Schülervorstellungen zurMikro- und Quantenwelt

Franz Embacher

Probe-Lehrveranstaltung, 12. 10. 2009

Fakultät für Physik, Universität Wien

Wie stellst du dir ein Atom vor?

6. Kl. WPF

Wie stellst du dir ein Atom vor?

Seminar Moderne Physik und Schule WS 2006/7(„Quantentheorie in der Schule“)

Fragebogen in

• ORG, Wien (unterschiedliche Physik-Lehrkräfte)- ÜST (45)- 6. Klasse- 6. Klasse WPF- zwei 7. Klassen- drei 8. Klassen

• Gynmasium, Wiener Neustadt (zwei Physik-Lehrkräfte)- 4. Klasse- 8. Klasse

Oktober/November 2006 ... Rohdaten

Wie stellst du dir ein Atom vor?

ORG, Wien

Vorherrschend: klein, rund,Planetenmodell, Elektronen kreisen,Schalenmodell (mit eingezeichneten Elektronen),Kern + Hülle, Bestandteile

alle: 8. Kl.

Wie stellst du dir ein Atom vor?

Gymnasium, Wiener Neustadt

4. Klasse (N = 27) 8. Klasse (N = 13)

Kugel 22% 8%Wolke, Nebel, Bereich 44% 31%Schalenmodell 0% 15%Kreisbahn, Ort 4% 8%Bestandteile 33% 54%Energie 4% 0%

• „Wolke, denn sie haben keine genaue Form zum vorstellen“ (4. Kl.) • „sehr, sehr kleines Teilchen, also bildlich als Kugel“ (8. Kl.)

Untersuchungen

Schülervorstellungen über Quantenphysik

• Thomas Bethge (1988, 1992)

• Hartmut Wiesner et al (1989, 1996)

• Michael Lichtfeldt und Helmut Fischler (1992)

Schülervorstellungen zur Quantenphysik

Thomas Bethge (1988 [Dissertation], 1992) in Kursen nach dem Bremer Unterrichtskonzept zur Quantenphysik, N = 25

• Bahnbegriff: 25% ... Ablehnung des klassischen Bahnbegriffs 75% ... Elektronen müssen sich bewegen, da sie „überall auftauchen“

• Die Stabilität der Atome erklären 90% durch bestimmte Aktivitäten der Elektronen (Kreisbewegung, Fliehkraft,...)

• Wahrscheinlichkeit: von 80% der SchülerInnen als Kalkül akzeptiert, die Verteilung wird aber auf Einzelereignisse zurückgeführt („Woher weiß das Quant denn, dass es da nicht hin darf?“)

• Wahrscheinlichkeit als Ungenauigkeit

• Quantisierung der Energie wird fraglos akzeptiert

Schülervorstellungen zur Quantenphysik

Hartmut Wiesner et al (1989, 1996) LeistungskursschülerInnen nach dem Unterricht über Quantenphysik, N = 27

• Unterschied klassisches Objekt vs. Quantenobjekt: 26% ... Dualismus, Modellbeschreibungen 19% ... Energiequantisierung 15% ... Kleinheit, ständige Bewegung 4% ... Unbestimmtheitsrelation 11% ... Quantenobjekte besitzen keine Ortseigenschaft

• Lokalisierung von Quantenobjekten: wird einerseits spontan abgelehnt, andererseits ist nicht klar, was anders ist 24% ... „irgendwo muss es ja sein“ (Objektpermanenz) 16% ... praktische Schwierigkeit bei der Ortsbestimmung 12% ... Ortsangabe möglich, wenn auf Impulsangabe verzichtet wird 8% ... Ort kann nicht angegeben werden, weil das Elektron eine Welle ist

Schülervorstellungen zur Quantenphysik

Hartmut Wiesner et al (1989, 1996) LeistungskursschülerInnen nach dem Unterricht über Quantenphysik, N = 27

• Bedeutung der Unbestimmtheitsrelation: 43% ... Ort und Impuls nicht gleichzeitig genau messbar 13% ... Je genauer die Ortsmessung, umso ungenauer die Impulsmessung und umgekehrt 13% ... x und p können nicht gleichzeitig beliebig genau zugeschrieben werden („Ob die Schüler ... die sehr weitgehende Auffassung vertraten, dass den Quantenobjekten eine gleichzeitige Orts- und Impulseigenschaft prinzipiell nicht zukommt, wurde nicht deutlich genug geklärt.“) 11% ... keine Erinnerung

Vorwiegender Vorstellungshintergrund: Der „richtige“ Wert existiert, kann aber aus verschiedenen Gründen nicht festgestellt werden.

Schülervorstellungen zur Quantenphysik

Michael Lichtfeldt und Helmut Fischler (1992) in 25 Kursen nach dem Berliner Unterrichtskonzept zur Quantenphysik

• Bild des Wasserstoffatoms: 70% ... Bohrsches Atommodell (ohne Bohrsche Postulate also eher „Planetenmodell“) 22% ... Elektronenwolke („Man weiß nicht, wo sich das Elektron befindet“)

• Stabilität der Atome: Kreisbahn, Gleichgewicht Zentrifugalkraft – Coulombkraft

Die SchülerInnen „haben versucht, die in der Schule angebotenen Erklärungen in ihre bereits vorhandenen Vorstellungsmuster einzubeziehen. Eine Vorliebe für ein einzelnes Erklärungsmuster ist dabei nicht entstanden. Indiz für ihre starke Bereitschaft, zwischen einzelnen Vorstellungen zu pendeln und Mischformen zu bilden... Diese Mischformen bewegen sich jedoch immer im Rahmen einer sehr stark mechanistisch orientierten Vorstellung.“

Schülervorstellungen zur Quantenphysik

Was können/wollen wir daraus schließen?Was können wir tun?

Reflexion und Diskussion

Sachlogik von Einstiegsszenarien

• Plancksches Strahlungsgesetz, Plancks Photonenhypothese

• Photoelektrischer Effekt Einsteins Photonenhypothese

• Feynmanscher Zeigerformalismus

• Logik des Doppelspaltexperiment

• Elitzur-Vaidmann-Bombentest A. C. Elitzur and L. Vaidman, Foundations of Physics 23, 987 – 997 (1993) http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Quantentheorie/Bombe/

Vorstellung „Hausaufgabe“

„Hausaufgabe“

Der Elitzur-Vaidmann-Bombentest als Einstieg in die Quantenphysik?

• Welche sachlogischen Vor- und Nachteile hat dieser Zugang?

• Welche pädagogisch-didaktischen Vor- und Nachteile könnte dieser Zugang haben?

Wie könnten sie mit den Mitteln der Aktionsforschung (von Lehrkräften für den eigenen Unterricht) herausgefunden werden?

Vermutungen und Fragestellungen Konzept: Pretest – Unterricht – Posttest

Literatur

• Thomas Bethge, Empirische Untersuchungen zu Schülervorstellungen über Quantenphysik, in: W. Kuhn (Hrsg.), Didaktik der Physik, Physikertagung Gießen (1988) • Hartmut Wiesner, Beiträge zur Didaktik des Physikunterrichts über Quantenphysik in der Oberstufe, Westarp, Essen (1989)• Hartmut Wiesner, Verständnisse von Leistungskursschülern über Quantenphysik. Ergebnisse mündlicher Befragungen, Physik in der Schule 34, 95 – 99 und 136 – 140 (1996)• Martin Lichtfeldt, Schülervorstellungen in der Quantenphysik und ihre möglichen Veränderungen durch den Unterricht, Westarp, Essen (1992)• Martin Lichtfeldt, Erprobungen der „Einführung in die Quantenphysik“: Lernprozesse und Veränderungen von Vorstellungen, in: Helmut Fischler (Hrsg.), Quantenphysik in der Schule, IPN Kiel, (1992)• Martin Lichtfeldt, Schülervorstellungen als Voraussetzung für das Lernen der Quantenphysik, in: Helmut Fischler (Hrsg.), Quantenphysik in der Schule, IPN Kiel, (1992)

Untersuchungen zu Schülervorstellungen über Quantenphysik

Literatur

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Lehre/ModernePhysik/ss2009.html

Unterrichtskonzepte zur Quantenphysik

Handreichung• Rainer Müller, Qualitative Quantenphysik, IPN – Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften an der Universität Kiel (im Rahmen von Physik im Kontext http://www.uni-kiel.de/piko/), eine Handreichung zur Sekundarstufe I http://www.uni-kiel.de/piko/downloads/Quantenphysik.pdf

Aktionsforschung

• Herbert Altrichter und Peter Posch: Lehrer erforschen ihren Unterricht. Eine Einführung in die Methoden der Aktionsforschung. Verlag Julius Klinkhardt (Bad Heilbrunn, 1998)

Danke...

... für Ihre Aufmerksamkeit!

Diese Präsentation finden Sie im Web unter

http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/PhysikDidaktik/Probe-LV12.10.2009.pps