11. – 13. Schuljahr

Michael Rode und Michael Barth

Quantenphysik gehört in den Physikunterricht!

Anmerkungen und Konzepte zur Didaktik der Quantenphysik

„Quantenphysik gehört in den Physikunterricht! Diese Aussage ist schon seit Karl Hahn ([1], S. 587) unstrittig. War damals noch der philosophische Aspekt das wesentliche Begründungsargument, so tritt heute gleichberechtigt dazu, dass Quantenphysik aus der modernen Welt und ihrer Technik nicht wegzudenken ist. Ob Laser, Halbleitertechnik oder moderne Nachrichtenübertragung und Verschlüsselung: Anwendungen der Quantenphysik sind allgegenwärtig. In populär-philosophischen Darstellungen spielen nicht immer sachgerechte Argumente aus der Quantenphysik eine große Rolle, und insbesondere eher esoterische Schriften sind voll von entsprechenden Bezügen. Insgesamt kann man mit Recht die Meinung vertreten, Unterricht über Quantenphysik trage zur Allgemeinbildung bei. In einem nicht zu schmal angelegten Unterricht wird man das große Interesse von Lernenden an Fragestellungen aus der Quantenphysik entweder von Beginn an erkennen oder schnell wecken können.
Es würde den Rahmen dieses Beitrags sprengen, wollten wir die Didaktik der Quantenphysik in der wünschenswerten Breite abbilden oder diskutieren. Wer sich eingehender damit beschäftigen möchte, kann eine ausführliche Diskussion bei Willer [2] nachlesen.
Anschauung und Abstraktion
Die Theorie der Quantenphysik ist eine mathematische Theorie von hoher Abstraktheit, deren Elemente weit über den Schulunterricht hinausgehen. Lernende werden also nur einen kleinen Einblick in die mathematische Beschreibung gewinnen können. Allerdings sind wir der Überzeugung, dass es auch nicht ohne die folgende Einsicht geht: Hinter der Quantenphysik steht zwar eine abstrakte mathematische Theorie, die Schülerinnen und Schüler können diese aber mit geeigneten Mitteln elementarisiert selbstständig handhaben sowie auf diese Weise Vorhersagen machen und so Vorgänge verstehen.
In den Beiträgen von Rode in diesem Heft wird die Auffassung vertreten, dass zu einer derartigen Elementarisierung die Zeigerdarstellung besonders gut geeignet ist. Diese wird auf experimenteller Grundlage gewonnen und anschließend als zunehmend abstraktes mathematisches Werkzeug verwendet. Falsche Anschaulichkeit wird dabei abgelehnt.
Viele Experimente der Quantenphysik können auch in Trickfilmen oder Simulationen verdeutlicht werden (s. dazu die Hinweise in Kasten 1).
Simulationen und Filme
Simulationen und Filme
Man findet im Internet diverse Filme zur Quantenphysik. Es lohnt sich auch, bei den lokalen Medienstellen nachzufragen oder Filme dort anschaffen zu lassen.
Beispiele
  • Die FWU bietet die DVD „Quantenphysik an. Sie enthält den Film „Gibt es den Mond, wenn niemand hinschaut? von Gerald Kargl, der auch unter dem Titel „Das geheimnisvolle Reich der Quanten zu finden ist.
  • An der Universität Münster gibt es ein Projekt „Quantendimensionen zur Visualisierung, zu dem eine DVD mit 14 Lernstationen erschienen ist. Das Projekt wird derzeit unter dem Titel „Quantenspiegelung fortgesetzt [14].
Einsatz im Unterricht
Man sollte sich den ausgewählten Film auf jeden Fall vorher ansehen, um Ungenauigkeiten oder Fehler festzustellen (auch der o.g. FWU-Film enthält welche) und die Einbettung in den Unterricht zu planen bzw. Teile des Films auszuwählen.
In meinem Unterricht [MB] hat die Lerngruppe Filme oder Sequenzen jeweils mindestens zweimal angeschaut, schriftlich dokumentiert, beschrieben und anschließend diskutiert. Im Zuge dieser Diskussion wurden dann auch Fehler oder Ungenauigkeiten aufgedeckt.
Dies gilt insbesondere für die zentralen Vorgänge am Doppelspalt, für Komplementarität, Nichtlokalität und Verschränkung.
Lernende denken zwar bevorzugt anschaulich, Anschaulichkeit darf aber keine falschen Bilder hervorrufen oder unterstützen. Es ist Aufgabe eines guten Unterrichts über Quantenphysik zu zeigen, dass es Teilgebiete der Wirklichkeit gibt, „zu...

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