这样亦师亦友的老教授，真是命运之垂怜，人生之幸事。
1937年6月，张光斗获得了哈佛大学的硕士学位。暑假来临，他希望能再次去垦务局实习锻炼，威斯脱伽特教授很赞成，特意给萨凡奇写信交代此事。
再次来到丹佛，再次见到萨凡奇，张光斗分外高兴。他仍然在去年的岗位上实习，但分配给他的校核设计工作提高了一个档次。
实习期间，张光斗和同在垦务局实习的中国留学生时常相聚，共议国事。
1937年7月，北平卢沟桥发生了“七七事变”，日寇全面发动对华战争。事变之后，国共联合抗日的消息让太平洋东岸的中国留学生欢呼雀跃，热血沸腾。报纸上、电台里有关中国抗战的消息不断刺激着留学生敏感的神经，他们几乎每天聚会，谈论战事，商量大家如何寻找机会报效祖国。虽然他们完全可以继续留在美国完成学业，但考虑到目前是战乱时期，正是国家用人之际，他们即使留在美国，也难以安心向学。“天下兴亡，匹夫有责”！眼下正是有志青年回国参战、奉献青春的大好时机。那时，清华留美办事处主任孟治劝张光斗暂时不要回国，继续留在美国完成学业，但张光斗却说：“我的国家在抗战，我不回去不安心！”——想到硝烟弥漫、山河破碎的祖国，张光斗恨不得立即飞回去，把自己学会的本领用到拯救民族和国家的大业中去。
张光斗写信给哈佛恩师威斯脱伽特教授，表明放弃学业回国参战的决心。导师显然希望他继续留美学习，因为在他看来目前张光斗能做的抗战工作不多，更何况回国就无法继续学习，但张光斗去意已坚。威斯脱伽特教授回了一封热情洋溢的信给张光斗，信中说道，他愿意尊重张光斗的爱国之心，理解他回国心切，但哈佛大学工学院的门永远向他敞开，无论什么时候哈佛都欢迎他。收此书信，张光斗感动不已——恩师情比泰山重。
就这样，张光斗中断学业，回国了。