Mô phỏng Trung học phổ thông

Chọn một cổng logic, bấm các công tắc đầu vào (0/1) và xem mức logic lan theo dây tới đèn đầu ra; bảng chân lí bên cạnh tô sáng đúng dòng đang xét, kèm biểu thức đại số Boole. Chế độ bộ cộng bán phần ghép cổng XOR và AND để tính tổng S và nhớ C của hai bit; nút Chạy tự động lần lượt duyệt mọi tổ hợp đầu vào.

Điện năng từ nhà máy qua máy biến áp tăng áp, đường dây cao áp, máy biến áp hạ áp rồi tới hộ tiêu thụ. Bấm chọn cấp điện áp truyền tải 22 kV, 110 kV, 220 kV hay 500 kV và kéo chiều dài đường dây, tiết diện dây để thấy điện trở đường dây R = ρL/S, công suất hao phí ΔP = P²R/U² và hiệu suất truyền tải thay đổi; dây nóng đỏ khi hao phí lớn. Biểu đồ cột so sánh hao phí ở bốn cấp điện áp cho thấy vì sao phải truyền tải ở điện áp cao.

Học sinh dựng một chi tiết từ khối cơ bản (khối hộp bo góc, trụ, lỗ khoét xuyên, mấu chìa) với kích thước bằng mm trong khung 3D xoay được, xem ba hình chiếu vuông góc, rồi cắt lớp như phần mềm slicer: chọn chiều dày lớp, mật độ infill, số lớp vỏ, bật support cho phần nhô quá 45°. Mô phỏng in từng lớp, ước tính thời gian in, chiều dài và khối lượng sợi nhựa PLA (1,24 g/cm³), chi phí vật liệu, biểu đồ đánh đổi độ bền – khối lượng – thời gian theo infill, và kết thúc bằng thẻ nghề kĩ thuật viên CAD, kĩ thuật viên in 3D.

Dây chuyền gồm nhiều trạm nối tiếp, mỗi trạm có thời gian gia công riêng; bấm Chạy để xem chi tiết chạy trên băng tải, ùn lại thành hàng chờ trước trạm chậm nhất (trạm nghẽn) còn các trạm khác phải chờ việc. Bấm vào một trạm rồi kéo thanh trượt để đổi thời gian gia công của trạm đó, hoặc lắp robot / thêm trạm song song cho trạm nghẽn và thấy nhịp sản xuất, năng suất giờ và sản lượng mỗi ca thay đổi ngay.

Tủ điện trong nhà gồm aptomat tổng, aptomat chống dòng rò (RCCB 30 mA) và các aptomat nhánh cấp cho chiếu sáng, ổ cắm, điều hoà, bình nóng lạnh, bếp điện. Bấm vào từng nhánh để đóng – cắt và xem dòng điện I = P/(U·cosφ) của nhánh và của toàn nhà; bấm nút sự cố để gây quá tải, ngắn mạch hoặc rò điện qua người và quan sát aptomat nào tác động trước. Bấm Đóng lại để phục hồi cấp điện.

Biểu đồ bong bóng chuyển động cho 25 nước từ 1960 đến 2020: trục ngang là GDP bình quân đầu người (thang logarit), trục đứng là tuổi thọ; cỡ bong bóng là dân số, màu là châu lục. Đổi trục sang số con của một phụ nữ, tử vong trẻ em hoặc số năm đi học, kéo thanh năm hay bấm Chạy, chạm vào một nước để vẽ đường đi của nước đó. Hệ số tương quan và khoảng cách giữa nước cao nhất, thấp nhất cập nhật theo năm.

Bản đồ một vùng nông thôn (Aven) và ba nơi đến: thành phố gần trong nước, thủ đô xa hơn và một thành phố ở nước láng giềng bên kia biên giới. Đặt lực đẩy (xung đột, hạn hán, thất nghiệp), lực hút của từng nơi đến (việc làm, tiền lương, an toàn, người thân) và trở ngại (khoảng cách, chi phí đi lại, kiểm soát biên giới): người dân tự chọn ở lại hay đi đâu, dòng di cư hiện thành mũi tên và chấm di chuyển. Theo dõi tác động ở nơi đi (dân số, cơ cấu tuổi, tiền gửi về) và nơi đến (lao động, việc làm), phân biệt di cư tự nguyện và bắt buộc.

Nguồn xoay chiều u = U√2·sin(ωt) cấp cho tải thuần trở, tải R–L (động cơ, chấn lưu), tải R–C hoặc R–L–C nối tiếp. Đồ thị u(t) và i(t) chạy theo thời gian thực cho thấy dòng điện chậm pha sau điện áp ở tải cảm và sớm pha ở tải dung; giản đồ vectơ bên cạnh dựng U_R, U_L, U_C và góc lệch pha φ. Kéo thanh trượt R, L, C để thấy tổng trở Z, hệ số công suất cosφ và công suất tác dụng P = UIcosφ thay đổi, kể cả khi mạch cộng hưởng.

Ba mạch điện tử tương tự cơ bản trên cùng một màn hình: chỉnh lưu nửa chu kì một diode, chỉnh lưu cầu bốn diode và tầng khuếch đại dùng transistor. Đồ thị vẽ điện áp vào hình sin và điện áp ra sau chỉnh lưu; kéo điện dung tụ lọc để thấy điện áp một chiều bớt nhấp nhô, kéo điện trở tải để thấy độ nhấp nhô tăng khi dòng tải lớn. Ở chế độ khuếch đại, tăng hệ số khuếch đại hoặc biên độ tín hiệu vào quá mức thì tín hiệu ra bị xén (méo).

Ngôi nhà có một cụm đèn chiếu sáng và một máy điều hoà: chọn đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang compact hay đèn LED cho cùng độ sáng 800 lm, đặt số giờ dùng và nhiệt độ điều hoà rồi bấm Chạy để công tơ điện quay và cộng dồn điện năng trong 30 ngày. Màn hình hiện điện năng A = P·t, tiền điện tính theo biểu giá bậc thang và lượng CO₂ phát thải; biểu đồ cột so sánh ba loại đèn cho thấy đèn LED tiết kiệm bao nhiêu phần trăm.

Học sinh vào vai thợ điện nhận phiếu công việc: đặt đèn, công tắc một chiều, hai công tắc hai chiều cho đèn cầu thang, ổ cắm và ổ cấp điện bếp lên bản vẽ mặt bằng; chọn tiết diện dây, dòng định mức aptomat, RCD 30 mA và dây nối đất cho bốn mạch (chiếu sáng, ổ cắm, ổ cắm bếp, bếp điện). Nút Kiểm tra lắp đặt chạy lần lượt các phép thử: đủ phiếu công việc, đảo chiều cầu thang, thông mạch dây PE, quá tải Ib ≤ In ≤ Iz, thử RCD và sụt áp; bản dự toán vật tư và giờ công cập nhật liên tục. Bật điện để thử công tắc, cắm tải và thấy aptomat nhảy; cuối cùng là thẻ hồ sơ nghề thợ điện.

Học sinh vào vai kĩ thuật viên bảo trì một dây chuyền băng tải có động cơ, băng tải, hai cảm biến quang, hộp đấu dây và bảng đèn báo PLC. Một lỗi ngẫu nhiên xuất hiện (cảm biến bị che bẩn, băng mòn trượt, ổ bi động cơ quá nhiệt, dây lỏng ở cầu đấu); học sinh đọc triệu chứng (mã lỗi, đèn báo, sản lượng, rung lắc), chọn bộ phận rồi đo bằng đồng hồ vạn năng, nhiệt kế hồng ngoại, máy đo rung, máy đo tốc độ, cắt điện khoá thẻ trước khi sửa, điều chỉnh hoặc thay chi tiết. Điểm tính bằng thời gian dừng máy và chi phí; phần cuối so sánh bảo trì phòng ngừa với sửa khi hỏng qua một năm mô phỏng và có thẻ hồ sơ nghề.

Theo chân một chiếc điện thoại thông minh qua các khâu của chuỗi cung ứng toàn cầu: khai thác khoáng sản (coban, lithium, đất hiếm), sản xuất linh kiện, lắp ráp, thiết kế – phần mềm và bán lẻ, trên bản đồ thế giới có các chuyến hàng chuyển động. Thanh giá trị cho thấy mỗi khâu nhận bao nhiêu phần giá bán (số liệu minh hoạ), thanh thời gian cho biết hàng mất bao nhiêu ngày từ mỏ tới cửa hàng. Học sinh đổi nơi lắp ráp, cách vận chuyển, thuế nhập khẩu và gây sự cố (cảng đóng cửa, đại dịch, mỏ ngừng) để xem ảnh hưởng tới chi phí, thời gian và phát thải CO₂.

Mô hình chuyển tiếp dân số với đường tỉ suất sinh thô, tỉ suất tử thô và tổng dân số qua 5 giai đoạn; vùng gia tăng tự nhiên được tô màu. Kéo trục thời gian hoặc tự đặt sáu động lực (y tế, vệ sinh, lương thực, phụ nữ đi học, biện pháp tránh thai, đô thị hoá) để xem tỉ suất phản ứng, xem tháp dân số minh hoạ của từng giai đoạn và đặt các nước ví dụ (Niger, Kenya, Ấn Độ, Brazil, Hoa Kỳ, Đức, Nhật Bản) lên mô hình theo tỉ suất thật gần đúng.

Một chi tiết tròn xoay (ống lót, trục bậc, bạc có vai, puly đai thang) được vẽ đồng thời ở dạng hình khối ba chiều và ở dạng bản vẽ chi tiết gồm hình chiếu đứng, hình chiếu cạnh và các kích thước ⌀D, ⌀d, L. Học sinh đổi ba kích thước và thấy cả khối 3D lẫn bản vẽ thay đổi theo, kéo chuột trên khối để xoay nghiêng trục nhìn, bật hình cắt để thấy lỗ được vẽ bằng nét liền và phần vật liệu bị cắt được gạch mặt cắt nghiêng 45°, tắt hình cắt thì lỗ trở lại nét đứt.

Một CPU thu nhỏ gồm PC, MAR, MDR, CIR, ACC, ALU và bộ điều khiển, nối với bộ nhớ 16 hoặc 32 ô qua bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển. Nạp chương trình mẫu viết bằng hợp ngữ đơn giản (LDA, ADD, SUB, STA, BRZ, BRP, BRA, OUT, HLT), đi từng nhịp xung để thấy dữ liệu chạy trên bus qua ba giai đoạn nạp, giải mã, thực hiện; đổi tốc độ xung nhịp và đếm số chu kì.

Gõ một dòng chữ để thấy mỗi kí tự có một điểm mã Unicode và được UTF-8 ghi thành 1 đến 4 byte. Chạm vào một kí tự để xem các bit của điểm mã được chia vào từng byte, vì sao é, €, emoji cần 2, 3, 4 byte. Khung Giải mã đọc ngược một dãy byte hex hoặc nhị phân ra chữ và chỉ ra byte lỗi; khung Mojibake cho thấy chữ bị vỡ khi đọc byte UTF-8 bằng bảng mã cũ 1 byte.

Nhóm phần mềm chạy một sprint Agile để làm ứng dụng câu lạc bộ cho trường: chọn user story từ backlog sao cho vừa năng lực nhóm, rồi mô phỏng từng ngày làm việc. Thẻ công việc đi qua các cột Cần làm, Đang làm, Kiểm thử, Xong; biểu đồ burndown cho thấy số điểm còn lại; lỗi sinh ra khi viết mã được kiểm thử phát hiện hoặc lọt tới người dùng. Cuối sprint là buổi review chấm mức hài lòng của khách hàng.

Cắt dọc một xi lanh động cơ bốn kì: pít-tông, thanh truyền, trục khuỷu quay và hai xu-páp nạp – thải đóng mở đúng pha. Bấm Chạy để xem lần lượt bốn kì nạp, nén, cháy giãn nở, thải trong hai vòng quay trục khuỷu (720°), bugi đánh lửa (động cơ xăng) hoặc vòi phun phun nhiên liệu (động cơ diesel) ở cuối kì nén. Đồ thị công p–V vẽ theo thời gian thực; đổi vòng tua và tải để xem công suất và mô men thay đổi.

Chọn máy tiện hoặc máy phay rồi bấm Chạy để xem chuyển động chính (phôi quay ở máy tiện, dao quay ở máy phay) và chuyển động chạy dao đưa lưỡi cắt đi hết chiều dài chi tiết, phoi bay ra và lớp kim loại dày t bị hớt đi. Thanh trượt đổi tốc độ trục chính n, chiều sâu cắt t và lượng chạy dao s; màn hình hiện tốc độ cắt v = πDn/1000 và thời gian gia công một lượt chạy dao.

Sơ đồ truyền lực từ động cơ qua li hợp, hộp số, trục các đăng đến cầu chủ động và bánh xe: mỗi khâu quay với tốc độ khác nhau theo tỉ số truyền. Bấm Lên số / Về số, kéo bàn đạp ga và độ dốc mặt đường để xem lực kéo F_k = M_e·i_h·i_0·η/r_b, lực cản và gia tốc thay đổi; đồ thị lực kéo theo vận tốc cho cả 5 số cho thấy vì sao số thấp khoẻ mà chậm, số cao nhanh mà yếu.

Chọn glucose, fructose, saccharose, tinh bột hay cellulose: mô phỏng vẽ số mắt xích vòng tương ứng (một vòng, hai vòng nối nhau hay mạch dài) và cho biết chất đó thuộc loại monosaccharide, disaccharide hay polysaccharide. Chọn thuốc thử (dung dịch iodine, Cu(OH)₂, thuốc thử Tollens, dung dịch H₂SO₄ loãng đun nóng) rồi bấm Chạy để thấy đúng hiện tượng: màu xanh tím, dung dịch xanh lam, gương bạc, hoặc mạch bị cắt thành glucose. Sau khi thuỷ phân, có thể thử lại thuốc thử khác để thấy kết quả đổi hẳn.

Mô hình quả cầu – que (hoặc đặc) của methane, ethane, propane, butane, 2-methylpropane, ethylene, propene, acetylene, benzene tự dựng theo hình học sp³/sp²/sp; kéo chuột hoặc chạm để xoay. Với alkene, alkyne bấm Cộng Br₂: phân tử Br₂ tiến đến liên kết bội, liên kết π mở ra, hai nguyên tử Br gắn vào hai carbon và dung dịch bromine mất màu; so sánh đồng phân C₄H₁₀.

Đổi độ âm điện của các nguyên tử trong phân tử hai, ba nguyên tử và xem mật độ điện tích dịch về phía nào. Học sinh đặt phân tử vào điện trường để kiểm tra phân tử đó có cực hay không cực. Mô phỏng của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, giấy phép CC BY 4.0 (https://phet.colorado.edu); cần mạng để tải.