在清朝同治二年（1863年），因为认识到了国家的不足，清朝中兴名臣曾国藩和李鸿章等人联名上奏朝廷，请求朝廷批准能选派一些学生出国留学。李鸿章在奏折中讲到：“选派留学生，实在是中国自强的根本”。希望学习西方国家的先进知识，来挽救国家。清政府即刻奏准，很快就实施了一套完整的出国留学方案。
1. 设“幼童出洋肆业局”即预备学校，对学生进行出国前的培训。“肆业局”下设监督二人，由翰林出生的陈兰彬担任正监督，容闳任副监督。
2. 选拔120名候选幼童，分四批出国，每批30人，每年遣送一批。
3. 学生出生须清白，年龄最小不得低于12岁，最大不得超过20岁。
4. 学生家长或监督人须签署志愿书，声明自愿送子弟赴美留学15年，不得中途退学或加入外国籍。此15年内，学生死亡或发生事故政府概不负责。
5. 学生以学习西学为主，但仍配备中国教师教习中学。学习期间，一切费用由政府承担。学生学成后不准自谋职业，听候政府调用。
第一批30名幼童于1872年8月11日登上了开往美国的轮船，9月14日抵达美国，开始了留学生活。李鸿章等人的愿望终于实现了。出国留学当时是一种闻所未闻的新鲜事物，一位留美幼童回忆:“当我是一个小孩子的时候，有一天，一位官员来到村里，拜访各住户，看哪一家父母愿意把自己的儿子送到国外接受西方教育，由政府负责一切费用。有的人申请了，可是后来当地人散布流言，说西方野蛮人，会把他们的儿子活活地剥皮，再把狗皮接种到他们身上，当怪物展览赚钱，因此报名的人又撤销。”
经过容闳的尽心安排，第一批留学幼童起初都被安排在新英格兰地区的一些家庭中，让他们与美国的孩子一起学习，一同生活，同时也能得到很好的照顾。可孩子毕竟还小，第一批留学的幼童对中国和外国的区别并没有那么深，很快，他们就学会了英语，用起了刀叉，融入到了美国的家庭生活中。但寄住在这里毕竟不是长久之计，于是在1874年，李鸿章授权容闳在柯林斯街兴建一座房屋，作为“幼童出洋肆业局”的驻美总部。房子很快就修建完成，学习，洗澡，游戏等设备都很齐全，条件相当不错，这些孩子们在异国他乡也算有了自己的家。1873年6月，第二批留学生由黄胜率领赴美。1874年9月，第三批留学生由祁兆熙率领赴美。1875年10月，第四批留学生由邝其照带领赴美。在李鸿章的主持下，计划中的120名学生全部派送到美国留学。
据统计，第一批赴美留学生从事工矿、铁路、电报者有30人，包括6名工程师和3名铁路局长。其中，就有我国著名的铁路设计师詹天佑。在唐津铁路的设计修建中，跨度305米的滦河大桥成为了一大难题，国外的英、日、德等国家的工程师多次设计修筑失败，更是宣称中国绝对没有此人才，更不可能能修建此桥。这时，詹天佑出场了，他被应聘负责滦河大桥的设计修建工作，并且成功的这座中国的第一座现代化大桥。在詹天佑的主持下，还修建了难度极大的京张铁路，这段路程途径有很多高山峻岭，河沟险滩，尤其是在居庸关和八达岭的一带坡度极大。可是詹天佑却创造性的发明了“人”字形的铁路，巧妙的解决了坡度的陡峭问题。更为神奇的是在詹天佑的主持下，这条铁路竟比原计划还提前2年完成，节约了28万两银子的经费，有力的回击了国外所说“建造设条铁路的中国工程师还没有出世”的谬论。詹天佑不仅给我国长了志气，还同时荣耀的入选了英国工程师协会，成为会员。
詹天佑
在留美的这些学生中，归国从事教育事业的有5人，并且有2人成为了大学校长，包括天津北洋大学的校长蔡绍基，其中唐国安在担任清华学堂的校长后，深深的感受到学习国外先进知识和经验的重要性，从此全力支持学生赴国外留学，从此，清华学堂的大批学生开始了出国留学，继续深造。
在从事外交、行政方面的有24人，包括12名领事、代办，2名外交次长、公使，1名外交总长，1名内阁总理。其中吴仲贤在担任墨西哥代办的时候，曾有108名华工因为工作死亡而得不到赔偿，吴仲贤于是多方奔走，据理力争，为这些死亡的工人讨回了应有的工资和赔款，维护了在外华工的利益，梁丕旭是清末外交界的知名人士，他陪同醇亲王载沣访问德国的时候，德皇威廉二世看不起中国，趁机侮辱中国，要求载沣行下跪磕头礼，梁丕旭于是毫不退让，据理力争，终于迫使德国的皇帝同意他们行鞠躬礼。
唐绍仪
留学生除了学习军政外，不少是学习机械、造船、铁路、采 矿、邮电、农业、医学专业的，从而为中国培养了第一批实业人才。例如，魏瀚、 郑清濂、吴德章、陈兆翱、李寿田、杨廉臣六位留学生回国后，成了当时东亚最 大的船厂——福州船政局“必不可少之员” ，他们绘画式、制轮机、定船身、造 器械，各有专精之艺而分工集事。在洋员离厂后，这些归国留学生从独立自制七 百五十匹马力的兵抡开始，继而制造大至二干五百匹或更大马力的兵轮。从事海军的有20人，他们被分配到福州船政学堂和天津北洋水师。在中法战争和中日家务战争爆发后，这些留学生们英勇作战，因为他们学习了水战的知识，所以技术精炼，作战勇敢。20人当中有14人当上了海军将领，其中吴应科升至舰队司令，徐振鹏升至海军次长，而杨兆楠、薛有福、黄季良、沈寿昌、黄祖莲等人在同敌军作战中英勇捐躯。
在中日战争以后，大量的年轻留学生被派往国外学习，“东亚病夫”终于睁开那朦胧的睡眼，认识到闭关自守的不足，逐渐的走向了世界。
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