PROJEKTVERANTWORTLICHE
- Dr. Alda Arias Suarez
PROJEKTPARTNER
- Dr. Matthias Hauck (Abteilungsleiter MINT, Hohenstaufen-Gymnasium Eberbach)
- Prof. Dr. Matthias Weidemüller (Universität Heidelberg, Physikalisches Institut)
WEITERE PROJEKTPARTNER
PROJEKTBESCHREIBUNG
Die Quantenphysik bildet einen Schwerpunkt im Physikunterricht der Sekundarstufe 2. Neben der zentralen Bedeutung der Quantenphysik zum Verständnis aller Phänomene des Mikrokosmos und der Struktur der Materie erlangt dieses zentrale Gebiet der Physik in den letzten Jahren weitere Aufmerksamkeit durch die rapide Entwicklung von Quantentechnologien, welche Quanteneffekte direkt für Anwendungen in der Informationstechnologie oder Sensorik verwenden. Vor diesem Hintergrund erscheint es umso mehr als eine wichtige Aufgabe, kompetente Lehrer*innen und Schüler*innen auszubilden, die die Grundlagen der Quantenphysik verstehen und darauf basierend neue technologische Entwicklungen einschätzen können. Dabei sind digitale Medien besonders geeignet für den Wissenstransfer von komplexen Konzepten aufgrund der Möglichkeit der Bearbeitung eines Themas in individueller Lerngeschwindigkeit sowie der damit verbundenen erhöhten Motivationserzeugung. Aus diesem Grund setzen wir als Hauptziel dieses Projekts die Vermittlung von Quantenphysik in Form von digitalen Experimenten.
Häufig sind physikalische Experimente in Physikbüchern sehr kompakt vorgestellt. Selbst die Ergebnisse und Erklärungen von Problemen werden mitunter bereits am Anfang vorgenommen, was eventuelle Diskussionen über Fehlannahmen und ein tieferes Verständnis der Thematik einschränkt. Der „Digitale Quanten-Experimentierkoffer (DiQuEx)“ hingegen verwendet innovative Elemente, die einem strukturierten und erfolgreichen Lernprozess zuträglich sind. Die Struktur der Lernvideos dieses Projekts orientiert sich einem typischen wissenschaftlichen Erkenntnisprozess in den empirischen Naturwissenschaften. Er unterteilt sich in mehrere Schritte: Konzeption eines Experiments (basierend auf einer Fragestellung oder eines Effekts), Beobachtung der Phänomenologie, quantitative Messungen, Ausarbeitung eines Modells, Überprüfung durch zusätzliche Experimente und darauf basierend die Einführung eines passenden (erweiterten) physikalischen Modells, welches die Beobachtungen und Messungen widerspruchsfrei erklärt. Ähnlich wie im Forschungsprozess stehen die Lernenden somit vor einer Herausforderung und nähern sich schrittweise der Lösung an. Auf dem Weg dorthin sind auch Fehlannahmen erlaubt. Sie können durch entsprechendes Ausprobieren ausgeräumt werden.
Das Projekt „Digitaler Quanten-Experimentierkoffer“ basiert im Wesentlichen auf Erklärvideos, interaktiven Konzeptfragen und Animationen der physikalischen Modelle. Die hergestellten Materialien können zur Unterstützung des Lernprozesses und zur Vertiefung eines entsprechenden Themas verwendet werden. Sie ermöglichen außerdem die Anwendung von erfolgreichen didaktischen Methoden wie „Peer Instruction“ [1] und „Flipped Classroom“ [2]. Diese Materialien werden in zwei Kontexten eingesetzt werden: Erstens in einer Lehrveranstaltung, wo die Lehramtsstudierenden selbst damit experimentieren und einem typischen wissenschaftlichen Erkenntnisprozess folgen können. Zweitens werden wir den digitalen Quanten-Experimentierkoffer für Schulen als Unterstützungs- und Motivationsmaterial zur Verfügung stellen.
Üblicherweise werden physikalische Experimente in Physikbüchern mit Hilfe von Bildern und Schemata erklärt. Die graphische Beschreibung besteht oft aus einer Mischung aus dem realen Versuch und dem physikalischen Modell. Unter Nutzung digitaler Möglichkeiten haben wir verschiedene Repräsentationen eines Experiments differenziert, die unterschieden werden sollten, um eine angemessene Vorstellung des Erkenntnisprozesses zu vermitteln und Missverständnisse zu vermeiden. Mit dieser Darstellungsweise wird eine nachvollziehbare Verbindung zwischen dem realen Experiment und seinen Repräsentationen erzielt.
Im Physik-Bildungsplan [3] ist die Quantenphysik in der gymnasialen Oberstufe eingeordnet. Schüler*innen sollen erkennen, dass klassische Modellvorstellungen zur vollständigen und widerspruchsfreien Beschreibung des Verhaltens von Quantenobjekten wie Photonen und Elektronen versagen. Typischerweise wird dieses Thema anhand eines Buches gelehrt, indem Quanteneffekte theoretisch und experimentell beschrieben werden, unter Umständen durch Unterstützung einiger Demonstrationsexperimente. Viele Schulen haben jedoch keinen Zugang zu einem größeren Fundus von Schlüsselexperimenten der Quantenphysik. Mit diesem Projekt wollen wir eine originelle digitale Variante bereitstellen.
[1] Mazur, Eric. Peer Instruction: a User's Manual. Upper Saddle River, N.J. Prentice Hall, 1997.
[2] Al-Samarraie, H., Shamsuddin, A. & Alzahrani, A.I. A flipped classroom model in higher education: a review of the evidence across disciplines. Education Tech Research Dev (2019)
[3] http://www.bildungsplaene-bw.de/,Lde/LS/BP2016BW/ALLG/GYM/PH/IK/11-12-BF-QUANTEN/06
