Lab-Tutorials für den Quantenphysik Unterricht – Wittmann s. 1 von 10 accepted for publication in Praxis der Naturwissenschaften – Physik. To be published June 2006 Lab-Tutorials für den Quantenphysik Unterricht Michael C. Wittmann, Department of Physics and Astronomy, University of Maine, Orono ME 04469-5709, wittmann@umit.maine.edu, http://perlnet.umaine.edu/ Zusammenfassung Im Kurs „Intuitive Quantum Physics“ werden graphische Interpretationen mathematischer Gleichungen und qualitatives Denken durch ein vereinfachtes Modell der Quantenphysik gelehrt. Unser Kurs besteht aus drei wichtigen Abschnitten: Wellenphysik, Aufbau eines Werkzeugkastens („Toolbox“) und Quantenphysik, sowie drei Schlüsselthemen: Welle-Teilchen-Dualität, die Schrödinger-Gleichung und Tunneln von Quantenteilchen. Wir unterrichten vorwiegend mit Lab-Tutorials, in denen StudentInnen in kleinen Gruppen (3 bis 4 Personen) anwendungsspezifische Arbeitsblätter durcharbeiten. In den Diskussionen werden auch Auseinandersetzungen über das „Bild der Physik“, bei uns „Nature of Science“ genannt, geführt. Überprüfungen haben ergeben, dass StudentInnen nicht nur die schwierigsten Konzepte des Kurses lernen können sondern auch lernen, dass die Quantenphysik begrifflich verständlich ist. Diese Einsicht ist besonders für zukünftige Lehrkräfte von Bedeutung. Einleitung Nach mehreren Jahren Erfahrung mit diesem Kurs „Intuitive Quantum Physics“ (IQP) sind wir überzeugt, dass StudentInnen die wichtigen Konzepte der Quantenphysik lernen können ohne anspruchsvolle Mathematik zu benutzen, also vorwiegend durch qualitatives Denken und einfache Analysen von graphischen Darstellungen. Obwohl der Kurs in einer Universität in den Vereinigten Staaten unterrichtet wird, kann man ohne weiteres die StudentInnen in diesem Kurs an der University of Maine mit SchülerInnen der Oberstufe in Deutschland vergleichen. Genauer gesagt, StudentInnen an der Universität Maine sind wahrscheinlich schwächer in der Mathematik als Oberstufen-SchülerInnen in Physikklassen in den Gymnasien Deutschlands und Österreichs. Daher ist unser IQP Kurs auf einer sehr konzeptuellen und praktischen Basis aufgebaut. In diesem Aufsatz beschreiben wir unsere Ziele im Unterricht, die drei wichtigen Abschnitte des Kurses und auch die Belege dafür, dass der IQP Kurs erfolgreich ist. Unser Ziel ist nicht nur, dass StudentInnen nach 5 Jahren die Konzepte der Physik verstehen und sich daran erinnern, sondern viel mehr, dass sie lernen, dass auch in der anscheinend widerspruchsvollen Quantenwelt eine verständliche und zusammenhängende Beschreibung der Natur möglich ist. Der Kurs besteht aus drei Teilen: • Einführung in die Wellenphysik, • Aufbau eines Werkzeugkastens („toolbox“) mit wichtigen Konzepten, die der Interpretationen der Schrödinger- Gleichung dienen (darunter Energie, Wahrscheinlichkeit und Krümmung), und • Anwendung des Werkzeugkastens auf einfache Modelle eines Atoms, eines Moleküls und der radioaktiven Strahlung. Wir messen den Erfolg im IQP-Kurs mit mehreren Methoden, beschreiben hier aber nur zwei: Fragebögen zu Einstellungen zur Physik und den Naturwissenschaften [1,2] und Tests über das Tunneln von Quantenteilchen [3]. Wir haben noch weitere Daten, aber die genannten zeigen am deutlichsten, dass StudentInnen mit sehr schwierigen Konzepten umgehen können und dass sie sich bewusst sind, ein konzeptuelles Bild der Physik aufzubauen. Beides ist uns wichtig, aber ein besseres Verständnis der Naturwissenschaft als selbst konstruiertes Wissen ist uns im Endeffekt noch wichtiger: Es ist die Basis für weiteres Lernen.