虚拟仿真实训室建设的可行性报告
一、建设背景
(1) 教育信息化2.0行动计划
党的十九大作出中国特色社会主义进入新时代的重大判断,开启了加快教育现代化、建设教育强国的新征程。
教育信息化2.0行动计划是顺应智能环境下教育发展的必然选择。教育信息化2.0行动计划是推进“互联网+教育”的具体实施计划。人工智能、大数据、区块链等技术迅猛发展,将深刻改变人才需求和教育形态。智能环境不仅改变了教与学的方式,而且已经开始深入影响到教育的理念、文化和生态。主要发达国家均已意识到新形势下教育变革势在必行,从国家层面发布教育创新战略,设计教育改革发展蓝图,积极探索新模式、开发新产品、推进新技术支持下的教育教学创新。
《行动计划》指出,促进数字校园建设全面普及。发布中小学、高等学校数字校园建设规范,推动实现各级各类学校数字校园全覆盖。将网络教学环境纳入学校办学条件建设标准,数字教育资源列入中小学教材配备要求范围。促进数字校园建设全面普及。构建智慧学习支持环境。推进技术开发与实践应用,提高人才培养质量。大力推进智能教育,开展以学习者为中心的智能化教学支持环境建设,利用智能技术加快推动人才培养模式、教学方法改革,探索泛在、灵活、智能的教育教学新环境建设与应用模式。
(2)教育信息化十年发展规划
为实现教育信息化发展目标,《十年发展规划》指出,基础教育信息化是提高国民信息素养的基石,是教育信息化的重中之重。以促进义务教育均衡发展为重点,以建设、应用和共享优质数字教育资源为手段,促进每一所学校享有优质数字教育资源,提高教育教学质量;帮助所有适龄儿童和青少年平等、有效、健康地使用信息技术,培养自主学习、终身学习能力。
结合义务教育学校标准化建设,针对基础教育实际需求,提高所有学校在信息基础设施、教学资源、软件工具等方面的基本配置水平,全面提升应用能力。
建设智能化教学环境,提供优质数字教育资源和软件工具,利用信息技术开展启发式、探究式、讨论式、参与式教学,鼓励发展性评价,探索建立以学习者为中心的教学新模式,倡导网络校际协作学习,提高信息化教学水平。
(3)国家中长期教育改革和发展规划纲要
《发展规划纲要》指出,把改革创新作为教育发展的强大动力。教育要发展,根本靠改革。要以体制机制改革为重点,鼓励地方和学校大胆探索和试验,加快重要领域和关键环节改革步伐。创新人才培养体制、办学体制、教育管理体制,改革质量评价和考试招生制度,改革教学内容、方法、手段,建设现代学校制度。
(4)中小学数字校园建设规范
《建设规范》指出,数字校园建设应坚持“深化应用,融合创新”的基本思想,采用云服务模式统一规划、分步实施,以促进区域教育的均衡发展和学校教育的质量提升。
实现校园环境数字化。利用云计算、大数据、物联网、移动通讯、人工智能等信息技术,实现从基础设置(网络、终端、教室等)、资源(教材、图书、讲义等)到应用(学习、教学、管理、生活等)的数字化。
实现学习方式和教育教学模式创新。促进信息技术与教育教学实践的深度融合,实现信息化教学的常态化与创新发展。
二、建设意义
1. 丰富数字教育资源
利用虚拟现实技术可丰富教学内容,将技能训练搬到课堂中进行。由于这些虚拟的训练系统无任何危险,学生可以反复练习,直至掌握操作技能为止。应用虚拟现实技术还可恰如其分地演示一些复杂的、抽象的、不宜直接观察的自然过程和现象,全方位、多角度地展示教学内容。利用计算机多媒体技术制作各种仿真课件创设所需要的某种虚拟情景,让学生进行模拟操作,从而极大丰富课堂的教学内容。
2. 提高教育质量
虚拟现实和增强现实技术与教育的结合,将会提高未来课堂的教学效率。
虚拟现实和增强现实作为教育工具应用在课堂上,通过3D 模型使抽象的学习内容变得形象化、微观的学习内容变得可视化、复杂的学习内容变得简单化,帮助学生理解和识记抽象的概念,这将为学生展现一个能够交流互动的虚拟世界,既能满足学生的体验感和好奇心,又能以创新的方式传授知识,从而可以大大提升教师的教学效果、激发学生的学习兴趣、引导了学生的创新意识和创新思维,从而不仅提高了学生的学习效率、而且培养了学生自主探究和自主学习的能力。虚拟现实和增强现实技术是多种先进技术的应用和多学科知识的汇聚与融合,是教育的较佳载体,学生通过主动探索、动手实践、创新设计、跨界融合来学习新知识和掌握新技能,拓展发散性思维,迸发出更加丰富的创新火花。
虚拟现实和增强现实技术在教学中的应用正是一种教学模式的创新,将有助于推动教学改革的进程,有助于教育普及,有助于学生核心素养的培养。
3. 创新教育模式
对于学校而言,引入虚拟现实技术建设 VR 科学教室可以解决现实教学场景中教学无实感、教学效果差、传统教具更新慢、传统教具成本高等诸多的问题。
对于教师而言,通过虚拟现实和增强现实技术让教学内容变得形象生动,让学生在课堂中及时、没有限制地观察三维空间内的事物。同时,通过硬件与软件的配合有效减少教师在备课和课堂秩序管理中所浪费的精力的问题。为教师在教学活动中丰富教学素材、拓展教学手段提供资源支持和平台支持,为学生在学习过程中高效掌握知识重点难点、开拓知识视野、提高综合素质、从被动学习模式向自主、交互、便捷、探究的学习模式转变,提供科学的学习应用和学习管理平台。
对于学生而言,全新的课堂教学模式激发学生学习兴趣,提升学习效果保证学习效果。学生对硬件运用过程中进行交互式体验,实现深层次学习、理解性学习,引导学生自主思考和探索的,培养学生合作能力和解决问题的能力。
4. 节约教育成本
利用虚拟现实技术虚拟各种设备、实验环境和操作过程,使大多数课程可以在虚拟实验室中进行,大多数的技能可以在虚拟实验室中进行训练,从而不必购置昂贵的设备。可以在节约大量昂贵的仪器设备费用的前提下,解决在教学中因为设备、场地、教学经费等方面的原因而无法进行的教学实验,虚拟训练又可避免实验设备的损坏、训练材料的消耗等问题,从而有效节约教育成本。
三、建设方案
(1)设计理念
虚拟现实技术对学生来说是独特的、变革性的,因为它将优秀的实践体验和个性化学习方法与互动式虚拟实验室学习内容相结合。
适应于所有类型的学习者 -不是通过平面陈述的方法学习,而是能够像在现实生活中一样看到学习的内容,这种学习方法让学生着迷。这种能够实时操作学习内容的方式提供了个性化的学习体验。
加速对复杂概念的理解 -当学生能够更容易地识别图案,了解局部知识是如何与整体内容相关联的,能够把结构与功能相结合,这就缩短了他们的学习进程,增强了学生自信心。
鼓励大胆学习 - 在一个安全的环境下,学习者可以无限制反复尝试。可以提供更多的时间,让学生在学习中,通过疑问和验证,能很快地对所做的实验或者所学的科目重新开始,再次重复,重新设计。
赋予老师能动性 - 以独特的和令人难忘的方式表达概念,进行与课程标准相符合的实验项目,使教师上课有信心。学习内容的适应性和个性化,结合虚拟空间提供的大量的学习资料和安全环境,使教师能够鼓励学生在实践中学习。
创造合作的机会 - 学生共同构思,探索和交流学习体验。
(2)布局建议
编号
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名称
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规格
探究课题
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单位
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数量
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一、基础设备部分
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1
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教师讲台
|
|
张
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1
|
2
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学生实验台
|
1、1400×700×760MM,桌面配电
2、台面:选用12.7mm厚实芯理化板,具有耐酸碱、防腐蚀、防静电、防火、耐磨、承重力强等特性,美观大方实用。
3、材质:选用16mm厚三聚氰胺刨花板,经相关权威单位检测达到环保标准。
|
张
|
30
|
3
|
学生凳
|
与实验台配套。
|
张
|
60
|
4
|
仪器柜
|
基本规格:1000×500×2000mm
|
张
|
2
|
5
|
电脑
|
|
台
|
60
|
|
二 、实验仪器
|
|
|
|
1
|
VR头盔
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处理器
高通骁龙835 八核2.45GHz,64位,Kryo280 CPU,10nm制程工艺
Adreno 540 GPU
He×agon 682 DSP
屏幕及光学
屏幕:3840×2160 5.5寸显示屏
75Hz刷新率,Fast-Switch快速响应技术
镜片:菲涅尔镜片
视场角:101°
可佩戴眼镜设计,无需视力调节,自适应瞳距
内置“护眼模式”,可在系统设置中开启
存储
内存: 4GB LPDDR4× 1866MHz
闪存: 64GB UFS2.1 1
机身传感器
高精度九轴传感器
距离传感器
材质及佩戴
头盔:轻质聚合物机身,薄壁注塑工艺,航空级轻金属,织物材质前面板
面罩:高透气性泡棉,轻质复合支撑结构
佩戴:T型佩戴结构,自适应顶部绑带,机身电池后置设计
手柄传感器
九轴姿态传感器
电池及无线
一体机电池:4200mAh 电池,约3小时影音连续使用时间
体感手柄:两节AAA电池,约40小时使用时间
一体机无线功能:
802.11b/g/n/ac 2.4G/5G WIFI连接
支持Miracast屏幕投射
支持无线文件传输
支持无线投屏播放视频
手柄无线功能:
蓝牙4.2无线连接
Pico UI
基于 Android 深度定制开发,全沉浸场景式主操作界面,海量VR影音游戏在线资源,Pico通行证一键登录下载;搭载了VR输入法,兼容2D Android游戏及应用,兼容2D/3D 本地音视频播放.
|
套
|
30
|
2
|
VR课件资源1
|
中学和高职高专教学VR课件资源
(请见附件1)
|
套
|
30
|
3
|
VR课件资源2
|
小学教学VR课件资源(请见附件2)
|
套
|
30
|
4
|
VR设备管理软件
|
统一播控,后台监控,统一关机等
|
套
|
30
|
5
|
虚拟地球仪
|
规格:250×250×360,数据采集与分析仪1台,地球仪1个:知识点:363个:国家:195个;建筑:27个;板块11个;动物:28种;植物:6种;城市预报:72个;星际航天:18个;天气现象:6种。知识图像展示,语音解读;11个科学知识体系。
|
套
|
8
|
|
智慧墙
|
|
|
|
1
|
猜中思想
|
规格:400×600,主要展示器件安装于亚克力前板上;前板为5mm厚亚克力板,画面采用UV打印技术,背板采用12mm抗贝特板;前后板可用6颗18mm的工艺螺钉固定于墙体上。采用模块化手摇发电机构和稳压稳流技术供电。
功能:理解二分法解决问题的过程
|
块
|
1
|
2
|
编写指令
|
规格:400×600,主要展示器件安装于亚克力前板上;前板为5mm厚亚克力板,画面采用UV打印技术,背板采用12mm抗贝特板;前后板可用6颗18mm的工艺螺钉固定于墙体上。采用模块化手摇发电机构和稳压稳流技术供电。
功能:感受用计算机思想解决实际问题的过程
|
块
|
1
|
3
|
颜色与密码
|
规格:400mm×600mm, 主要展示器件安装于亚克力前板上;前板为5mm厚亚克力板,画面采用UV打印技术,背板采用12mm抗贝特板;前后板可用6颗36mm的工艺螺钉固定于墙体上。采用模块化手摇发电机构和稳压稳流技术供电。
选择七种颜色块,处理器处理七种颜色块信息,转换对应密码,控制小鸟唱歌。
|
块
|
1
|
4
|
唱国歌
|
规格:400×600,主要展示器件安装于亚克力前板上;前板为5mm厚亚克力板,画面采用UV打印技术,背板采用12mm抗贝特板;前后板可用6颗18mm的工艺螺钉固定于墙体上。采用模块化手摇发电机构和稳压稳流技术供电。将绿色区域的金属按键全部变成绿色,其他区域的按键变成红色,触发控制系统唱国歌。
|
块
|
1
|
附件1:中学和高职高专教学VR课件资源
1
|
质量守恒
|
化学
|
2
|
化学方程式
|
化学
|
3
|
微观碳结构
|
化学
|
4
|
制取二氧化碳
|
化学
|
5
|
二氧化碳性质探究
|
化学
|
6
|
探究燃烧的条件
|
化学
|
7
|
灭火原理
|
化学
|
8
|
氢气的制取
|
化学
|
9
|
置换反应
|
化学
|
10
|
金属活跃性
|
化学
|
11
|
氧气实验
|
化学
|
12
|
催化剂的作用
|
化学
|
13
|
工业氧气
|
化学
|
14
|
加热高锰酸钾制取氧气
|
化学
|
15
|
观察分子动态
|
化学
|
16
|
观察原子动态
|
化学
|
17
|
自制净水器
|
化学
|
18
|
电解水实验
|
化学
|
19
|
化学式
|
化学
|
20
|
生活中的化学
|
化学
|
21
|
原子与化学家
|
化学
|
22
|
化学
|
化学
|
23
|
物质的变化和性质
|
化学
|
24
|
蜡烛燃烧实验
|
化学
|
25
|
人体呼吸气体
|
化学
|
26
|
实验器材的使用
|
化学
|
27
|
液体加热
|
化学
|
28
|
学习药品取用方法
|
化学
|
29
|
拉瓦锡定量法
|
化学
|
30
|
金属资源的利用及保护
|
化学
|
31
|
溶液的形成
|
化学
|
32
|
溶解吸热放热现象
|
化学
|
33
|
金属的性质
|
化学
|
34
|
配置氯化钠
|
化学
|
35
|
酸碱化学性质的实验
|
化学
|
36
|
溶液酸碱性的检验
|
化学
|
37
|
粗盐难溶性杂质的去除
|
化学
|
38
|
中和反应
|
化学
|
39
|
复分解反应
|
化学
|
40
|
酸碱盐的溶解性
|
化学
|
41
|
认识化肥
|
化学
|
42
|
认识营养素
|
化学
|
43
|
氧气的实验室制取
|
化学
|
44
|
二氧化碳实验室制取
|
化学
|
45
|
探究燃烧条件
|
化学
|
46
|
物质溶解度
|
化学
|
47
|
氧化钠溶液的配制
|
化学
|
48
|
酸碱指示剂
|
化学
|
49
|
酸的性质
|
化学
|
50
|
碱的性质
|
化学
|
51
|
欧姆定律
|
物理
|
52
|
常见家庭电路
|
物理
|
53
|
电功率
|
物理
|
54
|
热效应
|
物理
|
55
|
磁现象
|
物理
|
56
|
电动机工作原理
|
物理
|
57
|
发电机工作原理
|
物理
|
58
|
高压输电
|
物理
|
59
|
电磁波
|
物理
|
60
|
能量守恒定律
|
物理
|
61
|
牛顿第一定律
|
物理
|
62
|
力的合成
|
物理
|
63
|
液体压强
|
物理
|
64
|
空气压强
|
物理
|
65
|
阿基米德原理
|
物理
|
66
|
杠杆原理
|
物理
|
67
|
滑轮原理及运用1
|
物理
|
68
|
滑轮原理及运用2
|
物理
|
69
|
机械能
|
物理
|
70
|
分子
|
物理
|
71
|
微观
|
物理
|
72
|
探索宇宙.
|
物理
|
73
|
水
|
物理
|
74
|
比热容实验
|
物理
|
75
|
内燃机
|
物理
|
76
|
电荷间的作用
|
物理
|
77
|
串联与并联
|
物理
|
78
|
电流与电压
|
物理
|
79
|
开路、通路、短路
|
物理
|
80
|
电阻.
|
物理
|
81
|
物理世界
|
物理
|
82
|
速度概念
|
物理
|
83
|
声音产生与传播
|
物理
|
84
|
光的反射
|
物理
|
85
|
光的折射
|
物理
|
86
|
凸透镜
|
物理
|
87
|
物质的密度1
|
物理
|
88
|
物质的密度2
|
物理
|
89
|
摩擦力测试实验1
|
物理
|
90
|
摩擦力测试实验2
|
物理
|
91
|
金银物质加工
|
物理
|
92
|
植物的生长
|
生物
|
93
|
动物的生长
|
生物
|
94
|
人体结构
|
生物
|
95
|
沙漠(一)
|
地理
|
96
|
沙漠(二)
|
地理
|
97
|
沙漠(三)
|
地理
|
98
|
太阳系
|
地理
|
99
|
地球
|
地理
|
100
|
海洋与陆地
|
地理
|
101
|
日月食
|
地理
|
102
|
水循环
|
地理
|
103
|
天气现象
|
地理
|
104
|
穿越地理
|
地理
|
105
|
重温革命历史
|
政治
|
106
|
英雄烈士纪念馆
|
政治
|
107
|
心理测评
|
心理健康
|
108
|
心理疏导
|
心理健康
|
109
|
听力与词汇(一)
|
英语
|
110
|
听力与词汇(二)
|
英语
|
附件2:小学教学VR课件资源
序号
|
名称
|
|
第1部分 物质科学
|
1
|
摆的快慢
|
2
|
发现电磁铁两极及影响因素
|
3
|
改变水浮力的大小
|
4
|
杠杆省力
|
5
|
拉力与弹簧拉伸长度关系
|
6
|
认识导体和绝缘体
|
7
|
认识光的直线传播
|
8
|
水的凝结实验
|
9
|
水的溶解实验
|
10
|
探究磁铁的性质
|
11
|
探究轮轴的作用
|
12
|
研究声音产生的原因
|
13
|
液体的沉浮
|
14
|
影响摩擦力大小因素
|
15
|
影响声音高低的因素
|
16
|
运动快慢与力的关系
|
17
|
物体的形状与承受力
|
18
|
影响电磁铁磁力大小因素
|
19
|
探究暗盒里的电路
|
20
|
制作万花筒
|
21
|
制作水火箭
|
22
|
制作简易星座放映器
|
23
|
制作红绿灯
|
24
|
纸桥承受力
|
25
|
制作指南针
|
26
|
影响声音强弱的因素
|
27
|
液体的混合
|
28
|
研究真空的传声能力
|
29
|
小孔成像(2)
|
30
|
小孔成像(1)
|
31
|
小电机的使用
|
32
|
温度计
|
33
|
托盘天平
|
34
|
凸透镜的作用
|
35
|
探究链条传动与齿轮传动
|
36
|
使用斜面省力的实验探究
|
37
|
七色光
|
38
|
加热和冷却对物体体积的影响
|
39
|
固体在水中的分离
|
40
|
固体的混合
|
41
|
雷电类型以及形成
|
42
|
认识桥梁
|
43
|
学习电路原理
|
44
|
生态世界:认识龙卷风
|
45
|
将固体混入液体
|
|
摆的快慢
|
|
发现电磁铁两极及影响因素
|
|
改变水浮力的大小
|
|
杠杆省力
|
|
拉力与弹簧拉伸长度关系
|
|
认识导体和绝缘体
|
|
认识光的直线传播
|
|
水的凝结实验
|
|
水的溶解实验
|
|
探究磁铁的性质
|
|
探究轮轴的作用
|
|
研究声音产生的原因
|
|
液体的沉浮
|
|
影响摩擦力大小因素
|
|
影响声音高低的因素
|
|
运动快慢与力的关系
|
|
物体的形状与承受力
|
|
影响电磁铁磁力大小因素
|
|
探究暗盒里的电路
|
|
制作指南针
|
|
加热和冷却对物体体积的影响
|
|
固体在水中的分离
|
|
固体的混合
|
|
检验蛋白质、脂肪、淀粉
|
|
托盘天平
|
|
凸透镜的作用
|
|
探究链条传动与齿轮传动
|
|
使用斜面省力的实验探究
|
|
七色光
|
|
小孔成像(2)
|
|
小孔成像(1)
|
|
小电机的使用
|
1
|
做酸奶
|
2
|
盐的结晶分离实验
|
3
|
研究二氧化碳性质
|
4
|
咸水变淡水
|
5
|
物质酸碱性
|
6
|
观察晶体
|
7
|
食品发霉实验
|
8
|
化学实验室安全指南
|
|
咸水变淡水
|
|
物质酸碱性
|
|
盐的结晶分离实验
|
|
第2部分 生命科学
|
1
|
软体动物---蜗牛2
|
2
|
生态瓶的制作
|
3
|
种子的构造
|
4
|
种子的萌发
|
5
|
生物圈
|
6
|
植物茎的作用
|
7
|
自测肺活量
|
8
|
制作观察洋葱切片
|
9
|
制作观察霉菌切片
|
10
|
植物标本的制作
|
11
|
显微镜
|
12
|
唾液的作用
|
13
|
人体模型
|
14
|
昆虫标本的制作
|
15
|
检验蛋白质、脂肪、淀粉
|
16
|
恐龙世界
|
17
|
看不见的生物
|
18
|
北极熊
|
19
|
呼吸系统
|
20
|
植物生长
|
21
|
花的结构和授粉
|
22
|
史前动物
|
23
|
制作果树
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24
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蚕的身体构造
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25
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认识水葫芦
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26
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不同动物的卵
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27
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微观花的世界
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28
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认识金鱼藻
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29
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独特的昆虫身体
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30
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种子发芽过程
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31
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绿豆发芽和浇水
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32
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霉菌及其形状
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33
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食物消化过程
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34
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消化系统的构成
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35
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蚯蚓生活环境探究
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36
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生态世界:认识生态平衡
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37
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走进病毒世界
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38
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病毒传播助手
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39
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病毒阻断实验室
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40
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病毒防疫演练
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41
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病毒感染模拟器
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42
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病毒消亡之旅
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43
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微生物
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44
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鸟类,昆虫和爬行动物的运动
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种子的构造
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种子的萌发
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软体动物---蜗牛2
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生态瓶的制作
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生物圈
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植物茎的作用
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物体的形状与承受力
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影响电磁铁磁力大小因素
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探究暗盒里的电路
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自测肺活量
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做酸奶
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唾液的作用
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人体模型
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昆虫标本的制作
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制作观察洋葱切片
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制作观察霉菌切片
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第3部分 地球科学
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1
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土壤成份
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2
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岩石的风化实验
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3
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研究行星与太阳之间距离和行星公转周期的关系
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4
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粘土、沙土和壤土渗水实验
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5
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制作雨量器
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6
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制作望远镜
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7
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制作地表模型
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8
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小气象站
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9
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认识太阳系
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10
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日食的形成
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11
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火山内部构造
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12
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仰望星空
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13
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多样的地表变化
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14
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美丽的月球
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15
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生活中的天气
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16
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实验探索地震成因
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17
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实验探索环形山的成因
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18
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探索四季变化
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19
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实验探索昼夜交替
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20
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土壤
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21
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太阳系
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22
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游览太阳系
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23
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模拟地球内部构造
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24
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模拟风的形成
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25
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模拟环形山的形成
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26
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模拟火山的形成
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27
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模拟日食和月食的形成
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28
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模拟雨的形成
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29
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模拟云和雾的形成
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30
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模拟昼夜的形成
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31
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时节日晷的组装和使用
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32
|
水土流失
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33
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太阳地球和月亮的运动
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模拟地球内部构造
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模拟风的形成
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模拟环形山的形成
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模拟火山的形成
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模拟日食和月食的形成
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模拟雨的形成
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|
模拟云和雾的形成
|
|
模拟昼夜的形成
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|
时节日晷的组装和使用
|
|
水土流失
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|
太阳地球和月亮的运动
|
|
土壤成份
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岩石的风化实验
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研究行星与太阳之间距离和行星公转周期的关系
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粘土、沙土和壤土渗水实验
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第4部分 工程与技术
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1
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海洋探索
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2
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我的家
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3
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探索图形
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4
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卢沟桥
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5
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长城
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6
|
故宫
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7
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圆明园
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8
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黄山
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9
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确定起跑线
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10
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水生植物
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11
|
多边形的面积
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12
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人造卫星
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13
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煤
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14
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3R绿色生活
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15
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多边形
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16
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三角形
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17
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数的组成
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1
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“三无”食品买不得
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2
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湿手不碰开关和插座
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3
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火灾逃生
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4
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校园防踩踏
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5
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电梯安全
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6
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油锅起火如何灭
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7
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用气安全
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8
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火灾预防和隐患排除
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9
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低层建筑消防逃生
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10
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高层建筑消防逃生
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11
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预防溺水及自救方法
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12
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溺水救护
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13
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反恐及可疑物品处理
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14
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恐怖袭击自救
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15
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交通信号灯及安全措施
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16
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安全乘坐交通工具
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17
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家庭用电安全
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18
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触电救护措施
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19
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自动体外除颤器(AED)
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20
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学习使用CPR
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21
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食物中毒及食品安全
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22
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预防传染病
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23
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自然灾害
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24
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防雾霾
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25
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地震逃生
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26
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海啸逃生
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27
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诱拐鉴定与预防
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28
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被拐时的自我保护和自救
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29
|
家里的“小危险”
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30
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预防运动伤害
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31
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校园防踩踏
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32
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校园暴力
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