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晚晴末年，另一项重要的教育事件也在发生——在中国「庚子赔款」后，美、英、法、荷、比等国相继与中国订立协定，退还超过实际损失的赔款。退还款项除了偿付债务外，其余悉数用在教育上。中国每年给上述国家输送相应的留学生。
1909年7月，清政府外务部、学部会同设立游美学务处，附设游美肄业馆，专办派遣学生赴美留学一切事宜。1909年8月举行的第一次招考，50名留学生在两个月后赴美，其中便有后来的清华大学校长梅贻琦。两年之后，1911年4月，游美肄业馆改名清华学堂。
1911年4月29日，清华学堂在清华园开学。
这也正是清华校庆定在4月最后一个周末的来源。
在清华学堂开学的同一年，辛亥革命爆发。1912年5月，原清政府的学部改为北京政府的教育部。京师大学堂也就改为「北京大学」。近代著名的翻译家、教育家严复任第一任校长。
1916年12月26日，北大迎来了历史上最重要的一位校长——蔡元培。他聘请《新青年》主编陈独秀为文科学长，并聘请李大钊、胡适、钱玄同等「新派」人物在北大任教，
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
。
京师大学堂平面图(北大二院)和沙滩
北京大学在此前后取得巨大发展，学科数量不断增加。其实，早在1903年，吏部尚书张百熙主管京师大学堂之时，就曾经在京西瓦窑村一带，也就是今天卢沟桥宛平城以北购地1300余亩用于新建校舍，预计一百多万两白银。慈禧认为过于铺张极力反对。如今这份购地契约还存于北大档案馆。
但是，公主府校舍难以容纳不断增加的科目。新建学科只能另寻馆舍。同时，就是的古建筑也难以满足现代教学需求，各项基础设施也比较老旧。
1920年，红楼为
「北大一院」，即文学院
。
「北大二院」为理学院
，院址还在马神庙的四公主府原京师大学堂。
「北大三院」为法学院
，在北河沿大街现民政部处。
京师大学堂的轴线
改建后的大学堂遵照原有布局，分为两个院。第二重院落，一条长长通道将院落分为两个部分。中轴线在这里演变为平行、平等的两条。西边轴线以中国传统四合院落围合空间为原型纵深发展，东边轴线则转变为西方布局的空间环绕建筑。1904年在西侧空地修建了十四排学生宿舍，为中式平房，完全依照传统书院布局。
对于「二院」，在当时的校园中，拆除了部分公主府建筑，呈现出U形校舍，形成了较为开阔的庭院。
在院中有一小荷花池。据记载是李四光先生在1923年担任二院庶务主任期间，亲自带领学生进行的改造。
中间还建有一座高1.5米的圆形小石台，安放日晷。如今这架日晷摆放在赛克勒考古艺术博物馆前。
日晷与荷花池
校舍建设也逐渐展开。在原京师大学堂校址附近，沙滩大街（今「五四大街」）京师大学堂的「汉花园」新建校舍。为一栋四层大楼，地下一层。因大楼的墙体大多用红砖砌成，所以称为「红楼」。1919年8月，红楼竣工，功能为大学的校部、图书馆和文科教室。
北大红楼旧照
红楼落成后，图书馆和文科都从马神庙公主府的「二院」迁入了红楼。红楼的一层几乎都是图书馆。当时李大钊先生担任图书馆主任，他的办公室就在一层东北角。
1918年9月，毛泽东第一次来北京，在北大图书馆做助理管理员时，就在一层西侧朝南的31号房间工作，也就是新闻报纸阅览室。他也就是
从这里博览全书，接受新思潮，并开始接触马克思主义
。二楼的几个大教室，教授们在此演讲和讲课，比如鲁迅在此讲授《中国小说史》，胡适讲授《中国哲学史》李大钊教授《唯物史观》等等。
北大沙滩地区用地现状
红楼的北面是一块空地，学校租其中一部分作为操场。1919年5月4日，当时的学生就是在这里集结出发。由此，后楼北面的操场被被命名为「民主广场」。
在1961年3月4日，「红楼」被公布为我国第一批全国重点文物保护单位。现北大红楼开辟为五四时期的「新文化运动陈列馆」。
这里也是中国近现代史民主、科学启蒙的「圣地」。
