Giáo án Bài 32. Thực hành: Thiết kế một hệ sinh thái nhân tạo

Xác định vấn đề học tập: một hệ nhân tạo cần có mục tiêu, cách theo dõi và đầu vào năng lượng; nhận ra quan niệm sai về sự tự duy trì vĩnh viễn.

GV nêu tình huống: “Một khay cây cạn 30 × 20 cm có đất, ba cây nhỏ và được đặt gần cửa sổ. Sau một tuần cây vẫn xanh, có bạn cho rằng khay này sẽ tự duy trì mãi và không cần quản lí.”
Câu hỏi GV đặt ra:

• Theo em, khay này cần có mục đích gì và cần đo những gì để biết nó đang hoạt động tốt?
• Khay có cần năng lượng từ bên ngoài không? Vì sao?
• Một tuần xanh tươi có đủ để kết luận khay tự duy trì vĩnh viễn không?

HS nêu được: khay cần mục tiêu rõ (ví dụ theo dõi số lá mới, độ ẩm); cần ánh sáng là đầu vào năng lượng; một tuần xanh chưa đủ để kết luận hệ tự duy trì vĩnh viễn. GV ghi các câu trả lời lên bảng để đối chiếu cuối tiết.

Nêu được mục tiêu thiết kế (chọn chức năng và chỉ tiêu đánh giá trước khi lắp hệ) và giải thích được vì sao phải theo dõi điều kiện và trạng thái hệ nhiều thời điểm.

HS làm việc nhóm 4 người với Phiếu học tập số 1, phần A.
Nhiệm vụ: đọc khái niệm trong sách, thảo luận và hoàn thành phần A của phiếu.
Câu hỏi GV đặt ra:

• Mục tiêu thiết kế của khay cây là gì? Vì sao phải chọn chỉ tiêu trước khi lắp hệ?
• Vì sao đo một lần khi vừa lắp là chưa đủ? Nên đo gì và đo vào những thời điểm nào?
• Nêu hai ví dụ chỉ tiêu phù hợp cho khay cây mô hình.

Kết luận nhóm ghi trên phiếu:

• Mục tiêu thiết kế: chọn chức năng và chỉ tiêu đánh giá trước khi lắp hệ; ví dụ chức năng là cây xanh ổn định trong 9 ngày, chỉ tiêu là số lá mới, khối lượng khay, độ ẩm quan sát.
• Theo dõi: đo điều kiện và trạng thái hệ nhiều thời điểm (ví dụ mỗi 3 ngày), ghi cùng giờ để so sánh.
• Không được kết luận an toàn chỉ vì nước trong hoặc cây xanh tại một thời điểm.

Trình bày được đặc điểm hệ mở năng lượng và vẽ được sơ đồ dòng năng lượng, vật chất của khay cây mẫu; nêu được vì sao khay không phải hệ cô lập.

HS làm việc nhóm 4 người trên giấy A3, vẽ sơ đồ dòng năng lượng và vật chất của khay cây mẫu (phần B của Phiếu học tập số 1).
Nhiệm vụ: xác định các dòng vào, dòng ra và các dạng năng lượng. HS có thể đối chiếu với ví dụ trong học liệu NeoEdu.
Câu hỏi GV đặt ra:

• Năng lượng đi vào khay từ đâu và đi ra dưới dạng nào?
• CO₂, nước, khoáng đi vào cây như thế nào? Chất hữu cơ và xác được xử lí ra sao trong đất?
• Vì sao khay vẫn gọi là hệ mở dù vật chất có thể tương đối kín?

Sơ đồ nhóm gồm các mũi tên:

• Ánh sáng → cây (năng lượng vào) → hô hấp và tỏa nhiệt (năng lượng ra).
• CO₂, nước, khoáng → cây; cây tạo chất hữu cơ; chất hữu cơ và xác được sinh vật sẵn có trong đất chuyển hóa.
• Khay trao đổi khí, nước và nhiệt với môi trường nên là hệ mở năng lượng, không là hệ cô lập.

Vận dụng được ba khái niệm chính để chọn đáp án đúng, nối đúng thuật ngữ và nhận biết nhận định đúng sai về việc đo đạc.

Bài tập nhanh (đề và đáp án trong mục Sản phẩm):

• Câu 1. Mục tiêu thiết kế được hiểu đúng như thế nào? A. chỉ chọn vật liệu trang trí trước khi có tiêu chí; B. chọn chức năng và chỉ tiêu đánh giá trước khi lắp hệ; C. chỉ tăng số loài nuôi mà bỏ yêu cầu sinh thái.
• Câu 2. Theo dõi được hiểu đúng như thế nào? A. chỉ đo một lần khi vừa lắp bể; B. chỉ nhìn nước trong để kết luận an toàn; C. đo điều kiện và trạng thái hệ nhiều thời điểm.
• Câu 3. Nối: Mục tiêu thiết kế; Theo dõi; Hệ mở năng lượng với các nội dung tương ứng (chọn chức năng và chỉ tiêu đánh giá; đo điều kiện và trạng thái hệ nhiều thời điểm; có đầu vào năng lượng và tỏa nhiệt dù vật chất có thể tương đối kín).
• Câu 4. Nước bể trong không tự chứng minh ammonia và nitrite an toàn. Đúng hay sai?

Đáp án:

• Câu 1: B (chọn chức năng và chỉ tiêu đánh giá trước khi lắp hệ; các phương án khác bỏ qua tiêu chí sinh thái hoặc không liên quan).
• Câu 2: C (đo nhiều thời điểm; đo một lần hoặc nhìn nước trong là chưa đủ).
• Câu 3: Mục tiêu thiết kế – chọn chức năng và chỉ tiêu đánh giá trước khi lắp hệ; Theo dõi – đo điều kiện và trạng thái hệ nhiều thời điểm; Hệ mở năng lượng – có đầu vào năng lượng và tỏa nhiệt dù vật chất có thể tương đối kín.
• Câu 4: Đúng, vì phải đo các chỉ tiêu; không thể thấy độc chất hòa tan chỉ bằng độ trong.

Phân tích được bảng dữ liệu thẩm định bể cá giả định, đưa ra quyết định phù hợp với từng lượt kiểm tra và nêu giới hạn của kết luận từ mô hình.

HS làm việc nhóm 4 người với Phiếu học tập số 2, đọc dữ liệu và trả lời các câu hỏi.
Dữ liệu: bể hình hộp có thể tích hình học 54 L, nước hữu dụng đo được 45 L, nhiệt 25°C (bể giả định, chưa thả cá). Ba lượt kiểm tra ammonia/nitrite: ngày 3 là 0,5 mg/L và 0 mg/L; ngày 10 là 0,2 mg/L và 0,5 mg/L; ngày 24 là 0 mg/L và 0 mg/L sau khi đã có đỉnh và người phụ trách xác nhận ổn định.
Câu hỏi GV đặt ra:

• Vì sao ngày 3 không có nitrite vẫn chưa được coi là bể sẵn sàng?
• Ở ngày 10, vì sao không nên thả cá dù nitrite đã xuất hiện?
• Mô hình có chứng minh bể thật hoàn thành chu trình sau 24 ngày không?
• Tính tổng số lá mới của ba cây mô hình sau 9 ngày, biết số lá lần lượt là 8, 9 và 10.

Đáp án:

• Ngày 3: ammonia $0{,}5\ \mathrm{mg/L}$ chưa về 0; nitrite bằng 0 không chứng minh chu trình đã hoàn tất vì chu trình có thể chưa tới bước đó. Chưa đạt, chưa thả cá.
• Ngày 10: ammonia $0{,}2\ \mathrm{mg/L}$ và nitrite $0{,}5\ \mathrm{mg/L}$ đều chưa về 0; chưa đạt.
• Ngày 24: 0 và 0 sau đỉnh là tín hiệu phù hợp, nhưng vẫn cần người phụ trách duyệt ổn định, nhiệt, thể tích và loài trước khi thêm cá từ từ.
• Mô hình không bảo đảm bể thật hoàn thành chu trình sau 24 ngày; không suy ra mọi bể đều cần đúng 24 ngày.
• Tổng số lá mới: $8+9+10=27$ lá (chỉ là dữ liệu mô hình).
• Thể tích nước dùng để đánh giá là 45 L (đo khi nạp), không dùng 54 L thể tích hình học.

Vận dụng được tiêu chí thiết kế, chỉ tiêu theo dõi và điều kiện an toàn để lập bản thiết kế hoàn chỉnh cho khay cây mô hình và bản thiết kế bể cá trên giấy; không nuôi sinh vật thật trong lớp.

HS làm việc nhóm 4 người với Phiếu học tập số 2, hoàn thành hai phần:
Phần A – Khay cây cạn 30 × 20 cm: ba cây nhỏ có cùng nhu cầu ẩm, đất sạch và ít chất hữu cơ, không thêm động vật; ghi kế hoạch vận hành với ba chỉ tiêu (khối lượng khay, độ ẩm tương đối qua quan sát, số lá mỗi 3 ngày), lịch tưới và lỗ thoát; quy trình ghi ngày, lượng nước cấp, khối lượng, số lá cùng giờ; cách xử lí khi có úng hoặc khô; cách kết thúc (chuyển cây về nơi chăm sóc phù hợp, vệ sinh vật liệu, không phát tán ra ngoài khu được phép).
Phần B – Bể cá cảnh trên giấy: hình hộp 60 × 30 × 35 cm, mức nước dự kiến 30 cm cho thể tích hình học $54\ \mathrm{L}$, dự trù khoảng 45 L nước hữu dụng và phải đo khi nạp; chọn nắp thông khí, lọc cơ học–sinh học, sục khí, nhiệt kế, bộ thử ammonia và nitrite; chỉ ghi phương án loài và sức tải khi có người nuôi chuyên môn duyệt; mục tiêu nhiệt 24–26°C chỉ áp dụng cho cá bảy màu (khoảng 22–28°C), không áp dụng cho mọi loài; chỉ thêm cá khi ammonia và nitrite đã tăng rồi về 0 mg/L.
GV nhắc: nếu trường không đủ thiết bị thì chỉ hoàn thành bản thiết kế và phân tích dữ liệu, không nuôi sống thật.

Bản thiết kế nhóm gồm:

• Khay cây: mục tiêu chức năng; ba chỉ tiêu theo dõi; lịch tưới, lỗ thoát; nhật ký mẫu (ngày, nước cấp, khối lượng, số lá, quan sát); quy trình xử lí úng/khô dưới sự giám sát của GV; cách kết thúc an toàn.
• Bể cá trên giấy: bản vẽ hoặc danh mục thiết bị; thể tích hình học 54 L và nước hữu dụng 45 L đo khi nạp; quy tắc an toàn điện; tiêu chí ammonia/nitrite trước khi thêm cá; quy định không thả cá hay cây ra ao, không tự thay toàn bộ nước hay thêm thuốc.
• Kết luận nêu rõ mô hình chỉ là dữ liệu mô phỏng, không chứng minh cân bằng vĩnh viễn.