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蔡元培是20世纪初中国资本主义教育制度的创者。他明确提出废止忠君、尊孔、尚公、尚武、尚实的封建教育宗旨。倡导以军国民教育、实利主义教育为急务，以道德教育为中心，以世界观教育为终极目的，以美育为桥梁的资产阶级民主主义的教育方针，初步建立了资产阶级的新教育体制。
蔡元培的教育实践多在高等教育方面。他任北京大学校长时，提出大学的性质在于研究高深学问。他提倡学术自由，科学民主。主张学与术分校，文与理通科。将“学年制”改为“学分制”，实行“选科制”，积极改进教学方法，精简课程，力主自学，校内实行学生自治，教授治校。他的这些主张和措施，在北京大学推行之后，影响全国，以至有人称他为自由主义教育家。
蔡元培组织各种学术研究团体（如哲学会、雄辩会、阅书报社、书法研究社等），把学生的课余兴趣吸引到学术研究方面来。蔡元培殷切希望学生专注学业，但又不赞成死读书。他说：“研究学理，必要有一种活泼的精神，不是学古人‘三年不窥园’的死法能做到的”。
1917年1月9日，蔡元培发表就任北京大学校长的演说，对学生提出三点要求：一日抱定宗旨，二日砥砺德行，三日敬爱师长，将“抱定宗旨”置于首位。1917年1月9日，北京大学举行开学典礼，蔡元培发表就职演说，这就是著名的《就任北京大学校长之演说》。蔡与北大学生约法三章：一是抱定宗旨，“大学者，研究高深学问者也”；二是砥砺德行，“诸君为大学学生，地位甚高，肩此重任，责无旁贷，故诸君不惟思所以感已，更必有心励人”；三是敬爱师友，“自应以诚相待，敬礼有加，至于同学共处一堂，尤应互相亲爱，庶可收切磋之效。”
1912年蔡元培任南京临时政府教育总长时，主持修订了教育部的学制，第一次在政府法令条文中宣布教育上的男女平等。不久，我国初级小学实行了男女同校。由于守旧势力异常强大，高等学校到五四运动前夕仍未实现男女同校。教育部对此畏首畏尾，各大学都不敢提议招收女生。蔡元培非常不满此等现状，又是在北京青年会进行演讲，又是对上海《中华新报》记者发表谈话，公开倡导高校男女同校。蔡元培说：“一提议，必不通过。其实学制上并没有专招收男生的明文；如招考时有女生来报名，可即著录；如考试及格，可准其就学；请从北大始。”于是北大首先有了女生，各大学仿行，教育部也就默许了。
1920年2月，因考试期已过蔡元培下令允许王兰、奚浈、查晓园3位女生入北大文科旁听，当年秋季起即正式招收女生，开我国公立大学招收女生之先例。
有人问蔡元培：“兼收女生是新法，为什么不先请教育部核准？”蔡元培说：“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。”
1920年，代理文科学长陶孟和准许了9名女生入校旁听，引起社会上的议论和教育部的批评，甚至总统徐世昌都出面警告北大当局，认为国立学校应该保持“崇高的道德水准”。但是当时并无法律明文禁止男女合校，已经回到北大的蔡元培就凭这一点，没有请求政府的许可，便正式批准了那9名女生注册为北大正式学生。自此，北大开始正式招收女学生。
蔡元培先生在北大讲授的惟一课程是《美学》。一位同学的回忆录中记载下当时课堂的情境：“他教的是美学，声浪不很高，可是很清晰，讲到外国美术的时候，还带图画给我们看，所以我们觉得很有趣味，把第一院的第二教室完全挤满了。第一院只有第二教室大，可坐一二百人，……挤的连讲台上都站满了人，于是没有办法，搬到第二院的大讲堂。”
蔡元培先生明确指出：国文分两种：一种实用文，在没有开化的时候，因生活的必要发生的；一种美术文，没有生活上的必要，可是文明时候不能不有的。
蔡元培在回复林琴南的一封信中谈到了自己的两种办学主张，第一条便是：对于学说，仿世界各大学通例，循思想自由原则，取兼容并包主义，无论有何种学派，苟其言之成理，持之有故，尚不达自然淘汰之命运者，虽彼此相反，而悉听其自由发展。
蔡元培任民国教育总长时，范源濂任次长，他们办教育的方法相对立。范说：“小学没有办好，怎么能有好中学？中学没有办好？怎么能有好的大学？所以我们的第一步，当先把小学整顿。”蔡元培说：“没有好大学，中学师资哪里来？没有好中学，小学师资哪里来？所以我们第一步，当先把大学整顿。”
蔡元培谈及自己的教育理念：大学教育的目的与观念是明确的，就是要使索然寡味的学习趣味化，激起人们的求知欲望，我们决不把北大仅仅看成是这样一个场所——对学生进行有效的训练，训练他们日后成为工作称职的人。……这所大学还负有培育及维护一种高标准的个人品德的责任，而这种品德对于做一个好学生以及今后做一个好国民来说，都是不可缺少的。
【兼收】
蔡元培的兼容并包是北大最重要的思想资源，他说：“大学之大，因其无所不包，各种言论思想均可自由，但亦不必出于互相诟骂。如各有主张，尽可各自鼓吹自己主张之长处，不必攻击或排斥他种主张。”
由于重视延聘选拔有真才实学的各方面人才，容纳各种学术和思想流派，使北大的教员队伍发生了很大变化。一时北大人才济济，学校面貌为之一新。据1918年初的统计，全校共有教授90人，从其中76人的年龄看，35岁以下者共43人，占57％，50岁以上者仅6人，占8％。最年轻的文科教授徐宝璜仅25岁，其他如胡适、刘半农等也都是二十七、八岁的青年。蔡元培出任校长时也只有50岁，教授平均年龄仅30多岁。而这时北大本科学生的平均年龄为24岁。
1917年，蔡元培采用“思想自由，兼容并包”的办学方针，实行“教授治校”的制度，提倡学术民主，支持新文化运动。蔡元培任北大校长时，北大国文科只有经史子集，外国文只有英文，教员只有旧的几个人。蔡元培于旧人旧科目之外，加了戏曲和小说，章太炎的弟子黄季刚，洪宪的刘申叔，尊王的辜鸿铭之外，加添了陈独秀、胡适之、刘半农一班人，英文之外也添了法文、德文和俄文了。于是，北大有了主张新文化运动的领袖人物胡适、陈独秀、鲁迅等人；有复辟派、主张恢复帝制，拥护袁世凯做皇帝的急先锋辜鸿铭、刘师培等……；有最早把共产主义介绍给中国的李大钊、也有最早介绍无政府主义的李曾石、还有最早介绍爱因斯坦相对论的夏元瑮……；此外他还启用了钱玄同、俞同奎、沈尹默等一批老北大的老人，更启用了只有二十三、四岁的梁漱溟等一批年轻人……，还请来了刚从欧洲回来的女教授陈衡哲先生、聘用了数学系老教授冯祖荀，外籍教授、地质系的葛利普等，还有画家徐悲鸿。
蔡元培初到北大，进行改革，学校里的旧学者极其不满。北大最初开讲元曲，有人便造谣说在教室里唱起戏文来了，又因提倡白话文的缘故，又有人说用《金瓶梅》当教科书了。有些守旧学者更是直接在课堂中开骂。周作人就曾写到当时情形：“别的人还隐藏一点，黄季刚最大胆，往往昌言不讳。他骂一般新的教员附和蔡孑民，说他们‘曲学阿世’，所以后来滑稽的人便给蔡孑民起了一个绰号叫做‘世’，如去校长室一趟，自称去‘阿世’去。知道这个名称，而且常常使用的，有马幼渔、钱玄同、刘半农诸人，鲁迅也是其中之一，往往见诸书简中，（注：五四之后，蔡元培辞职，不久又回京主校。鲁迅对此甚为关切，在给友人的信中写道：“听说‘世’有可来消息，真的吗？”）成为一个典故。
当时的报纸上反响亦大，上海研究系的《时事新报》开始攻击，北京安福系的《公言报》更加猛攻，由林琴南出头，写公开信给蔡元培，说学校里提倡非孝，要求斥逐陈胡诸人。蔡答信说，《新青年》并未非孝，即使有此主张，也是私人的意见，只要在大学里不来宣传，也无法干涉。林氏老羞成怒，大有借当时实力派徐树铮的势力来加压迫之势，在这时期五四风潮勃发，政府忙于应付大事，学校的新旧冲突总算幸而免了。”
林纾等人公开向蔡元培的改革责难。因为陈独秀的言论最为激烈，所受的攻击也最惨酷。守旧派在思想观念上攻不倒陈独秀，便在陈的狎妓、“打场”（即与人同争一妓而生纠纷）一事上大做文章。周作人在《知堂回想录》中曾说到，那时“北京御用报纸经常攻击仲甫，以彼不谨细行，常作狭斜之游，故报上记载时加渲染，说某日因争风抓伤某妓下部，欲以激起舆论，因北大那时有进德会不嫖不赌不娶妾之禁约也。”对指向陈独秀的此种攻击，蔡元培本也是尽力回护的。在回复林纾的公开信中，蔡元培说：“对于教员，以学诣为主，以无背于第一种之主张（按指学术自由、兼容并包）为界限，其在校外之言动，悉听自由，本校从不过问，亦不能代负责任。例如复辟主义，民国所排斥也，本校教员中有拖长辫而持复辟论者，以其所授为英国文学，与政治无涉，则听之。筹安会之发起人，清议所指罪人者也，本校教员中有其人，以其所授为古代文学，与政治无涉，则听之。嫖赌娶妾等事，本校进德会所戒也，教员中间有喜作侧艳之诗词，以纳妾挟妓为韵事，以赌为消遣者，苟其功课不荒，并不诱使学生而与之堕落，则姑听之。夫人才至为难得，若求全责备，则学校殆难成立。且公私之间，自有天然界限。”这里，“拖长辫而持复辟论者”指辜鸿铭，“筹安会发起人”指刘师培，二者都是北大校园内守旧派的代表性人物，蔡元培举出此二人来抵挡林纾等人对陈独秀私德的攻击，是很巧妙的。
1917年，辜鸿铭踊跃参与“张勋复辟”，被封为“外务部侍郎”，12天后复辟失败，辜鸿铭只好又回到北京大学教他的英文，不过等待他的却是激进的师生们送给他的一顶“复辟论者”的帽子。为了避免政治上的攻伐，校长蔡元培不得不公开发表言论为他辩护：“本校教员中，有拖长辫持复辟论者，以其所授为英国文学，与政治无涉，则听之。”
刘师培在辛亥前就投靠端方，叛变革命，甘愿充当奸细，出卖同志。蔡元培惜其才，极力为之辩护：“刘申叔，弟与交契颇久，其人确是老实，确是书呆！”后刘师培又襄助洪宪帝制，为时人不齿，但蔡元培仍延请他在北大教书。
蔡元培看到《新青年》，非常喜欢，第二天一早就去拜访陈独秀。陈贪睡，蔡元培就在门口一直等他醒来，当即聘他为文科学长。黄侃、马裕藻很不高兴，抱怨道：“陈独秀不过能写点笔记文，怎么能作文科学长。”蔡元培说：“仲甫精通训诂音韵之学，如何做不得学长？”
上海的庄森先生发表了一篇文章，题目叫《蔡元培为陈独秀编造假履历》。内容说，蔡元培（孓民）校长为了使当时的教育部批准陈独秀出任北京大学文科学长，造假说陈独秀曾毕业于日本大学，曾在安徽高等学校担任校长。实际上，陈独秀虽然多次到日本，但并未进大学，也没有当过安徽高等学校校长。
蔡元培看到梁漱溟一篇文章而决定聘其做北京大学印度哲学讲席，梁漱溟辞以对印度哲学实无所知。蔡说：“你说你教不了印度哲学，那么，你知有谁能教印度哲学呢？”又说，“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。”
蔡元培曾用“万物并育而不相害，道并行而不相悖”的观点，来解释他的“思想自由、兼收并蓄”的主张。“我素信学术上的派别，是相对的，不是绝对的；所以每一种学科的教员，即使主张不同，若都是‘言之成理、持之有故’的，就让他�