Mô phỏng Trung học phổ thông

Phòng thí nghiệm ảo bốn phần. Mổ hoa thụ phấn nhờ sâu bọ, hoa thụ phấn nhờ gió hoặc hạt đậu: tách từng lớp lên tấm trắng cạnh thước milimét, đếm, đo, tính chiều dài trung bình và tự kiểm tra tên các bộ phận. Theo dõi ống phấn mọc tới noãn và thụ tinh kép, thấy cây tự bất hợp chặn hạt phấn cùng cây, so sánh thụ phấn nhờ sâu bọ và nhờ gió. Thả mô hình hạt có cánh ở các độ cao, diện tích cánh và tốc độ gió khác nhau để đo khoảng cách phát tán; đặt năm ống nghiệm có hoặc không có nước, oxygen, ánh sáng, ở các nhiệt độ khác nhau và vẽ đồ thị % hạt nảy mầm theo ngày.

Một cảnh quan gồm các mảnh rừng xen đất nông nghiệp với 11 loài. Học sinh dùng ngân sách có hạn để khoanh khu bảo tồn, trồng hành lang xanh nối các mảnh rừng, làm dải đệm che bìa rừng, kiểm soát loài săn mồi ngoại lai, hạn chế săn bắt và nhân nuôi loài quý hiếm, rồi chạy vài thập kỉ để theo dõi độ phong phú loài, chỉ số đa dạng Simpson, mức đe doạ của từng loài, quan hệ loài – diện tích và các dịch vụ hệ sinh thái.

Hai loài với sáu kiểu quan hệ chuyển được: cạnh tranh khác loài theo Lotka–Volterra dN₁/dt = r₁N₁(K₁ − N₁ − α₁₂N₂)/K₁, vật ăn thịt – con mồi, kí sinh – vật chủ, hỗ trợ (cộng sinh, hợp tác), hội sinh và ức chế – cảm nhiễm. Đồ thị số lượng theo thời gian, mặt phẳng pha có đường dN/dt = 0 và điểm cân bằng, đồ thị ổ sinh thái trên trục nguồn sống cho thấy loại trừ cạnh tranh, cùng tồn tại khi phân li ổ sinh thái, ổ sinh thái cơ bản và ổ sinh thái thực tế; thí nghiệm trùng đế giày của Gause là ví dụ kinh điển.

Theo từng bước: đại thực bào trình diện kháng nguyên trên MHC, tế bào T hỗ trợ có thụ thể bổ sung được hoạt hoá, chọn lọc dòng tế bào B rồi nhân dòng thành tương bào tiết kháng thể và tế bào nhớ, tế bào T độc diệt tế bào bị nhiễm virus. Đồ thị so sánh đáp ứng sơ cấp và thứ cấp, gặp lại cùng hay khác kháng nguyên; sơ đồ cấu trúc kháng thể cho thử gắn kháng nguyên.

Khai quật hai cột địa tầng từ trên xuống, ghi lại hoá thạch xuất hiện và biến mất, dùng nguyên lí chồng chất và hoá thạch chỉ đạo để xếp tuổi tương đối, đối chiếu hai điểm và nhận ra bất chỉnh hợp. Định tuổi tuyệt đối bằng carbon-14 (t½ = 5 730 năm), potassium–argon (1,25 tỉ năm) và uranium–chì (4,47 tỉ năm) trên đường cong phân rã để kẹp tuổi các lớp chứa hoá thạch; xem các cách hình thành hoá thạch, vì sao hồ sơ hoá thạch có khoảng trống, và thang thời gian địa chất với năm lần đại tuyệt chủng.

Ba ống hô hấp kế trong bể nước ổn nhiệt: hạt nảy mầm, hạt khô thêm bi thuỷ tinh, và chỉ có bi thuỷ tinh (khí áp kế), mỗi ống có KOH hấp thụ CO₂. Đổi loại hạt (đậu Hà Lan, ngô), số hạt, nhiệt độ bể 10–35 °C và thời gian đo; đồng hồ tua nhanh, vị trí giọt màu trên ống mao dẫn được ghi mỗi 5 phút, hiệu chỉnh theo ống bi thuỷ tinh, vẽ đồ thị thể tích O₂ hấp thụ theo thời gian, tính tốc độ bằng hệ số góc và Q₁₀ giữa hai nhiệt độ. Thử bỏ KOH hoặc bỏ bước cân bằng nhiệt để thấy vì sao cần chúng.

Theo dõi nước đi từ đất vào lông hút, qua vỏ rễ và nội bì tới mạch gỗ, được kéo lên lá nhờ thoát hơi nước và lực liên kết giữa các phân tử nước, trong khi sucrose đi trong mạch rây từ lá (nguồn) tới quả và rễ (cơ quan chứa) theo dòng áp suất. Có lát cắt ngang rễ, thân, lá, thí nghiệm khoanh vỏ, chất đánh dấu ¹⁴C và hai bài thực hành: potometer và cần tây cắm vào nước màu.

Hành não nhận tin từ thụ thể áp lực ở xoang động mạch cảnh và cung động mạch chủ, từ thụ thể hoá học ở hành não, thể cảnh và thể động mạch chủ, rồi gửi xung theo dây thần kinh giao cảm và dây phế vị tới nút xoang nhĩ, theo dây thần kinh hoành tới cơ hoành. Đổi cường độ vận động, CO₂ trong khí hít vào, độ cao, tư thế; cắt dây phế vị hay mọi dây thần kinh tới tim; nín thở, thở gắng sức, hoảng sợ; xem nhịp tim, huyết áp, nhịp thở, PCO₂, pH và ghi bảng số liệu. Màn hình Bản đồ hệ thần kinh cho thấy thần kinh trung ương, ngoại biên, giao cảm và đối giao cảm, so sánh phản xạ với phản ứng có ý thức.

Tua nhanh hàng trăm năm trên đá trơ, bãi đá sau khi sông băng rút, đụn cát ven biển, ruộng bỏ hoang hoặc rừng sau cháy: loài tiên phong, cỏ, cây bụi, cây gỗ tiên phong rồi rừng cao đỉnh lần lượt thay nhau, kèm đồ thị độ dày đất, mùn, nitrogen, số loài và sinh khối. Chọn chăn thả, cắt cỏ hoặc đốt có kiểm soát để giữ quần xã ở đồng cỏ hay truông cây bụi (plagioclimax); ngừng tác động hoặc gây cháy rừng để thấy diễn thế tiếp tục hoặc bắt đầu lại.

Cơ hoành và cơ liên sườn làm thay đổi thể tích lồng ngực, áp suất trong phổi giảm hoặc tăng (định luật Boyle) nên không khí đi vào hoặc đi ra; so sánh với mô hình bình chuông. Phế dung kế ghi đồ thị thể tích phổi: khí lưu thông, dung tích sống, FEV₁/FVC, thông khí phổi = khí lưu thông × nhịp thở. Đổi bệnh phổi (hen, khí phế thũng, xơ phổi), hút thuốc và vận động để thấy ảnh hưởng tới trao đổi khí ở phế nang; thực hành nước vôi trong với khí hít vào và khí thở ra.

Sơ đồ tim bốn ngăn co bóp chậm theo từng chu kì: nút xoang nhĩ phát xung, sóng lan qua tâm nhĩ, dừng lại ở nút nhĩ thất rồi theo bó His và mạng Purkinje tới tâm thất. Đồ thị áp suất – thời gian của tâm nhĩ trái, tâm thất trái và động mạch chủ cho thấy van nhĩ thất và van bán nguyệt mở, đóng đúng lúc chênh lệch áp suất đổi chiều; bên dưới là thể tích tâm thất và điện tâm đồ (P, QRS, T). Thay đổi CO₂ trong máu (thụ thể hoá học), sức cản tiểu động mạch và thể tích máu (thụ thể áp lực) để thấy hành não điều chỉnh nhịp tim qua dây giao cảm và dây phó giao cảm, rồi đọc thể tích tâm thu và lưu lượng tim = thể tích tâm thu × nhịp tim.

Hai thí nghiệm công nghệ gene trên một bàn ảo. Biến nạp: đưa plasmid mang gene GFP và gene kháng ampicillin vào E. coli bằng CaCl₂ và sốc nhiệt 42 °C, trải lên đĩa LB, LB/amp, LB/amp/ara, ủ tua nhanh, đếm khuẩn lạc, soi đèn UV và tính hiệu suất biến nạp từng bước. Cắt giới hạn và điện di: cắt DNA phage và plasmid bằng EcoRI, BamHI, HindIII, nạp giếng, chạy gel, nhuộm, đo quãng đường các băng, vẽ đường chuẩn log(bp) theo quãng đường từ thang DNA và đọc kích thước các đoạn.

Phòng thí nghiệm bằng chứng tiến hoá với bốn trạm: tô màu các xương tương đồng trong chi năm ngón của người, dơi, cá voi và chim, so với cánh tương tự của côn trùng; so sánh phôi cá, gà, lợn và người qua các giai đoạn (cung hầu, đuôi, mầm chi) và xem các cơ quan thoái hoá; đặt các hoá thạch đã biết tuổi của dãy cá voi và dãy ngựa vào đúng lớp đá; so sánh số amino acid khác nhau của cytochrome c và hemoglobin, tính % giống nhau và dựng cây họ hàng đơn giản.

Dung dịch bão hoà của muối ít tan (AgCl, PbI₂, Ca(OH)₂, Mg(OH)₂, CaCO₃, BaSO₄) với hình phóng to cho thấy cân bằng động giữa tinh thể và các ion. Tính độ tan mol từ Ksp theo đúng hệ số, thêm nước hoặc thêm chất rắn, hoà tan trong dung dịch có ion chung hay dung dịch đệm pH và xem độ tan thay đổi trên đồ thị. Màn hình trộn dung dịch so sánh Q với Ksp để dự đoán kết tủa và tính khối lượng kết tủa.

Phòng thí nghiệm ảo về tinh chế. Kết tinh lại benzoic acid, salicylic acid hoặc acetanilide thô bằng lượng nước nóng tối thiểu, có lọc nóng, làm nguội với tốc độ chọn được, lọc chân không, rửa và sấy tới khối lượng không đổi, rồi tính phần trăm thu hồi. Kiểm tra độ tinh khiết bằng máy đo nhiệt độ nóng chảy, nhận biết chất chưa biết qua nhiệt độ nóng chảy, khối lượng riêng và sắc kí lớp mỏng, tinh chế sản phẩm lỏng bằng phễu chiết và chất làm khan, và cân pha chế phẩm theo công thức.

Tự vẽ công thức Lewis cho 22 phân tử và ion (H₂O, NH₃, CO₂, CO, O₃, NO₃⁻, SO₄²⁻, ClO₃⁻, PCl₅, SF₆, XeF₄…): chạm liên kết để đổi bậc, chạm nguyên tử để thêm cặp electron riêng; mô phỏng đếm electron hoá trị, kiểm tra quy tắc octet (cho phép octet không đầy đủ của B và octet mở rộng từ chu kì 3) và tính điện tích hình thức FC = V − N − B/2 trên từng nguyên tử để chọn công thức tốt nhất. Chế độ Cộng hưởng vẽ các cấu trúc của CO₃²⁻, NO₃⁻, NO₂⁻, O₃, SCN⁻, benzene và dạng lai; chế độ Liên kết cho – nhận tạo NH₄⁺, H₃O⁺, H₃N→BF₃, Al₂Cl₆; có sơ đồ chấm – chéo.

Mỗi lần chạy, máy chọn ngẫu nhiên một nồng độ bị giấu cho mẫu HCl, giấm, nước quả hoặc H₂O₂ hiệu thuốc. Chuẩn độ bằng NaOH chuẩn với phenolphthalein hoặc bằng KMnO₄ trong môi trường acid (tự chỉ thị), đọc burette tới 0,05 mL ở khung phóng to, làm lần thô rồi các lần chính xác tới khi có hai số liệu trùng khớp. Tự tính nồng độ (mol/L, g/L hoặc %) rồi kiểm tra: máy báo sai số và hiện lời giải đầy đủ.

Một khu nghỉ biển giả định đi qua các giai đoạn của mô hình Butler: thăm dò, tham gia, phát triển, củng cố, đình trệ, rồi suy thoái, ổn định hoặc hồi sinh. Học sinh đặt tốc độ tăng nhu cầu khách, mức đầu tư và tỉ lệ doanh nghiệp địa phương, bật hạn ngạch khách, phân vùng bảo vệ hay du lịch sinh thái từ năm tự chọn, rồi so lượng khách với sức chứa vật lí, sinh thái và xã hội; xem chi tiêu, thu nhập rò rỉ ra ngoài, việc làm, chất lượng môi trường và thái độ người dân (thang Doxey).

Một vùng giả định có lưu vực phía bắc mưa nhiều, ít dân và lưu vực phía nam khô hạn, có thành phố và đồng ruộng tưới. Bản đồ tô màu nơi thừa, nơi thiếu nước; học sinh đặt lượng mưa, dân số, tốc độ tăng dân số, diện tích tưới và mức thu nhập, rồi xây hồ chứa, công trình chuyển nước, nhà máy khử mặn, khoan thêm giếng hoặc tiết kiệm nước. Trong 30 năm, mô phỏng tính cân bằng nước, tỉ lệ nước bị khai thác, chỉ số Falkenmark, khan hiếm vật lí hay kinh tế, mực nước ngầm hạ thấp, xâm nhập mặn, đất nhiễm mặn, chi phí, năng lượng và tác động tới sông.

Nối các monomer có hai nhóm chức thành mạch polymer: diacid + diol tạo PET (liên kết ester), diamine + diacid hoặc dichloride của diacid tạo nylon-6,6 (liên kết amide), amino acid tạo chuỗi peptide. Mỗi liên kết tách ra một phân tử H₂O hoặc HCl; mô phỏng hiện mắt xích lặp lại, khối lượng mạch, so sánh với trùng hợp ethylene và cho thuỷ phân mạch trở lại monomer.

Chọn phản ứng (2H₂ + O₂ → 2H₂O, N₂ + 3H₂ → 2NH₃, CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O, Fe + S → FeS), đặt lượng hai chất tham gia theo số hạt, số mol hoặc gam rồi cho phản ứng. Hình hạt cho thấy chất nào hết, chất nào còn dư; bảng mol – khối lượng tính lượng dư, lượng sản phẩm theo lí thuyết và hiệu suất khi nhập lượng sản phẩm thu được thực tế.

Người trượt gắn trên một đường ray cong (chọn máng đơn, vòng lặp hoặc giếng đôi, hoặc tự vẽ ở Sân chơi). Động năng và thế năng đổi cho nhau khi trượt; bật ma sát thì một phần cơ năng chuyển thành nhiệt. Vào vòng lặp với tốc độ quá thấp, người trượt sẽ rời khỏi ray và bay tự do. Phỏng theo mô phỏng "Energy Skate Park" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Bốn màn hình: Khám phá (kéo thanh trượt a, b, c, tách riêng từng hạng tử ax², bx, c), Tổng quát (hệ số nguyên đổi bằng nút bấm, bật/tắt đỉnh, trục đối xứng, nghiệm, giao Oy), Dạng đỉnh (kéo trực tiếp điểm đỉnh để đổi h, k) và Tiêu điểm - đường chuẩn mở rộng (kéo tiêu điểm và một điểm trên parabol để thấy hai khoảng cách luôn bằng nhau). Phỏng theo mô phỏng "Graphing Quadratics" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Bắn photon (ánh sáng trắng hoặc đơn sắc chọn bước sóng) vào một nguyên tử hydrogen: tab Thực nghiệm cho quang phổ đo được của nguyên tử thật (che trong hộp kín), sáu tab còn lại là dự đoán của các mô hình Bi-a, Mứt nho, Hành tinh cổ điển, Bohr, de Broglie và Lượng tử. Máy quang phổ ghi bước sóng photon phát ra, giản đồ mức năng lượng Eₙ = −13,6/n² eV cho thấy vì sao chỉ Bohr và các mô hình sau đó mới cho quang phổ vạch đúng như thực nghiệm. Phỏng theo mô phỏng "Models of the Hydrogen Atom" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.