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尽管科学、数学和工程这些学科有不同的学术目标，而且在学校里往往是单独教授的，但在真实世界中，这些学科紧密相连。许多科学家和工程师工作时游走于这些学科领域。通常情况下，科学家使用仪器来测量或研究物理现象，有时他们可能需要设计和制作适合其研究的新仪器——因此他们设计最先进的工具，用于收集科学数据。例如，地球物理学家研究海底的地震活动以便更好地预测地震和海啸，他们可能需要设计探测器以收集波数据。这项新技术可能会得到更准确的数据，并推动相关科学理论的发展。
同样，开发有效的解决方案往往需要工程师利用科学信息。例如，生物医学工程师开发一种护理烧伤创面的新型绷带时，就需要应用相关科学知识。他们研究并应用生物学和化学知识，以更好地确定绷带帮助伤口愈合的最有效方法。在调查研究的过程中，工程师为他们的工程问题开发出更先进的解决方案。同时，当工程师研究、检视生物系统时，他们也可能会推进对这一自然体系的科学认知，从而在这一过程中促进对自然界的理解。这只是科学和工程如何交叉的两个例子。科学、工程和数学之间还有更多交叉。例如，当创建或使用科学和工程模型时，工程师和科学家使用数学原理和概念来描述他们的系统并实现其目标。
不管这些学科在真实世界中的相互联系是多么紧密，但在我们的学校里，它们通常是分开教授的。STEM
教育
这个词现在正掀起一股流行浪潮。新的STEM磁石学校和特许学校
如雨后春笋般出现，而现有的学校也在重新命名，将STEM纳入校名。学校在通信录和网站上宣传他们的STEM计划和项目。以STEM为主题的课后俱乐部和夏令营也很受欢迎。行业和企业领袖们都在强调对具有STEM素养的员工的需求，政治家们则呼吁需要改变教育体系。目前，人们对STEM的关注和强调，已经到了过度使用又含糊不清的程度。STEM到底是什么，以及如何将其纳入小学课堂，变得更不清楚了。无论如何教授STEM学科，教育工作者都应该帮助学生了解STEM学科之间是如何紧密联系的。
本章将拆解STEM这个常用缩写的含义。首先简要介绍STEM各个组成部分及其相互作用。工程教育旨在帮助学生准确而扎实地理解工程和技术，因此本章加入了能够积极帮助学生构建这种理解的课程描述。最后一节探讨了整合STEM的概念，并提供了一个如何组织这种教学的案例。
STEM这个缩写是相对较近期才出现的。在整体考虑它所包括的 4 个学科之前，我们分别思考一下每个学科：它们是什么？它们的目标是什么？它们有什么相似、不同和交叉的地方？每一个学科都有许多定义和案例。在本节中，我将提供适用于小学阶段的学生及教育工作者的简要定义。这些功能性的定义在很大程度上取决于各学科的目标。当教师及其学生参与STEM活动并在各学科之间游走时，就有机会帮助学生理解各学科之间的关系和差别。
科学 是一个关于物质世界和自然世界的知识体系。科学家致力于描述、解释和预测自然界及其物质特性。
例如，科学家预测并解释了我们何时以及为何会看到月相变化，确定哪些基因突变会产生疾病，并创建了描述物体下落速度的模型和方程。
技术 是由工程所产生的知识、人工制品、过程和系统的体系。技术是人类为解决问题或满足需求而产生的，是工程的产物。
工程师开发的电话、协同工作的交通灯、腿部支架等都是技术。
工程 是应用知识创造性地设计、建立和维护技术。工程师在考虑资源和各种约束条件的同时，致力于寻求问题、需求和愿望的最佳解决方案。
工程最令人难忘且最简短的定义之一是美国国家工程院前院长伍尔夫（William Wulf，1998）提出的简洁定义：“在约束条件下设计。”
例如，工程师设计了能够让人们进行远距离交流的工具，设计了能够让城市中的车辆流量最大化的系统，设计了不必充分利用肢体就能让人站立的设备。
需要注意的是，技术是STEM学科群中的“异类”。随着时间的推移， 技术 一词被不同群体以不同的方式使用。有些人用这个词来描述信息技术或数字技术。有些学校，特别是初中，开设了“技术”课，这些课程是从过去的工艺美术或职业技术课程演变而来的。我认为技术是工程的产物，不是一门独立的学科。在本书中，当我使用 工程 一词时，它既包括工程过程，也包括由此产生的产品（技术）。
数学 是“关于数、量和形状及其之间关系的科学”（Mathematics，n.d.）。数学使用数字和符号来描述概念之间的关系。许多其他学科，包括科学和工程，经常要使用“数学语言”。
例如，数学家发现并定义了π等数学常数，制定了描述圆的周长和面积的公式。他们创造了虚数，并阐明了各种形状的边和角之间的关系。表 2-1 所示为STEM学科的一些关键特征。
我给出这些定义，并不是建议学生应该记住这些定义或将其作为考查点。相反，这些定义提供了一种方法，可以简明扼要地解释每个学科的目标。当学生参与STEM活动时，正在实践或者使用科学、工程或数学时，停下来点明一下，可以帮助他们理解这些相关学科的用处和相互联系。
表2-1 科学、技术、工程和数学的关键特征
将S、T、E、M这 4 个学科合并成一个新的缩写STEM，并不意味着它们在小学课堂上是平等的。长期以来，这些学科在小学课程中的地位是不同的。传统上，K-12 学校的重点是数学，也关注一点科学。今天，大多数学校和教师仍然只关注数学，关注科学的程度要低得多。但这种情况正在改变。
数学曾是小学重点要教的 3 个R
之一，在小学阶段始终是一门考试量很大的科目。2001 年的《中小学教育法》（ESEA），也就是《不让一个孩子掉队法案》，以及 2015 年的《每个学生成功法案》（ESSA），都要求学校每年对 3—8 年级的学生进行数学测试，9—12 年级测试一次。学校在州数学测试中的成绩要接受审查，并与学校的自主权限和经费挂钩。不出所料，几乎所有教师（K—3 年级为99%，4—6 年级为 98%）每周大部分天数甚至每天都会教数学，K—3 年级平均每天花 54 分钟，4—6 年级平均每天花 61 分钟（Banilower et al.，2013）。
关于是否教授科学和教授多少科学，小学和初中课堂差别很大。如果你是一名教师或学校管理者，你就会知道，虽然所有的州都有科学教育标准，但科学测试不那么频繁。ESEA和ESSA都只要求在 3—5、6—8 和 9—12 共 3 个年级段中各测试一次科学。更重要的是，在决定学校的自主权限和经费时，并不考虑学生的科学测试成绩。考虑到这一点，小学用于科学教学的时间少于数学也就不足为奇了。根据最近的一项研究，“许多小学班级每周只有个别天或一整年只有几周的时间有科学课”（Banilower et al.，2013，p.53）。 K—3 年级中只有20%、4—6 年级中有 35%的班级大部分天数或每天上科学课。平均而言，K—3年级的教师每天花在科学教学上的时间是 19 分钟，4—6 年级的教师花 24 分钟（Banilower et al.,2013）。在过去的 20 年里，用于科学教学的时间和百分比都在下降，而其他核心科目的教学时间却有所上升（Blank，2012）。
工程和技术教育对小学来说是相当新鲜的，即使在今天，大多数学校仍然忽视这些学科。在 20 世纪 90 年代初，在小学教授工程和技术对一些人来说是不可想象的。1994 年，时任塔夫茨大学工程学院院长的米亚奥利斯（Ioannis Miaoulis）和罗杰斯（Chris Rogers）教授成立了工程教育和推广中心（CEEO），旨在从幼儿园开始，将工程学习引入孩子们的生活。在塔夫茨大学任职期间，米亚奥利斯开始并率先进行工程教育标准改革，使马萨诸塞州成为第一个将工程纳入K-12 州科学和技术教育标准的州。2001 年，马萨诸塞州成为第一个对工程进行测试的州，作为 5 年级、8 年级和 10 年级州科学测试的一部分（Miaoulis，2010）。
2003 年，米亚奥利斯担任博物馆馆长，将博物馆重新定位为全国正式和非正式教育（formal and informal education）
中儿童工程教育的领导者，并继续进行工程教育标准的改革工作。他到任后建立了国家技术素养中心（NCTL），任务是通过宣传、课程开发和教师专业培训，将工程教育引入K-12 学校和非正式教育中。由于NCTL的持续倡导，工程已被纳入个别州的标准、国家标准、立法和评价中，如《K-12 科学教育框架：实践、跨学科概念和核心概念》、《新一代科学教育标准》和《国家教育进展评估》（Miaoulis，2017）。这些里程碑已经开启了关于中小学工程教育的大讨论。越来越多的教育工作者了解到小学工程教育的好处，但教师仍然需要大量支持以真正理解和适应工程教学。目前，只有 9%的小学教师表示他们为教授工程做的准备“相当好”或“非常好”（Banilower et al.，2013，p. 24）。这并不奇怪——工程不是他们在自己的K-12 学校教育或师范教育培训项目中学习过的东西。随着STEM渗入学校和课堂，教师需要仔细思考如何在所选择的课堂活动和教学策略展现工程教育。
如上所述，解决真实世界的问题往往意味着需要工程、科学和数学知识与技能。要使客户或安全审查委员会相信一座桥梁或药品能发挥预期的作用，需要以科学事实为基础和以数学计算为依据的解释。数学、科学和工程思维是相互交织、相互依存的。在真实世界中，大多数工程师和科学家都是通过学习和实践积累丰富的跨学科知识。然而，在小学，年幼的学生还不具备广博的知识、概念、实践经验或技能来指导自己的工作——这是学校教育的目的之一。这个年龄段的学生还在积极地“组装”他们的S、T、E、M工具包。因此，正如美国国家工程院最近的一份关于STEM整合教育的报告所承认的：“当学生对各个学科内的相关概念了解甚少或根本不了解时，跨学科的概念关联是具有挑战性的。”（Honey，Pearson，& Schweingruber，2014，p.5）
因此，教师的任务是帮助学生发展每个学科的知识和技能。现行的问责制度，特别是标准化考试，分别评估学生对每个学科领域知识与技能的掌握程度。在大多数学校，教师需要考虑他们的教学如何影响这些指标。因此，在考虑整合STEM课程和活动时，要重点考虑问责制和由此产生的学校的教学侧重点。目前，在许多州，师生评价标准与整合STEM教育的重要特征不能较好地匹配。当考虑通过整合性的活动和项目将学生的学习关联起来时，我们必须记住现有的评价体系是如何评估学生和教师的。我们必须提供支持，以尽可能地缩小这种差距（同时也要努力改变评价标准）。
我们的整合之路始于两个承诺。首先，我们希望学生参与基于问题的工程挑战，因为解决问题是工程的根本。参与相关且有意义的问题解决往往可以激励学生，帮助他们更好地学习。任何真实世界的问题解决都会涉及并借鉴很多学科——不仅有科学和数学，还有社会学和英语文学。其次，我们认识到在说服教育工作者考虑引入新课程时所面临的挑战。我们知道，学校对引入新课程兴趣不大，所以我们需要提供一个令人信服的理由，以证明在小学开展工程教育的价值。我们需要表明学生是如何受益的。要说服学校和学区将资源投入工程领域，我们需要收集证据——以大规模的、扫描答题卡式的、统计评价的形式——证明学生从工程课程中学到了工程学概念和技能。如果我们开发的课程不仅能加强学生对工程的理解，还能加强学生对学校课程中被评价科目（可能是科学或数学）的理解，那么我们就进一步强化了在小学阶段引入工程教育的理由。如果我们能表明工程教育能提高标准化测试成绩，那就更好了。
当我和我的团队开始思考如何将工程教育引入小学课堂时，我们向专家——我们的小学教师顾问们寻求建议。他们强烈建议，我们需要将工程与他们已经在教的学科主题整合起来。理由主要是出于实际考虑——他们顾虑的是如何在已经排得满满当当的课程中再增加一门课。考虑这个建议时，我们思考了工程最依赖哪个科目，并决定将工程主要与科学这个科目整合。我们认识到，我们需要精心设计课程和活动，要求学生在学习科学概念的同时，将其以新的方式应用于工程，从而潜移默化地加强他们对科学的理解。我们列出了 20 个小学阶段最常教授的科学主题：植物、磁铁、天气、力等。这些主题形成了我们课程的骨干结构。每个单元都将集中于一个科学主题，我们会据此设计工程活动，以整合和加强相关的科学概念。我们先确定科学的重点内容，再确定工程的重点内容。
由于工程师要解决大量的各式各样的问题，所以我们缩小了范围，为学生创建了具体的基于情境的待解问题。我们决定，最好的计划是让每个单元都集中在一个不同的工程领域。这个想法源于我们的研究，研究表明，学生主要将工程与某些领域相联系，如土木、电气或机械。为了帮助学生了解工程师工作的范围之广，我们开发了许多具有不同工程领域特色的单元，包括化学、绿色工程、生物医学、材料、岩土工程、环境和交通工程。当开始每个单元的学习时，我们明确说明与该科学主题相关联的工程领域，然后通过利用图书馆、互联网和与该领域执业工程师访谈提炼出该领域的一些核心概念。例如，声学工程师致力于减弱或放大声音。这些基础性的认识成为单元的骨架。
一旦选定了科学主题和相关的工程领域，我们就要求团队开发有助于孩子们学习这两个领域的活动。我们通过头脑风暴设计了工程活动，要求学生在担任工程师的过程中使用科学概念，以解决密切相关的工程领域的挑战。在这一过程中，我们首先制订科学单元的学习目标——如“学生了解声音是由振动产生的”，以及工程单元的学习目标——如“学生了解声音可以通过不同的方式衰减，包括停止振源振动和通过物质停止振动传播”（Engineering is Elementary［EiE］，2011a，p.55）。
这些学习目标可以用来指导我们创建工程活动，还可以用来构建评价标准，以衡量学生在本单元学到了什么。我们发现，将科学和工程密切整合，使我们能够衡量学生在这两个方面的学习成果（见第七章）。
我们选择将工程主要与一个学科（科学）整合，而不是与所有的STEM学科整合。这是因为我们的目标是开发一个可以在全国范围内使用的课程。在美国，我们没有国家统一的课程设置。全国各地的教师在不同的年级教授数学和科学，课程配置也是多样的。我们的工程课程高度依赖科学，这意味着我们希望教师根据他们所教的科学主题来选择相应的工程单元。在全国范围内，学生可能会在任何一个年级学习某个特定的科学概念。例如，学生可能在 1 年级、3 年级、5 年级或多个年级学习植物的结构和功能。我们设计了一个创建工程课程的策略，以便在 1—5 年级的任何一个年段都能实施这些单元。因此，我们可以将科学和工程紧密整合。然而，当学生在学习某个特定的工程单元时，我们无法确定他已经学习了或正在学习哪些数学概念，因此，不可能制订出教学计划，以重点强化学生当月所学的数学概念。
与科学不同，我们认为数学与工程课“有关联”而不是“相整合”的。我们认为，相关的数学知识必须来自工程或科学活动，而不是学生目前在学校所上的数学课。我们确定了在工程活动中可以应用有意义的数学地方，并设计了额外的数学拓展课来引出或支持这些概念。也就是说，学生目前在数学课上学习的数学——例如比例——可能不是他们在工程项目中运用的数学。如果学生所学的数学内容与工程主题恰好相关，教师可以建立起两个学科的联系。但在很多情况下，试图强行建立学科联系可能会导致造作的、几乎没有意义的活动。
相反，我们的工程活动通常要求学生应用他们关于测量、绘图、求平均、四舍五入和数据分析的技能。这些概念渗透在《数学共同核心州际标准》中，教师欣赏学生能以有意义的方式应用这些技能。一位让学生制作降落伞的 4 年级教师，描述了这项活动如何为学生提供了锻炼数学素养的机会（可以访问eie.org/book/2a查看）。
关于测量：我认为对孩子们来说测量很重要。在小学课堂教授测量真的很难，因为孩子们并没有在课堂外真正身体力行地做过测量。你在这里做测量，又在那里转换形式学习测量……但真正使用工具测量是耗时的……而这是一个使用工具测量的机会……我认为这些（工程）课程，特别是这节课，给孩子们提供了一个很好的方式来使用测量工具，在其他情况下他们不会有这样的机会。
英语和社会学方面的技能也可以与工程项目联系起来。真实世界中的工程项目是在特定的环境中开展的，通常与客户相关。将这些元素融入学校项目中，可以促进项目化学习，并促进与学校其他学科的交流。例如，为了提供工程与阅读和英语教学相联系的机会，可以通过写故事书或报纸文章来设计工程挑战的背景。让学生思考技术可能如何影响社区或邀请他们说服客户自己的设计值得采用，这些都会促进学生思考技术、文化实践和不同视角观点的社会影响，并提供书面、图形化和口头方式的交流实践。
我们旨在创建一个可以在全国范围内使用并适应美国学校教育实际情况的课程，因此决定紧密整合STEM中的科学、技术和工程这 3 个学科，并与第四个学科——数学相联系。不过，这不是将STEM教育引入课堂的唯一方式。实际上，根据不同的目标和项目，这些概念以不同的方式交织在一起。如果您是教师或在创建了课程或活动的学区，且每个学科确定了特定的主题和学习顺序，那就有可能在这 4 个领域之间建立较强的整合。
在考虑如何在教学中整合科学、技术、工程和数学时，有两个框架可能会有所帮助，其中一个框架参考了目前在课程整合方面的尝试，以及适合整合的各类主题。在《3—8 年级STEM课程核心：整合科学、技术、工程和数学》（ STEM Lesson Essentials ， Grades 3-8: Integrating Science ， Technology ， Engineering ， and Mathe matics ，2013）一书中，瓦斯克斯（J. A. Vasquez）、斯奈德（C. Sneider）和科默（M.Comer）描述了一套连贯的STEM课程整合方法：以单学科、多学科、跨学科和超学科的方式。作者指出，所有这些方法都有价值，教师可能会在课堂上混合使用。
美国国家工程院的一个委员会在审阅了与整合STEM教学设计有关的学术研究后，提出了同样值得认真考虑的 3 个关键点：
1.课程整合要明确。大多数学生不会自发地建立起预期的学科关联，因此需要“有意的和明确的支持……以建立起学科内和跨学科的知识和技能”。
2.必须支持学生各个学科知识的发展。以跨学科的方式将概念联系起来很困难，特别是当学生（还）没有对相关概念形成充分的理解时。在解决工程问题时，他们需要得到支持，以运用相关的数学和科学概念，并将这些概念有效地联系起来，从而建立起符合科学规范的理解。
3.更多整合未必更好。在科学、技术、工程和数学学科之间建立联系既有好处，也是挑战。在规划教学时需要考虑这两点。
无论你选择如何构建STEM的整合，一个重要的好处就是学生以有目的、有意义的方式应用知识和技能，这有助于他们对知识的整体理解。
在本章的最后，我将分享一个整合了工程、科学和数学的设计技术活动案例。这节课主要是一节工程课，旨在向学生介绍工程和工程设计流程。在学生以绿色环保工程师的身份设计太阳能烤箱的过程中，我们希望他们能够应用所学的与能量和热传递有关的科学概念。在本课中，学生还需要在真实情境中使用数学。本课是“做饭：设计太阳能烤箱”（EiE，2011b）单元的一部分。多年来，造太阳能烤箱一直是科学课的一项热门活动。我们决定将工程和传统活动混合，让学生使用铝箔和黑色表面来建造一个烤箱。我们为学生提供一个标准的基础烤箱设计，挑战是他们要为太阳能烤箱设计 隔热层 ，从而引入绿色环保工程的相关概念（见图 2-1）。根据烤箱的保温能力以及保温材料的环保性，对学生的设计进行评估。
图2-1 设计太阳能烤箱隔热材料
访问eie.org/book/2b，可以观看佐治亚州玛丽埃塔市的一个 3 年级课堂和华盛顿特区的一个 4 年级课堂是如何开展这项工程挑战的。
故事书向学生介绍了工程设计挑战。在开始这一设计挑战之前，学生还会探索工程师用于评估技术对环境影响的工具——生命周期评估。学生学习使用这一工具，并对纸这种天天打交道的产品进行简单的生命周期评估。在设计太阳能烤箱的隔热材料时，他们将利用从这个活动中学到的材料如何影响环境的知识，以及科学课上学到的能量知识。
本课从提示学生思考太阳能烤箱的设计开始。教师问学生设计太阳能烤箱的目的（或目标）是什么，并回顾太阳能烤箱的4个组成部分——反射器、箱体、窗口和烤盘（见图 2-2）。在此基础上，她会提示学生思考，为什么示例中太阳能烤箱这样设计，她会问：“你觉得为什么反射器可用铝箔制作？”和“为什么烤箱顶部的孔用透明塑料覆盖？”（EiE，2011b，p.87）。然后，教师会引导学生将他们的思路与能量，特别是热能，联系起来。她会进一步提示学生思考烤箱中能量的来源，以及它是如何工作的（太阳能烤箱吸收太阳的热能，并将这些能量通过空气传递给食物）。她还要帮助学生认识到，在设计产品的各个部分时要考虑热量保存，这是非常重要的。例如，烤箱顶部的窗口用塑料覆盖，以保存烤箱中的热量，隔热材料也可以保存热量。
图2-2 太阳能烤箱的组成部分
设计活动的第一步是收集“科学”数据，为工程决策和设计提供参考依据——学生们将开展对照实验，测试现有材料（铝箔、泡沫塑料、毛毡、塑料和报纸）作为隔热材料的性能。首先，学生们仔细研究了热的不良导体和良导体，确定每种材料的特性，并对其作为不良导体的隔热能力进行预测。他们建立仅有一个变量的对照实验，以测试每种材料的隔热性能。他们对每种材料都进行两次测试——一次使用“完整”材料，一次使用“碎屑”材料。
学生会做出预测，哪种材料是他们认为最好的隔热材料，然后以小组为单位测试 10 种材料。他们将材料放入杯中后再将杯子放入冰浴，在此之前，教师会向学生提问，杯中的空气温度会怎样变化及其原因。这促使学生思考这个系统中的能量是如何流动的——热能从较热的杯子流向较冷的冰浴。学生每 30秒记录一次杯中空气的温度来收集数据（见图 2-3）。数据收集完成后，学生通过计算每种材料的温度变化来分析数据。
图2-3 收集温度数据
在课堂上，学生描述观察到的温度变化，教师再以“热能到哪里去了？你为什么这么认为？”等科学问题让学生思考系统中的热运动情况。（EiE，2011b，p.99）。
学生在分析数据时会继续反思。全班同学会建立一个从热的不良导体到热的良导体的隔热量表，并根据测量的温度变化，找到每一种测试材料（复合或完整/碎屑）在量表上的位置。在对材料进行排名后，学生就可以生成柱状图以比较这 5 种材料在完整或碎屑状态下的温度变化，并将它们与没有隔热材料的对照组比较。
借助这些数据，学生需要从热能和空气流动的角度，对碎屑材料的隔热性能比完整材料好这一现象进行观察并解释。学生在反思材料的哪些特性能很好地起到隔热作用后，再继续思考每种材料对环境的影响。
在材料探索的最后阶段，学生会考虑材料对环境的影响。他们要确定每种材料是天然的还是加工过的以及需要多少量（能减少材料的使用量吗？），材料是否曾用于其他的目的（是否循环使用过），或者可否回收利用。学生将建立第二个量表即环境影响量表，按照对环境影响从小到大的顺序，将每种材料放在对应的位置。
在教师的指导下，学生会仔细考虑这两个材料性质量表（隔热性和环境影响）。他们权衡材料的优劣，并仔细考虑在设计中可能使用哪种材料。
当收集到更多的信息以应用于设计选择时，学生会提出问题并开展相关实验，这也强化了对能量相关科学概念的理解。他们还运用数学工具来理解和比较这些结果。当学生围绕隔热设计进行头脑风暴（见图 2-4）时，他们就会（或应该）应用所学的知识。然后，学生设计太阳能烤箱的隔热材料，需要平衡隔热性能以及对环境的影响。他们要规划整个设计并制作样品。
学生将太阳能烤箱放在阳光或强光下进行测试，每隔 5 分钟记录烤箱内温度，持续 30 分钟。然后，再将烤箱放到阴凉处，记录下烤箱内温度每分钟下降的情况，持续 10 分钟。
图2-4 太阳能烤箱隔热设计草图
学生用以下分值评估设计：
●热度得分（将烤箱达到的最高温度与对照组进行比较）；
●时间得分（将烤箱放在阴凉处时，用了多长时间恢复到原来的温度）；
●环境影响得分（所用材料对环境的影响）。
根据这些单项指标，学生算出一个总分。他们要观察自己和同学们的烤箱及其性能，每个小组都要反思设计中哪些地方做得好，以及应该如何改进。然后，他们需要至少再重新设计和测试一次。
我们设计了“做饭：设计太阳能烤箱”单元，让学生能在真实的情境中参与工程设计。基于真实世界的背景，他们得以拓展与解决当前问题有关的知识，同时也加深了对热传递和隔热材料的理解。这使得他们在完成工程挑战的过程中能够应用这些知识。太阳能烤箱隔热工程挑战要求学生运用并进一步强化与能量、能量传递和隔热材料相关的科学概念。通过实践应用，学生对一些科学概念有了更深的理解，包括以下几个方面：
●某些材料比其他材料更容易传递热能（如热的不良导体和热的良导体）。
●热是能量的一种形式。
●能量可以从一个物体或材料转移到另一个物体或材料上。
●热能总是从温度较高的地方转移到温度较低的地方。（EiE，2011b，p.78）
我们的研究表明，与仅学习科学且不学习任何工程的学生相比，参与此整合工程单元的学生科学学科的学习效果确实更好。不出所料，通过在相互关联和有意义的情境中应用所学的科学概念，学生对它会有更深的理解。通过精心的项目设计将科学和工程整合在一起，可以加强学生对工程和科学的理解。我们将在第五章和第七章中再次讨论这个观点。
此外，设计太阳能烤箱活动为学生提供了一个机会，让他们了解到数学是多么有用和重要。学生在工作时收集数据、创建表格并计算，以根据规定的标准，最大限度地发挥产品的设计功能。对于许多学生来说，这些数学主题可能不是他们目前在数学课上学习的内容。然而，计算能力（如测量、计算差值和变化率），以及创建图表来展示和分析数据，需要在整个学校教育中不断加强。学生对自己的工程设计作品及其性能有着切身的兴趣，想把它们做得更好！通过有意义的方式使用数学工具和技术，他们可以理解所收集到的数据，这些数据可以帮助他们改进后续设计。
华盛顿特区的一位 4 年级教师介绍了她的学生在参与这个单元的学习时，如何在工程、科学、数学和其他学科之间建立联系：
我教过许多不同的工程课程，也创建了自己的工程项目，但它们始终基于EiE模式。具体来说，EiE所呈现的是一个现实生活中存在的问题，在我们这个时代，在这个世界上的某个地方，有人正面临着。借助EiE，孩子们将他们的学习与真实问题联系起来。这个模式也可以让我们教师找到其他相关案例建立联系。在太阳能烤箱这个案例中，我们可以通过讲故事来引入，但也可以用博茨瓦纳和其他西非国家的真实场景和真实故事引入，这些地方确实正面临着这类问题。这让孩子们感到：“我正在解决一个真实存在的问题，而不仅仅是一些虚构的东西。”这使得EiE很独特。孩子们现在就需要去解决这些文化和现实中存在的问题，这让他们觉得自己真的在做这项工作。
第二节课是科学的部分。在这节课上，孩子们收集数据、测试材料，学习科学概念以便运用。因为我们总是告诉孩子们，工程师在开发过程中会运用科学知识，但有时候他们并没有这些科学知识。所以这就给了教师一个非常好的教学机会，可以让学生深入挖掘特定的科学内容。
在第三节课上，我们专注于研究材料。这节课上，学生研究材料，确定哪些材料可能要用，并运用数据来提出解决方案。甚至在做这个单元时，你就能看到学生理解力的进步。他们一开始并没有任何关于材料和隔热的科学知识。在我们谈到产品的生命周期、产品评估之后，他们开始有了一些最基本的（知识）。他们在测试材料后学到了不少，但当他们真正开始运用所学知识时，才把所有这些都融会贯通起来。
在第四课时……他们能够运用工程设计流程，应用在这期间所学习的科学知识，并从数学角度使用数据。他们能够发挥自己的创造力，真正地进行测试，然后花时间进行改进，这个过程真的是独一无二的。
像这位教师一样，当你选择或设计工程活动时，请考虑一下该活动将涵盖哪些STEM学科领域，以及你将如何向学生强调它们之间的差异和交叉。在STEM中，科学、技术、工程和数学聚集在一起，因为它们经常以有价值的方式相互交叉融合。引导学生应用科学和数学来解决真实情境中的工程问题，可以帮助他们理解这些科目是如何以及为何相关和相互联系的。