本書內容輯選自美國國家科學教師協會(NSTA)發行的《科學與兒童》、《科學視野》和《科學教師》等多本科學期刊，包含了30多個整合科學與工程的課堂教學活動，內容涵蓋生命科學、環境科學、地球科學和物理科學等。本書適合用于教師指導課堂教學時參考，同時，對于有興趣指導孩子在課后和假期進行實踐活動的教師、家長和相關機構都有幫助。
在課堂中整合工程和科學》介紹了30個STEM項目活動，涉及小學至高中各學段。這些活動既能加強學生對重要科學內容的學習，也能鍛煉學生的STEM技能。
設計制作光劍、開展重力賽車模型滑行比賽、制作假肢以模擬修復股骨骨折、設計抗霜凍土豆儲藏箱等新穎有趣的活動內容，將吸引各個年齡層的學生。
充滿挑戰的活動任務，有助于激發學生的動機，激勵學生全情投入到整個項目活動中。
各項目活動既能融入地球科學、物理科學、生命與環境科學等傳統學科課堂，也能在課外活動中開展。
學生通過接觸真實的工程活動，將深入了解使現實世界運行的各種職業。
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美國STEM教育政策進展
主編趙中建，為華東師范大學教育部人文社會科學重點研究基地華東師范大學課程與教學研究所研究人員，國際與比較教育研究所教授、博士生導師，兼任國家基礎教育課程與教學改革專家委員會委員,國內最早系統研究中小學STEM教育的教育研究人員。
引
及時部分 工程設計
1.工程設計流程
2.科學與工程――實驗室研究的兩種模式
3.利用循環模型尋找解決方案――學生運用四步循環模型解決當地的問題
4.建立模型――更好地理解工程中成本與安全的重要性
5.微型雪橇，沖，沖，沖！――運用工程項目教幼兒園學童進行技術設計
6.科學與工程
7.初級設計挑戰――學生模仿美國宇航局的工程師
第二部分 學科活動
生命與環境科學
8.修復股骨骨折――生物材料科學示范課
9.抓住竅門！――中學課堂上的一項工程挑戰
10.問題導向型學習中的臺作――鼓勵學生思考有關基因治療的開放性問題
11.環境中的塑料――“拼圖式”學習活動
12.大自然的設計――探索線性和循環的生命周期
13.運動型多用途車――從熱力學角度恩辨燃料經濟性的標準
地球科學
14.設計挑戰：為英語學習者奠基――英語學習者通過語言和行為表達
15.拯救企鵝――通過工程設計講授熱學
16.震動、搖晃，好別塌――地震和建筑設計探究
自然幣斗學
17.重力賽車
18.雞蛋賽車
19.工程學動員――幫助學生成功完成設計流程的策略
20.呼吁駕駛燃料電池汽車
21.《星球大戰》背后的科學――整臺技術和《科學素養的基準》中的要求
22.“彈入”技術設計
23.土豆難題――開展“5E活動”來消除對隔熱保溫的誤解
24.納米視野
25.小物體，大作用
第三部分 課外項目
26.激發科學學習興趣――一個實用的課外項目模式
27.發明工廠――幫助特需人群的發明
28.年輕女性“未來工程”
29.面向初中生的INEEL科學工程展會
30.工程學課堂
1.工程設計流程
學生要在一項任務上獲得成功，需要不止一次的機會進行嘗試。所以很多時候他們只能想，“下一次我應該就可以……”而設計過程就給學生提供了下一次的機會。
——喬納森 W 格拉赫(Jonathon W. Gerlach)，《初級設計挑戰》
科學與工程互為補充，卻又不盡相同。一般而言，科學探索的目的在于利用證據來解釋自然界和人類世界。工程學的目的則在于解決關系到人類需求和欲望的特定問題。本書的多篇文章都展現了設計過程的不同特征。但這些不同的特征在很多環節上都存在著共性，包括確定問題；形成多種合理的解決方案、分析解決方案；測試、評估，并改進解決方案；交流觀點。工程設計是一個散亂而非線性的過程。此外，工程設計也不是“一錘子買賣”，失敗時有發生。通過測試那些造成失敗的想法，我們能夠學會如何改善自己的想法。在課堂上，對某個解決方案進行測試不應該是設計的終點。相反，正如格拉赫所講的，在你的課程安排允許的情況下，學生應該獲得盡可能多的機會去改進自己的方案。
確定問題
薩姆羅爾(Sumrall)和莫特(Mott)發表在《科學視角》上的《建立模型——更好地理解工程學中成本與安全的重要性》一文，講述了學生為足球場建造一座塔的項目。在這個項目中，學生首先要確定建塔的技術參數，明確均衡安全性和成本的必要性，并進一步定義要解決的問題。均衡安全性和成本的過程，幫助學生理解了在決策過程中必須要做的“權衡取舍”。
通常，工程項目起步于設計綱要。設計綱要包括項目的目標、期望和限制因素。設計綱要可以由教師介紹(如薩姆羅爾和莫特的項目)，也可以由學生與教師合作完成。在斯特靈(Sterling)所著的《科學與工程》(第6篇)一文中提供了一份設計綱要的樣本。工程設計過程的“定義問題”階段，學生通常會對問題進行研究，并調查過去使用過哪些解決方案。
制訂合理的解決方案
所有復雜的問題都沒有明顯的正確答案。事實上，復雜的問題通常有許多解決方法。在這個階段，學生應該用盡可能多的方式進行頭腦風暴，尋求問題的解決方法。有效的頭腦風暴需要迅速地產生想法，但不去進行判斷。如果問題特別復雜，好先將這個問題分解成一個個小問題，再對每個小問題進行頭腦風暴以尋求解決方案。例如，如果你遇到的難題是制造一個可以將小部件從一個裝配線移動到另一個裝配線的機器人，你可能需要對如何移動機器人和機器人如何抓起小部件這兩個問題分別進行頭腦風暴，思考解決方案。
頭腦風暴應該是一個交互性的過程。讓學生獨自思考一些合理的解決方案，有助于開始這個過程，但是大部分時間應該分組進行集體頭腦風暴。為了弱化競爭，接著以整個班級為單位繼續頭腦風暴也是大有益處的。在引導這個過程的時候，要幫助學生把注意力放在產生想法上，而不是關注于評估他們的想法是否合適。
分析解決方案
一旦形成了大量的可能解決問題的方案，學生就可以開始分析這些方案。在此過程中，學生對每個方案是否滿足設計綱要的目標和限制條件(技術參數)進行評判。教師應該鼓勵學生使用系統的方法進行分析。例如，可以應用一個簡單的矩陣來確定某個解決方案是否滿足所要求的技術參數。通過這樣的分析，學生可選擇出一個(或幾個)解決方案進行建模和測試。
在薩卡克尼(Sakakeeny)的文章《修復股骨骨折》(第8篇)中，學生們面臨著一項挑戰：尋找修復股骨骨折的方法。在讓學生開始在模型腿上操作之前，教師讓他們提出兩種合理的設計方案。在設計方案里，要描述自己的方案如何工作以及如何與問題的定義匹配，還要畫出清晰的圖樣。學生分成小組對每個設計方案進行評估，研究每一個方案的優勢與缺陷，并按照他們選擇用來測試的方案進行制作。
優化解決方案
工程設計過程的下一個環節是讓學生測試他們自己設計的解決方案。學生要收集關于方案性能的數據并找出能夠改進的地方。有些情況下，這些測試可以采用“公平測試”的方法：依次對構成設計的每一個單獨因素作更改，從而確定每個因素會對設計方案的性能造成怎樣的影響。在這個環節中，很重要的一點是要讓學生認識到工程設計過程具有反復性。在任何可能的時候，都要通過測試引導學生對自己的設計進行改良。在優化設計的過程中，學生理應獲得對自己所做的修改進行再測試的機會。盡管這樣會花費大量時間，但是只給學生提供一次測試的機會，會讓他們對工程設計過程形成錯誤的認識。格拉赫在《初級設計挑戰》(第7篇)一文中，講述了讓學生以班級為單位改良飛機設計并持續改進的例子。
交流
在整個工程設計過程中，都應該給學生提供與同學交流測試結果的機會；如果有可能，還應該讓他們與更廣的受眾進行交流。在每個環節，學生都要能夠分享自己的想法。例如，在“確定問題”環節，學生應該分享自己對于情景、限制條件和衡量設計是否成功的指標的理解。在“測試、評估和改善”環節，學生應該分享自己的測試結果、關系到改良設計方案的決策，以及支撐這些決策的證據。，還應該給學生做報告的機會，讓他們展示自己的最終方案，證明方案成功的依據以及找到這個方案的途徑。
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