Informationen zum Unterrichtskonzept
Quantenphysik ist im Alltag allgegenwärtig und ein hochspannendes Teilgebiet der Physik. Durch ihre Relevanz für moderne Technologien leistet sie einen großen Beitrag zur Allgemeinbildung und damit zur Ausbildung eines modernen physikalischen Weltbildes. Folglich gewinnt die Quantenphysik auch in den Bildungsstandards immer mehr Bedeutung. Aus diesem Grund sind auch die Lehrpläne der Länder im Wandel. Sie werden um weiterführende konzeptuelle Aspekte, entsprechend der Novellierung der Bildungsstandards ergänzt.
Richtschnur bei der Konzeption des Unterrichts war es, moderne Konzepte, Experimente und unterrichtliche Zugänge in den Vordergrund zu rücken.
Die im Folgenden dargestellten Materialien decken daher lediglich die Themen des Lernbereichs Quantenobjekte im sächsischen Lehrplan ab, die mit der Lehrplanreform neu dazu gekommen sind.
Rahmenbedingungen
Einordnung Lehrplan
Sächsischer Lehrplan für Gymnasien Physik (2022)
• Klasse 12 Grundkurs – LB 3 Quantenobjekte
• Klasse 12 Leistungskurs – LB 4 Quantenobjekte
(und ggf. mit Anpassungen Lehrpläne anderer Bundesländer, die bereits nach den Vorgaben der KMK-Bildungsstandards im Bereich Quantenphysik aktualisiert wurden.)
Notwendiges Vorwissen
Stochastik:
• Wahrscheinlichkeitsbegriff
• Häufigkeiten
• Gesetz der großen Zahlen
Wellenoptik:
• Wellenmodell des Lichts
• Interferenz am Doppelspalt
• Polarisation von Licht
Umfang des Unterrichtskonzepts
6 Doppelstunden à 90 min
Kompetenzziele
Didaktische Kerngedanken
Inhaltlich- und methodisch-didaktische Entwicklungsgrundsätze
Zugang
Bisherige Lehrkonzepte zu Quantenphysik bauen vor allem auf historischen Experimenten, wie dem Photoeffekt auf. Dieser Ansatz wird nach neusten Erkenntnissen der Didaktik meist nicht mehr als ideal angesehen, da er Schülervorstellungen befördern kann, die der Entwicklung einer fachlich adäquaten Vorstellung quantenphysikalischer Prinzipien entgegenstehen könnten.
Klassische Physik und Quantenphysik unterscheiden sich fundamental. Deshalb gilt es im Unterricht die Andersartigkeit der Quantenphysik besonders zu betonen, wie zum Beispiel durch Verschränkung oder der Existenz echten Zufalls. Daher werden Experimente benötigt, die zwangsläufig auf die Charakteristika der Quantenphysik hinführen und keine alternativen Erklärungen bieten, mit denen die Quantenphysik als Fortführung der bekannten klassischen Physik verstanden wird. Im hier vorgestellten Unterrichtskonzept erfolgt deshalb der Einstieg in die Quantenphysik über den Nachweis des Photons mittels der Koinzidenzmethode. Dieser Zugang lässt -anders als der Photoeffekt- keine klassischen Erklärungen zu und charakterisiert so eindeutig die Eigenschaften des Quantenobjekts Photon. Danach werden grundlegende Phänomene der Quantenphysik (basierend auf den Wesenszügen der Quantenphysik nach Küblbeck und Müller, 2002) exemplarisch anhand unterschiedlicher Experimente am Mach-Zehnder-Interferometer und dem Doppelspaltexperiment erarbeitet.
Struktur Unterrichtskonzept
Die Zielsetzung, Quantenphysik anhand des Photons einzuführen und danach die Wesenszüge der Quantenphysik daran zu erarbeiten, führt zu einigen notwendigen Änderungen in der Reihenfolge, der im sächsischen Lehrplan geforderten Themen. Der Lernbereich „Quantenobjekte“ im sächsischen Lehrplan wird also in diesem Unterrichtskonzept nicht in der dort vorgesehenen Chronologie unterrichtet, sondern folgt, begründet durch aktuelle Forschung in der Didaktik, einer abweichenden Reihenfolge.
Die hier vorgestellten Materialien sind dafür gedacht, als Einstieg in den Bereich Quantenphysik eingesetzt zu werden. Der Teil des Lehrplans von 2012 (mit Photoeffekt etc.) wird entgegen der Chronologie des Lehrplans erst nach dem hier vorgestellten Teil unterrichtet.
Sachstruktur
Aufbauend auf dem Münchner und Erlanger Unterrichtskonzept
Materialien
Die Lehrkräftehandreichung ist als eine Unterstützung zu dem Unterrichtskonzept zu sehen. Sie bietet zum einen wichtige Informationen, die für die Umsetzung von Unterricht mit den bereitgestellten Materialien zentral sind (bspw. sprachliche Aspekte) und zum anderen nützliches Hintergrundwissen.
Unterrichtsmaterialien
Als Unterrichtsmaterialien existieren für 6 Doppelstunden á 90 min jeweils ein Stundenverlaufsplan, eine PowerPoint-Präsentation und zugehörige Arbeitsblätter. Zusätzlich gibt es eine Sammlung an Aufgaben. Alle Arbeitsmaterialien sind unter CC BY-NC-SA 4.0 lizensiert, dürfen also unter Nennung des Urhebers für nicht kommerzielle Zwecke auch abgeändert werden.
Simulationen
Zusätzlich gibt es zum Unterrichtskonzept Simulationen, mit denen Schülerinnen und Schüler selbstständig Inhalte des Unterrichts erarbeiten können. Diese sind für iPads optimiert und darauf rein browserbasiert nutzbar. Zur Ansicht für Lehrende sind diese auf entsprechenden Unterseiten zu finden.
Die Simulationen sind für Schülerinnen und Schüler unter den folgenden Direktlinks erreichbar:
• strahlteiler.quantensimulation.de
• interferometer.quantensimulation.de
• doppelspalt.quantensimulation.de
Alle hier bereitgestellten Konzepte und Materialien wurden im Rahmen dreier Staatsexamensarbeiten an der Professur für Didaktik der Physik der TU Dresden, in Kooperation mit dem Leibniz IFW Dresden konzipiert.
Autoren: | Alexander Schuster, Markus Standfuß |
Wissenschaftliche Betreuende: | Prof. Dr. Gesche Pospiech, Carsten Albert, Moritz Förster |
