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清朝晚期，在广东广州有个茶商名叫詹兴藩，他以卖茶叶为生，在广州也还算小有名气。可是，好景不长。1840年，鸦片战争爆发，英国侵略者用大炮轰开了中国的门户。詹家的茶行和其他小商铺一样全被外国人挤垮了，为了减少家用开支，詹兴藩被迫把家从大都市迁到了一个叫南海的小城镇。
南海是一个非常美丽的地方，那里生长着繁茂的榕树、挺拔的云杉，凤凰树上盛开着火样的花朵，相思树垂下长长的果实，一派生机勃勃的南国风情。
1861年4月26日，詹兴藩喜得贵子，全家对这个刚出生的男孩疼爱备至，于是詹兴藩的父亲给这个孩子取名为“天佑”。
小天佑是家中的长子，前面还有两个姐姐，没过几年，家里面又添了一个弟弟、两个妹妹。这样一个人口众多的家庭，主要靠父亲詹兴藩一人维持生计是很艰难的。于是，詹兴藩除操持一些田亩外，还做一些小生意，并替人代写书信、刻印章，春节时写春联等挣些银两，补贴家用。
詹兴藩的妻子陈氏是广东肇庆人，是一位勤劳刻苦、聪明贤惠的妇女。她终年操劳忙碌，相夫教子，为孩子们的成长倾尽了心血。
詹兴藩对小天佑寄予了无限期望。他经常给小天佑讲鸦片战争，讲林则徐虎门销烟，讲外国人怎样用炮舰轰开中国的大门等故事。
小天佑总是聚精会神地听着，不时地提出问题：
“为什么朝廷要革林则徐的职呢？”
“为什么中国兵打不过洋鬼子呢？”
父亲耐心地回答儿子的问题。他告诉小天佑：“外国人取胜是仗着有洋枪大炮，而中国人没有。”
“那么，中国人为什么没有洋枪大炮呢？”小天佑又问。
父亲告诉他枪炮是用机器造的，而中国连造枪炮的机器都还没有呢！
“噢，机器可以造枪炮，那机器是什么样的呢？”
父亲回答不了这个问题。小天佑从此对机器充满了好奇。詹兴藩有位好朋友叫谭伯邨，在香港做茶叶生意，经常来往于香港、广州之间。
在当时，英法资本主义的势力已经侵入广东。鸦片、纺织品、机器和其他洋货源源不断地经香港输入广州，再由广州转运到各地。同时，他们又以低廉的价格从中国购买茶叶、丝绸和其他农副产品以及工业原料。广州成了洋货、土产的吞吐港。
谭伯邨每次从香港回广州时，总要到南海探望老友一家。他时常在经济上接济詹家，并给这个久居乡间的家庭带来许许多多有关外面世界的故事。小天佑总是认真地听谭伯伯讲故事，渴望着有一天能到外面的大世界去看一看，亲身体验一下故事里人物的经历。
谭伯邨非常喜欢小天佑。当他得知小天佑对机器很感兴趣后，就经常从广州、香港捎些工程画报给他。从这些画报上，小天佑认识了火车、轮船，还有好多好多叫不上名字的机器。谭伯邨还答应小天佑，有机会一定带他亲眼去看看这些画报上的东西。小天佑真盼着这一天快点到来。
见不到机器实物，小天佑就依照画报自己做了起来。有一天，小天佑还没吃完饭就要出去了。在他跑出家门的那一刻，父亲问道：
“这么急，到哪里去呢？”
“我要去制造机器。”话音刚落，小天佑已经跑出很远。
父亲虽然知道小天佑很喜欢研究机器，但听说他要制造机器，还是感到十分好奇。于是，他就跟着小天佑看看他到底在干些什么。
跟着儿子，父亲来到了村边的小河旁。只见河边已经聚集了一群和小天佑年龄相仿的小朋友。他们有的挖土，有的提水，还有的和泥。小天佑除了指挥小伙伴们外，还亲自参与。
只见小天佑把和好的泥拿起来，照着口袋里取出的火车画报做起模型来。他首先从一节一节车厢做起。一节车厢做完了，他还要跟画报里的车厢比照一番。不合格的车厢，小天佑就把它毁掉重来。虽然很费精力和时间，但他坚持了下来。有时他的脸沾上了泥巴，额上也冒出了汗，小天佑却一点儿也不在意。
经过好几个小时的努力，小天佑的火车模型终于做成了。父亲一看就惊呆了：火车模型几乎和画报上的火车一样。其他小朋友看到火车模型都聚集过来，他们都发出了惊叹声。
在小天佑7岁时，父母省吃俭用，把他送入了南海的一家私塾读书。他对课堂上老先生讲授的“四书”“五经”以及八股文没有一点儿兴趣，他仍然醉心于画报上的机器。
小天佑除了用泥土捏出各种各样的机器模型外，他还搜集了一些机器零件。在他口袋里经常有捡来的小齿轮、小发条、螺钉之类的东西。看到别人有什么新鲜的玩意儿，他总要凑过去看个究竟。看那些物品到底是什么东西，是怎样做成的。
有一段时间，小天佑对家里的自鸣钟产生了兴趣：自鸣钟为什么会自动打点呢？为什么会不知疲倦地走呢？他背着父母开始拆卸自鸣钟。
小天佑今天拆一个零件，明天再拆一个，直到把所有零件拆卸了一遍，弄清了自鸣钟的构造才罢休。他还兴致勃勃、有条有理地把自鸣钟的原理讲给其他小朋友听。
看到小天佑对机器如此着迷，父亲非常高兴。他不断给予儿子鼓励和支持。
童年的小天佑在接受中国传统私塾教育的同时，也开始接受西方文化的启蒙教育。这是他不同于和优于同时代许多中国孩童的地方。
1871年，10岁的小天佑将读完私塾，他的父亲詹兴藩因为家境困难，不准备让他再读下去了。他在考虑长子的出路问题：是让儿子跟着自己谋生，还是去做学徒学些技艺？就在这时，一件意想不到的事情发生了。它改变了詹兴藩的思想，也改变了詹天佑的一生。