1966年5月至1976年10月的“文化大革命”，使党、国家和人民遭到建国以来最严重的挫折和损失。“文革”期间，在极左路线干扰下，清华正常秩序被打乱，教学、科研等工作几乎陷于停顿状态。然而，清华的师生员工对“四人帮”的倒行逆施进行了坚决抵制与抗争，并在十分困难的条件下坚持着一些教学、科研和后勤服务工作。
文化大革命在清华
从1965年底批判吴晗《海瑞罢官》起到1966年5月16日《中共中央通知》，标志着“文化大革命”的开始。历史证明发动“文化大革命”的主要论点及其极左路线，既不符合马克思列宁主义、也不符合中国实际，是完全错误的。“文化大革命”给全国带来历时十年的动荡，清华正常的教学科研工作也被打乱了，进而成为“文革”的“重灾区”。
1966年6月1日新华社全文广播北大聂元梓的大字报，掀开了高校中“文化大革命”的序幕。和全国一样，清华在政治风云变幻中动荡，师生们被迫停课参加运动，大批干部被打成“黑帮”受到批斗。6月13日，中共北京市委宣布派工作组进校，并宣布党委书记、校长蒋南翔停职反省。之后部分学生贴出对工作组诘问的大字报，8月工作组撤离学校；由各系学生为主的文革联席会议组成的校文革临时筹委会，主持学校运动和日常工作。但不久清华纷纷成立许多红卫兵组织，学校工作完全处于混乱状态。
“文化大革命”中席卷全国并震惊世界的红卫兵运动起源于清华附中，1966年6月2日，清华附中正式贴出署名“红卫兵”的大字报，表示“坚决将无产阶级文化大革命进行到底”，尔后北京各中学学生纷纷涌到清华附中表示支持，于是“红卫兵”的名字不胫而走。8月1日，毛主席复信清华附中红卫兵，对他们“对反动派造反有理”的行动“表示热烈的支持”。从8月18日起至11月，毛泽东在天安门广场先后8次接见“红卫兵”和学生总共1100万人，这些以及兴起的全国“大串联”的运动，将红卫兵运动推向高潮。红卫兵“充当了文化革命这个群众运动冲锋陷阵的急先锋”，以“破四旧”为由进行“打砸抢”，以“实行无产阶级专政”为名进行“红色恐怖”，极其严重地破坏了中国的传统文化并伤害了众多无辜的干部和群众，清华第一个校门——“二校门”也在此时被毁。
之后，清华全校“停课闹革命”，学生们各行其是地进行大批判、大辩论、贴大字报等。清华成立红卫兵井冈山兵团，经过“夺权”掌握了学校行政权力。清华井冈山和北大、地院、北航等首都红卫兵组织被“四人帮”极左路线所利用，曾在全国造成恶劣影响。1967年4月，清华井冈山红卫兵组织分裂为“井冈山总部”与“井冈山兵团414总部”两派，陷于无休止的争论，到1968年4月两派发生武斗，持续百日之久。此一时期，学校基本处于瘫痪状态，大部分师生纷纷离校。1968年7月27日，中共中央派首都工农毛泽东思想宣传队（简称工宣队）和解放军宣传队（简称军宣队）进校，制止了武斗，稳定了局势，接管了学校全部领导权。1969年1月25日，由军宣队、工宣队为主组成的清华大学革命委员会成立，1970年1月学校成立党委会，全面领导学校工作。
干扰破坏与抵制
清华在军宣队、工宣队领导下结束了无政府状况，但是迟群等人在清华竭力推行极左路线，违背教育规律，严重干扰和破坏了清华一以贯之的办学道路。他们一方面发动“清理阶级队伍”、揪“5·16”分子、反击“右倾·案风”等一系列“斗、批、改”运动，提出“在上层建筑领域包括各个文化领域对资产阶级实行全面专政”，致使广大干部和知识分子身心遭受迫害和摧残；1969年5月，学校在江西鲤鱼洲建立试验农场，3000余名教职工先后下放到农场劳动，接受“再教育”，其中千余人染上了血吸虫病。另一方面，他们鼓吹极左路线的办学思想和“无产阶级教育革命”，1970年7月21日，清华大学工人、解放军毛泽东思想宣传队在《红旗》杂志署名发表了《为创办社会主义理工科大学而奋斗》的文章，推行“要始终以阶级斗争为主课”的所谓六条基本经验，并被推广成为全国高等学校的办学指导思想，在清华和全国高校造成了严重的错误影响。
这一时期，清华的广大教职工和干部凭着教育工作者的良知、对教育事业的忠诚，同“四人帮”及其极左路线的倒行逆施进行了抗争和抵制。蒋南翔在整个文化大革命期间坚持真理，不向邪恶势力低头，在1972年批驳了《创办》的错误观点；清华大学前党委副书记刘冰、何东昌等干部和广大师生，坚持认为清华不是“黑线”，对迟群等人的逆行予以了揭露和抨击。清华的教师们在十分困难的条件下，努力教学，力图使学校的工作符合教育规律而少受损失。从实际出发，采取为工农兵学员补习文化课、恢复基础课教研组、增加系统理论教学时间、恢复和加强实验室开展科研工作、对年轻教师进行业务培训等措施，以期稳定教学秩序、提高教学质量。但是，被迟群等人视为“右倾回潮的表现”而受到批判，使学校的教学工作再一次受到严重干扰和破坏。1976年1月周恩来总理逝世，首都人民利用清明节不顾“四人帮”的阻力举行悼念活动，不少清华师生也冲破封锁，步行到天安门广场献上白花。
系科建制频繁变动
“文化大革命期间”，清华大学系科建制变动大，专业设置变动频繁。1970年8月，根据清华大学专业体制调整方案，全校拟定设置三厂、七系、一连、一个基础课和两个分校，即试验化工厂、汽车厂、精密仪器及机床厂；电力工程系、工业自动化系、化学工程系、土木建筑工程系、水利工程系、工程物理系、工程力学数学系；机修连；基础课；四川绵阳分校、江西分校（试验农场）。
当时，将原动力机械系的锅炉、燃气轮机等专业与原电机工程系的电机、发电、高压等专业合并成立电力工程系；将原电机工程系的电器、工业企业自动化专业与原动力机械系热能动力装置专业中的热力设备自动化专门化及热工测量专业等合并成立工业自动化系；将冶金系与原农业机械系的汽车拖À机专业、精密仪器及机械制造系的机械制造专业和机械厂合并，成立清华大学汽车制造厂。同年，又经调整，将工程力学数学系计算数学专业的一部分转入自动控制系，组建计算机软件专业，又将无线电电子学系留在北京的电视专业和半导体车间并入自动控制系，其系名改为电子工程系。此外，土木建筑工程系改为建筑工程系，工程化学系改称化学工程系，工程力学数学系改为工程力学系。
至1970年底，清华大学本部设电力工程系、机械制造系、精密仪器系、水利工程系、建筑工程系、电子工程系（电子厂）、工业自动化系（后改称自动化系）、工程物理系、化学工程系、工程力学系等10个系。1972年全校设有10个系和1个分校（四川绵阳分校），共有48个专业。1975年，建筑工程系增设抗震工程专业；水利系增设治河泥沙专业；电子工程系增设微电机专业；工程物理系增设重同位素分离专业。全校10个系和绵阳分校共有52个本科专业。
“文革”期间，清华采取“开门办学”和多种形式办学。清华大学在校外或京郊先后建有江西鲤鱼洲试验农场（后又称为江西分校）、四川绵阳分校、大兴农村分校等3个分校和水利系三门峡办学基地1个办学基地。
同时，举办各类进修班和业余大学。1969年清华大学开展“教育革命”试点，就是从办老工人进修班开始的，第一批老工人进修班的学员首先提出了“上大学、管大学，用毛泽东思想改造大学”的口号，这一口号也迅速传遍全国。随后几年每年都招生，学制一年至一年半。至1976年4月，已有42个班1千多名学员毕业，在校的仍有18个班500多名学员。在此期间，还举办了多种专业进修班（如专门为解放军学员开办的计算数学进修班等）和各类短期培训班（如房屋抗震短期培训班等）。为此，不仅在校内而且在校外还设立了多个办学点，采取“请进来，走出去”的办法，“给工农兵送学上门”。
1970年招生的系为：精密仪器与机械、原子能、汽车制造、自动化、电力工程、数学力学、建筑工程、水利工程、工程物理等10系，以及四川分校（无线电工程）、江西分校（试验农场）。之后，各系科名称及专业再次进行调整。至1975年，全校共有10个系和绵阳分校共52个本科专业。此外，1974年成立的北京大兴农村分校还设有农机、农电、农建和农水等4个专科专业。 清华大学还成立了业余大学，于1975年3月31日举行开学典礼。业余大学设有普通机械、普通电工、自动化、汽车维修、金相热处理、焊接、锻压、铸工、化工设备与原理、环境保护等10个专业，学制分为半年、一年或两年不等，每周学习两个晚上一个下午。招收学员采取自愿报名、群众推荐、本单位领导批准和学校同意的办法。首届学员共招收了1400余人，来自179个工厂与单位。其中一年制的518人于1976年5月22日举行了毕业典礼，毕业学员全部回原单位工作。
招收工农兵学员 1966年6月“文化大革命”开始后，随即学校“停课闹革命”，正常的招生制度被废止，教学完全停顿，长达四年之久。直至1970年6月27日，中央批转了《北京大学、清华大学关于招生（试点）的请示报告》，8月清华开始招收第一届“工农兵学员”，教学工作得以恢复。
工农兵学员的学制3年，实行群众推荐、领导批准、学校复审的招生办法，毕业后回原地区原单位工作。该请示报告根据毛泽东“到学校学几年之后，又回到生产实践中去”的“七·二一”指示精神并将其具体化，就招生办法、学制、学习内容、学生条件、学生待遇、分配原则等问题，提出了具体意见和方案。同年10月15日，国务院电告各地，全国高校的招生工作，参照此报告执行。这种所谓“废除修正主义招生考试制度”的“改革”以及培养工农兵学员的教学工作，自然与“文革”前有了根本性的变化。
至1976年一共招收6届学员，到1981年最后一届毕业，学校共培养毕业生16353人；其中普通班13671人，进修班2469人，专科班213人。来自全国各地的工农兵学员们都十分珍惜机会而刻苦地学习，毕业后在各自的岗位上积极进取发挥作用，其中也不乏优秀人才，不少人成为所在单位的业务骨干和管理人才。
清华的教师们以满腔热情爱护这批学生。虽然他们的文化水平参差不齐，教师们仍尽心努力培养，在课堂上ÑÑ善诱地从小数到微积分进行补课，还到学生宿舍孜孜不倦地进行辅导。电力工程系第二届学员寇可新在《幸运的大学生活》一文中说：“我是当时的69届初中毕业生，三年的中学生活是1966～1969年度过的，可想而知，我的实际文化程度是小学水平，这样的文化基础怎能读好大学的课程呢？但是，我很幸运，我们清华的老师为我们如此参差不齐的学子们倾注了大量的心血，编写了适合我们的学习教材，使我们顺利完成学业”。“我们这个班，是文革中燃气轮机专业的第一批学生，我们得到了几乎所有老师的精心爱护和培养。按他们后来的话说：‘你们当时是我们几年来的第一批学生啊，我们老师全力以赴来指导这个班’。回想起来，几乎所有的老师都给我们上过课，基础课的老师也都下到小班来讲课。试想，任何一届学生，都不会有我们这样的待遇。这真是我们在那个年代不幸中的有幸。这难道不是幸运的吗！”
此时，学校的研究生工作基本上陷于停顿状态。直至1973年，学校才重新开始试办研究班，学制2年。在激光、固体物理、物质结构、有机催化4个学科方向，从在职青年教师中共招收43名学员，为这些新学科培养了研究人才。这是当时的时代产物，这批学生经历了多年实际劳动的锻炼；虽然他们学业被荒废了好多年，但学习热情很高、认真刻苦，其中培养出不少优秀的人才。
科研工作的开展
“文革”开始后，学校的科学研究基本停止，研究人员流失，实验室关闭。据1976年统计，学校从事科学研究的教师仅占在职教师总数的10%以下，学校实验室及仪器设备也遭到严重破坏与损失。据1977年8月学校对各实验室科的调查统计，从1966年6月至1977年4月，清华大学仪器设备损失约1800万元（约占原仪器设备总值的一半），实验室家具丢失1万多件，实验室工作人员从1100多人减少到500多人，其中实验技术人员从480人减少到180人，有三分之一的实验室需要重建。
直到1970年以后，师生员工在极端困难的条件下陆续开展了科研工作，取得一些重大成果。在“文革”结束后，1978年召开的全国科学大会上，清华有77项科研成果获得国家和部委奖，有些就是始于这一期间的科研工作。如：试验化工厂承担完成了利用钍建造增殖核电站的研究任务，精仪系和自动化系研制出激光定位分步重复照相机、双频激光干涉仪，机械系潘际銮等研制成节能逆变焊机等，达到当时的先进水平；电机系高景德发表专著“串联电容引起的电动机的自激”，为许多地方的电力、石化系统解决了重大技术理论问题；水利系教师在三门峡工地结合治理黄河，开展了泥沙动力学及河床演变的研究等。
1976年10月“文化大革命”以粉碎“四人帮”而告结束。长达10年的“无产阶级文化大革命”，无论是对新中国还是对新清华而言，都是一段“史无前例”的特殊历史。“文化大革命”使党、国家和人民遭到建国以来最严重的挫折和损失。中共中央《关于建国以来党的若干历史问题的决议》中指出：“历史已经判明，‘文化大革命’是一场由领导者错误发动，被反革命集团利用，给党、国家和各族人民带来严重灾难的内乱。”“一九七六年十月粉碎江青反革命集团的胜利，从危难中挽救了党，挽救了革命，使我们的国家进入了新的历史发展时期。”清华也从“文革”重灾区走出，经过拨乱反正、恢复整顿迅速走上正确轨道，伴随着我国改革开放的号角，开始了伟大变革时代的新征程。
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