回国后尽管经过了用非所学的八年，在严复的劝告下他也没有中断业务学习和学术研究，因而与铁路建设有关的学识才干一直没有受影响，这也是他复归业务从事津塘铁路建设伊始即迅速崭露头角的重要原因，更是他在京张铁路建筑中取得世人瞩目的辉煌成就之基础。
投入到繁忙的铁路工程建设以后，詹天佑的大部分精力花在了项目设计和人员、经费的争取和规划安排方面，纯学术的研究少了。但从来没有中断与工程有关的研究，前面提到的列车自动挂钩——“詹天佑钩”成功的发明（一说成功的引进）即为一个很好的证明。没有对国际铁路机械研究前沿领域的随时关注是不可能完成的。1914年，当詹天佑接替交通部次长冯鼎元到汉粤川铁路担任督办“高官”的时候，他也没有停止改进铁路技术的研究。曾花了很多心血和费用，做过独轨铁路的研究，对独轨行驶脚踏式的火车，还做过公开的演讲，可惜由于事务繁忙，最终没有完成。
除了个人坚持科研外，詹天佑还注意培养一代科技人才。早在辛亥革命前的1905年，即光绪三十一年，清政府举行归国留学生考试。这是一次科举制度的改革。考试的科目不再是八股旧学，而是西方新学。按照各个留学生在外国所学的内容，考试外国语文和科学，根据考试成绩授予翰林院职衔及进士等“功名”。这次考试的主试官是时为清廷大员，后来做过民国国务总理的唐绍仪，詹天佑和严复分别担任副试官。对于这样的科考制度变革，詹天佑自然非常高兴，第二年十月在给诺索布夫人的信中还兴奋地谈起此事，认为“这在中国考试制度上开辟了新纪元”，“八股文的考试终于被废除了”，“这也是中国有史以来的创举”。实际上他这是在欢呼中国的人才培养目标和方向发生根本性转折的开始。
在詹天佑生活的时代，真正经过工科学校系统教育出来的铁路工程技术人员是很少的。所以詹天佑特别注重在工程实践中培养这方面的人才。例如在京张铁路施工过程中，他就制订了工程技术人员培养任用的制度。其中将工程技术人员一共分为五等，即工程练习生、工程毕业生、帮工程司（师）、副工程司（师）、正工程司（师）。凡未受工科系统教育而进入铁路工作的优秀青年派为工程练习生，一面在工地学习，一面给予基本工程教育，六年后成为工程毕业生，再按其品行资历授以帮工程司（师）、副工程司（师）等职。
詹天佑还非常重视科技人员的品行，他当时明文规定：“凡堪以承充工程司（师）者，必须先品行而后学问。”正因为如此，詹天佑在自己职权所能管辖的范围内，在对被提升的工程技术人员进行品德方面的考核相当严格。他订出考核的四条标准是：洁己奉公，不辞劳怨；勤谨精细，恪守范围；志趋诚笃，无夹偏私；明体达用，善于调度。
此外，詹天佑还十分重视提拔有实践经验的、自学成才的人员担任基层领导工作。《交通史·路政篇》记载他规定：“正副工段长不必其学堂出身，惟必须熟悉铁路一切工程，深有实地历练，于测量、绘图、英文、算学虽未具有根柢学问，而于铁路一切程式，实有心得。考其学课，无毕业专门之深知；迹其行事，有独当一面之才能，节取专长，用资奋勉。”
应当说，当时在中国系统的工程教育还没有大规模设置的时候，詹天佑提出这些培养工程技术人才的思想和制度，是很有远见的，也是难能可贵的。可以这样认为，当我们国内的大学还没有工科毕业生以前，我国早年的铁路建设人才，多数是由詹天佑培养出来的。
不仅如此，在长期的工作实践中，詹天佑认识到人才培养教育固然重要，但如何合理使用和保护好人才，特别是中国自己的人才同样很重要。基于这样的认识，他对当时司空见惯的歧视中国工程技术人员的言行特别敏感，随时随地在自己职权范围内予以制止和纠正。
1912年9月，詹天佑派出中国工程师随湘鄂段英籍工程师格林森出发，对湖南衡州至湖北宜章一段铁路进行复测。在规定工程师等级的时候，格林森习惯地将外国人和中国人分开来，而外国工程师又明显地高于中国工程师。詹天佑知道后坚决反对，并予驳斥。他坚持规定业务等级只论学问，不分国籍。最后，格林森没有办法，只得收回原议。
第二年，詹天佑担任汉粤川铁路会办的时候，按照四国银行团借款合同，德国人雷纳为总工程师。有一天雷纳写信给当时的铁路督办冯鼎元，任意夸大其词，说“中国工程师能力不能胜任”，要求将其全部撤换，另外雇佣德国工程师来取代。詹天佑知道以后，马上意识到这不仅仅是一般的任免工程技术人员的小事，而是关系到民族尊严的大事。因为此例一开，其他借款铁路便会纷纷效法，中国工程师将会陆续遭排挤。他当下也写了一封信交给冯鼎元，要冯无论如何不要答应。老于世故的冯鼎元不想直接开罪洋人，回信给雷纳说：这种事已授权会办詹天佑决定，要雷纳找詹天佑去解决。詹天佑先发制人，他将雷纳召到办公室，他们进行了如下的对话：
“雷纳先生，督办冯大人转来了您写给他的这封信。”在他们坐下后，詹天佑严肃而不失礼貌地问道：“有些问题我还不太明白，请您来解释一下。”
“还有什么问题呢？”雷纳带着日耳曼人特有的傲慢地问。作为在铁路上工作多年的德国工程师，他自然知道詹天佑在铁路工程界的学识才干，但作为一个洋人，他对整个“东亚病夫”始终摆脱不了居高临下的优越感。今天他的这种态度激怒了詹天佑。
“简单地说吧，”詹天佑掂了掂手中的信函，“这封信在文字上有没有错误呢？”
“什么？”雷纳简直不相信自己的耳朵，他没想到眼前这位平日不善言辞的中国会办竟然挑他信中的语病，在他看来几乎是天方夜谭。他立即不假思索地断言：“绝无错误！”
“是吗？”詹天佑不紧不慢地问，“那么先生信中所谓‘中国工程师能力不能够胜任’，指的是什么呢？”
“詹会办问的是这个？”雷纳愣了一下，似乎有点心虚，“就是说被派在汉宜段中有若干中国工程技术人员不能胜任他们所担负的工作。”
“可您信中说的可不是‘若干’，而是指中国工程师能力不能够胜任。”詹天佑不让对方有任何狡辩的余地，立即将原信退还给雷纳，加重了语气说：“两句话意思的区别，先生应该比谁都清楚。这封信写错了，必须重写。”
雷纳没有吭气，心里想这个中国会办太厉害了。引人入圈套，治得你猝不及防，没有任何抗辩的理由。真是应了中国一句古诗：“寻常看不见，偶尔露峥嵘。”见他这样，詹天佑没有再进一步追逼，只是告诉他，今后如查清有中国工程师能力确实有不够标准的，自然可以撤换，另选够标准的来代替，也不能因为是中国人就姑息迁就。
“但是”，詹天佑随之稍稍提高了嗓音，“中国工程技术人员出缺，必须由中国工程技术人员补充。而且根据合同，即使聘用外籍人员，也必须聘请有经验、够标准，并仅以较高级人员为限，不能随便降低标准。”
一席话说得雷纳无言以对，日耳曼人特有的傲慢一扫而空，枯坐一阵后只得告退。
除了保护中国铁路建设人才不受歧视和压抑外，詹天佑还特别注意关心他们的生活疾苦。还在1906年，京张铁路初造之时，作为总工程师的他就在北京阜成门外设立了阜成门医院，为铁路职工及其家属治病。1910年阜成门医院改名为京张铁路医院，并在下花园、张家口、天镇及大同等处设立了分院。为广大铁路员工解除了后顾之忧，大受铁路界人士的好评，人们纷纷称赞这是詹总为下属操办的德政。
同时，詹天佑对下属并不是一味迁就，他对青年工程技术人员要求之严格也是出了名的。还记得京张铁路勘测的时候，詹天佑以复查的方式为青年技术人员做示范的事。尽管如此做法会引来个别人的不满，但詹天佑认为这样严格要求是对的，坚持不懈，经过耐心解释，最终还是赢得了青年人的拥戴。1916年，詹天佑在武汉欧美同学会恳亲会上发表过一篇演说辞，其中流露出他对那些贪污腐化、颠倒黑白的官僚政客的深恶痛绝，并对那些官僚政客作了诙谐的讽刺。他呼吁中国工程师应当“各出所学，各尽所知，使国家富强，不受外侮，足以自立于地球之上”。他还写过《告青年工学家》一文，勉励青年要努力研究以求创造发明（“精研学术，以资发明”），他形象地比喻说：学术就像铜镜和钢铁一样，愈经磨炼愈加明亮和坚硬。“镜以淬而日明，钢以炼而益坚。凡诸学术，进境无穷；驾轻就熟，乃有发明。”他还告诫青年工程技术人员要谦虚、谨慎，不断学习。他列举了世界上许多卓有成就的青年科学家、工程家以后尖锐地指出：
返观乎我国工学界，则所发明者尚稀有所闻，岂智力不若欧美，而司梯芬生、瓦特、富兰克林、毛利之流，不能产生于中国耶？曰否，惟怠于深求，研究不足所致耳。青年学子，一出校门，辄辍学业，得一位置，已自满足。及至实地工作，亦惟求称职而已。至于退食之暇，尚发奋求学者实为少数。
詹天佑教导青年要加强修养，他说：不要刻意去迎合别人，也不要沽名钓誉。要以诚恳待人，不要总是以自我为中心，斤斤计较，不能做一点奉献。为了争权夺利而同室操戈，为了泄小愤而不惜伤害他人，这样的人永远不会有出息。“视公事如家事，以己心谅人心。皆我青年工学家所必守之道德也。”他劝告青年们要虚心地学习，要安心于细小的工作。行远路必须自眼前起步，登高山必须从低处开始。不能设想自己一夜之间就功成名就。他说：工程事业，必学术经验相辅而行，徒恃空谈，断难任事……勿袭高深之学说（好高骛远），勿以下位为鄙夷，勿方出校门，遽以为人不我若……力祛骄矜，以勤谨为方针，务求深造……若夫浮躁狂妄者流，未有不败者。
詹天佑的这些言论，充分说明了他在学术、业务、品行各方面对人才培养的严格要求，他决不是那种以小恩小惠收买人心的政客。
最能体现詹天佑在致力学术、培养人才方面作出努力的是他创建了中华工程师学会。
中华工程师学会最初于民国元年（1912年）在广州成立。开始时名为中华工程师会，主要由原籍广东的工程师组成。他们推选詹天佑为会长。同年稍前，因辛亥革命爆发，铁路工程暂时停工，聚集在上海的一些工程技术人员，已由曾经协助詹天佑经办京张铁路的颜德庆以及濮登青、吴健等，发起组织了中华工学会。由于这个学会对会员资格限制太严，未能普遍吸收广大的工程技术人员。其时又有工程师多人发起成立中华铁路路工同人共济会，广泛地吸收会员，以弥补此会的不足。
因这样性质相似的团体有三个，皆带有明显的地方色彩，各会的会员就产生了合并成立全国性团体的意愿。这一年夏天，詹天佑因公去上海，在他的倡议下，三会合并，正式定名为中华工程师会，所有三会的会员，不分等级，一律作为发起会员。新成立的中华工程师会设事务所于汉口，推选詹天佑为会长。1913年，袁世凯取得了独裁权力之后，为了巩固自己的统治，对一切人民团体均施以压力，迫令解散。中华工程师会自亦不能例外。为了保存这个团体，更好地进行学术和业务交流，詹天佑主持修改了中华工程师会章程，改名为中华工程师学会，公开表明它的纯学术性质，因而得以被批准继续存在。
在詹天佑的维护和主持之下，中华工程师学会获得了长足的发展，他们开展了各种各样的活动，在团结全国工程技术人员和推动科学事业方面，都起到了十分积极的作用。
该会并刊行有《中华工程师学会会报》，借以交流技术和工作经验，并出版发行了许多科技书籍。詹天佑编撰的我国第一部工程技术辞典《华英工学字汇》以及《京张铁路工程纪略》、《京张铁路标准图》等著述，也是该会出版的，它们对于提高青年工程技术人员的业务水平无疑有着切实的益处。
1916年9月，在詹天佑的倡导和资助下，中华工程师学会由汉口迁至北京，在西单报子街购买了永久性的办公场所，詹天佑延请老同学，前粤汉铁路总工程师邝孙谋驻会帮助他主持会务。也就在这一年，为了表彰詹天佑的学识和功勋，香港大学特授予他名誉法学博士学位。詹天佑亲往香港接受这一荣誉。这是在该校获得此项荣誉的第一位中国人。
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