清同治五年（1866年）六月初七日（7月18日）沈葆桢正式接任船政大臣，创办船政学堂，至同治十三年（1874年），有8年之久。是年5月，日本以“牡丹社事件”为借口，入侵台湾。6月，沈葆桢被授予钦差大臣、办理台湾等处海防兼理各国事务大臣，亲自到台湾巡视，大力发展“番学”。
　　发展“番学”
　　所谓“番学”，指清代在台湾少数民族区域为教育当地原住民子弟而设立的义学、社学及其他类型的教育机构。
　　清嘉庆以后，台湾的“熟番（如平埔族），急速汉化，其子弟多就近入当地汉族知识分子办的义塾就读。土番社学制度逐渐废除，土番义学代之而兴”。沈葆桢所发展的“番学”，即上面所说的“土番义学”。通过“番学”的发展，目的是改变台湾的风俗，促进台湾近代化的发展。
　　光绪元年（1875年），沈葆桢“致夏筱涛观察”就说：“鄙意则谓番学不可惜费，由我公随时加意提撕，将来收全功必在此也。”光绪四年（1878年），他又在“复小涛观察”里说：“俾社学日起有功，则造福无量，当不疑其效之纡也。”可见沈葆桢对番学的重视。
　　硕果累累
　　沈葆桢办的第一所义学，即枋寮义学，其后则在蚊蟑埔、蚊蟀埔庄、虎头山、射麻里、龙鸾、响林、平埔厝、烘箕湖、赤山、北势萦、加纳埔、杜君英、四重溪、刺桐脚等十四个地方设立义塾，招收汉族与原住民儿童入学，其中以后者居多。
　　入学儿童实行“寄宿”制，伙食由清政府供给，教学内容以读书、写字为主。凤山县知县孙继祖说：“又中纹、永化二社送番童二名，愿入官学；似于枋寮创建义塾，延师教导，俾通言语文字，有以自达其情，所有膏火口粮由官发给。”以后卑南厅所设义学招来原住民儿童入学，还即送衫裤鞋帽及纸笔等，给予鼓励。光绪七年（1881年），该义学还将取得初步成绩的数十名学生送赴台湾府治参观，拓展他们的眼界。恒春县各社义学更是鼓励学生寄宿学校外，还给每人每月学费50钱至100钱，口粮3斗左右。台北府义学，待遇更为优惠：官给衣食住处及文具，每年夏冬衫裤两条（件），膳费每人每月8钱，考试优秀者一月奖30钱左右。与此同时，塾师也可以得到奖励。
　　在他的努力下，仅光绪元年（1875年），台湾地方官员在埔里社设义学26处，恒春县设义学8处，凤山县设义学6处。沈葆桢在《请移驻巡抚折》里所提出的“通语言”“设番学”“变风俗”几乎处处开鲜花，处处结硕果。
　　改进制度
　　除了物质鼓励外，他还在教育制度方面采取措施，提高学生的文化地位。
　　“台湾番童，向有应试者，不过取充佾生而止。该番童登进无路，难期鼓舞奋兴。”光绪三年（1877年），《抚番开山善后章程》强调指出：“番社附近市镇，均宜广设义学，遴选取善事劝导塾师，随时为之，讲说礼义，以导尊亲……各番社头目，尤应劝送子弟入学，以资化导。现已奏请准番童进庠序，将来番童如有读书明理者，准其应试上进，庶几怀我好音。仍随时派员分别稽查课程，考核塾师只优劣，分别赏罚，以儆怠惰。仍于朔望，宣读二次。”
　　丁日昌任内，“将淡水厅番童陈宝华一名，取进府学，凤山县番童沈绍练一名，取充佾生，均勉以读书向上，为诸番唱。”丁日昌还表示，“将来似应援照康熙五十四年湖南所属苗傜另编字号，于正额外酌量取进事例仿照举行”。
　　清康熙年间，福建陆路提督张云翼建议，清政府仿照优待甘肃、新疆等少数民族地区人士的惯例，于福州举行乡试时，为台湾生员另编字号，额外取中举人一名。
　　雍正十三年（1735年），福建巡抚卢焯又请求再为台湾增加一个保障名额，以资鼓励。
　　嘉庆十二年（1807年），福建总督阿林保、巡抚张师诚，鉴于从台湾来福州应试的士子已达千余人，再次请求增加保障名额。当年，礼部批复将保障名额从两名增为三名。
　　道光八年（1828年），闽浙总督孙尔准请求在福建录取名额内，台湾士子另编字号，保证每次乡试能取中一名。
　　咸丰初年，台湾的保障名额正榜录取增至七名。咸丰九年（1859年），再增加一名，共八名。
　　至同治年间，丁日昌还要力争在番童里再增加保障名额，使台湾原住民儿童有机会进一步深造，并推动各社已创立的义学的发展。
　　所以，光绪十一年（1885年）恒春县城乡各庄总董头人陈怡隆等禀称：“恒邑开壁未久，民番贫苦异常，村童、番童日事樵牧……幸3个大宪不惜币金，设塾敬养，原欲默移潜化，不在讲究诗文。”
　　监修教材
　　沈葆桢不仅创办番学，还同王凯泰联名监修《训番俚语》作为教材。
　　《训番俚语》仿《三字经》，五言一句，共1210个字，主要内容有：
　　一、介绍清政府各级行政机构及职能，宣传“中国有皇帝，万邦皆悦服”。
　　二、宣扬理学的五伦等道德规范，如“在家孝父母，有兄当敬兄，有弟当爱弟，男女当有别，邻里要相亲，切勿思杀人”。
　　三、劝禁杀人、争斗、嗜酒，禁用刀剑。
　　四、提倡农耕，兴修水利。
　　五、提倡药物治病，反对迷信。
　　这是台湾近代东部地区启蒙教育的开始。此外，还有《化番俚语》《教番歌》《条教》等。
　　当地政府还积极配合进行宣传和教育：“本镇会商总理全台营务处台澎提学道夏禀咨福建巡抚都院、闽浙总署部堂、总理船政大臣设立招商局，委员经理。尔等制田里，教树畜……复设立番学，延请蒙师，招置番童，教之以读书识字，使尔等沾染圣教，体浴皇仁，尽为熙朝赤子……因拟立《化番俚语》三十二条，刊刷成本，颁发尔等各社义学，以便日逐观览，并令蒙师授学之余讲解而指示之，俾知人情而通物理。合行谕饬，为此示仰尔番众人等，务将后开条款，时常诵读，默记于心。中间所列者，皆人伦日用之常，使尔等易行。所言者，皆浅近鄙俚之语，使尔等易明。尔等务须逐一遵守。”
　　随着时间的推移，番学取得了显著成效。仅卑南地区，就有义学26所，两年时间就培养了数十名初通文理的原住民儿童。恒春县、后山（台东）等地也是成效卓著。丁日昌有一份报告说：“臣复亲至卑南觅社……该社设有义塾。已故番目陈安生之子，年七八岁，能背诵故抚臣王开泰年刊《寻番俚语》，琅琅可听。后山一带共设义塾十六处，内保桑塾中民童陈姓已粗通书旨；北丝阉社丁杨姓之幼女，入塾甫两年，已完《四书全注》，并《诗经》一部。于《训番俚语》能逐句讲解大意，能作番语及操漳、泉土音。其弟十一龄，亦粗解俚语字义。臣见该处设塾未久，民番诸童已有鼓舞向学之机，将来涵濡圣教，伦浃日深，其进境亦为可量。”
　　丁日昌时任福建巡抚，并接沈葆桢为船政大臣，他的报告是对沈葆桢创办番学的最大肯定。