Mô phỏng Trung học phổ thông

Mô hình hộp của chu trình nitrogen trong đất một đồng cỏ: cố định N₂ nhờ vi khuẩn Rhizobium ở nốt sần cây họ Đậu, vi khuẩn sống tự do, sấm sét và phân bón theo quy trình Haber; hấp thụ, ăn, chết và bài tiết; amon hoá, nitrate hoá (Nitrosomonas, Nitrobacter), phản nitrate hoá và rửa trôi. Đổi độ thoáng khí, cho đất ngập nước, bón phân, trồng cây họ Đậu hoặc cày đất để thấy lượng nitrogen ở từng kho và từng dòng (kg/ha/năm) thay đổi, theo dấu một nguyên tử N qua chu trình và thấy nitrate, phosphate rửa trôi gây phú dưỡng hồ. Phần chu trình phosphorus cho thấy P đi từ đá vào DNA, ATP rồi lắng xuống trầm tích.

Mô hình 3D xoay được của DNA: nucleotide (phosphate, đường, base) nối bằng liên kết phosphodiester thành mạch 5′→3′; hai mạch ngược chiều xoắn phải, bắt cặp A–T (2 liên kết hydrogen), G–C (3 liên kết), có rãnh lớn, rãnh nhỏ, 10,5 cặp mỗi chu kì, đường kính 2 nm. Học sinh sửa trình tự và xem bảng đếm base theo quy luật Chargaff, so sánh DNA với RNA, nhiễm sắc thể nhân sơ với nhân thực, nucleosome và sợi chromatin, kèm Ảnh 51 mô phỏng và thí nghiệm Hershey – Chase. Có chế độ xem 2D dạng sơ đồ.

Phòng thực hành ảo về biến dị: đo chiều cao, sải tay (biến dị liên tục, biểu đồ tần số với trung bình, độ lệch chuẩn mẫu s chia n − 1 và đường cong chuẩn) và nhóm máu, khả năng cuộn lưỡi (biến dị gián đoạn, biểu đồ cột) của một khối lớp mô phỏng; nghiên cứu trẻ sinh đôi cùng trứng, khác trứng và các thí nghiệm môi trường (cây vô tính, cẩm tú cầu, thỏ Himalaya, rùa biển) để tách vai trò của gene và môi trường.

Hồ sơ 12 mầm bệnh theo nhóm: virus (sởi, HIV, virus khảm thuốc lá), vi khuẩn (Salmonella, lậu, lao, tả), nấm (đốm đen hoa hồng, nấm kẽ chân), nguyên sinh vật (sốt rét và vòng đời qua muỗi), prion (vCJD) và sán dây; mỗi bệnh có đường lây, triệu chứng, cách gây bệnh, phòng chống và điều trị cùng hình động mô tả mầm bệnh phá hại tế bào. Màn hình lây lan cho áp dụng rửa tay, tiêm vaccine, màn chống muỗi, bao cao su, cách li, nước sạch, thuốc trừ nấm để thấy số ca bệnh và R thay đổi. Màn hình bệnh ở cây cho chẩn đoán cây bị virus, nấm, rệp hay thiếu khoáng và xem các cơ chế tự vệ của thực vật.

Phòng thí nghiệm ảo xác định loại liên kết của chất rắn chưa biết qua tính chất: đun nóng để ước lượng nhiệt độ nóng chảy, thử độ tan trong nước và trong hexane, thử dẫn điện của chất rắn, chất nóng chảy và dung dịch, gõ búa để xem chất dát mỏng được hay giòn. Học sinh ghi bảng tính chất, xếp mỗi chất vào loại chất ion, chất phân tử, kim loại hay chất cộng hoá trị mạng khổng lồ kèm lí do, rồi kiểm tra để xem số liệu thật và hình ảnh các hạt.

Bốn màn: đun các oxide CuO, PbO, ZnO, Fe₂O₃, Al₂O₃ với carbon để thấy oxide nào bị khử, tuỳ vị trí của kim loại so với carbon trong dãy hoạt động hoá học; lò cao với các phản ứng theo từng vùng và bảng tính lượng sắt, đá vôi, xỉ, CO₂; bể điện phân Hall–Héroult tách nhôm từ Al₂O₃ hoà tan trong cryolite, tính khối lượng nhôm m = MIt/(nF) và điện năng tiêu thụ; so sánh khai thác đồng từ quặng nghèo bằng thực vật và bằng vi khuẩn theo thời gian.

Chọn một trong 23 chất hữu cơ nhỏ để xem phổ ¹H NMR dạng sơ đồ (độ chuyển dịch hoá học so với TMS, đường tích phân, tách vân theo quy tắc n + 1, phóng to từng tín hiệu) và phổ ¹³C NMR (số môi trường carbon). Thử dung môi CDCl₃ và CHCl₃, lắc với D₂O để tìm H của O–H, N–H, đổi tần số máy phổ; rồi nhận biết chất chưa biết từ phổ, kể cả bài tổng hợp có thêm phổ IR và phổ khối.

Phòng thí nghiệm ảo nhận biết cation và anion trong muối: thử màu ngọn lửa (Li⁺, Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cu²⁺), nhỏ dung dịch NaOH từng giọt rồi đến dư (Al³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺), thử CO₃²⁻ bằng acid loãng và nước vôi trong, thử ion halide bằng AgNO₃ sau khi acid hoá bằng HNO₃, thử SO₄²⁻ bằng BaCl₂ sau khi acid hoá bằng HCl. Học sinh ghi bảng quan sát, suy ra công thức các muối chưa biết chọn ngẫu nhiên rồi bấm kiểm tra để xem phương trình phản ứng. Bàn mở rộng thêm NH₄⁺ (đun nóng với NaOH), OH⁻ (quỳ đỏ) và các ion nhóm IIA Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ (H₂SO₄ loãng); bàn nhận biết khí thử H₂, O₂, CO₂, Cl₂, NH₃, SO₂ bằng que đóm, nước vôi trong, giấy quỳ ẩm và dung dịch KMnO₄.

Mô hình động cơ, nhà máy nhiệt điện và khí quyển: chọn xăng, dầu diesel hoặc than đá chứa sulfur, chỉnh lượng oxygen cấp λ và nhiệt độ ngọn lửa, đọc lượng CO, muội, hydrocarbon chưa cháy, NOₓ và SO₂ trên mỗi kg nhiên liệu. Bật bộ chuyển đổi xúc tác Pt/Pd/Rh, nhiên liệu ít sulfur hoặc tháp khử sulfur khí thải để thấy chất ô nhiễm giảm, kèm phương trình hoá học đã cân bằng, tác hại (khí độc, mưa acid, mờ toàn cầu, bệnh hô hấp) và bảng ghi kết quả.

Học sinh chọn các biện pháp giảm nhẹ (điện tái tạo, giao thông sạch, công nghiệp sạch hơn, tiết kiệm năng lượng, thu giữ carbon, ngừng phá rừng và trồng rừng, giảm mê-tan) và thích ứng (đê biển, giống cây chịu hạn, cảnh báo sớm), rồi xem phát thải CO₂ theo ngành, CO₂ tích luỹ và nóng lên toàn cầu tới năm 2100 so với mục tiêu 1,5 °C và 2 °C. Mô hình dùng quan hệ đơn giản giữa CO₂ tích luỹ và nóng lên (TCRE, có khoảng bất định); bảng tác động cho biết nắng nóng, mưa lớn, hạn hán, năng suất cây trồng, nước biển dâng, san hô và băng Bắc Cực theo số liệu IPCC, kèm chi phí ước lượng và các thoả thuận quốc tế từ Kyoto tới Paris.

Một thung lũng sông tưởng tượng rộng 12 km × 8 km với dữ liệu giả lập: bật, tắt và chồng các lớp ảnh chụp từ trên cao, địa hình và đường đồng mức, sử dụng đất, vùng ngập lụt, mật độ dân số, thu nhập, đường giao thông; bấm một điểm để truy vấn mọi lớp. Phân tích GIS: đếm nhà trong vùng ngập, vẽ vùng đệm quanh sông, đường hay trạm y tế, chọn chỗ đặt trạm y tế mới theo nhiều tiêu chí. Viễn thám: ảnh màu thật, màu giả, NDVI, phân loại lớp phủ và biến động giữa hai thời điểm cách nhau 10 năm.

Trên một vùng giả định có thủ đô, các thành phố, thị trấn và làng, chọn điều được lan toả (đổi mới kĩ thuật, ý tưởng hay bệnh truyền nhiễm), nơi khởi phát và kiểu lan toả: tiếp xúc, phân cấp, di chuyển hay kích thích. Suy giảm theo khoảng cách, số liên hệ mỗi người, dãy núi, sông hay biên giới làm thay đổi tốc độ và hướng lan; bản đồ theo từng bước, đường cong chấp nhận hình chữ S và biểu đồ thời điểm lan tới theo khoảng cách hay quy mô dân số giúp so sánh các kiểu lan toả.

Tăng nồng độ CO₂ trong khí quyển và độ nóng lên của mặt biển để xem đại dương thay đổi: CO₂ tan vào nước tạo H₂CO₃, giải phóng H⁺ nên pH giảm (khoảng 8,2 thời tiền công nghiệp, khoảng 8,05 hiện nay), ion carbonate và độ bão hoà aragonite Ω giảm, vỏ và bộ xương CaCO₃ khó tạo, có khi bị hoà tan. Nước ấm lên gây tẩy trắng san hô theo số tuần nóng tích luỹ (DHW), nở ra vì nhiệt làm mực nước biển dâng, và đẩy vùng sống của các loài về phía cực. So sánh vùng nhiệt đới, ôn đới, cực và các kịch bản phát thải tới năm 2100; ghi kết quả vào bảng.

Đặt nhiệt độ mặt nước biển, vĩ độ nơi nhiễu động bắt đầu, độ đứt gió theo chiều thẳng đứng và độ ẩm tầng giữa đối lưu để xem bão có hình thành không, mạnh tới cấp nào theo thang Saffir–Simpson và đi theo đường nào. Lát cắt cho thấy mắt bão, thành mắt bão và các dải mưa; khi bão đổ bộ, áp suất tâm bão, sức gió và hình dạng bờ biển quyết định độ cao nước dâng. Bảng ứng phó so sánh cảnh báo, sơ tán, đê biển và rừng ngập mặn ở sáu vùng bão thật trên thế giới.

Cùng một bộ số liệu điều tra dân số của một châu lục giả định (mật độ dân số, tỉ lệ thất nghiệp, người đi làm hằng ngày) được thể hiện bằng bản đồ phân tầng màu, kí hiệu tỉ lệ, chấm điểm, đường đẳng trị hay đường chuyển động. Đổi cách chia lớp (khoảng đều, phân vị, ngắt tự nhiên), số lớp, đơn vị gộp số liệu và phạm vi phân tích (châu lục, quốc gia, bang, hạt) để thấy hình ảnh trên bản đồ và kết luận rút ra thay đổi; tỉ lệ số, thước tỉ lệ, tỉ lệ bằng lời và hai điểm A, B để đo khoảng cách.

Ống thuỷ tinh chứa nước, âm thoa 256–512 Hz rung ở miệng ống. Kéo mặt nước để đổi chiều dài cột khí L: âm to hẳn lên khi L + e = (2n − 1)·λ/4, thấy trên đồng hồ độ to, đồ thị độ to theo L và hình sóng dừng trong ống, nghe được qua nút loa. Ghi hai vị trí cộng hưởng liên tiếp để tính λ = 2(L₂ − L₁) và tốc độ âm v = λf.

Mô hình 3D xoay được của một ô mạng cơ sở: lập phương đơn giản, lập phương tâm khối, lập phương tâm mặt và lục phương chặt khít. Chế độ cắt theo ô và tách rời cho thấy phần nguyên tử thuộc ô (đỉnh 1/8, tâm mặt 1/2, trong ô 1; đỉnh ô lục phương 1/6); bảng đếm cho số nguyên tử Z, số phối trí, liên hệ giữa cạnh ô a và bán kính r, độ đặc khít và khối lượng riêng của kim loại ví dụ (Po, Na, Fe, W, Cu, Al, Au, Mg, Zn, Ti…).

Cùng một chi tiết máy (khối bậc có lỗ, gối đỡ chữ L có gân vát, khối chữ U có lỗ lệch, khối vát góc) được vẽ ba hoặc sáu hình chiếu, cạnh khuất nét đứt, đường tâm nét gạch chấm. Bấm chuyển giữa phương pháp chiếu góc thứ nhất (châu Âu) và góc chiếu thứ ba (Mỹ): các hình chiếu trượt về đúng vị trí mới, ký hiệu hình nón cụt trong khung tên đổi theo. Chế độ 3D cho thấy mặt phẳng hình chiếu nằm sau vật (góc thứ nhất) hay trước vật như tấm kính (góc thứ ba) và mở dần các mặt phẳng thành bản vẽ. Bài tập: chọn đúng hình chiếu cho ô có dấu ? trong bốn phương án.

Kéo thanh nhiệt độ hoặc chọn vật mẫu có sẵn (Trái Đất, lò nướng, bóng đèn dây tóc, Mặt Trời, Sirius A) để xem đường cong bức xạ Planck đổi cả độ cao lẫn vị trí đỉnh. Đọc bước sóng đỉnh theo định luật Wien, tổng cường độ bức xạ theo định luật Stefan-Boltzmann, màu vật phát sáng theo nhiệt độ, lưu nhiều đường cong để so sánh và đo bước sóng bằng thước kéo được trên đồ thị. Phỏng theo mô phỏng "Blackbody Spectrum" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Bốn màn hình dùng bối cảnh đá bóng ở sân trường để khám phá số trung bình, trung vị và các số đo độ phân tán của một mẫu số liệu. Màn hình Trung vị: bóng được đá lên trục quãng đường, học sinh dự đoán trung vị bằng mũi tên trước khi xem đáp số đúng. Màn hình Trung bình & Trung vị: các cú đá đặt trên một thanh bập bênh, kéo điểm tựa để tìm số trung bình rồi so với vạch trung vị cố định, thấy trung bình đổi liên tục còn trung vị chỉ nhảy bậc. Màn hình Độ phân tán: so sánh hai nhóm học sinh đá bóng theo khoảng biến thiên, khoảng tứ phân vị (biểu đồ hộp), phương sai và độ lệch chuẩn. Màn hình Phòng thí nghiệm: tự thêm/xoá từng cú đá và xem mọi số đặc trưng cập nhật tức thì. Phỏng theo mô phỏng "Center and Variability" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Bắn hàng trăm viên đạn tử pháo với góc và tốc độ lệch ngẫu nhiên để tạo một mẫu số liệu tầm xa, rồi ghép nhóm thành bảng tần số và biểu đồ cột xếp chồng. Bốn màn hình: Biến thiên (bắn một lần, bắn nhanh hoặc liên tục, chỉnh độ lệch góc và tốc độ), Nguồn (ba pháo có độ phân tán khác nhau), Số đặc trưng (bảng tần số ghép nhóm, số trung bình, trung vị, tứ phân vị, mốt theo công thức nội suy của SGK Toán 11, đối chiếu với số liệu gốc, công cụ khoảng) và Lấy mẫu (phân phối của trung bình mẫu có độ lệch chuẩn σ/√n). Phỏng theo mô phỏng "Projectile Data Lab" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Kích thích một neuron và xem xung thần kinh lan dọc sợi trục. Kéo vòng tròn để chọn điểm quan sát: màng ở điểm đó được phóng to, thấy Na⁺, K⁺, kênh Na⁺ và kênh K⁺ phụ thuộc điện thế mở rồi đóng, kênh rò và bơm Na⁺–K⁺; đồ thị điện thế màng (mV theo ms) ghi các pha khử cực, đảo cực, tái phân cực, siêu phân cực. Đổi cường độ kích thích để thấy ngưỡng và quy luật tất cả hoặc không, kích thích hai lần liên tiếp để thấy thời kì trơ; bật hiện ion, điện tích, nồng độ, độ dẫn; tạm dừng, bước, chậm hoặc nhanh. Điện thế tính bằng mô hình Hodgkin–Huxley, lan truyền tính bằng phương trình cáp. Phỏng theo mô phỏng "Neuron" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Kéo nguyên tử bên phải lại gần hoặc ra xa nguyên tử bên trái (cố định) để xem lực hút, lực đẩy và lực tổng hợp đổi theo khoảng cách; đồ thị thế năng Lennard-Jones hiện điểm tương ứng, đáy đường cong là khoảng cách cân bằng. Chọn cặp Ne–Ne, Ar–Ar, O–O hoặc Tuỳ chỉnh σ, ε rồi thả tay để xem nguyên tử dao động quanh vị trí cân bằng, có thể bật tắt dần do ma sát. Phỏng theo mô phỏng "Atomic Interactions" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Cộng dần các số hạng uₙ = u₁·qⁿ⁻¹ như những bước nhảy trên trục số (nghịch lí Zeno) và xem đồ thị tổng riêng Sₙ. Với |q| < 1, Sₙ tiến về S = u₁/(1 − q); với |q| ≥ 1 dãy tổng riêng phân kì. Kéo công bội q, số hạng đầu u₁, xem sai lệch |S − Sₙ| và số số hạng cần cộng.