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1901年（光绪二十七年），当阎锡山为自己的前途感到彷徨时，正值山西复办武备学堂。
我国有陆军学校是在光绪十年中法战争之后。1885年6月20日，李鸿章向清廷正式奏请成立天津武备学堂。这是我国开办的第一所陆军学堂，用以培养专门军事人才。它与其说是洋务运动的产物，毋宁说是中国军事近代化的产物。但是由于清政府的腐败，迟滞了军事学堂发展的进程。直到甲午战争之后，在北方才又创设了小站随营学堂和开平随营学堂。至于山西，由于风气闭塞，直到1898年间才得以创设。但因义和团运动兴起而停办。直到《辛丑条约》签订后，朝野大练新军的呼声日高，国人痛感“旧式清军不足恃”，一致认为“筹饷练兵为急务”。9月，清政府在实行新政的上谕中强调编练新军的重要性，命令各省将军督抚：“将原有各营，严行裁汰，精选若干营，分为常备、续备、巡警等军，一律练习新式枪炮，认真训练，以成劲旅”。而要普练新军。就得广建武备学堂，此正所谓：“将才端由教育而成，自非广建武备学堂。”于是不久清廷又命令各省筹建武备学堂。山西武备学堂正是在全国普练新军声势的推动下，复办起来的。
阎锡山很不甘心自己当伙计的社会地位，很想进入新的学堂深造，作为自己安身立命的阶梯，因此，当山西武备学堂的招生简章公布后，他便鼓足勇气，偕黄国梁、张瑜一块报考。
当然，为“时势所趋”，一些有志青年一般认为“欲有补时艰，想为国家效力的途径，只有投笔从戎”。当时，太原城里仍有旧学，但是也有山西大学堂等新学，阎锡山选报考武备学堂，也说明他受新学与旧学之争的影响，向往新学，并愿意步入军旅，为国效命。
山西武备学堂属于初创，又是新学，入学考试并不很难，试题为“韩信将兵多多益善”，所以阎锡山和黄国梁、张瑜都顺利通过考试，而且，最后在加试中，阎锡山言简意赅的对答，还受到主考官姚鸿发协统的赏识，所以他们三人均被该校录取了。
武备学堂是培养军人的新式学校，其中能开设的课程有操典、训练等军事科目，还有历史、地理、理化、数学、国文等文化科目。首年武备学堂共招收120名学员，大多是各县应试童生，还有一些秀才。与阎锡山同时考入的，还有温寿泉、乔煦、姚以价等。阎锡山住“信”字第五号宿舍，与张瑜、周望英等同住一室（学生分别住在“孝”、“悌”、“忠”、“信”四个斋号里）。该校属于省立学校，除保证学生衣食外，每月还发一定饷银。成绩优异者，另外奖励。
初入武备学堂，因为除国文课外，对阎锡山来说都是新课，所以感到课程有些吃力。但他天赋良好，加之勤学用功，一年之后便适应了。他对新课程最感兴趣的是步兵操典，觉得非常有意思，虽然文字不免有些枯燥，然其中知识领域相当广泛。对文化课他感兴趣的是数学、历史和地理，因为在他看来，数学可以启发人们的思维；历史可以了解古今大事演变；地理可以知晓世界。他最不想费力的是国文课，而他的成绩最优秀的也正是国文，每考必名列前茅。对第一年的学习，他感到各方面都有较大的进展，收获颇丰。
第二年，他对各种新课程已经能够全面适应，并且对理化也发生了兴趣，同时对军事各科也十分用心，每次上课勤于笔记，注意要领，渐渐博得了老师的喜欢。
第三年，他对于学与术，均很努力。术科方面他对基本操作，很下功夫，动作姿态，较为标准，经常被选作出队示范，渐渐在同学中也树立了好的形象。以后便当上学生班长，颇得老师与同学的信任。
三年学习，阎锡山各门均获得了好的成绩，其中国文分数名列前茅，操典也获得了最优的平均高分。于是很受当时武备学堂的主持人李廷飚（山西浑源人，进士出身）的器重。李廷飚欣然赠字“伯川”，意在配锡山的“山”，而百川汇海，义取高深广大。这也就是阎锡山字伯川的来历。
另外，三年期间，阎锡山的政治思想也有所发展。当时，康有为主持的戊戍维新运动虽然失败已有四五个年头，但在一般青年学生中仍有广泛影响。公车上书、六君子就义等等，仍是学生们经常议论的话题。尽管上海等地鼓吹反清革命的书刊已在流传，而风气闭塞的山西，就是在知识分子荟萃的学堂里，人们的口头禅仍是“君主立宪”、“变法维新”之类已经过了时的口号。然而，即便这些口号，对阎锡山来说，也是此前未接触过的东西，因而颇具吸引力。从以后的一些言论中，不难看出，他在政治上曾一度仰慕维新派的主张，比如他多次谈到清政府，“当维新而不维新”以致“丧失帝业”。这说明他当时在思想上是主张维新变法的。