Mit dem Erlanger Unterrichtskonzept zur Quantenoptik wird das Ziel verfolgt, eine moderne Sichtweise auf die Quantenphysik zu vermitteln. Lernende sollen anschlussfähiges Wissen bis hin zu den Wesenszügen der Quantenphysik aufbauen. Im Rahmen einer summativen Evaluation mit Schülerinnen und Schülern der gymnasialen Oberstufe wird das Konzept evaluiert. Ein mixed-methods-Ansatz wurde gewählt, um verschiedene Perspektiven auf die Lernprozesse nachzeichnen zu können. Erste Ergebnisse aus einem Fragebogen zum deklarativen Wissen in Quantenoptik im Prä-Post-Follow-Up-Testdesign sowie einem Vorstellungsfragebogen zur Quantenphysik werden vorgestellt. Es zeigt sich: Lernende gelangen zu einem angemessenen Begriffsverständnis zur Quantenoptik und bauen ein überwiegend adäquates Verständnis der Wesenszüge auf, aber eine Teilchenvorstellung von Photonen scheint stabil zu sein.
Mit dem Erlanger Unterrichtskonzept zur Quantenoptik wird das Ziel verfolgt, eine moderne Sichtweise auf die Quantenphysik zu vermitteln. Lernende sollen anschlussfähiges Wissen bis hin zu den Wesenszügen der Quantenphysik aufbauen. Im Rahmen einer summativen Evaluation mit Schülerinnen und Schülern der gymnasialen Oberstufe wird das Konzept evaluiert. Ein mixed-methods-Ansatz wurde gewählt, um verschiedene Perspektiven auf die Lernprozesse nachzeichnen zu können. Erste Ergebnisse aus einem Fragebogen zum deklarativen Wissen in Quantenoptik im Prä-Post-Follow-Up-Testdesign sowie einem Vorstellungsfragebogen zur Quantenphysik werden vorgestellt. Es zeigt sich: Lernende gelangen zu einem angemessenen Begriffsverständnis zur Quantenoptik und bauen ein überwiegend adäquates Verständnis der Wesenszüge auf, aber eine Teilchenvorstellung von Photonen scheint stabil zu sein.
Das vorgestellte Projekt beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Versuchsanleitung, mit der Schülerinnen und Schüler der Oberstufe Einzel-Photonen-Interferenz und darauf aufbauend den Quantenradierer unter Verwendung eines Quantenoptik-Kits der Firma Thorlabs® im Rahmen eines Praktikums erkunden können. Der wiederholte Vergleich von klassischen und quantenmechanischen Beschreibungen macht auf Gemeinsamkeiten sowie Unterschiede aufmerksam und kann helfen, Schülervorstellungen zu überwinden. Dieser Beitrag beschreibt die experimentelle Umsetzung und Überlegungen, die bei der Entwicklung der Versuchsanleitung zu den Experimenten eingeflossen sind. Das eröffnet Einblicke in die laufende Entwicklungsarbeit eines Quantenoptik-Praktikums an der RWTH Aachen.
Mathematische Strukturen sind wesentlicher Bestandteil der Beschreibung von Quantenphysik. Nicht zuletzt wird die Quantentheorie als eine der wichtigsten physikalischen Theorien überhaupt bezeichnet und Mathematik als wesentlich für ein konzeptionelles Verständnis angesehen. Dementsprechend scheint es plausibel, dass mathematische Beschreibungen schon in der Schule zu einem Verständnis quantenphysikalischer Konzepte beitragen können, weshalb es erstrebenswert ist, den Einfluss mathematischer Beschreibungen auf das Verständnis im Kontext der Schule umfassend zu untersuchen. In einer qualitativen Laborstudie werden die Akzeptanz gegenüber einer mathematisch formalen Beschreibung sowie die Rolle mathematischer Repräsentationen für das Verständnis quantenphysikalischer Prinzipien untersucht. Dabei werden in einem ersten Schritt Lehramtsstudierende und Lehrkräfte befragt, worauf in einem zweiten Schritt die Befragung von Lernenden der Sekundarstufe II folgen soll. Ergebnisse der Befragung von Lehramtsstudierenden werden hier vorgestellt.
Mit Hilfe der Semiotik wird untersucht, wie es der Quantenphysik gelingt, Formeln plausibel zumachen, deren zugrunde liegender physikalischer Sachverhalt nicht einem Alltagsverständnis bzw. einem Verständnis im Sinne der klassischen Physik zugänglich ist. Dabei geht es um eine allgemein anerkannte Art des Verständlichmachens bestimmter physikalischer Formeln jenseits der individuellen Ausprägung von Fähigkeiten des Erklärens und Verstehens, sozialer Phänomene und geschichtlicher Entwicklungen, indem man diesen Formeln jeweils ein bestimmtes Experiment zur Seite stellt. Das Experiment ist dabei so gewählt, dass das physikalische Phänomen, das in der Formel beschrieben wird, im Experiment untersucht wird, so dass sich die Formel dann als Auswertung des Experimentes ergibt. Um den schillernden Begriff des Verständnisses auf das für die Untersuchung Notwendige zu beschränken, wird der Begriff Plausibilisierung eingeführt. In einer hermeneutischen Herangehensweise wird ein geeignetes semiotisches Modell dieser wesentlichen argumentativen Figur der Physik anhand von drei Beispielen physikalischer Phänomene entwickelt: die geradlinige Bewegung eines Körpers mit konstanter Geschwindigkeit für die klassische Physik, das Spektrum des energetisch angeregten Wasserstoffs für die ältere Quantenphysik und die Streuung von Elektronen am Doppelspalt für die moderne Quantenphysik. Für jedes der drei Beispiele lassen sich die betreffende Formel und das zugehörige Experiment jeweils als Zeichen auffassen. Lässt sich die Situation der klassischen Physik gut mit dreistelligen Zeichen erfassen, erweist sich der zweistellige Zeichenbegriff für die Situation der Quantenphysik als adäquater. Die Plausibilisierung als Gefüge dieser beiden Zeichen zwingt nicht zu der Annahme, dass einer Formel als Kompositionen von Elementen der Ausdrucksseite eines gewöhnlichen Textes ein Element auf der Inhaltsseite entspricht. Vielmehr dient die zu plausibilisierende Formel dazu, Elemente der Wirklichkeit auf der Ausdrucks- und Inhaltsseite aufeinander zu beziehen. Die Wirkungsweise des Zeichens in der Plausibilisierung der Quantenphysik ist damit nicht negiert, sondern adäquater als beim gewöhnlichen Text in der Physik. Die Plausibilisierung erlaubt, die semantische Interpretation von Formeln zu relativieren, ohne auf ein Verständnis ihrer zeichenbezogenen Funktionsweise verzichten zu müssen.
Die Beschreibung der Natur in mikroskopischen Bereichen durch die Quantentheorie gehört zu den geistigen Errungenschaften unserer Zeit und hat unser Wissenschaftsverständnis grundlegend beeinflusst.So ist es nicht verwunderlich, dass die Quantenphysik ein verpflichtender und etablierter Unterrichtsinhalt der gymnasialen Oberstufe ist, durch den das Weltbild der Schülerinnen und Schüler 1 um den Aspekt der "modernen" Physik erweitert werden soll.Allerdings gilt die Quantenphysik im Gegensatz zu klassischen Themen als abstrakt und unanschaulich.Durch den mathematischen Formalismus und die Schwierigkeiten bei der Begriffsbildung gehört die Quantenphysik ohne Zweifel zu den anspruchvollsten Themen der Schulphysik.Im Hinblick auf die Entwicklung von Unterrichtskonzepten zur Einführung der Quantenphysik im Schulunterricht müssen im Wesentlichen zwei Perspektiven berücksichtigt werden.Dies ist zum einen die pädagogische Sicht, aus der es gilt eine Entscheidung zu treffen, auf welchem methodischen Weg die Inhalte unterrichtet werden sollen, zum anderen die fachliche Sicht, in der es um eine Klärung und Aufbereitung der fachlichen Inhalte für den Unterricht geht.Aus pädagogischer Sicht wird es für den Ablauf von Lernprozessen als günstig angesehen, wenn der Ausgangspunkt sinnlich wahrnehmbare Phänomene, konkrete Objekte, Ereignisse und Handlungen sind.Für den Physikunterricht heißt dies, dass er mit einem Studium der Phänomene beginnen sollte, die direkt beobachtet und erfahren werden können.Zudem wird es als sinnvoll angesehen, dass Inhalte aufeinander aufbauen, so dass die Schülerinnen und Schüler im Verlaufe ihres Unterrichts durch die Vernetzung von Inhalten einen Einblick in die Struktur der Physik bekommen können.Aus fachlicher Sicht müssen dagegen die wesentlichen Begriffe und Prinzipien herausgearbeitet werden, die das Grundlegende des physikalischen Sachverhaltes beschreiben.In einem weiteren Schritt müssen diese Begriffe und Prinzipien auf ein für den Schulunterricht angemessenes Niveau gebracht werden. 1 Aus sprachlichen Gründen werden in dieser Arbeit nicht in jedem Fall sowohl die männliche als auch die weibliche Form verwendet.
Wir haben als eilige Wanderer die Gebiete der physikalischen Forschung durchwandert; und indem wir ganz darauf verzichtet haben, die schweren Waffen der Mathematik mitzunehmen, haben wir uns sozusagen auf die Rolle eines Kriegsberichterstatters im Gelände der physikalischen Forschungsarbeit beschränkt, der sich damit begnügen muß, einige Stimmungsbilder von dem dortigen Geschehen aufzufangen, ohne ernstlich auf die strategischen und technischen Probleme einzugehen. Wir sind an reichen Wissensgebieten von großer Mannigfaltigkeit und Schönheit ihres Inhalts schnell vorübergegangen, um nicht in der Betrachtung der Einzelheiten die großen Leitlinien der Gedankenentwicklung aus den Augen zu verlieren. Wenn wir jetzt dazu übergehen, das Gedankengebäude zu betrachten, in welchem das moderne physikalische Denken triumphiert über die scheinbar so hoffnungslosen Paradoxien und Schwierigkeiten, die uns in der quantenphysikalischen experimentellen Erfahrung entgegentraten, dann werden wir in noch höherem Grade Bescheidung üben müssen. Ohne das Schwergewicht der experimentellen quantitativen Beweise für den gedanklichen Inhalt und die mathematischen Gesetze der heutigen Quantentheorie hier erkennbar und fühlbar machen zu können, müssen wir es uns genug sein lassen, den philosophisch-erkenntnistheoretischen Charakter dieser Theorie uns andeutungsweise klarzumachen. Aber auch dafür muß der Verfasser, der dem Leser hierzu den Zugang erleichtern möchte, um ganz besondere Aufmerksamkeit bitten.
Vielfältige fachdidaktische Forschungs- und Entwicklungsarbeiten der letzten Jahre zielen auf einen adäquaten, schülergerechten Zugang zur Quantenphysik. Beispielsweise fokussiert das in München entwickelte Konzept milq auf grundlegende Phänomene der Quantenphysik und damit verbundene Deutungsfragen, wobei für den Einstieg in die Quantenphysik hier vor allem Simulationen und Videos verwendet werden. In Ergänzung dieses Ansatzes haben wir einen Flächendetektor zum Nachweis geringer Lichtintensitäten entwickelt, um darauf aufbauend in schulpraxistauglichen Realexperimenten grundlegende Phänomene der Quantenphysik am Doppelspaltexperiment zu visualisieren. Unter Verwendung eines Lasers als Lichtquelle wird mit dem Detektor ein Demonstrationsexperiment aufgebaut, das auf jüngeren fachdidaktischen Entwicklungsarbeiten verschiedener Gruppen basiert und zielorientiert für einen praxistauglichen Schuleinsatz angepasst wurde.