In diesem Forschungsbereich steht die Perspektive der Schülerinnen und Schüler beim Lernen von Quantenphysik im Zentrum. Es geht um die Frage, inwiefern gewisse Begriffe beim Lernen von und über Quantenphysik lernhinderlich sein können.
Ein gutes Beispiel für einen lernhinderlichen Begriff ist der des Teilchens. Teilchen sagt man in der Mechanik zu Gegenständen, die man oft als Massepunkte beschreibt. Man kann dabei tatsächlich an reale Gegenstände denken, die auf diese Weise idealisiert werden. In der Quantenphysik ist auch oft von Teilchen die Rede und damit meint man dann Quantenobjekte, wie Photonen. Solche Quantenobjekte besitzen allerdings klassisch wohldefinierte Eigenschaften, wie den Ort nicht (permanent). Man kann sie sich also nicht mit realen Gegenständen, wie Billiardkugeln, vergleichen. Das führt oft zu Lernschwierigkeiten. Perfekt wird die Verwirrung, wenn man auch noch den Teilchenbegriff aus der Wärmelehre mit einbezieht, aber das führt hier zu weit. Klar wird: der Begriff Teilchen ist lernhinderlich, ganz besonders in der Quantenphysik.
Mit dem Erlanger Unterrichtskonzept zur Quantenoptik wurde eine von vielen Möglichkeiten entwickelt, um in der Lehre der Quantenphysik anders über Quantenobjekte zu sprechen: dabei wird die Quantenphysik in Experimenten aus der klassischen Optik heraus entwickelt, also aus der Vorstellung von Licht als elektromagnetischer Welle – nicht aus der Mechanik, in der ständig von Teilchen die Rede ist.
In verschiedenen Teilstudien wurde untersucht, welche Vorstellungen Lernende über die Quantenphysik entwickeln, die mit dem Erlanger Unterrichtskonzept zur Quantenoptik in die Quantenphysik eingeführt wurden.
Detaillierte Ergebnisse einer Interviewstudie (N = 25) und vieles mehr findet man in der Dissertation von Dr. Philipp Bitzenbauer: Hier kann die Dissertation heruntergeladen werden!
Beispiel: Lernendenvorstellungen zu Photonen
Die Vorstellungen der Lernenden zu Photonen finden Sie aber auch hier: die Aussagen der Schülerinnen und Schüler während der Interviews wurden kategorisiert und dazu wurden fünf Kategorien genutzt. Diese lauten:
- Photon = Lichtteilchen mit Wellen- und Teilcheneigenschaften [TEILDLI]
- Photon = Energiequant [ENERQU]
- Indifferente Vorstellung: Photon wird als Kugel gedacht, aber es ist bewusst, dass es keine Kugel ist (keine Replikatvorstellung) [INDIFFVOR]
- Teilchenvorstellung wird explizit abgelehnt [ABLTEIL]
- Photon = sich auf Welle ausbreitendes Energiequant [ENERWE]
Die Anteile der Schülerinnen und Schüler, die Aussagen machten, die sich einer der Kategorien zuordnen ließen, finden sich im untenstehenden Balkendiagramm.
Anhand der Schülerantworten konnten drei Vorstellungscluster extrahiert werden. Die nachfolgende Tabelle zeigt die Zusammenfassung der drei Cluster. Dargestellt ist jeweils der prozentuale Anteil der Befragten innerhalb des Clusters, die bei ihren Antworten solche Äußerungen machten, die den jeweiligen Kategorien zugeordnet werden konnten.
Die drei Cluster konnten inhaltlich interpretiert werden, sodass die folgenden Schülervorstellungstypen zu Photonen nach Einführung mit dem Erlanger Unterrichtskonzept primär beobachtet werden können. Diese drei Cluster fügen sich gut ein in die bestehende Schülervorstellungsforschung zur Quantenphysik:
C1: Elaborierte Energiequantvorstellung → Quantendenken
C2: Photon als Lichtteilchen → Zwischendenken
C3: Energiequant in Teilchengestalt → Mechanistisches Denken
Klicken Sie auf die einzelnen Cluster und beobachten Sie das Balkendiagramm. So erkennen Sie die markanten Unterschiede sogleich!