洋务运动引进了西方技术和洋枪洋炮，但在使用先进设备方面依然依赖洋匠操纵指教，对世界大势和西方世界也知之甚少。被指教的中国人对外国进口机器虽然会操作，但在原理和性能方面多知其然而不知其所以然。在实践过程中，很多有识之士意识到，想掌握西方先进技术，除聘请洋人教习，派遣中国学生到海外学习西方技术、归国服务是更为有效的捷径。
首倡幼童留学的是容闳。早在 1868 年，容闳就向江苏巡抚丁日昌提议由政府“选派颖秀青年送之出洋留学，以为国家储蓄人才”之事。曾国藩也同意容闳的建议，认为这是大有可为之的事。李鸿章清醒地认识到当时社会上通晓近代科技人才的匮乏。所以，当容闳提出欲领幼童留洋建议时，李鸿章当即表示非常赞同、大力支持，并热心关注容闳的幼童留学计划。虽然是容闳首倡幼童留学，起举足轻重的关键性人物还是李鸿章。李鸿章曾说：“京官不识外事偏又喜谈外事，言之娓娓动听，丝毫不关要害，中土人才多空学问，仕官于此道漫不究心，故洋务都无长”。“练兵、简器、造船、筹饷、用人、持久六条均救时要务”但“尤以人才为急要”。中国落后于欧美的症结在于“端绪甚大，经纬需才，穷天下之力，犹虑莫顾莫究，病在无人。”李鸿章认为世界形势已经发生了很大的变化，中国不应该闭关锁国，应该勇敢的走出国门。1871 年 8 月，李鸿章和曾国藩联合上书，奏请派出留学生，学习“军政、船政、步算、制造诸学，约计十余年，业成而归，使西之擅长之技，中国皆能谙熟”。阐述了出洋学习的必要性。李鸿章认为中国想要富国强兵，就要学习西方的现代科学知识，就要到西方去学习更系统更全面的知识。他在奏折中建议：“拟选聪颖幼童，送赴泰西各国书院，学习军政、船政、步算、制造诸学，约计十余年业成而归，使西人擅长之技，中国皆能谙悉，然后可以渐图自强”。
中国近代早期留学运动基本上由幼童赴美留学和船政学生赴欧留学两部分组成。两次轰轰烈烈的留学运动都发生在洋务运动时期，李鸿章身为洋务要员，他所起的作用是举足轻重的。
1868 年，《蒲安臣条约》的签订为留美提供了法律依据。1872 年 2 月。李鸿章与曾国藩再次联名上奏，进一步说明派学生留学的重要性和必要性，同时对留学计划做了详尽的补充，拟定了出洋幼童的选拔条件、翻译人员和教习人员的名单、经费的筹措等。1872 年 2 月 30 日，军机处转发懿旨，赞同实行留学，并成立“总理幼童出洋肄业沪局”，由刘翰清负责此事；随后，又在美国成立“选带幼童出洋肄局”，由陈兰彬和容闳共同负责，表明留学教育终于迈开了第一步。1872 年 3 月，“中兴”名臣曾国藩命归西天，恰逢赴美留学计划艰难实施。从此李鸿章独立支撑局面，实施留学计划。1872 年 8 月，在正监督陈兰彬、副监督容闳的带领下，30 名幼童经过选拔、培训，从上海搭船赴美。至此历经波折，几经奔走呼号，海外求学计划终于变成现实，实属中华创世之举，古来未有之事，中国近代史上派遣学生出洋求学的大幕就此拉开。此后第二、三、四批各 30 名幼童分别于 1973 年、1874 年、1875 年按计划赴美。1872 年至 1875 年间，共 120名十二岁至十六岁的幼童先后横渡太平洋赴美留学，并在美国建立了留学事务所。
身为直隶总督兼北洋大臣的李鸿章深知海防事业关系着国家的存亡。在创建军事工厂、造船企业的过程中，他深刻认识到仅仅拥有一些船舰是不能强大中国海防力量的，必须有一大批精通轮船、舰艇的指挥、制造、维修的人才。虽然当时福建船政学堂已担负着培养轮船驾驶、制造方面人才的任务，但由于一些外国工程技术人员和洋人教习合同到期，他们即将被遣散，学堂的教学受到一定的影响；而且雇佣洋人教学质量不能保证，学生学不到精深的知识，花费也较高。鉴于此种情况，李鸿章、左宗棠、沈葆桢等一些洋务大臣纷纷呼吁派遣留学生出国留学，以解决海军的人才问题。1876 年 4 月，李鸿章派武弁卞长胜等七人随德国军官李劢赴德国，进海军学院学习水陆军械技艺，使其“精其博览”。9 月，赴山东烟台办理对外交涉事物的李鸿章正好赶上英、法、德各国铁甲兵船准备操练。他看到别国船舰的精良，驾驶技术的严整灵敏，为之叹服。当他看到英船上有日本年少的武弁随船操练时，深切地感受到派学生赴欧学习的紧迫。
此后，李鸿章更加着力推动沈葆桢首倡的派福建学堂学生赴欧留学的举措。1877 年 1 月，经过与华洋监督李凤苞、日意格（法国人，曾任福建船政局副监督）再三讨论反复修改，李鸿章与沈葆桢联合上书呈递《奏闽厂学生出洋学习折》。在此奏折中，李鸿章指出：“西洋制造之精，实源本于测算、格致之学，奇才迭出，月异日新。即如造船一事，近时轮机，铁胁一变前模，船身愈坚，用煤愈省，而行驶愈速。中国仿造皆其初时旧式，良由师资不广，见闻不多，官厂艺徒虽已放手自制，只能循规蹈矩，不能继长增高。即使访询新式，孜孜效法，数年而后，西人别出新奇，中国又成故步，所谓随人作计，终后人也。若不前赴西厂观摩考虑，终难探制作之源。”
因此，李鸿章提议派遣学生赴欧留学，让学生亲临其地，“探制作之源”，让中国的轮船制造技术不再受制于西人。最后，他还在奏折中展望了赴欧留学的美好前景：“从此中国端绪渐引，风气渐开，虽未必人人能成，亦可拨十得五，实于海防自强之基不无裨益。”1877 年 3 月，在这个奏折上奏两个月后，在监督李凤苞、日意格的带领下，福建船政学堂的第一批官派留欧学生出发了。李鸿章认为学习西学是没有止境精益求精的事情，不能半途而废，因而，1879 年 11 月，在第一届留欧学生即将回国之际，李鸿章等人又奏请续派一批人再次赴欧，朝廷批准了他们的请求。于是，1881 年，第二批留欧学生从香港出发，分别派往英、法、德三国学习枪炮、轮机、驾驶、营造、鱼雷等技术。1886 年 4 月，还是在李鸿章等人的奏请下，第三批赴欧学生从香港出发。在这些赴欧学生中，就有严复、马建忠等人，他们为近代中国学术界和思想界做出了巨大贡献。
洋务运动时期，赴美、赴欧的两次大规模留学运动都离不开李鸿章的大力支持和精心筹划。出国幼童在国外学习期间，李鸿章也始终关注着这些学生的发展，并在留学经费筹措、出洋师生管理、学生学习内容、归国学生出路等方面殚精竭虑，保证留学教育的顺利进行。
李鸿章为留学提供了充足的经费支持。官费派遣留学生需要巨大的财政投入，李鸿章一开始就意识到这个问题，并在计算过所需经费总量后与曾国藩进行讨论。他认为每年选送三十名学生，三年共九十名，委员、教习驻洋每年需要五万四千两，再加上来回路费，大约六万余两，按二十年算，约大需要百余万。建议从上海海关税收收入的四成作为经费。其后他又与曾国藩商议，规定每名幼童在食用、房租、膏火、衣服方面的费用需要白银四百两，所有经费从海关洋税中拨出。
然而，留美事宜一波三折，此后，陈兰彬、吴子登等守旧派执意反对，对留美教育进行破坏，美国排华也不断高涨。期间虽然李鸿章一直在尽力斡旋陈兰彬、吴子登和容闳之间的矛盾，陈、容之间的矛盾还是不断升级，加之朝野上下反对派一片支持撤回留学生的呼声，李鸿章迫于压力，只能无奈地接受了留美幼童被撤回的决定。1881 年 7 月，清政府做出了全数撤回留美幼童的决定。下半年，除了之前遣回的 9 名，执意不回和病故的 17 名以外，当初派出的 120 名留美幼终毁于顽固势力的破坏中。
虽然这些留美学生被迫提前回国，大都没有完成学业，但李鸿章的心血并没有白费，后来这些学生大部分成为了有用之才。他们中许多人成为中国近代科技、管理、实业等领域的领军人物。这些学生没有辜负李鸿章的厚望，充分证明了选派幼童赴美是正确的决定。进入海军系统的学生，很多都担任海军军官，成为保护国门的防线，在福建马尾海战和中日甲午海战中，他们保家卫国，英勇反抗侵略，甚至不惜牺牲生命。进入矿业、教育、外交等领域的归国学生，也成为行业中的佼佼者。这些人受到李鸿章的提携重用，成为中国近代最早的科技人才，在铁路、造船、矿务、电报、制造等领域，以不同的方式为国家的富强做出了重大的贡献。自行设计并领导修建京张铁路的詹天佑、为中国造船业做出突出贡献的江南造船厂厂长邝国华、湘潭煤矿的发现者邝荣光、清华学堂第一任校长唐国安、首次将《唐诗》译成英语且至今仍是英美流行译本的蔡廷等等，这些学生在中国近代工业建设和科技发展上做出了贡献。留美事业培养了一批中国人自己的科技人才，虽然中途夭折，但开创了近代中国派出留学的先河，促进了中国近代化的进程。
1879 年起，派往欧洲学习的船政学堂的学生陆续学成归国，出现了”南北洋争先留用，得之唯恐或后”。对于归国留欧学生，李鸿章尽力向朝廷推荐，为他们安排职位。尽管受到封建制度的桎梏，不能人尽其才，但这些学生还是为中国的海军事业做出杰出的贡献。经过李鸿章的推荐和任命，相当一部分留欧学生被派往北洋舰队，充任要职。其中就有右翼总兵兼定远舰管带刘步蟾，左翼总兵兼镇远舰管带林泰曾，经远号管带林永升，济远号管带方伯谦，靖远号管带叶祖任，超勇号管带黄建勋等等。他们身居要职，恪尽职守，成为清军的中坚力量，加强了海防力量。中日甲午海战“中国海军参战舰只的几乎所有管带（舰长）都是留英学生，而‘留美幼童’多为大副等中级军官。这些英国皇家海军学院、美国麻省理工学院的学生们，并肩作战，鲜血留在一起”。还有一些船政留学生进入其他行业，迅速成为各行业中的精英，打破了洋人技师独揽技术大权、一统天下的局面。严复和马建忠是这批学生中成就最大者，他们的贡献为学术界和国人共誉，对近代中国产生了深远的影响。
李鸿章开创了海外留学运动的先河，其后，他的得力助手盛宣怀继续了这项事业，继续选派留学生出国学习，“从 1898 年到 1906 年八年间，盛宣怀主持派遣到美、英、德、日、比五国的留学生，有章宗祥、王宠惠、雷奋等共达 58 人。”留学目的国也由西方欧美各国转移到日本。这些青年回国后很多人成为影响中国历史进程的人，在中国近代史册上留下了名字。他们的学习领域也不仅局限于学习外国科学技术，还涉及到西方的政治制度，从而开始反思中国的封建落后的政治体制，其中一些比较激进的革命分子开始探索改革政治体制的路，这为以推翻清朝统治，建立民主共和国家为目标的革命运动埋下了伏笔。
在“上受制于腐败之朝廷、中受制于保守之同僚、下受制于愚昧之国人”的环境下，李鸿章为支持、保障留学运动所做的工作实属难得可贵。虽然中间有一些不尽人意的地方，但对于这样一位为留学事业殚精竭虑煞费心机的洋务官员，我们不该有太多的非议和苛求。
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