milq für die Jahrgansstufe 10

Überblick über die Unterrichtskonzeption zur Einführung in die Quantenphysik für die 10. Jahrgangsstufe

In der Schule stellt die Quantenphysik inzwischen einen festen und wichtigen Bestandteil des Physikunterrichts in der Qualifikationsphase der Sekundarstufe II dar und wird zu den Inhalts­bereichen des Kerncurriculums der Oberstufe gezählt und somit als Kern physi­ka­lischer Bil­dung erachtet (Schecker, H., Fischer, H. E. & Wiesner, H. (2004). Physikunterricht in der gymnasialenOberstufe. In H.-E. Tenorth (Hrsg.), Kerncurriculum Oberstufe II Weinheim und Basel: Beltz Pädagogik, S. 193 ff.). Da die überwiegende Mehrheit der Schülerinnen und Schüler nach Ende des obligatorischen Physikunterrichts das Fach Physik abwählt, ergibt sich die Not­wen­dig­keit, schon in der 10. Jahrgangsstufe eine Einführung in wesentliche Grundideen der Quantenphysik vorzusehen und somit allen Schülerinnen und Schülern am Gymnasium einen Einblick in dieses Teilgebiet der Modernen Physik, das unser heutiges physikalisches Weltbild beherrscht und eine Grundlage aktueller Technologie sowie Forschung darstellt, zu geben. Diese Situation erfordert jedoch einen völlig neuen Zugang zur Quantenphysik, der in dieser Klassenstufe lediglich auf einem rein qualitativen Niveau erfolgen kann.

Unter Berücksichtigung von Ergebnissen empirischer Studien sowohl zu Schülervorstellungen und Lernschwierigkeiten als auch zum Physikinteresse sowie auf der Grundlage des Münchener Unterrichtskonzepts zur Quantenphysik für die Oberstufe (Müller, R. (2003) Quantenphysik in der Schule. Berlin) wurde am Lehrstuhl für Didaktik der Physik der LMU München eine Unterrichtskonzeption zur Einführung in die Quantenphysik für die 10. Jahrgangsstufe erarbeitet und erprobt. Die auf der Grundlage dieser Konzeption gestaltete Unterrichtseinheit soll den Schülerinnen und Schülern insbesondere einen Einblick in die Unterschiede zwischen der Klassischen Physik und Quantenphysik und die sich daraus ergebenden Merkwürdigkeiten sowie Konsequenzen dieser neuartigen Physik geben. Im Vordergrund steht vor allem die Erarbeitung der Unterschiede zwischen der Klassischen Physik und der Quantenphysik anhand der Eigenschaften Ort und Geschwindigkeit Zentrale Inhalte sind zum einen, dass Quantenobjekte im Gegensatz zu klassischen Objekten die Eigenschaft Ort nicht besitzen können, auch wenn bei einer Messung ein Messwert für diese Eigenschaft vorliegt und somit in der Quantenmechanik ein Unterschied zwischen dem Messen und dem Besitzen der Eigenschaft Ort besteht oder auch, dass Quantenobjekte zwar auf die Eigenschaften Ort und Geschwindigkeit präpariert werden können, bei der gleichzeitigen Präparation dieser Eigenschaften allerdings Beschränkungen existieren. Zum anderen werden sowohl der notwendige Übergang von Aussagen über Einzelergebnisse zu Wahrscheinlichkeitsaussagen und die Komplementarität von Ortseigenschaft und Interferenzmuster als auch die Inexistenz von wohldefinierten Bahnkurven als Konsequenz der Heisenbergschen Unbestimmtheitsrelation die Eigenschaften Ort und Geschwindigkeit betreffend in der Quantenphysik behandelt.In diesem Zusammenhang werden als ein Beispiel für Quantenobjekte Elektronen betrachtet und im Gegensatz zu traditionellen Unterrichtseinheiten zur Quantenphysik oder auch zum Münchener Unterrichtskonzept für die Oberstufe erfolgt der Einstieg in die Quantenphysik nicht wie nach wie vor üblich über den Photoeffekt, sondern über das Doppelspaltexperiment mit Elektronen. Diese Entscheidungen liegen insbesondere zum einen in der im Rahmen der Unterrichtskonzeption für die 10. Jahrgangsstufe verfolgten Diskussion über die Eigenschaften Ort und Geschwindigkeit ,die in dieser Weise konsequent nur anhand von Elektronen und nicht mit Photonen möglich ist, und zum anderen in den Ergebnissen empirischer Studien zu Schülervorstellungen zum Licht bzw. zu Photonen begründet. Diese haben gezeigt, dass nach einem Unterricht, zu dessen Beginn der Photoeffekt behandelt wird, die Vorstellungen der Lernenden sowohl zum Licht resp. zu Photonen als auch zu Elektronen für gewöhnlich nach wie vor von den Denkweisen der Klassischen Physik bestimmt sind. Mit einem Einstieg über Experimente mit Elektronen und einer späteren Thematisierung des Photoeffekts ist allerdings eine Abwendung von diesen Auffassungen und eine damit einhergehenden Hinwendung zu quantenmechanischen Sichtweisen möglich.

Für detaillierte Beschreibungen der Unterrichtskonzeption und Ergebnisse der empirischen Untersuchung siehe:
Schorn B., Wiesner H. (2008): Die Quantenphysik in der Sekundarstufe I. In: Praxis der Naturwissenschaften – Physik in der Schule, 6/57.
Wiesner H., Schorn, B. (2015): Das Münchener Internetprojekt zur Lehrer­fort­bildung (milq) in der 10. Jahrgangsstufe. In: Praxis der Naturwissenschaften – Physik in der Schule, 4/64.

Zum Download:

Schülertext zur Einführung in die Quantenphysik

Wurfmaschine

Film zum Doppelspaltexperiment mit Elektronen

Simulationsprogramm zum Doppelspaltversuch

Filmausschnitt „What the bleep do we (k)now?“:
Kontakt:

Dr. Bernadette Schorn,
I. Physikalisches Institut IA, RWTH Aachen,
Sommerfeldstr. 14,
52074 Aachen

E-Mail: schorn@physik.rwth-aachen.de

1. Im Schuljahr 2012/2013 belegten nur 40% der Schülerinnen und Schüler in den letzten zwei Jahren vor dem Abitur das Fach Physik
Heise, H., Sinzinger, M., Struck, Y. & Wodzinski, R. (2014).
DPG-Studie zur Unterrichts­ver­sorgung im Fach Physik und zum Wahlverhalten der Schülerinnen und Schüler im Hinblick auf das Fach Physik S. 37.