在抗日战争时期，共产党领导的革命根据地都是地广人稀、经济落后、文化教育极不发达的边远地区，如建立最早的陕甘宁边区，人口150万，而文盲就有100万以上。到1939年，小学生还只有二万多人，占该区人口总数的1.3%，中学仅有寥寥几所，而且质量不高，广大群众普遍受着封建迷信的影响，根本没有受过自然科学的教育。在正常情况下，应该把发展教育放在最先的地位。但是这个时期，革命的中心任务是打倒日本帝国主义，一切工作，都必须围绕着这个目标。因此革命工作，首先是战争，其次是生产，再次才是文化教育。学校教育没有必要也不可能采取正规的制度。所以，当时共产党制定的教育纲领是“改变教育旧制度、旧课程，实行以抗日救国为目标的新制度和新课程”，即发动群众、加强生产、宣传革命斗争的教育。这样的决定，在当时当地，是完全必要的。但是，在另一方面，党中央也考虑到革命建设的长期性，注意到有需要逐步提高干部和人民的文化水平。毛泽东同志曾说过，没有文化的军队是愚蠢的军队，愚蠢的军队是打不垮敌人的。而且为了团结改造根据地的知识分子队伍，应当容许一切具有抗日积极性的知识分子进入我们的学校，并发挥他们的专长，所以边区政府决定，除了开办培养初级干部的小学外，还需要开办其它类型的学校，如陕北公学、鲁迅艺术学院、女子大学、抗日军政大学和延安大学等。1940年夏，党中央决定将自然科学研究院改名自然科学院，成为当时解放区的一所进行自然科学教育与科学研究的最高学府，是培养党与非党的高级与中级的专门科学及技术人才的学校，直属中央领导。研究院的任务是“开展科学研究，协助政府发展经济建设，推进生产事业，解决边区物资困难，改善人民生活。”中央还决定，凡带有专门性质的学校，如自然科学院，应以学习有关的理论与实际的课程为主。

自然科学院建院初期曾由留法勤工俭学的李富春担任院长，由曾留德学习化学的陈康白任副院长。不久，改由当时担任中央宣传部副部长的徐特立担任院长。徐特立曾留法参加勤工俭学，他非常重视自然科学的学习。他在1941年9月24日《解放军报》上撰文“怎样发展我们自然科学”。他说：“先进的政党，每一个步骤都不会忽略过去的历史，同时每一步骤都照顾着将来。见近不见远，只是帝国主义资产阶级中的实利主义者，见远不见近，只是小资产阶级的乌托邦主义者。抓住中心的一环，又照顾到锁链的全面，就必须有周密的计划和详细的调查。……由于科学的发展不是短期能完成的，所以有‘十年树木，百年树人’之说”。他又说：“科学家应该照顾到实际条件的可能和需要，如果没有人力物力的一定基础，幻想提高科学是不可能的。……但是有了起码的条件，只等着条件完全具备，而不愿在已有条件下加以创造，……同样是错误。”从这些话看来，尽管在战时的环境里，徐特立对于比较系统的自然科学教育，还是认为有迫切需要的。

1942年，延安开始了整风运动，对于自然科学院的办学宗旨中理论联系实际的问题，展开了激烈的争论，一部分人认为自然科学院应该分为工农两部，以边区的实际问题为主，教学应侧重工业和农业的应用技术。另一部分人认为“基本科学是应用科学与理论科学的基础，是必要的开步走的理论知识。”“实际问题的彻底的、系统解决，没有理论的依据是不可能的。这种理论是应用科学中不可缺少的基本知识。”“延安科学院没有开过纯理论的课程，基础的物理、化学、生物等课，在高等教育中是不可缺少的，否则就无法解决应用科学中的实际问题”。对于“博与专”的争论，徐特立说：“那种‘学校即社会’的论调，把两个阶段混为一个阶段的社会主义是有偏向的，相反‘社会即学校’的主张，否定学校教育的重要作用，想单纯用带徒弟的方法，也是一种偏向”。这个根据马克思主义教育原理做出的结论，给延安教育界和科技界指出了改革的方向。

自然科学院当时既是正常进行自然科学学习的学校，又是进行自然科学活动的中心。院内建有一幢科学馆，1942年12月，在科学馆内举行了牛顿300周年诞辰纪念会，徐特立作了《对牛顿应有的认识》的报告，这件事，在战争的年代里，在延安这样艰苦的环境中举行，是非常难得的，值得人们称颂。这时，在西南地区的物理工作者，也在重庆和贵州，分别举行纪念牛顿的报告会。

自然科学院分大学本科、预科和补习班三部分。本科招收中学毕业生，学制二年，不放寒暑假，预科招收初中毕业生、学制二年，补习班相当于初中程度，学制一年半。后来改为初中三年、高中二年、大学三年，从中学到大学，一年级都是打基础的课程，实际问题列入大学的最后两年。大学本科分物理、化学、生物三系，后来增设地矿系。物理系的业务课程基本上仿照国民党统治区大学物理系所开的课程。本科两年的教学计划是：

对于这种学制和计划，引起了许多争论，一部分人认为边区经济落后，不需要高深的理论。另一部人认为，如果缺乏最基本的科学知识，只有专门技术，很难学得融会贯通。当时的分歧，实际上是办工科还是办理科。1941年物理系一年级时执行的计划，已经吸收了主张办工科的教师们的意见。增加了工程制图课，二年级开始，全部改为工科大学的教学计划了。因为1941年秋，延安召开了一次陕甘宁边区自然科学年会，会上李强、江泽民等以及延安厂矿的科学技术人员主张把自然科学院办成工科大学，所以当时物理系的执行计划已是一个机械工程系的计划了。在1942年5月的整风运动中，对于自然科学院的教育方针和教学方向进行了大辩论，1944年，物理系正式改为机械工程系，课程就相应的作了改变。自然科学院的办学条件，以化学系为最优越，物理系较差。在筹备之初，接收了一个油灯工厂，在此基础上，扩大建立了机械实习工厂，具有车工、钳工、木工、铸工和锻工等大体配套的各工种，物理系还可以利用边区的农具厂、兵工厂的设备进行实习。这时物理系的教师也较少，系主任为阎沛霖，教师有聂春、于光远等十余人。他们后来在回忆这一段时间的经验时，认为那时的学生学习认真，有的虽然没有学完就离开了延安，但是打下了一定的科学知识和具有实践经验的基础。例如物理系教员武可久，于1944年率领一组学生，勘测设计修建水坝，做了大量工作，取得了筑坝经验。他和学员陈兆丹等多人，根据造纸工艺流程，就地进行勘测、设计，修坝凿渠，自制并安装立式水轮机，在边区第一次有效地利用水力资源，牵引机器，取得成功。高年级学生还学到了一定的专业知识，掌握了一门专业本领，所以解放后能成为新中国科技工作中的骨干。

当时选用的教材，只能就地取用，几乎全部都是国内的通用本，大多数又是英文版本，如葛斯龙三氏的微积分、特夫物理学、谭明的普通化学，以及应用力学、热机学、机械原理等，学生在学习中有一定的困难。只有萨本栋编写的普通物理学是中文版本。有的课程由教师自编讲义，由学生刻写蜡纸，纸张及印刷质量也比较差。党和政府千方百计的为同学创造和改善学习条件，为了扩建边区图书馆，军区首长踊跃捐款，订购书刊。周恩来、董必武同志在重庆通过各种渠道为延安自然科学院收集书刊资料，购置实验仪器、药品及器械等。学生们深刻体会到学习机会来之不易，都自觉抓紧时间刻苦学习，并帮助学校做黑板、制粉笔、刻蜡纸、印讲义、制作教具等等，真正做到了政治、业务双丰收。

随着抗日战争的胜利发展，解放区的教育也不断进行改革、整顿和提高，逐步向正规化、制度化方向发展，陆续制定了一些教育规程及实施办法。认识到各级学校都应该以学为主，下一级学校为上一级学校打好基础，有预备教育的性质。中学课程中文化课应该占有很大的比重，逐步做到文化课与政治课的比例达到9与1之比，这样，物理教育也得到了重视，逐渐恢复到战前的水平。到抗战胜利后，毕业生有的参加了国家的各项建设工作，有的进入国内各高等学校继续学习，有的派往苏联留学，在各条战线上作出了很好的成绩。