徐光启利用守制三年的时间研究究农业科学。一六一九年，徐光启被任命为詹事府少詹事兼河南道监察御史管理练兵事务。练兵是与明王朝在东北与满洲军队交战的惨败相关的。万历四十七年（1619年），努尔哈赤率领其族属反抗明朝统治，宣称与明廷有七大恨。之后，明朝与努尔哈赤的军队在萨尔浒激战，而以明军溃败而终。这一战充分暴露了明朝军队的无能。于是，徐光启练兵的议论就出台了。万历四十七年（1619年）三月二十日，时为左春坊左赞善兼翰林院简讨的徐光启向皇帝上了《敷陈末议以殄凶酋》的奏疏。所谓“凶酋”，自然是对努尔哈赤的蔑称。在疏中，徐光启指出明军“兵杂而不精、技疏而不练、甲冑苦恶、器械朽钝、节制不谙、分合无权”的弊端，又说，像杜松这样的总兵官都因为没有像样的盔甲而被箭射破了头，士兵还谈什么盔甲呢？徐光启的建议是，应当赶紧训练一支能作战的新兵。当然，反对的人要说，敌人都已经快要将辽东半岛全部占领了，还来得及练兵么？对此，徐光启的回答是：“正惟无暇，方宜亟图。”意思是说，正因为来不及训练新兵，才得更要抓紧时间去做训练新兵这件事。这可见徐光启坚韧不拔的性格。他提出选练新兵的方法：在每府每县征召“奇杰之士”，给予丰厚的饷粮，让良将来统率他们，日夜练习，再补充最好的军器和盔甲，教给他们进退攻防的战术，就可以使他们成为一支每个人都可以以一当十的精军，而不是一支一击即溃的乌合之众。徐光启说，训练新兵要贵精不贵多，否则不过是让更多的士兵白白送死。训练的方法，应当比满洲的军队更好，才能完成退敌的任务。最后，徐光启对皇帝说：“如果我的议论完全得以付诸实施，而却不能奏效，我愿意承担夸夸其谈而误事之罪。”这番话等于是向皇帝立下了军令状。在明代，武官是相对的受到歧视的。士大夫们一般乐于夸夸其谈而不愿办事，尤其不敢筹划军国大事。因此，徐光启的举止说明了他有着一般人所不具有的勇于任事的气魄。结果，万历皇帝也被徐光启的勇气所打动，“壮其行”。然后，万历皇帝提拔徐光启为少詹事兼河南道御史，让他负责在北京东面的通州练兵。但是，徐光启的练兵方法实际上并未能完全实行。例如，他要求的装备就迟迟无法得到。最后，在他多次请求之后，才拔给了他一些民兵和一些军器。由于得不到朝廷的充分支持，通州练兵的效果并不明显。次年，万历皇帝及其儿子朱常洛在一个月左右间相继去世，熹宗即位。新帝登基，一切自然要改弦易张了。于是，通州练兵就不了了之。徐光启也在不久之后以病请辞，回到了家乡上海。
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