Н. И. Пирогов принял предложение министра народного просвещения А. С. Норова по настоянию Великой княгини Елены Павловны и Великого князя Константина. Николай Иванович в письме верному другу баронессе Ф. Э. Раден так изложил свое кредо: «Я от своей независимости и от своих убеждений не отказываюсь. И ничего не ищу. Если действительно желают, чтобы я мог быть полезным, то пусть меня не останавливают на полпути; этими полу-путями я следовал уже много раз: теперь я не хочу больше действовать против своей совести и своих убеждений; для этого я может быть слишком хорош, может быть слишком глуп».
Как ёмко написал А. Н. Острогорский, «на свой пост педагога-администратора Пирогов пошёл, чувствуя себя миссионером, учителем жизни, проповедником высокой и святой идеи, почерпнутых из уроков и из земной жизни Богочеловека». По словам Н. С. Державина: «На педагогическом поприще Пирогов явился, как общественный деятель с ясным, точным и определенным миросозерцанием, с готовыми решениями по всем мельчайшим вопросам педагогической практики и притом с решениями не шаблонными, но глубоко продуманными и оригинальными». Сохранились письма Н. И. Пирогова, где он описывает свое душевное состояние в связи с назначением. А Великому князю Константину Павловичу он писал: «Как отец и как русский я постигаю всю важность воспитания для нашей земли и искренне желаю его видеть основанным не на одних временных потребностях страны, но на началах более глубоких и верных».
Ещё 4 января 1856 года, вскоре после возвращения с Крымской войны, Николай Иванович подал рапорт об уходе из Медико-хирургической академии, мотивируя это своим «расстроенным здоровьем и домашними обстоятельствами». В июле 1856 года был подписан приказ об увольнении Пирогова, что совпало с публикацией «Вопросов жизни» и предложением министра народного просвещения принять должность попечительства учебного округа и чин тайного советника, что соответствовало званию генерал-полковника».
В 1856 г. Пирогов ушёл из Медико-хирургической академии, получив пост попечителя Одесского учебного округа, который занимал в течение двух лет. Административно-педагогическая деятельность Н. И. Пирогова была насыщенной и плодотворной. Он содействовал работе педагогических советов учебных заведений, принимал меры по совершенствованию преподавания иностранных языков, поощрял творчество и самообразование преподавателей, заботился о расширении педагогического образования (учредил педагогическую семинарию при Киевском университете для подготовки учителей), уделял специальное внимание улучшению качества преподавания в частных женских школах-пансионах, учреждал первые воскресные школы, противодействовал сокращению университетской автономии.
Он настаивал на коллегиальных началах управления учебными заведениями, выступал за предоставление педагогическим советам гимназий прав в отношении корректировки программ, направленных на развитие у учащихся первоначальных основ мышления и наблюдательности путем обучения родному языку, счету и, в частности, развитие наблюдательности путем наглядного обучения в духе Песталоцци. В своей статье «О наглядном обучении» Николай Иванович раскрывал способ наглядности в преподавании естественных наук, считая, что: «Вообще, главная обязанность педагога заключается преимущественно в том, чтобы науку излагать не столько для самой науки, сколько для развития, посредством науки той или другой умственной или душевной способности. Естественное и должно именно служить к развитию наблюдательной способности у ребенка, начинающего знакомиться с окружающей его природой. Надобно приучить с ранних лет и его глаз, и его осязание к отчетливому отыскиванию различных признаков, характеризующих естественные тела; дайте ему в руки минерал, растение, животное и спрашивайте его, что он видит и что он находит особенного; заставьте его найти и описать различие между тем и другим телом, и задача ваша будет разрешена, цель будет вполне достигнута» (Пирогов Н. И. Избранные педагогические сочинения).
Главное в воспитательной работе, чему Н. И. Пирогов придавал решающее значение, это намерения, жизненные цели и задачи, какие ставят себе воспитатели в семье и в школе, согласованность семьи, школы, общества и государства в этих целе-устремлениях. При этом он дал ряд ценнейших соображений по методике воспитательной работы. Однако, проповедуемые Николаем Ивановичем идеи воспитания и просвещения вызвали агрессивное неприятие со стороны чиновников, отвечающих за школьное образование.
Либеральная деятельность его в качестве попечителя учебного округа вызвала у одесского генерал-губернатора подозрение в свободомыслии и подрыве авторитета властей. Н. И. Пирогов был переведен в Киев на должность попечителя Киевского учебного округа. Здесь он продолжал улучшать работу школ, постоянно посещал не только средние школы, но и высшие учебные заведения, проводил встречи с педагогами, учениками, вникая в сущность проблемы школы, индивидуальности ребёнка.
Н. И. Пирогов выступал против ранней специализации детей, сужающей их кругозор и тормозящей их нравственное развитие. Он указывал на необходимость широкого общего образования как основы профессионального обучения. Для него было аксиомой, что каждый учитель школы любого уровня только тогда отвечает своему назначению, когда одновременно с преподаванием он воспитывает учеников. Каждый наставник должен прежде всего усвоить, по его словам: « что наука нужна не для одного лишь приобретения информации, в ней есть иногда глубоко, и поэтому для поверхностного наблюдения незаметно, другой важный элемент воспитательный. Кто не сумеет им воспользоваться, тот не знает всех свойств науки и выпускает из своих рук тот рычаг, которым можно легко преодолеть большие трудности». (Пирогов Н. И. Избранные педагогические сочинения).
Н. И. Пирогов предложил новый проект школьной системы, направленный против сословной школы. Свою школьную систему он строил по принципу единой школы. Главным для педагога, по мнению Н. И. Пирогова, является профессиональная подготовка, знание предмета, методики его преподавания и отношение к своим обязанностям, к детям. Важен внутренний мир и личный пример учителя. В своих трудах он чётко выдвигал следующие требования к учителям и их методам преподавания: опытный учитель должен уметь активизировать внимание и развить интерес к учебному материалу, а это, по мнению Николая Ивановича, главное для успешного обучения. Разрабатывая новую школьную систему, ученый во многих педагогических трудах особенно большое внимание уделял, кроме содержания обучения, также его формам и методам, подчеркивая, что надо знать не только то, чему учить детей, но и как учить.
Установки педагога о значении наглядности как активного метода в обучении и необходимость сочетания слова и наглядности не утратили своего значения и сегодня. Такой подход применяться педагогами должен прежде всего, т.к. он способствует развитию мышления учащихся, их способностей и интересов, формированию навыков самостоятельной работы.
Он был озабочен развитием у учителей внимательного, чуткого отношения к учащимся. При этом требовал от учителей «при обсуждении каждого поступка» учащегося не формально юридического отношения, а «хорошо вникнуть в те обстоятельства», которыми вызывается поведение ученика. В этих целях Пирогов предлагал воспитателям завести у себя карманные журналы, в которых бы они отмечали, с надлежащей подробностью и только для себя, все замеченные ими поступки учеников, их образ мыслей и т. п.
В отношении телесных наказаний Пирогов был последователем Дж. Локка, трактуя телесное наказание как унижение ребёнка, наносящее непоправимый ущерб его нравственности, приучающее его к рабскому повиновению, основанному лишь на страхе, а не на осмыслении и оценке своих поступков. Рабское повиновение формирует натуру порочную, ищущую возмездия за свои унижения. Н. И. Пирогов полагал, что результат обучения и нравственного воспитания, действенность методов поддержания дисциплины определяются объективной по возможности оценкой учителем всех обстоятельств, вызвавших проступок, и назначением наказания, воспитывающего его. Он считал, что иначе оно тормозит нравственное воспитание детей, сужает их кругозор; осуждал произвол, казарменный режим в учебных заведениях, бездумное отношение к детям.
Он считал, что гуманное отношение к ребенку основное условие развития детской личности: «Ничто так не способствует развитию самых драгоценных свойств человеческой натуры, мысли и слова, как гуманизм», утверждал педагог Подъём человеческого достоинства ребенка, предотвращение его унижению поможет избежать негативных качеств характера. Гуманизмом и любовью пронизано обращение к меценатам: «Теперь, когда мы, кажется, начинаем уже серьезно убеждаться, что настоящего прогресса можно достичь одним единственным путем воспитания, теперь, говорю, кто по-настоящему любит Родину, для кого грядущее и потомки составляют идею земного бессмертия, тот должен и милосердие посвятить исключительно детям. Дети вот современная специальность для наших благодетелей».
Николай Иванович указывал, что основанием последующего профессионального образования должно быть широкое общее образование; предлагал привлечь к преподаванию в высшей школе крупных учёных, рекомендовал усилить беседы профессоров со студентами; боролся за общее светское образование; призывал уважать личность ребёнка; боролся за автономию высшей школы на формирование нравственных убеждений, воли, чувства гражданской ответственности и осознание необходимости самовоспитания, т.е. глубокое освоение гуманистического потенциала человека, тех общечеловеческих ценностей, которые составляют суть человеческого в человеке.
В своей статье «Нужно ли сечь детей, и сечь в присутствии других детей?» (1858), которая явилась откликом на служебный отчет директора гимназии Одесского учебного округа, Н. И. Пирогов принципиально осудил телесные наказания детей и горячо доказывал, что применение розог антипедагогично, что телесные наказания уничтожают в ребенке стыд, развращают детей и должны быть отменены. Он подчеркивал: «Главная задача педагогики состоит в том, чтобы, пользуясь естественной склонностью человека, живущего в обществе, дать надлежащее направление и направлять его к развитию чувства законности, правды и чести». Вслед за многими мыслителями Н. И. Пирогов считал двойственность человека следствием его биологической и общественной природы. Он утверждал, что каждой личности свойственна постоянная борьба внутренней и внешней природы. Воспитание оказывается единственно приемлемым способом привести в гармонию природное и общественное в человеке: «Только то воспитание сулит наиболее шансов на успех, в котором воспитатели сумеют приспособиться к индивидуальности своих воспитанников и её приспособить к жизни» (Пирогов Н. И. Избранные педагогические сочинения).
Педагогика должна научиться вникать в мир детства, сообразовываясь со способностями воспитанника то развивая, то обуздывая их. Он придавал большое значение развитию у учащихся наблюдательности, добивался, чтобы учителя во время преподавания держали класс в постоянном напряжении и обращались к каждому учащемуся с наводящими вопросами, организовывал литературные беседы и вечера, отстаивая свободу мысли и самостоятельность учащихся.
Он противопоставил официальному курсу образования идею общечеловеческого воспитания, которое должно подготовить к общественной жизни высоконравственного человека с широким умственным кругозором. Редкий человек, считал Н. И. Пирогов, осознанно ставит перед собой жизненные цели. Между тем каждый должен задать себе вопрос, в чем смысл, предназначение и призвание его жизни. Ответ должно дать воспитание.
Пирогов выделял два рода воспитания общечеловеческое и специальное, которое наступает после общечеловеческого. Таким образом, главное это нравственное воспитание, которое осуществляется благодаря: во-первых, это помощь ребёнку в осознании окружающего мира и общественной среды, во-вторых, при превращении «добрых инстинктов» в сознательную тягу к идеалам добра и правды, в-третьих, при формировании характера и убеждений.
К личности преподавателя Н. И. Пирогов предъявлял высокие нравственные требования. Педагог должен нести ответственность за результаты обучения. Николай Иванович считал, что занятия, которые не обеспечивают основательных и прочных знаний, не только как бесполезные, но и как вредные для дела воспитания. Они способствуют развитию верхоглядства и легкомысленного отношения к науке и делу вообще. Важно, почувствовать в процессе обучения вкус, влечение к работе. Чтобы обеспечить это, необходимы, с его точки зрения, два условия: доступность предлагаемого материала и высокое искусство преподавания. Основой методического искусства Н. И. Пирогов считал умелое сочетание наглядности и слова.
В трудах Николая Ивановича, как педагога-медика, были изложены идеи по методике преподавания. Так при преподавании курса оперативной хирургии и топографической анатомии Н. И. Пирогов использовал совершенно новую и наглядную методику: «Я днем изготовлял препараты обыкновенно на нескольких трупах, демонстрировал на них положение частей какой-либо области и тут же делал на другом трупе все операции, производящиеся на этой области, с соблюдением требуемых хирургической анатомией правил. Этот наглядный способ заинтересовывал слушателей; он для них был нов, хотя почти все слушали курсы и в заграничных университетах». Н. И. Пирогов был у истоков анатомо-физиологического направления в отечественной хирургии, что потребовало изменения организации учебного процесса на медицинских факультетах.
Интересна была заметка «О врачах-педагогах» (1859). Некто господин К. прислал Пирогову письмо о целесообразности использования врачей в школьном обучении. Пирогов посчитал такую практику очень полезной, но не только для более четкого обучения анатомии и физиологии, но и: «Есть еще одна важная сторона воспитания в закрытых заведениях, которая доступна исключительно только одним врачам. Это пороки чувственности, до того скрытые в наших заведениях, что начальники едва подозревают об их существовании. И так врач при закрытом заведении мог бы в одно и то же время быть с пользою и надзирателем за нравственной стороной учащихся, и преподавателем энциклопедии медицинских наук в высших классах, и врачом гимназической больницы». Вот так в нескольких словах Пирогов определил проблему сексуального воспитания школьников, заботу об их физическом здоровье и квалифицированном преподавании анатомии и физиологии.
Он искренне стремился к осуществлению в нашей стране всеобщего обучения, он защищал право на полноценное образование не только русских людей, но, и самых угнетенных наций, населявших Россию. Своим изложением «философии» жизни, разоблачая пошлость, язвы и пороки, служившие предметом изображения в нашей могучей, исключительной по своим моральным тенденциям художественной литературе XIX в., Н. И. Пирогов вместе с тем показал бессилие школы и воспитания его времени в деле преобразования общества на каких бы то ни было разумных началах.