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總理各國事務衙門官員張蔭桓熱心贊助，曾寫信向各省督撫募捐，張之洞、王文韶等都有資助。學堂初名“西學堂”，於同月開館。校址在北京宣武門，租賃民房為校舍。招收學生四、五十名，多系京員及官紳子弟。聘請教習兩人，一人為常駐教習，一人為幫教習，分別執教。所設課程，先習英文及天算輿地，待學生英文精熟以後，再各就性質所近，分門專習兵、農、商、礦、格致、製造等學。是年冬，總理各國事務衙門據張元濟等呈請，奏準俟三年期滿，援案可對學堂教習酌加獎敘；其成業學生，準仿照廣方言館學生例，可由同文館調考錄取。學堂名稱也正式定為通藝學堂。嚴復曾在這裡講學，“宣讀西學源流旨趣，並中、西政教之大原”，“京官之好學者，相約聽講，不期而集者數十人”。
戊戌變法運動時，光緒帝召見張元濟，曾詢問通藝學堂情形，勉勵張元濟說：“要學生好好地學，將來可以替國家做點事。”在此期間，管理大學堂大臣孫家鼐奏請將通藝學堂列入中學堂。
不久，戊戌政變失敗，張元濟被革職，通藝學堂也被迫停辦。張元濟把通藝學堂的全部校產造冊移交給京師大學堂。
