詹氏茶庄的生意也遭到冲击，经营不下去了，家道也就此中衰，供养詹天佑读书已是非常吃力，迫不得已，在詹天佑十一岁时将他送往美国读书，因此，詹天佑也幸运的成为了中国第一批公费留学生。

当时的满清朝廷有感于外国船坚炮利，急于“师夷长技以制夷”，因此在沿海地区公开招考有资质的少年去美国留学，由于家境较好的人家不愿爱子去外国吃苦，因此，中国的第一批公费留学生基本都来自贫寒家庭，詹天佑就是其中的代表人物。

到了美国之后，詹天佑寄居在康涅迪格州威斯哈芬海滨男生学校校长诺索布先生家中，与他一同住在那里的还有一名中国留学生欧阳赓。两个、中国少年在那里一住就是六年，即使中国留学生都搬到了留学生事务所集中居住管理，但是詹天佑和欧阳赓却依旧住在诺索布先生的家里。在读完了预科学校和高级学校之后，詹天佑本欲报考美国海军学校，但是却遭到拒绝，在诺索布一家的建议和鼓励下，詹天佑改变初衷，转而报考耶鲁大学理工科土木工程系，这一决定无论对他本人来讲，还是对中国来讲，都意义深远。

在耶鲁大学苦读三年之后，詹天佑以优异成绩毕业，并获得哲学学士学位，他本欲在美国继续深造，但由于清廷发现留学生思想过于“离经叛道”，遂决定终止留学计划，并命令所有留学生立即回国，詹天佑不得不放弃了深造计划，与欧阳赓跟着留学生们一同返回国内，而这时，他们离开故乡已经差不多十年了，而且，在回国的所有留学生里，也只有这两个人获得了大学学位。

回国之后，等待詹天佑的不是鲜花和掌声，而是歧视和冷遇，即使是洋务派领军人物李鸿章，也对留学生们剪去辫子的行为很是不满，但是不满归不满。洋务派还是需要技术人才的，于是，李鸿章大笔一挥，在美国学习铁路工程的詹天佑就去了福州船政局，做了一名轮船驾驶员。之后的七年间，詹天佑一直与铁路无缘，直到1888年，为了从开平煤矿向北洋军港运输煤炭，清廷决定延长唐胥铁路，修建芦台至天津的铁路，并在天津设立中国铁路公司，任命伍廷芳为公司经理，也正是这个伍廷芳，才真正使詹天佑学以致用，从此，中国的铁路事业终于出现了中国铁路工程师的身影。从唐津铁路到唐古铁路，从唐古铁路到古滦铁路，詹天佑的表现都非常出色，而那座滦河铁路桥的修建更使他声名雀起，英国土木工程师学会也正式将他吸收为会员。

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