為了使學生具備比較全麵、寬厚的基礎知識，蔡元培還提出溝通大學文、理兩科的主張。他認為文、理兩科的截然劃分，和近代科學相互聯係的事實不相符合，他說：“文科的哲學，必植根於自然科學；而理科學者最後的假定，亦往往牽涉哲學。從前心理學附入哲學，而現在用實驗法，應列入理科；教育學與美學，也漸用實驗法，有同一趨勢。地理學的人文方麵，應屬文科，而地質地文等方麵屬理科。曆史學自有史以來屬文科，而推原於地質學的冰期與宇宙生成論，則屬於理科。”他反對“守一先生之言，而排斥其他”的治學方法，指出：“治文學者，恒蔑視科學，而不知近世文學，全以科學為基礎；治一國文學者，恒不肯兼涉他國，不知文學之進步，亦有資於比較；治自然科學者，局守一門，而不肯稍涉哲學，而不知哲學即科學之歸宿，其中如自然哲學一部，尤為科學家所需要；治哲學者，以能讀古書為足用，不耐煩於科學之實驗，而不知哲學之基礎不外科學，即最超然之玄學，亦不能與科學全無關係。”因此，他主張習文者須兼習理科的基礎知識，習理者則要兼修文科的基礎知識。在學校的編製上實行學係製，廢止文、理、法等科別，使文理學生能夠兼涉他科的課程；在教學管理上實行單位製、選科製，使學生於選修課中有一定的選擇自由。當時哲學等係還開設了《科學概論》課，雖然偏重於方法論，但已涉及科學與哲學的關係等問題。這門課由王星拱主講，講授內容包括：（一）科學方法：（1）偶然與或然；（2）歸納之原理，（3）
物理的方法與曆史的方法；（4）錯誤之免除與減少；（5）觀察與試驗；（6）假定之價值與用法；（7）逼近；（8）綜合與推絞；（9）分類；（10）結論。（二）科學效果：（1）科學與哲學；（2）理論與實用；（3）科學與美木；（4）科學與論理；（5）科學與道德；（6）聯續與無限；（7）物質與能力；（8）生物進化；（9）由生理學解釋之生命論。後來北大根據蔡元培的這一主張，進一步擴充了《科學概論》課，在文科學生中講授，其中包括：數學方法論、物理學方法論、化學方法論、生物與生理學方法論、地質學方法論、心理學方法論、經濟學方法論、統計學方法論、考古學方法論、語言學方法論、史學方法論、法學方法論等。這作為一年級學生的共同必修課，由各有關專業教授分任講授，目的使學生略知各種學科的概念及其演變曆史。理科則把國文作為一年級學生的必修課。
這時理科的教學實驗設備也有了改善。蔡元培很重視實驗室的建設，他曾在北大1922年始業式演說中說：“為研究學問計，最重要的是實驗室。在這經濟最困難的時候，我們勉強騰出幾萬元，增設物理、化學、地質各係的儀表標本，並修理實驗室、陳列室，現在第二院已有與前不同之狀”。這反映了當時北大的實際情況。如地質學係在1920年前設有一個實驗室，李四光來校後，蔡元培委托他管理儀器、標本，曾任地質係儀器主任。經過他多年努力，建立了礦物學、古生物學、岩石光學等專業實驗室，修建了地質學館，開辟了地質陳列室和研究室等。物理係原來僅有一間實驗室兼儀器室，設備差，精確實驗無法進行，即使做實驗而數據也是照抄教科書的。經蔡元培聘請顏任光來校主持物理係後，北大物理係逐漸成為國內同類專業中設備較齊全的一個係。這使學生的實驗課逐漸充實，後來規定初級物理實驗六十二個，在預科一、二年級進行，每周一次；普通物理實驗六十九個，在本科一、二年級進行，每周一次，目的是使學生能使用各種高級儀器，以養成將來獨立研究的能力；專門物理實驗在三、四年級進行，每周兩次，學生並可在教授指導下自作實驗，進行專題性的研究。
為了不斷提高教學質量，加強學生對基本理論的學習，蔡元培還十分重視教師的科學研究工作。他認為教學與科研是相輔相成，互相促進的；一個教員如果不從事科學的研究，則他的教學就難免不陷入抄發講義不求進步的狀態。在蔡元培的提倡下，這一時期北大文、理科教員中的學術研究取得了進展，對教學起了促進作用。如李四光關於中國第四紀冰川、地質力學理論等重要課題的研究，就是他在北大任教時開始進行的。
蔡元培曾指出：“一地方若是沒有一個大學，把有學問的人團聚在一處，一麵研究高等學術，一麵推行教育事業，永沒有發展教育的希望。”在這裏，他是把教學和研究作為高等學校的兩個職能，是並行不悖的；而這兩方麵作用的發揮，對一個地區和國家的科學文化事業則關係極大。