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袁世凱在直隸總督任上，得到朝廷批准，大規模擴充北洋軍隊，為了使北洋軍超出直隸省的軍額，他透過慶親王奕劻，1903年在北京成立練兵處，掌管全國新軍，實權由袁世凱掌握。由於袁世凱經常不在北京，練兵處有電話、電報接通天津直隸總督衙門，而且每日有專人來往京津傳遞文件，確保袁世凱有效掌握軍權。

為了培養新增軍官，袁世凱恢復已經停辦的「北洋武備學堂」，派得力將領段祺瑞擔任學堂總辦，又成立「貴胄學堂」，專門招收八旗子弟，培養滿族軍官，以消除滿洲人的疑慮，貴胄學堂由馮國璋擔任總辦。又成立「北洋巡警學堂」，建立維持治安的警隊，由趙秉鈞擔任總辦。段祺瑞、馮國璋、趙秉鈞都是日後北洋政權及北洋軍閥的核心人物。

袁世凱在直隸總督任上，除了興辦各種新政、督練北洋新軍、處理中外關係之外，更加著意籠絡慈禧太后寵信的重臣，例如慶親王奕劻、總管太監李蓮英等。1903年，首席軍機大臣榮祿病逝，慶親王奕劻繼任。袁世凱知道奕劻貪財、奕劻之子好色，因此對他們極盡討好巴結，袁世凱在北京開設「臨記洋行」，派親信打理，專門為奕劻父子搜羅各種海內外新奇物品，隨時進獻給奕劻父子，袁世凱更加與奕劻之子結拜為義兄弟。當然，袁世凱不會忘記進獻給慈禧太后及李蓮英。在慈禧眼中，袁世凱有才幹，而且懂得與外國人打交道。

袁世凱在義和團之亂以及八國聯軍佔領北京期間，在山東省城濟南，創辦山東大學堂，嘗試以新式教育取代科舉考試。袁世凱聘請在登州府辦學的美國長老