天津北洋西学学堂自创办之始，就仿照美国的大学模式，全面系统地学习西学。例如，除汉文课和部分外语课外，其余所有功课都由外籍教习担任，要求学生外语基础好；教科书使用外文原版，用外语授课；学生实验所用的各种器具、设施都从美国进口等等。当时，天津北洋西学学堂被誉为“东方康奈尔”，它的 教学计划、讲授内容与方法、教科书、教员配备，成为后来其他各地兴办新式大学的模式。
天津北洋西学学堂初创就是综合性大学。从学制来看，头等学堂为大学本科，二等学堂为预科，学制各为四年，一名合格人才要经过八年培养。这是中国近代教育分级设学之始。二等学堂“是中国最早的新式公立中学堂”，招收13至15岁学生入学。从专业设置来看，头等学堂分设律例、工程、矿冶和机械四学科。既有社会科学学科，又有自然科学学科，表明中国的高等教育从一诞生起，就与国家经济、政治的需要紧密联系在了一起。 北洋大学的课程设置：头等学堂课程分基础课和专业课。基础课有20余门课程，专业课分五个专业：工程学、电学、矿务学、机器学、律例学，共30余门课程。
二等学堂主要课程有：英文、数学、朗读、各国史鉴、地舆学、格物书、平面量地法等20余门课程。
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