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拳乱之后，慈禧太后态度大变，转而对一项重大的体制改革给予了支持。此后的几个月里，教育问题成为关注的焦点。1901年9月，清廷下令，各省会书院一律改为学堂。在慈禧和光绪还都后的1902年（壬寅年）1月，清廷下令恢复京师大学堂，并将京师同文馆和国子监并入。历任工部和刑部尚书的张百熙，继孙家鼐和不幸的许景澄之后，被任命为第三任管理大学堂事务大臣。张百熙之前曾积极建言改革教育，认为这是利国利民的好事。他曾任山东乡试副考官、四川乡试正考官、江西乡试正考官、山东学政、广东学政和国子监祭酒，在被慈禧太后任命之前还是皇子的老师。
尽管在维新变法中张百熙支持康有为，但是他的参与度极其有限，因而仕途并未受到影响。确实，在庚子奇祸之后，他正是凭借为新政的忠诚献言，以及与满族军机大臣荣禄的关系，成为了慈禧太后最信任的官员之一。“枢府乏人”的局面使得张百熙这样的人得以迅速晋升。几乎就在被捡选为管学大臣的同时，他被提拔为六部之中最有权势的吏部尚书。
与黄宗羲及封疆大吏曾国藩和张之洞辈的传统一脉相承，张百熙坚信应当由朝廷而非地方书院的山长来负责教育事务。他忧心忡忡，生怕清廷不能肩负起改革的重负。他用实际行动证明自己是大学堂的出色领袖。叶恭绰（京师大学堂仕学馆毕业生、民国时期政府要员）认为，张百熙为北京大学的发展所做出的贡献之大仅次于著名的蔡元培先生。
在他的领导之下，曾经有一段短暂的时期，“最高学府”似乎真的要成为改革的“源头活水”了。可是，在革新大学堂及整个国家教育体制的过程中，他必须小心谨慎地应对各种险恶的政治环境——在推进有意义的改革的同时，不能在朝中手握大权的守旧官僚面前显得过于开明。
在张百熙给皇帝的早期奏折中，他声称外国将会用京师大学堂来检验清廷是否有决心推动新政。他写道：“今值朝廷锐意变法，百度更新，大学堂理应法制详尽，规模宏远，不特为学术人心极大关系，亦即为五洲万国所共观瞻。”他用激发人们国家荣誉感的办法来为大学堂筹款。他断言大学堂开办后的前两年，“一切因陋就简”，已经引起了外国人的嘲笑。如果能在拳乱后的北京，矗立起一座设施齐全、世界一流的大学堂，这将会是清朝选择走向现代的最好标志。
张百熙说，大学堂的校园太小，“查外省如广东之广雅书院、湖北之自强学堂、两湖书院、上海之南洋公学，视大学堂现在基址，皆大至数倍或一倍不止”。这难道是因为那些学堂的赞助人比朝廷更加愿意资助办学、更加了解新式教育的重要吗？张认为：“断无京师制度反减于外省之理。”
位于拥挤的市中心，且校舍还是临时找的废弃王府，如此说来，京师大学堂也确实寒酸了一些。它根本不能与拥有宽阔庭院和大型建筑的东京帝国大学相比。美国学者、凯斯西储大学（Case Western Reserve University）的校长查理斯·富兰克林·特温（Charles Franklin Thwing）曾到访过京师大学堂。据他讲，“京师大学堂低矮而杂乱的建筑物”紧挨着“紫禁城金色琉璃瓦下的灰墙”，“像中国大部分的房屋一样，这些建筑大多只有一层，其间点缀着方形的庭院，庭院间则有宽阔的拱门相通”。他又说：“在这些灰色的砖墙之间是用来上课的陋室……京师大学堂简陋的石地砖、庭院以及砖墙，与牛津、剑桥的那些绿色的充满格调的院落与花园，以及爬满常春藤的塔，是多么不同啊！”
1903年张百熙请求朝廷将京师大学堂迁到城外去，以便扩大规模，可是由于耗费巨大，清廷一时拿不出这么多钱，只能搁置。
张百熙认为京师大学堂应当像南洋公学一样，有自己独立的译书局，并请求在上海开设译书局分局。
他尤为重视译介日语书籍。此外，他宣布京师大学堂译书局有“统筹编辑课本”之权，并将对四书五经“分年计月垂为定课”。他还奏请就京师官书局旧址，开办编书局一所。编书局委托京师大学堂的名师宿儒将他们的课程讲义编成可正式出版的教科书，以便日后通行全国。
张百熙也强调了藏书的重要性。他建议从江南、苏州、杭州、湖北和扬州等地的官书局和私人藏书楼中调取藏书。
他承认所有这些项目“动需巨款”——甚至是1898年拨给款项的两倍——因而须要增添经费来源。“且大学堂专门正科，本为各省高等学堂卒业学生资送肄业地步，则各省理宜合筹经费拨济京师，应请饬下各直省督抚，大省每年筹款二万金，中省一万金，小省五千金，常年拨解京师。”
张百熙认为，若要京师大学堂对中国社会产生切实的影响，便应尽可能地缩短学制使学生尽早毕业，“收急效而少弃材”。为此，他主张开设速成科，由仕学馆和师范馆组成。他希望先开速成科，缓立预备科和大学专门。
“凡京员五品以下八品以上，以及外官候选，暨因事留京者，道员以下，教职以上，皆准应考，入仕学馆。”师范馆（北京师范大学的前身）则是专为那些准备毕业后回家乡做中学堂教习的人设立的。师范馆的学生毕业之后，必须至少执教五年，才能做官。1902年2月13日，慈禧太后批准了张百熙的建议。此后，管学大臣张百熙便致力于修订大学堂章程，并在当年的9月提交了改定稿。