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1879年回國后， [[ 李鴻章 ]] 見其學有心得，是可用之才，遂令其留職北洋，擢升游擊，擔任“鎮北”砲艦管帶。劉步蟾認為中國加強海防，必須建設強大海軍，因撰《西洋兵船炮台操法大略》條陳，上於北洋大臣李鴻章，提出採取積極防御方針：“最上之策，非擁鐵甲等船自成數軍，決勝海上，不足臻以戰為守之妙。” 1880年，清政府向 [[ 德國 ]] 訂購“定遠”號、“鎮遠”號鐵甲戰列艦和“濟遠”號穹甲巡洋艦;劉步蟾奉派赴德國駐廠監造，並研究槍炮、水雷技術。同年冬，他又被派為駐 [[ 英國 ]] 海軍隨員，接收向英國訂購的“超勇號”和“揚威”號撞擊巡洋艦。