Räumliche Atomvorstellung
Cornelius Marsch
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Cornelius Marsch, Räumliche Atomvorstellung (2009), Logos Verlag, Berlin, ISBN: 9783832597504
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Beschreibung / Abstract
In der Arbeit wird ein quantenphysikalisches Unterrichtskonzept für Erwachsene unter Verwendung von möglichst wenig Mathematik (Zielgruppe Nichtphysiker) vorgestellt und an acht Studenten erprobt. Nach Klärung der klassischen Begriff Teilchen und Welle erfolgt eine ausführliche Diskussion des Doppelspaltexperimentes sowie des Photoeffekts zur Erläuterung des Begriffes Welle-Teilchen-Dualismus. Insbesondere wird anhand des Doppelspaltexperimentes der Begriff Lokalisationswahrscheinlichkeit erörtert. Nach knapper Vorstellung des Schalenmodells sowie des Bohrschen Atommodells wird die Schrödingergleichung angegeben. Die Berechnung ihrer Lösungen sowie die grafische Darstellung erfolgt mit dem Computer.
Zunächst wird die Eigenwertsuche anhand eines Potentialtopfmodells geübt. Hier findet auch der Tunneleffekt Anwendung. Sodann werden Grundzustand und einige angeregte Zustände des Wasserstoffatoms mit dem Computer berechnet und dargestellt. So werden Vorstellungen über radialsymmetrische und auch nichtradialsymmetrische Zustände mit allen möglichen Knotenformen (Knotenlinie, Knotenfläche, Knotenkegel) erzeugt. Zur Verdeutlichung insbesondere der nichtradialsymmetrischen Zustände wird ein didaktisches Erdkugelmodell eingeführt.
Die Erprobung findet durch Befragung per Email statt (unkontrollierte Erhebungssituation). Die Auswertung der Erprobung findet auf zwei Ebenen statt: In der Resonanzanalyse werden Resonanzen (Übereinstimmungen) der Antworten der Studenten auf bestimmte Fragen festgestellt. Die Resonanzanalyse liefert also eine Antwort auf die Frage, wie viel von dem, was der Lehrer sich vorgestellt hat, bei den Studenten angekommen ist. So entstehen für jeden Studenten Resonanzprofile, deren Vergleich einen schnellen Überblick darüber gibt, wer wo im Sinne des Unterrichtskonzepts noch Defizite hat.
In der Vorstellungsanalyse werden die von den Studenten entwickelten Vorstellungen untersucht, die ja durchaus von den Vorstellungen des Unterrichtskonzepts abweichen können. Beobachternetzen stellen die Vorstellungen im Überblick dar. Sowohl Resonanz- als auch Vorstellungsanalyse erfolgen zu mehreren Zeitpunkten, so dass eine Lernentwicklung zu beobachten ist. Mehrere Äußerungen zu der gleichen Vorstellung zu verschiedenen Zeitpunkten werden in einem Beobachternetz zu einem Minilernpfad zusammengefasst. Ein Minilernpfad gibt die zeitliche Entwicklung zu einer Vorstellung (beispielsweise emph {Elektronenbewegung in einem stationären Zustand des Atoms) an.
Eine zusammenfassende Resonanz- und Vorstellungsanalyse zeigt, wo der Unterricht noch Schwachstellen aufweist. Die Nachhaltigkeit des Unterrichts wird mehrere Monate nach Unterrichtsabschluss mittels eines Kontrollfragebogens getestet. Die Auswertung zeigt, dass der Unterricht als erfolgreich und nachhaltig zu bewerten ist
. Inwieweit konnte durch den Unterricht ein Paradigmenwechsel herbeigeführt werden? Inwieweit konnte ein Verständnis des Wahrscheinlichkeitsmodells erreicht werden? Inwieweit wurden Gründe für die Nichthaltbarkeit einer Planetenbahnvorstellung verinnerlicht? Kann ein Vergleich zwischen Wahrscheinlichkeitsmodellvorstellungen und anderen Atommodellen gezogen werden? Wird das Erdkugelmodell von den Studenten angenommen? Die Beantwortung dieser Fragen anhand des vorliegenden Datenmaterials schließt die Arbeit ab.
Zunächst wird die Eigenwertsuche anhand eines Potentialtopfmodells geübt. Hier findet auch der Tunneleffekt Anwendung. Sodann werden Grundzustand und einige angeregte Zustände des Wasserstoffatoms mit dem Computer berechnet und dargestellt. So werden Vorstellungen über radialsymmetrische und auch nichtradialsymmetrische Zustände mit allen möglichen Knotenformen (Knotenlinie, Knotenfläche, Knotenkegel) erzeugt. Zur Verdeutlichung insbesondere der nichtradialsymmetrischen Zustände wird ein didaktisches Erdkugelmodell eingeführt.
Die Erprobung findet durch Befragung per Email statt (unkontrollierte Erhebungssituation). Die Auswertung der Erprobung findet auf zwei Ebenen statt: In der Resonanzanalyse werden Resonanzen (Übereinstimmungen) der Antworten der Studenten auf bestimmte Fragen festgestellt. Die Resonanzanalyse liefert also eine Antwort auf die Frage, wie viel von dem, was der Lehrer sich vorgestellt hat, bei den Studenten angekommen ist. So entstehen für jeden Studenten Resonanzprofile, deren Vergleich einen schnellen Überblick darüber gibt, wer wo im Sinne des Unterrichtskonzepts noch Defizite hat.
In der Vorstellungsanalyse werden die von den Studenten entwickelten Vorstellungen untersucht, die ja durchaus von den Vorstellungen des Unterrichtskonzepts abweichen können. Beobachternetzen stellen die Vorstellungen im Überblick dar. Sowohl Resonanz- als auch Vorstellungsanalyse erfolgen zu mehreren Zeitpunkten, so dass eine Lernentwicklung zu beobachten ist. Mehrere Äußerungen zu der gleichen Vorstellung zu verschiedenen Zeitpunkten werden in einem Beobachternetz zu einem Minilernpfad zusammengefasst. Ein Minilernpfad gibt die zeitliche Entwicklung zu einer Vorstellung (beispielsweise emph {Elektronenbewegung in einem stationären Zustand des Atoms) an.
Eine zusammenfassende Resonanz- und Vorstellungsanalyse zeigt, wo der Unterricht noch Schwachstellen aufweist. Die Nachhaltigkeit des Unterrichts wird mehrere Monate nach Unterrichtsabschluss mittels eines Kontrollfragebogens getestet. Die Auswertung zeigt, dass der Unterricht als erfolgreich und nachhaltig zu bewerten ist
. Inwieweit konnte durch den Unterricht ein Paradigmenwechsel herbeigeführt werden? Inwieweit konnte ein Verständnis des Wahrscheinlichkeitsmodells erreicht werden? Inwieweit wurden Gründe für die Nichthaltbarkeit einer Planetenbahnvorstellung verinnerlicht? Kann ein Vergleich zwischen Wahrscheinlichkeitsmodellvorstellungen und anderen Atommodellen gezogen werden? Wird das Erdkugelmodell von den Studenten angenommen? Die Beantwortung dieser Fragen anhand des vorliegenden Datenmaterials schließt die Arbeit ab.
Inhaltsverzeichnis
- BEGINN
- 1 Einleitung
- 1.1 Motivation
- 1.2 Aufbau der Studie
- 2 Die Grundlagen der Quantenphysik
- 2.1 Welle-Korpuskel-Dualismus
- 2.2 Zustand
- 2.3 Die stationäre Schrödingergleichung für das Wasserstoffatom
- 3 Präkonzepte
- 3.1 Das Teilchenmodell der Mittelstufe
- 3.2 Anleihe aus der Optik
- 3.3 Das Planetenmodell und andere Atommodelle
- 3.4 Über den Umgang mit Modellen
- 4 Fachdidaktische Ansätze in der Quantenphysik
- 4.1 Das Berliner Konzept
- 4.2 Das Münchner Konzept
- 4.3 Das Elektronium
- 4.4 Das Lichtwegcurriculum
- 4.5 Das Bremer Konzept
- 4.6 Das Bremer Modell des Lernprozesses
- 4.7 Evaluationen des Bremer Konzepts
- 5 Umriss des Curriculums
- 5.1 Aufbau des Kurses
- 5.2 Vermeidung von Mathematik
- 5.3 Verwendete Begriffe
- 6 Definition der in dieser Studie verwendeten Begriffe
- 7 Evaluationsziele und Evaluationsmethode
- 7.1 Ziele
- 7.2 Methodik
- 8 Unterrichtserprobung
- 8.1 Zielgruppe
- 8.2 Unterrichtsverlauf
- 9 Evaluation
- 9.1 Probandenauswahl
- 9.2 Gero
- 9.3 Sandra
- 9.4 Sacha
- 10 Weitere Probanden im Vergleich
- 10.1 Resonanzen
- 10.2 Vorstellungen
- 11 Zusammenfassende Auswertung
- 11.1 Analyse der Präkonzepte
- 11.2 Entwickelte Vorstellungen: Vorstellungsanalyse
- 11.3 Bewertung des Unterrichts
- 11.4 Beantwortung der eingangs gestellten Fragen
- 12 Kritik
- 12.1 Kritik des vorgestellten Unterrichts
- 12.2 Kritik einzelner Fragen
- 13 Zusammenfassung und Ausblick
- 14 Basistext
- 14.1 Vorwort
- 14.2 Einleitung
- 14.3 Klassische Grundbegriffe
- 14.4 Experimentelle Grundlagen
- 14.5 Atommodelle
- 14.6 Interpretation 1: Die Lokalisationswahrscheinlichkeit
- 14.7 Interpretation 2: Das verteilte Elektron
- 14.8 Der Potentialtopf
- 14.9 Der Tunneleffekt
- 14.10 Das Wasserstoffatom und wasserstoffähnliche Ionen
- 14.11 Anhang: Das Programm
- 15 Anhang
- 15.1 Antworten der Probanden
- 15.2 Zitate zum Paradigmenwechsel
- 15.3 Danksagungen
- 15.4 Erklärung
- 15.5 Beruflicher und wissenschaftlicher Werdegang
- 15.6 Literatur