李四光怀着“科学救国”志向从海外归来，自然也是以科学家姿态从事教学工作的。他赞同法国科学家巴斯德的见解：“科学是没有国界的，因为它是属于全人类的财富，是照亮世界的火把，但学者属于祖国。”
1904年以来，李四光从两次出国留学和在武汉负责实业管理的亲身经历中深刻感受到，目前祖国的自然科学水平，尤其是地质科学水平与世界上的发达国家相比差距甚大。正是由于这种甚大差距的长期存在，才导致五千年的文明古国于近、现代显得工业落后，民族贫弱，听任列强宰割。那么，为使中华民族尽快复兴，就必须在科学水平上努力缩小与发达国家的差距；而缩小这种差距的提，则除了推动陈腐社会制度的变革之外，就是培育世代传承的科学英才；为了造就振兴中华的科学精英，又需要在教育观念和教学方式上进行一番紧跟时代步伐的大胆改革。
李四光对北京大学的校风感到满意，觉得在这里试行教学改革没有多大阻力，因而对各项工作也都充满信心。他在地质系同时承担岩石学和高等岩石学两门课程，加上指导学生实习，每周授课23小时。为了教好这两门课程，他要求学生人人都要掌握与之相应的数学、物理、生物、化学，乃至矿物学、地层学等多学科的基础知识，达到以广博求精深的目的。
课堂讲授与实验指导的相辅相成，是李四光教学工作的显著特点。如果说课堂讲授属于传授书本知识，那么这种书本知识只有再度经过实验证明才能化作牢固的学问。因此，李四光的课堂往往等于师生之间共同动脑、动手的实验工场。每次上课之前，他都根据教材内容和学生的理解能力写好启发引导提纲，并且备足岩石标本、形象挂图和专用显微镜等各样直观教具及操作仪器。上课时，他多以指导者的身份出现，把同学们的注意力引入规定性的单元章节里，通过必要的讲授不时展开当众的问答、讨论和组织大家利用标本、图例及仪器进行观察与分析，直至得出扎扎实实的结论方能认可。从而打破了先生只管动嘴，学生只能动耳的传统性机械讲课模式，课堂气氛非常活跃。
学业考试更为独特，致使学生事先摸不着任何头脑。例如首次考试，同学们大都遵从以往的习惯背诵讲义，同时选拔重点进行押题，渴望取得优秀成绩。但是，大家谁都没有想到这位可敬的李教授只在黑板上写了两道闭卷考试题目。此外，大部分时间是发给在场者每人几块不同类别的岩石标本，指令学生按照标本编号写出各自的准确名称、矿物成分、生成条件，以及与哪些矿产具有直接相连的关系，等等。如此考试把一向“善考”的学生顿时难住了，不少人直至下课铃声响起仍在抓耳挠腮。走出课堂相互口吐舌头，暗暗埋怨老师古怪。然而，经过一番议论之后，却又觉得怪而不怪，似乎感到惟有如此才有助于把所学的知识化作一种实际运用的能力，由此则深刻理解了李教授的良苦用心，进而更加敬佩这位教学脱俗的师长。
地质教学具有自身的鲜明特点，这便是需要走出课堂进行野外作业，尤其是岩石学课程更是离不开这个环节。李四光非常重视这个环节，虽然当时的教学经费比较短缺，但他还是想方设法积极筹措，并且不辞辛苦带领学生一道外出。他认为野外作业是提高学生综合素质与培养学生实际工作能力的关键步骤，也是考察祖国地形、地貌和地质结构的基本途径，无论从哪个方面来说，都是至关重要的。
，事实正是如此。1921年春季，李四光带领学生几次到北京西郊开展实地考察。路线是：由三家店至金庄河畔的山下。按着教学要求，大家首先依据原有的地质图表辨认当地的地质构造。然而，经过反复地核对，大家发现了不能自圆其说的学术结论。遵照《西山地质图》上的说明，这一带应该属于石炭二叠纪的辉绿岩和庙岭砂岩区，可是大家观察用地质锤敲打下来的所有碎片，却都是白色的石灰岩，无疑属于震旦纪。
是图表的记载错了，还是大家的辨析存在偏差？李四光觉得这是一个不容忽视的重要问题。他领着学生继续考察，全方位识别，结果证实学生们的怀疑有理。这一带确实盛产石灰岩，甚至还专铺一条便道铁路不断从这里开采石灰岩运到金庄的铁矿公司。但是，很多同学不敢轻易怀疑《西山地质图》会有错误，因为该图是一位知名的外国地质学家亲手绘制和标明的，况且又是经过官方地质权威机构审定的出版物。这时，全体同学一致希望敬爱的李教授给予圆满解释。
李四光太高兴、太激动了！他审视这些年轻学子那种极端认真的求实神态，心里在想：“曾几何时，转眼之间同学们都成熟得多了！”是的，这是多么值得珍惜的科学态度啊！科学是什么？科学就是整理事实，以便从中得出普遍的规律或结论。它的反面则是盲从与迷信。这就是人们所说的“真知灼见首先来自多思善疑”的道理吧。为了支持同学们的科学态度，鼓励大家的独立思索精神，他面对现实与身边的年轻学子们开展一场教学相长的和谐对话。他平易近人地启发大家说：
“从现实情况判断，我以为大致有两个问题需要大家再度思考：一是由于我们自己的经验不足，尚难理解图表上的标志含义；二是尽管图表作者属于学术权威，也曾来到这里做过调查，但是因为观察和辨析得不够慎重，或者当时没有进行细致的记录，而后仅凭记忆中的大概印象仓促绘图并作如此说明的。”
“可是，李教授，我们所做的一切都是您亲眼得见的呀。”一个学生否定前一种可能性，接着申辩道，“再说，眼前的岩石都是您指导我们鉴定的，大家共同认为丝毫没有差错……”
“是的，咱们的工作属实没有丝毫差错。”李四光当众表态赞成这个同学的意见。
“那么，归到学术结论上，到底是谁错了？我们应该相信谁呢？”另一个同学进一步征询老师的明确见解。
李四光笑了，他拍着这个同学的肩膀对大家说：
“我们应该相信事实，服从真理！”
“噢——”李四光的话音刚落，同学们便高兴得欢呼起来，“相信事实，服从真理……”
这次野外作业，使同学们大长见识，更加崇敬眼前的李教授，更加愿意跟随这位教授进行任何艰苦细致的野外实习。他们多次奔赴华北平原开展各项考察，哪怕是一个山包、一条沟谷、一堆石子，乃至一排地壳的裂缝都不放过，而且经常自发地提出问题互相讨论。在考察与探讨的过程中，大家还在李四光的具体指导下，对各种地层的层序、走向、倾角，以及断裂方位等各个方面都作好实测记录。每次实习回来，同学们都自觉地背回很多有价值的岩石标本，并把它们分类整理、贴上标签，有序地陈列在实验室里，成为地质宝库中的颗颗明珠。
李四光对同学们做的一切都特别满意，同学们的思想情感与自己的老师融为一体，大家都把李四光看成是人生难得的良师益友。一次，李四光带领同学们在西山杨家屯煤矿实习，晚上回到住地，只见一位名叫杨钟健的高年级学生背着一块含有植物化石的大石头，兴致勃勃地放在李四光面前。李四光看了感到格外满意，打量着满脸汗水的杨钟健，借用陶渊明《归田园居》诗句中“戴月荷锄归”风趣地对杨钟健说：“你这该是‘戴月荷石归’啊。”一句话说得师生之间开怀大笑。
杨钟健是李四光的高才生，后来成为著名的古生物学家。新中国成立后，曾任中国科学院古脊椎动物与古人类研究所所长、中国科学院学部委员，并著有《李四光老师回忆录》。其他同学也不乏祖国科学战线，尤其是地质领域的知名专家或学者。有些人同杨钟健一样，也在新中国成立之后继续在李四光领导下致力于科学研究。因为李四光就是中国科学院的副院长、中华全国自然科学专门学会联合会主席及中华人民共和国地质部部长。