Entwicklung eines Lehrkonzepts für eine elementare Quantenmechanik. Formuliert mit In-Out Symbolen
Manuel Daiber
Cite this publication as
Manuel Daiber, Entwicklung eines Lehrkonzepts für eine elementare Quantenmechanik. Formuliert mit In-Out Symbolen (2022), Logos Verlag, Berlin, ISBN: 9783832584412
34
accesses
accesses
Description / Abstract
Geringe mathematische Grundkenntnisse angehender Physiklehrkräfte der Sekundarstufe I stellen eine Herausforderung bei der quantenphysikalischen Ausbildung dar. In der vorliegenden Arbeit wird ein Lehrkonzept für diese Zielgruppe entwickelt und erprobt. In einem ausführlichen Literaturreview werden dazu bisherige Konzepte dargestellt. Es zeigt sich, dass oft komplexe Mathematik verwendet wird, welche bei Studierenden aber nicht vorausgesetzt werden kann.
Im neuen Lehrkonzept wird aus der Diskussion des Doppelspaltexperiments eine neue Symbolik für die klassische Physik entwickelt. Diese orientiert sich an der Dirac-Notation, welche die Abfolge von Experimenten grafisch beschreibt und zunächst keine komplexe Mathematik benötigt. Die so gewonnenen Erkenntnisse werden auf Quantenobjekte übertragen und interpretiert. Anschließend werden die Energie mikroskopischer Teilchen und die Eigenschaften von Wellenfunktionen betrachtet. Den Abschluss bildet ein Kapitel zu Photonen.
Dieses neue Lehrkonzept wurde in einer explorativen Studie nach dem design based research-Ansatz mit 14 Studierenden erprobt. Die Optimierung erfolgte auf Basis von Verlaufsprotokollen der Lehrveranstaltungen. Die Lernwirksamkeit wurde mittels eines Fragebogens analysiert. Es zeigt sich, dass der neue Ansatz für die Vermittlung elementarer Quantenmechanik geeignet ist, insbesondere in Bezug auf eine moderne Atomvorstellung.
Im neuen Lehrkonzept wird aus der Diskussion des Doppelspaltexperiments eine neue Symbolik für die klassische Physik entwickelt. Diese orientiert sich an der Dirac-Notation, welche die Abfolge von Experimenten grafisch beschreibt und zunächst keine komplexe Mathematik benötigt. Die so gewonnenen Erkenntnisse werden auf Quantenobjekte übertragen und interpretiert. Anschließend werden die Energie mikroskopischer Teilchen und die Eigenschaften von Wellenfunktionen betrachtet. Den Abschluss bildet ein Kapitel zu Photonen.
Dieses neue Lehrkonzept wurde in einer explorativen Studie nach dem design based research-Ansatz mit 14 Studierenden erprobt. Die Optimierung erfolgte auf Basis von Verlaufsprotokollen der Lehrveranstaltungen. Die Lernwirksamkeit wurde mittels eines Fragebogens analysiert. Es zeigt sich, dass der neue Ansatz für die Vermittlung elementarer Quantenmechanik geeignet ist, insbesondere in Bezug auf eine moderne Atomvorstellung.
Table of content
- BEGINN
- 1. Einleitung
- 1.1 Ziele
- 1.2 Aufbau der Arbeit
- Teil I Didaktik der Quantenphysik
- 2. Konzepte zur Quantenphysik
- 2.1 Lehrbücher
- 2.2 Schulbücher
- 2.3 Lehrkonzepte
- 3. Notwendigkeit eines neuen Konzepts
- 3.1 Rahmenbedingungen der Zielgruppe
- 3.2 Struktur und didaktischer Ansatz des In-Out-Formalismus
- 3.3 Theoretische Grundlagen
- Teil II Das Lehrkonzept
- 4. Klassische Mechanik
- 4.1 Versagen klassischer Mechanik
- 4.2 Klassische Mechanik mit Symbolen
- 5. Quantenmechanische Symbolik und Rechenregeln
- 5.1 Quantenmechanische Symbolik am Einzelspalt
- 5.2 Quantenmechanische Symbolik am Doppelspalt
- 5.3 Quantenmechanische Symbolik in mehreren Ebenen
- 5.4 Interpretation
- 6. Energie mikroskopischer Teilchen
- 6.1 Der Potentialtopf
- 6.2 Interferenz klassischer Wellen
- 6.3 de-Broglie-Wellenlänge
- 6.4 Schrödingergleichung
- 6.5 Experimenteller Nachweis
- 7. Eigenschaften von Wellenfunktionen
- 7.1 Tunneleffekt
- 7.2 Darstellung von Potentialen und Wellenfunktionen
- 7.3 Heisenbergsche Unschärferelation
- 8. Das Photon
- 9. Mathematik
- 9.1 Komplexe Zahlen
- 9.2 Differentialgleichungen
- 10. Musterlösungen
- Teil III Studiendesign und Evaluation
- 11. Datenerhebung
- 11.1 Erhebungsmethoden
- 11.2 Probandengruppen
- 12. Ergebnisse
- 12.1 Quantitative Ergebnisse
- 12.2 Qualitative Ergebnisse
- 12.3 Kritik und Ausblick
- 13. Zusammenfassung
- IV Literaturverzeichnis
- V Anhang