《同一片蓝天》讲述了阳湖市淹城区第二中学教师许若兰的故事。她深受学生尊敬和爱戴，工作之余经常前往二中附近的进城务工人员聚居区，为农民工子女辅导功课。面对三十多个失学孩子，许若兰毅然向学校递交辞职报告，决定在聚居区为他们创办一所学校。
许若兰是二中教研组的骨干，也是区教委重点培养的优秀教师。她的决定遭到男友李欣和学校校长的强烈反对，却得到了农民工子女及其家长的热烈支持。农民工们很快租下废弃厂房，经过简单粉刷和整理，学校就这样成立了。开学当天，许若兰主持了第一次升旗仪式，家长和孩子们望着国旗缓缓升起，激动得热泪盈眶。
针对孩子们的特殊情况，许若兰不仅改进教学方法，帮助大家提高学习成绩，也十分重视品德教育，引导孩子学会关心他人、自立自强。在三十多个学生中，王小兵因父亲早逝、母亲身体欠佳，家庭生活尤其困难，但他懂事勤奋、乐于助人。许若兰因此从二中请来学习成绩优秀的段娜，让她与农民工子弟结成帮扶对子。
孩子们暂时有了上学的地方，王小兵的家庭困难也得到多方帮助，但学校的审批手续却迟迟没有办下来。学校被区有关部门查封后，支持许若兰办学的区教育局陈局长也因此被停职。面对被挡在校门外的孩子们，许若兰毅然找到区委书记，反映农民工子女接受教育的困境。她的努力引起市委王书记的高度重视，学校办学手续最终获得审批。
然而，孩子们重新回到教室没过几天，厂房产权单位便将厂房出售，新的开发方坚持强行拆迁。农民工与拆迁方对峙之际，市委王书记及时赶到，并承诺向市人大提议，将“农民工”写进阳湖市的历史，给予他们新市民待遇。
三年后，阳湖市第一所新市民子弟学校建成。开学典礼上，农民工子女亲自创作并演唱歌曲《同一片蓝天》，唱出了进城农民工及其孩子们的共同心声。
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