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少时，蔡元培在楼上读书，一天家中失火，举家惊惶，家人大呼蔡下楼，但蔡充耳不闻，读书自若。
蔡元培爱吃炒豆，读书时，桌上放一罐豆，一边看书，一边嚼豆。他曾说，炒豆味香，愈嚼则读书兴趣愈浓。但豆吃完了，却不知道向家人再索取。
读书每遇疑难之处，蔡元培总要翻阅大量参考书，但过后又不加收拾，因此书桌上书场堆积如山，每次总是六叔便帮他将书放回原位。
蔡元培曾提议与一群志同道合的朋友编一套大部头的书，大家纷纷赞成，遂回去各自准备。两个月后，再聚会时，蔡说他有了一个更好的想法，大家觉得他的提议确实好，便放下已有的准备工作，重头再来。过了几个月再聚会，蔡又有了新的想法……如此几次，大家再也提不起编书的兴趣了。
少时，蔡元培由叔父介绍，进入绍兴首富徐树兰家“古越藏书楼”校勘《绍兴先生遗书》，他一边校书，一边读书，在四年中遍读了楼中的万余卷藏书，并对重要书籍进行了批注。蔡元培的女婿林文铮曾见过经蔡批注的一部《管子》和一部《墨子》，批注或用红笔，或用墨笔，蝇头小槽，遍布书页上下，密密麻麻，没有一点空隙。据徐家的人说，像这样批注过的书不止这两部。
蔡元培33岁开始学日语。在南洋公学时，他提倡学生学习外语应从与汉语比较接近的日语学起，并以自己不会读日文照样能看懂日文书籍的经验，教学生如何看懂和翻译日文。结果，“不数日，人人能读日文，且有译书者”。之后，蔡还和学生们一起向马相伯学习拉丁语。蔡每天一早就步行十里到马的住处学习，有时清晨五点便到马家门口敲门，马推窗见是蔡元培，只好无奈地说：“太早了，太早了，八九点钟再来吧。”
1906年，年近四十的蔡元培准备出国留学。他得知北京翰林院有“公派”出国留学的机会，急忙赶到北京，但此计划被搁浅了。蔡不甘心，几次与清廷驻德国公使孙宝琦联系，请求随其同往德国，在使馆兼职半日，余下半日到柏林大学听课。但公使馆声明只能照顾食宿，不提供职务和薪金。蔡又通过张元济与商务印书馆商洽，为该馆著文或编译，以赚取留学及养家的费用。于是，蔡成为我国第一个以“爬格子”方式半工半读的留学生。
1907年5月，39岁的蔡元培入德国莱比锡大学听课，研究心理学、美学、哲学诸学科。他一边学习，一边担任唐绍仪四个侄儿的中文教师。在欧洲留学期间，他撰写了《世界观与人生观》、《文明之消化》等论文，并编写了《哲学大纲》、《伦理学原理》、《中国伦理学史》、《中学修身》、《艺术谈概（欧洲美术小史）》等著作。
黄炎培在《吾师蔡孑民先生哀悼辞》中回忆，蔡元培一日对他说：“救中国必以学。世界学术以德国为最尊，我准备去德国求学，所以先去青岛学习德文。”蔡留学德国时已经四十岁，他在德国莱比锡大学学习三年多，选修哲学、哲学史、伦理学、心理学、文学、文化史、欧洲史、美学、美学史等几十门学科；当时名家的课程，他都去听讲。
1913年，45岁的蔡元培再次赴法国从事学术研究，在留欧的三年时间里，他又编撰了不少哲学美学著作。
有人曾谈及蔡元培的勤学：“在法国留学时，因天气极热，满身出汗，（蔡元培）便先把房门关起来，再把衣裤脱掉，埋首用功读书。有时朋友去看他，从门缝里一望，见先生独坐室中，一丝不挂，只好轻步退出。”
蔡元培的书房中挂有其画像，上书：“其为人也，发愤忘食，乐以忘忧，亦不知老之将至。”他在书桌上贴有“学不厌，教不倦”之语。
蔡元培年届七十时写《假如我的年纪回到二十岁》一文，他说：“所以我若能回到二十岁，我一定要多学几种外国语。自英语、意大利语而外，希腊文与梵文，也要学的。要补习自然科学，然后专治我所最爱的美学及世界美术史。”
蔡元培说：“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。”
蒋梦麟说，蔡元培“认为美的欣赏比宗教信仰更重要”。
刘海粟创办的上海美专礼堂落成，蔡元培为之题字曰：“宏约深美。”刘海粟说，这四个字是先生研究过古今中外许多大学问家后得出的科学结论。
蔡元培的治学成才要诀亦为此四字：“宏、约、深、美。”“宏”指在学习、汲取知识的过程中不要过于死板，知识结构狭窄，而是要把知识结构铺开、铺广，做到博大宏伟，兼收并蓄，融会贯通，为以后工作、学习打下坚实基础。“约”指在基础已成的前提下，由博趋约，突出个人专长，突出风格，自成一家。“深”意指在“约”的前提下敢于突破，究本穷源，深化知识。“美”则是一种至高思想境界，一种宽大无垠的境界，永无止境。
冯友兰回忆，蔡元培到美国考察时，在中国留学生为之举办的欢迎会上，对留学生们说：“有一个故事：一个人交了一个朋友，会点石成金。随便一块石头，只要他用手指头一点，那块石头就变成了金子了。那个朋友对那个人说：‘你要多少金子，我都可以点给你。’那个人说：‘我不要金子。我只要你的手指头。’”蔡接着说：“你们在这里留学，首先要学的是那个手指头。”
【杏坛】
黄炎培回忆，蔡元培在南洋公学任教时，鼓励学生选修政治、法律、外交、财政、教育、经济、哲学、科学等课程，并给他们介绍参考书目。他要求学生每日上交札记一篇，由他进行批改，一两日后发下，在本节的书眉上批有批语，如果写得好，便在本节的左下角加一个圈，写得特别好则加双圈。他还要求学生每月写作文一篇。每晚，他总叫两三个学生到他的住处谈话，全班42人，每个学生隔十来天便能与他聊聊读书心得或对时事的感想。
陈治先记载，蔡元培在译学馆任教时，“讲起书来，极其活泼有趣，大家上他的课，都觉得乐此不疲了”。
1911年，在上小学的蒋复璁听老师讲了“我们第一任教育部长”的生平，两年后，上了中学的蒋复璁上修身课，用的是蔡振（按：蔡元培化名）主编的教科书。1917年，他去报考北大，在院内等考卷，“看见台阶上坐着一个戴金丝眼镜、穿黑马褂的先生，靠在铺绿呢的桌上，用红朱笔点名，态度非常安详，真是慈而有威”。得知这就是自小学就知道的蔡先生后，他“精神上顿时感到一种莫名的喜慰，同时也生了一种莫名的骄傲”。
蒋复璁回忆，蔡元培曾在北大讲美学。他声音不高，但很清晰，讲到外国美术时，专门带来图画给学生们看。他的课很受学生欢迎，连讲台上都站满了人，所以后来只能搬到北大第二院的大讲堂（原公主府的银安殿）去上课。
蔡元培不赞成死读书，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。”
一次，蔡元培问学生：“一加一等于几？”在座的学生以为蔡此问有什么高深的学问，都不敢贸然回答。过了很久，一位学员鼓足勇气说：“先生，一加一等于二。”蔡当即大笑说：“对嘛。一加一就等于二。你们这样崇拜甚至迷信偶像，竟然连真理都不要了。”
【办学】
蔡元培一生致力于教育，办学无数。早在清季，他就先后在家乡主办绍郡中西学堂、嵊县剡山书院、绍兴府学堂、越郡公学、明道女校等，曾任稽山中学名誉校董。此后，他担任北大校长期间，又兼任北京孔德学校校长、法文专修馆馆长等职。某年，孔德学校因地界问题与某大学对簿公堂，开庭时竟发现，原告为“某大学校长蔡元培”，被告为“孔德学校校长蔡元培”。足见蔡元培办学之多。
1898年，蔡元培担任绍兴中西学堂总理（校长）。蔡到校后，在原有的英、法两门外语之外，又添日语，并延聘日本人前来任教。当时中西学堂的教师分为新旧两派，经常发生辩论。但因蔡支持新派教师，旧派教师诉诸督办，督办让蔡将清廷发布的“正人心”上谕抄录悬诸礼堂，蔡便愤然辞职。
1901年夏，蔡元培到上海代理澄衷学堂校长。是年9月，到南洋公学任经济特科班总教习。次年，蔡元培与蒋维乔等人创办中国教育会并担任该会会长，创立爱国学社、爱国女学。吴稚晖回忆，爱国学社筹备之初，经费奇缺，蔡元培决定前往南京筹款，时其年仅十岁的长子阿根正病重，他亦无暇顾及。临行前，家人告知阿根已气绝，他顾不上看爱子最后一眼，只是挥泪嘱托朋友代办后事，毅然登轮而去。三天后，他终于借得6000元，爱国学社这才有了创办经费。
俞子夷回忆，爱国学社旨在培养文武双全的爱国者，故每日都要出兵操，学员们也十分积极，分成各个小队，无论晴雨，都认真练习，所穿操衣的领、袖、裤管上均有红镶边的宽黑条，穿上十分威武。蔡元培也参加兵操，穿上同样的操衣，从不缺课，并轮做小队长，学喊口令。许多年后，吴稚晖对人言：“三十多年前，在浦东我也曾上过操。那时站在我前面的，就是蔡孑民先生。蔡先生也常常会把左右转弄错了，真把我急得要死！”
1915年6月，蔡元培与李石曾、吴玉章等人发起组织华法教育会，组织青年学生到法国勤工俭学。周恩来、邓小平等人都是在华法教育会的帮助下，得以赴法留学。
1916年12月26日，蔡元培受命担任北京大学校长。从1912年起，短短4年，北大校长四易其主，但历任校长都难使北大有所改观。对于蔡应否出长北大，莫衷一是，孙中山认为：“北方当有革命思想的传播，像蔡元培这样的老同志，应当去那历代帝王和官僚气氛笼罩下的北京，主持全国教育。”蔡元培日后谈及自己到北大的原因：“我回来初到上海，友人中劝我不必就职的颇多……但亦有少数的说，既然知道他腐败，更应该进去整顿，就是失败了，也算尽了心，这也是爱人以德的说法，我到底服从后说，进北京。”
【教育】
蔡元培说：“教育者，非为已往，非为现在，而专为未来。”
蔡元培在致吴稚晖的信中说：“大约大学之所以不满人意者，一在学课之凌杂，二在风纪之败坏。救第一弊，在延聘纯粹之学问家，一面教授，一面与学生共同研究，以改造大学为纯粹研究学问之机关。救第二弊，在延聘学生之模范人物，以整饬学风。”
蔡元培明确表示教育要超然于政党之外：“教育是要个性与群性平均发达的。政党是要制造一种特别的群性，抹杀个性。例如，鼓励人民亲善某国，仇视某国；或用甲民族的文化，去同化乙民族。今日的政党，往往有此等政策，若参与教育，便是大害。教育是求远效的，政党的政策是求近功的。……若把教育权也交与政党，两党更迭的时候，教育方针也要跟着改变，教育就没有成效了。所以，教育事业不可不超然于各派政党之外。”
蔡元培说：“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。”
任教育总长时，蔡元培与次长范源濂的教育方法相异。范说：“小学没有办好，怎么能有好中学？中学没有办好？怎能有好大学？所以我们第一步，当先把小学整顿。”蔡则说：“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。”于是合二人意见，从小学到大学一并整顿。
蔡元培颁布法令，进行了一系列的教育改革：将各级各类学堂统一称为学校，监督、堂长等一律改称校长，规范了每学期的开学时间；他废除小学读经，首先提倡美育。任北大校长时，蔡元培改“门”为“系”，这一称呼被各校所采用，并沿用至今；他主张学与术分校，文与理通科；他在北大时，将“学年制”改为“学分制”，实行“选科制”，即学生可以自行选择选修课。
1917年1月9日，蔡元培在北大开学典礼上发表就职演说，他与北大学生约法三章，要求学生：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”。
出任北大校长后，蔡元培提出：“大学学生，当以研究学术为天职，不以大学为升官发财之阶梯。”他以“思想自由、兼容并包”的方针改革北大。经过蔡元培的改革，仅两年多时间，北大就焕然一新了。
蔡元培到北大前，北大的教职员和学生之间几乎不发生联系，学生有事和学校接洽，须写呈文，校长批示后张贴出来，如同衙门的公文。当时的北大学生顾颉刚回忆，蔡到北大后，立即贴出布告：“此后学生对校长应用公文，不得再用呈文。”之后他又办《北大日刊》，刊登教员学生的文章，学生对学校所提建议，他也在日刊中登载，并督促教员实行。如此一来，学生与学校的隔膜便越来越少，教员和学生也平等起来。
在晚清时代，北大（时称京师大学堂）学生多是达官贵人子弟。到民国初年，贵族子弟还是不少，这批学生，经常逛八大胡同，吃喝玩乐。有一个学生，每天打扮得油头光脸，坐着洋车上学，那辆�