回国后，为了尽快胜任新的职务，张学思分秒必争，抓紧一切时间如饥似渴地学习海军专业知识，他不耻下问，请海军司令部的各位业务长给他上课，向下属各部的部长、参谋请教，走到那里，他就学到那里。张学思还特别爱买书，只要是发现有航海、航舰、海军、海战方面的书籍和材料，他都想方设法购买和搜集，并且“爱屋及乌”，凡是有关海洋的书，不管是科技的、探险的、人物传记、甚至小说和科幻作品，只要和海沾上边，他照买不误。妻子谢雪萍看他买书的劲头，感叹地说：“你呀，真是全心全意爱上你所干的那一行啦！”
随着广泛、深入、大量的阅读，张学思的理论水平得到了长足的进步，但他并没有满足于纸上谈兵，为了更好的熟悉海军业务，他还经常下基层部队搞调查研究，深入到第一线了解具体情况，做到心中有数，发现问题，解决问题，一丝不苟。在海军中，张学思赢得了工作严谨、深入细致的好评。
1955年9月，张学思被授予海军少将军衔。1956年8月，张学思又接到了组织上新的任务——到苏联列宁格勒伏罗希洛夫海军学院留学深造，这是张学思一直以来梦寐以求的心愿，他兴奋得夜不能寐。他迅速整装待发，赶往苏联。
到了伏罗希洛夫海军学院后，张学思凭着扎实的数理和外语基础，申请进入速成班学习。速成班是专为有一定专业基础的高级海军干部开设的，学的课程是浓缩的，它要求在十五个月（三个学期）时间学完本科头三年的课程，因此，张学思的学习任务相当繁重。除了学院规定的课程外，张学思还广泛地查阅了大量的海军资料，他成了图书馆和保密室的常客，他珍惜每一分钟，抓紧时间阅读、摘抄和研究，有些来不及抄，张学思就凭着非凡的记忆力背下来，回到宿舍后，再整理成文。就这样，张学思在留学期间，积累了一本又一本的学习笔记，后来这些宝贵的资料在我国人民海军的建设中发挥了巨大的作用。
在列宁格勒期间，张学思将所有的时间都用到了学习上，周末图书馆和保密室本来是不对外开放的，在张学思的强烈要求下，也破例为中国学员开放了，张学思怀着一种紧迫感在拼命地和时间赛跑，他的学习内容，早就远远超过了教学计划所规定的要求！一年一度的寒假，张学思也没有舍得归国度假，他的假期计划，早已安排得满满当当，想念妻子儿女的强烈感情，被他狠命地压制到了脑后。
张学思把自己所学到的知识，毫无保留地全部都奉献给了人民海军的建设事业。每隔几个月，他就会将自己的学习体会和当前国际上海军发展的信息写信汇报给海军首长，有的信甚至长达万言。与其说是信，倒不如说是他学以致用的论著，它对我国的海军事业的发展提出了不少有建设性的意见。这些信件，后来都成了我国海军发展规划的宝贵资料。
1957年11月，张学思以优异的成绩从速成班结业并转入本科四年级学习，1958年秋末，张学思如愿获得了伏罗希洛夫海军学院本科毕业文凭。年逾不惑的张学思用两年的时间完成了四年的学业，又一次被人们誉为“高才生”。
1961年3月，张学思升任海军司令部参谋长，肩上的担子更重了。6月，为了了解、掌握我国自行制造的潜艇的实际性能，张学思随“0三”型潜艇进行练习性远航。历经20余天的航行，张学思取得了大量第一手的资料，对国产潜艇的各项性能和优劣有了较为详细的了解，并提出了改进意见。9月，张学思又率舰艇巡逻编队，远赴西沙群岛考察、巡视，途中遭遇台风，情况十分危急，面对突发情况，张学思沉着冷静，他果断地指挥编队先暂泊永兴岛躲避风暴，最终战胜了风浪，圆满地完成了考察任务。
1963年5月对“跃进号”沉没原因的调查是张学思完成的又一项重大任务。“跃进号”出事区为公海，当时的国际形势十分复杂，一些大国的舰艇经常在这一代游弋，台湾、韩国的舰只也时常出没于此，所以，“跃进号”沉没的原因成了国际关注的焦点，赴现场调查有非同寻常的意义。为了确保万无一失，张学思和陶勇等东海舰队的领导亲自制定调查方案，反复斟酌，多次修改，对于每一个环节，例如编队航渡、搜索目标、巡逻警戒、潜水探查、空中保护、通讯保障等问题，张学思都思虑再三，周密布置。此外，张学思还逐个与潜水员谈话，使他们充分认识到任务的光荣性和艰巨性，他们纷纷表示绝不辜负党和国家付与的重托。
在国内外关注的目光下，5月18日，调查“跃进号”沉没原因的编队出航了，张学思负责岸上指挥，随时与舰队保持着联络。经过详细探查，最终查明了“跃进号”失事原因，与张学思当初的判断完全吻合，是由于偏离了航线，触到了苏岩礁上，触礁后又处置不当，致使船体损坏严重而沉没，并不是一场国际性的政治事件。
张学思赶到北京向周总理汇报调查情况，对于此次如此庞大的海上行动，从兵力部署、组织协同到通讯联络、物质器材的保证，指挥机关和出海舰队一切都做得迅速、及时、有序、无误，周总理非常满意，高度评价了海军的工作，称赞张学思是“精通海军业务、有能力、有水平的好参谋长。”
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