关天培刚到虎门时，清兵武备松弛，守军积习因循，荒于训练，技艺不精，炮台形同虚设。这同当时全国清军的普遍情况是一样的，晚清时期大多数兵勇的操炮技术甚至比不上明朝。中英双方炮兵的操作技术水平差距很大。英国海军炮手训练非常严格，就火炮发炮速度来说，可以达到平均每两分钟发射三发炮弹。林则徐比较双方军事技能的差距后说：“彼之放炮若内地之放排枪，连声不断”，与其相比，“我放一炮后，需辗转移时再放一炮，是技不熟也”。因此关天培认为：“设防固宜扼要，防御尤人，平日操练有方，则临时施放自能得力。”因此，他决心加紧训练整顿广东水师，亲自驻扎在炮台督军操练。在长期指导士兵操练中他逐步形成了完整的训练方案。他在1835年制定的《筹议每年操演拟请奏定章程稿》《筹议春秋二季操练炮准师船稿》《春秋训练筹备一十五款稿》，是整顿训练方案的最初形式；而到1836年他又进一步制定了《创设秋操通行晓谕稿》，是整军方案的完成形态。

    关天培春秋两季的操练制度和章程有实行专兵负责专炮、每月两日实炮演习、每年两次水陆联合军事演习、水师驾船逐段水面巡防等。为提高军士操炮技艺，根据实战需要，他研究绘制了各种队列以及攻守形势图，并配有“号令说”的文字说明。对当时炮兵操作前膛炮的各个程序包括装入火药包、放入炮弹、瞄准、点火放炮、清理炮膛、再装入火药包、炮弹等各环节及守卫、出击、配合、策应等都有规定，要求按章进行训练。每年二月末、八月初，他亲临炮台、师船，带领下属将官，率亲兵五百余名，分赴威远、镇远、横档、永安、巩固、大虎、大角、沙角炮台等处，练习炮准。每次操练，关天培都有严格要求：每兵四人管炮一门。四更鼓放炮一响，各兵各自做饭；五更放炮二响，各兵饱餐；人炮三响，各兵携带本身器械齐集中军参将点名。迟到一次薄责，二次重责，三次革队。练兵试炮四响，只中标一响打十棍。每炮配原台兵一名专管瞄准，其装药下子、摧炮、洗炮、燃火等四员作协调，六千至八千斤炮派原台兵二员协齐兵二员。各炮尾挂腰牌、书炮号，配药、子若干和四名兵姓名。瞄准兵预先瞄准，燃火兵执火龙杆在左位，摧炮兵执皮巴掌在右位看定火门不许他视。一经对准，瞄准兵即扑手一下，不准言语，燃火兵即用火龙杆燃火，摧炮兵用皮巴掌向火门扑。如炮子中靶，司命官即押人记圈号，将炮腰牌挂于胸前，四兵一同领赏。关天培在训练中严格执行军纪，革去“五箭全空”、一枪不中的将领，起用有军事技术的千总、把总训练兵丁，并以兵技优劣为准，对千总、把总进行赏罚。

    关天培一方面严格军纪，一方面“体恤兵艰”，上书奏请增加兵丁饷米，想方设法为兵丁争取利益。他利用虎门的关帝庙两间厢房和中军衙门官厅余房，“捐备束修，延师授业”，创办虎门义学，使地处边远的虎门山寨中的兵士子弟也有读书求学之机。

    经过几年精心整顿和训练，广东水师初步改变了旧态，军纪与训练水平大幅提高。道光十九年九月初五（1839年10月11日），广东水师在虎门进行秋季操演，钦差大臣林则徐和两广总督邓廷桢亲临虎门检阅。对关天培的整军结果，他们欣喜与满意之情溢于言表。《会阅虎门秋操折》对这次操演作了详细的记载：“于九月初五会同臣关天培亲诣沙角、大角、威远、镇远、横档、永安、巩固、大虎及靖远各炮台点验。弁兵强壮足额，军械火器，俱属齐全，调操各营师船十只，皆坚固整齐，额配兵械无缺。臣等随登海口沙角炮台，按图先阅船操，次阅水兵泅水阵式，正变相生，进止合度，枪炮首尾响应，师船调戗轻灵，其泅水以及凫水对械各兵，出没波心，浮潜并用。爬桅各兵，均能升高演技，胆壮气雄。所有九台大炮及施放各式火器，高低远近，悉依臣关天培所定尺寸施放，尚合准绳。各台炮火，夹攻靶船，辄被击中。将弁谙于号令，士卒习于波涛。维时进口夷船下碇远观，声势极为壮盛。又饬专管排链弁兵，分驾划船，将各排链按法启闭，较前愈为便捷。”由此可见，由于关天培制定的训练措施具体，要求明确，赏罚分明，执行严格，广东水师官兵的技战术有了很大的提高。

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