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蔡元培在演说中痛陈：学生在校如果不能“植其基，勤其学”，即便将来出而仕事，“担任讲席则必贻误学生，置身政界则必贻误国家，是误人也。误已误入，又岂本心所愿乎？故宗旨不可以不正大。”（蔡元培：《就任北京大学校长之演说》）在第二年的北大开学式演说中，他又明确提出：“大学为纯粹研究学问之机关，不可视为养成资格之所，亦不可视为贩卖知识之所。学者当有研究学问之兴趣，尤当养成学问家之人格”（蔡元培：《北京大学开学式之演说》）。蔡元培的这些办学主张，足令后世以大学为学店、以学历为利禄身阶者汗颜。
求贤若渴，唯才是举
蔡元培分析北大学子的心态说：“求学于此者皆有做官发财思想，故毕业预科者多人法科，人文科者甚少，人理科者尤少，盖以法科为干禄之终南捷径也。因做官心热，对于教员，则不问其学问之浅深，惟问其官阶之大小。官阶大者，特别欢迎，盖为将来毕业有人提携也”（蔡元培：《就任北京大学校长之演说》）。由于当时的中国政法学者多人政界，专任教授者甚少，多由官员兼职，蔡元培认为这是“不得已之举”，“要打破这些习惯，止有从聘请积学而热心的教员着手”（蔡元培：《我在北京大学的经历》），并着手加强文、理等学科的师资力量。
蔡元培到北京后，曾向老友汤尔和探讨整顿北京大学校务，汤向他推荐了《新青年》主笔陈独秀，蔡与陈本是相识已久的革命同志，他翻阅了《新青年》，并向汤打听到陈在北京的住处。他被任命为北大校长的当日，就到西河沿中西旅馆访问陈独秀，力劝陈出任北大文科学长。陈独秀回忆说：“蔡先生约我到北大，帮助他整顿学校。我对蔡先生约定，我从来没有在大学教过书，又没有什么学位头衔，能否胜任，不得而知。我试干三个月，如胜任即继续干下去，如不胜任即回沪”（石元皋：《陈独秀生平点滴》）。考虑到出任文科学长需要一定资历方能通过，蔡元培甚至为陈杜撰了履历，使他顺利地到北大任教，《新青年》杂志社也随之迁至北京。
1917年7月，另一位新文化领袖、白话文运动的倡导者胡适，从美国学成回国，被蔡元培聘为北大教授，并因胡适的介绍引进了不少新派学者。蔡元培后来回忆说：“那时候因《新青年》上文学革命的鼓吹，而我们认识留美的胡适之君，他回国后，即请到北大任教授。胡君真是‘旧学邃密’而且‘新知深沉’的一个人，所以一方面与沈尹默、兼士兄弟，钱玄同，马幼渔，刘半农诸君以新方法整理国故，一方面整理英文系；因胡君之介绍而请到的好教员，颇不少。”（蔡元培：《我在北京大学的经历》）
被蔡元培聘人北京大学的，还有中国最早的马克思主义传播者李大钊。蔡、李二人于1917年在北京相识后，在“教育救国”及“兼容并包”上多有共识。1918年，北大逻辑学教授章士钊请辞兼任的图书馆主任一职，并推荐李大钊接任。据章回忆说，自己“所以兼图书馆主任者，无非为著述参考之便，而以吾萦心于政治之故，虽拥有此好环境，实未能充分利用；以谓约守常（李大钊字守常）来，当远较吾为优，于是有请守常代替吾职之动议。时校长为蔡孑民，学长陈独秀，两君皆推重守常，当然一说即行”（章士钊《李大钊先生传·序》）。后来，湖南青年毛泽东因准岳丈杨昌济教授的推荐，被李大钊接受为图书馆助理员，并到北大旁听。
蔡元培延聘师资唯才是举，不拘一格。哲学家梁漱溟1917年受聘担任北大哲学门讲师时，年仅24岁。据梁先生回忆，蔡先生是因看到他以近世西洋学说阐扬印度佛家理论的《究元决疑论》（发表于上海《东方杂志》）后提出聘请的：“记得蔡先生和陈独秀先生（新任文科学长相当于后来之文学院长），以印度哲学讲席相属之时，我本不敢应承的。我说，我只不过初涉佛典，于此外的印度哲学实无所知。而据闻在欧洲在日本一般所谓印度哲学，皆指‘六派哲学’而言，其中恰没有佛家。蔡先生反问，‘你说你教不了印度哲学，那么，你知有谁能教印度哲学呢？’我说不知道。蔡先生说，‘我们亦没有寻到真能教印度哲学的人。横竖彼此都差不多，还是你来吧！你不是爱好哲学吗？我此番到北大，定要把许多爱好哲学的朋友都聚拢来，共同研究，互相切磋，你怎可不来呢？你不要当是老师来教人，你当是来合作研究，来学习好了。’他这几句话打动了我，只有应承下来。”（梁漱溟：《忆往谈旧录》）
但蔡元培遴选教员，也有其严格的一面。当时北大各科尚有若干洋教员，皆从中国驻外使馆或外国驻华使馆请托介绍而来，学问参差不齐。来校后又感染了中国教员的懒散习气，北大依照合同辞退了其中不合格的数人。于是有洋教员要控告校长，英国教员克德来、燕瑞博请英国公使朱尔典来同他谈判，均为所拒。朱尔典曾扬言“蔡元培是不要再做校长的了”，蔡则一笑置之。
厉行改革，健全学制
人人都知道北大的校训是“科学与民主”。蔡元培是将教育科学化的第一人，也是推行大学管理民主化的第一人。蔡元培曾谈到：
我那时候有一个理想，以为文、理两科，是农÷工、医、药、法、商等应用科学的基础，而这些应用科学的研究时期，仍然要归到文理两科来，所以文理两科，必须设各种的研究所；而此两科的教员与毕业生必有若干人是终身在研究所工作，兼任教员，而不愿往别种机关去的。所以完全的大学，当然各科并设，有互相关联的便利。若无此能力，则不妨有一大学专办文理两科，名为本科，而其他应用各科，可办专科的高等学校，如德法等国的成例。以表示学与术的区别。因为北大的校舍与经费，决没有兼办各种应用科学的可能，所以想把法律分出去，而编为本科大学；然没有达到目的。
他在北大校长任内，推行了一系列教育体制的改革。1917年10月，他主持召开了北京各高等学校代表会议，讨论修改大学规程。胡适建议改分级制为选科制，此议获通过，决定在北大试行。北大选科制规定每周一课时，学完一年为一个单位，预科应修满40个单位；本科应修满80个单位，修满即可毕业，不拘年限；选修科目可以跨系。这是中国的大学选修课及学分制的由来。蔡元培说：
那时候我又有一个理想，以为文理是不能分科的。例如文科的哲学，必植基于自然科学；而理科学者最后的假定，亦往往牵涉哲学。从前心理学附入哲学，而现在用实验法，应列入理科；教育学与美学，也渐用实验法，有同一趋势。地理学的人文方面，应属文科，而地质地文等方面属理科。历史学自有史以来，属文科，而推原于地质学的冰期与宇宙生成论，则属于理科。所以把北大的三科界限撤去而列为十四系，废学长，设系主任。（蔡元培：《我在北京大学的经历》）
为推行他的：‘沟通文理”主张，蔡元培率先提出了将大学分为本科与专科的创议，他于1917年1月提出大学改制议案：大学专设文、理二科，其法、医、农、工、商五科，别为独立大学（蔡元培：《大学改制之事实及理由》），但在当时未能成功。1918年10月，他再度向专门以上学校校长会议建议：大学本科，“融通文、理两种之界限：习文科各门者，不可不兼习理科中之某种（如习史学者，兼习地质学；习哲学者，兼习生物学之类）；习理科者，不要不兼习文科之某种（如哲学史、文明史之类）。”1919年，北京大学正式实行“废科设系”，改原隶属于科的学门为系，设立十四个系，废学长，设系主任。
蔡元培鉴于北大商科毫无设备，仅有普通商业学教课，于是将商科并入法科。当时北大预科的设置受教会学校影响，偏重英语及体育，其他科学则比较落后。学生毕业后若直升本科，学习上会发生困难。蔡元培在校长任内加以改革，使预科直接受本科学长的管理，不再设预科学长。预科中主要的教课，均由本科教员兼任。
蔡元培身为北大校长，视野却放在高等教育的全局。他说：“我没有本校与他校的界限，常为之通盘打算，求其合理化。”当时北大设文、理、工、法、商五科，北洋大学有工、法两科，北京另有一工业专门学校，三者都是国立院校。蔡元培以为无此重复的必要，主张以北大的工科并入北洋，停办北洋法科，得北洋大学校长同意及教育部核准，北大的工科的土木与矿冶并入了北洋大学，将工科省下来的经费转用在理科上。
蔡元培对北大的一大贡献，是接受胡适的建议，仿效美国大学建制，推行“教授治校”制度。他提出：第一步“组织评议会，给多数教授的代表，议决立法方面的事；恢复学长的权限，给他们分任行政方面的事”；第二步“组织各门教授会，由各教授与所公举的教授会主任分任教务。将来更要组织行政会议，把教务以外的事务，均取合议制。并要按事务性质，组织各种委员会，来研究各种事务”。（蔡元培：《回任北京大学校长在全体学生欢迎会上演说》）
此时，蔡元培邀请他早年的学生、美国教育家杜威的得意弟子蒋梦麟到北大共事。他请蒋通盘计划，设立教务、总务两处及聘任财务等委员会，均以教授为委员。蒋出任总务长，顾孟余任教务长。1930年，三度代理校长的蒋梦麟正式执掌北大，提出“教授治学，学生求学，职员治事，校长治校”的十六字方针，进一步健全了北大的管理制度。
蔡元培的教育理念是民主，他不仅推行教授治校，也主张学生自治，鼓励学生组建自己的社团。他认为组织学生自治会“可以把治者与被治者的分别去掉”，“由学生传之各地方，一定可以提起国民自治的精神”。（蔡元培：《在北京高等师范学校学生自治会演说词》）当时的北大成立了许多学生社团，组织各种社会、文化活动并办刊、出书，都得到蔡元培的支持，其中最著名是傅斯年、罗家伦组织的新潮社，许德珩、易克嶷等组织的国民社，以及由守旧派教员支持的国故社。五四运动就是由前两个学生社团组织发动起来的。
蔡元培素来主张男女平等。1919年10月，胡适发表《大学开女禁的问题》，主张在北大收女生旁听作为正式女生的过渡，呼吁社会改革女子教育，这个主张得到他的赞同。1920年春，北大就招收女生9人人文科旁听，暑假又正式招收女生，开中国大学男女同校之先河。蔡元培曾谈到：“有人问我：‘兼收女生是新法，为什么不先请教育部核准？’我说：‘教育部的大学令，并没有专收男生的规定；从前女生不来要求，所以没有女生；现在女生来要求，而程度又够得上，大学就没有拒绝的理。’这是男女同校的开始，后来各大学都兼收女生了。”（蔡元培：《我在北京大学的经历》）
蔡元培提倡“劳工神圣”，同时为穷人争取平等教育权利。1915年6月，他在法国与李石曾、吴玉章等发起组织华法�