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1904年秋季，23岁的马寅初北上天津，迈进当时学子心目中的最高学府——北洋大学。
北洋大学创建于清光绪二十一年（1895），初名天津北洋西学学堂，是中国最早培养工程技术人才的一所现代大学。清光绪皇帝曾颁诏：“在北洋大学毕业即具有高深的学问……享进士出身。”清光绪二十六年（1900），因义和团运动，北洋大学校务中断；二十八年（1902），义和团运动风波已过，直隶总督兼北洋大臣袁世凯于西沽武库旧址将北洋大学重建（又俗称“西沽大学堂”），招收正科新生，二十九年（1903）四月一日重新开课。
北洋大学以西方一流大学为参照，师资延聘国内外名流，新生录取数十者选一，着重生员知识结构的新颖与全面，如考试内容中就有严复翻译的《天演论》和《群己权界论》。教学考核更以严格著称：学校明文规定，主课一门补考不及格者留级，留级累积即退学，淘汰率高达50%以上。严格的制度，保证了毕业生的质量，使其成为当时中国唯一本科学历为美国各名校承认、可以经考试直接进入研究院的学府。学制规定，正科四年，工科三年；当升入第二班（三年级）时，习专门课程，为法律、采矿、土木、机械四门。马寅初主选采矿专业，“自然科学功课如数学、化学、物理学、天文学、地质学、测量学等等”
，同时辅修文科，课程有“理财富国学”，这是他最早接触经济学。
北洋大学的学生为了避免淘汰，完成学业，无不投入百分之百的精力，以致坚持体育锻炼的时间都被挤掉了，不少体质差的同学身患痨病（肺结核），严重者竟赴黄泉。马寅初当时的身体也属羸弱，好在意志坚强、心绪达观，挺了过来。
采矿专业在中国是初建，学生跟着先生一起创制，属于诸学科中最苦的一门，除了课堂教学，还必须通过生产实习考核，课目包括探矿、测绘、下井采掘等。学校选定的实习地点，是北京宣化府的怀来煤矿。怀来坐落在燕山山脉的群峰之间。马寅初和同学一起，背着地质包，肩扛平板仪，攀岩穿谷，风餐露宿，探矿苗、采标本、测地形，乃至下井挖煤。这段经历，马寅初印象深刻：“那时北洋大学的学生也有生产实习。宣化府的怀来县矿区，即现在官厅水库一带的矿区都有我的足迹。那时煤矿开采的方法都很陈旧，上下矿坑非弯身曲背不可，不但吃力，而且出坑时差不多不像个人样子了。出矿坑后又要背着测量器具和三脚架等到高山顶上画画。那时我是体弱的，担当不了这样一个工作。”
几十年后说起也还心有余悸：“地质学是主课，但校内无标本可资研究，只读死书，有何用处？即在校外做实习工作，深入矿穴，测量矿藏，因该时矿藏多用土法开掘，不用机器，毫无保险设备，时有爆炸惨案发生，死伤无数。且穴中人，粪与穴中之煤，因光亮不足，无法辨别。出穴之后，蓬首垢面，臭不可当。尔时，余对自己曰，此路走不通也。”
话虽如此，马寅初的成绩在同届学生中还是优等。
万幸的是，马寅初无心继续的矿学专业提前结束了。起因是，北洋大学总办丁惟鲁和教务提调美国人丁家立不和，相互攻讦，诉之于北洋大学督办袁世凯。“项城以丁家立创办北洋大学，成绩斐然，厥功甚伟，若因私人之间稍有意见，即解除其职务，亦非持平之道。于是想出一个使三方面（即总办、教务提调与学生）满意的办法，其法维何？即派送学生赴美留学，以丁家立为留学生监督，款由津海关道台梁敦彦氏筹措。三方面闻之皆大欢喜，而余亦随之赴美留学矣。这真是余一生之转折点。余之留学资格，并非由留学考试及格取得，亦非因余办事成绩优良而取得，乃因师长闹意见而成为幸运儿。”
1906年，复校后的第一届学生未待毕业即全班送出，有刘瑞恒、赵天麟、王宠惠等34人。次年又有第二届学生冯熙运、马寅初等12人以优秀生身份被选送美国留学。1907年，北洋大学第一、二批赴美学生出洋后，丁家立亦于翌年辞去留美学生监督一职。后北洋大学又有第三、四两届学生共9人出洋留学，其中赴日者6人，赴比者2人，赴英者1人。再往后，学生出国留学，北洋大学只给予证明，取消了助学金。
这时的马家债台高筑，债主从上海赶到浦口催迫。好在马家族内有高人支了一招：把“树记”房产全部过卖给“钰记”，又付了一些现银打发债主，才留下了一座无名分的居所，不致全家流落街头。
留学生离校时，袁世凯亲自召见，给他们每人颁发了一张由其署名的“留学证书”，加盖大红关防。马寅初揣着“留学证书”回乡辞行。马棣生得知儿子要出国留学，欣喜若狂，亲自出门迎接，按中举方能用的仪式，在“树记”门前竖起旗杆，燃放鞭炮，连日办席，大宴宾客，还在总管庙唱了几天戏，比中了状元还要隆重，轰动了乡里。坊间自然少不了一番“五马齐全”初显灵验的议论，后来更把马寅初称为“末代举人”和“末代状元”，马家很是风光了一阵。
马寅初19岁在家乡奉母命娶妻。妻子张桂君，出自大户人家，贤淑仁慧，能勤俭持家，对公婆极尽孝道。婚后不久，生有一子，早夭。马寅初赴天津之时，张桂君又生下一个女儿，因慕东汉才女班昭，马寅初为之取名马仰班，此时已长到3岁，秀美伶俐，招人疼爱。马寅初赴美8年，张氏仰侍俯养，帮助全家度过了艰难岁月。离开了老父和妻女，马寅初怀着求索真理以拯国民的志向，走向了大洋彼岸。