Facetten der Quantenphysik

FACETTEN DER QUANTENPHYSIK – Eine Lernumgebung für das gymnasiale Grundlagenfach

Das abgeschlossene Dissertationsprojekt von Hans Peter Dreyer zeigt, dass Schrödingers Katze zur Allgemeinbildung gehört und dass der quantenmechanische Hintergrund in einem kurzen Lehrgang verständlich wird.

Ein adäquates Verständnis des Mikrokosmos mit der Quantenphysik (QP) gehört ebenso zu einer gymnasialen Bildung wie das kopernikanische Weltbild der Renaissance. Heute liefert die QP Grundlagen für viele Technologien, vom Handy bis zum MRI. Vor allem zeigt sie, dass der Mikrokosmos ganz anders ist: Strenge Kausalität gibt es ebenso wenig wie strikte Trennung von Messobjekt und Messgerät. Schrödingers Katze (Bildquelle) illustriert, wie merkwürdig diese im 20. Jahrhundert entstandene Theorie ist. Wenn Gymnasiastinnen und Gymnasiasten die Schule mit dem veralteten Planetenmodell des Atoms verlassen, ist es, wie wenn ihr Geschichtsbild bei Kaiser Franz Joseph und dem Kolonialreich von Queen Victoria stehen bleibt.

Viele Lernwege in der QP für die Sekundarstufe II richten sich an besonders MINT-Interessierte. Die FACETTEN DER QUANTENPHYSIK orientieren sich hingegen am Grundlagenfach: Dem Modell der Didaktischen Rekonstruktion entsprechend gewichten sie die Sichtweisen der Lernenden gleich wie die Konzepte der Fachwissenschaft. Sie berücksichtigen Lernschwierigkeiten und zeigen den Lernenden die persönliche Bedeutung der QP durch Verbindungen mit dem Alltag. Während Max Born 1924 noch klagte «Die Quanten sind eine Schweinerei», urteilte eine Gymnasiastin «Ich finde es toll, ist Physik so philosophisch.» (Bildquelle: Baumann, K. und Sexl. R. (1984). Die Deutungen der Quantentheorie (S.4). Braunschweig: Vieweg.)

Die FACETTEN sind bei über 500 Lernenden in vier verschiedenen Kantonen erprobt worden. Sie sind in drei aufeinander aufbauende Module für je rund 8 Lektionen in den Schuljahren 10 bis 12 gegliedert. «Was ist Licht?», fragt Modul 1. Mit wenig Mathematik geht es von Hertz’ Wellen aus, erklärt den Fotoeffekt mit dem heuristischen Lichtquant, vermeidet das Photon und leitet über zum Quantenobjekt mit der paradox wirkenden Welle-Teilchen-Dualität. Modul 2 kritisiert Bohrs Atommodell, nimmt de Broglies Materiewellen auf und führt bis zur Zustandsfunktion des Elektrons im Potentialtopf und damit in die Quantenmechanik. Borns Wahrscheinlichkeitsinterpretation von Schrödingers ψ erfordert etwas mehr Mathematik, während mit Schrödingers Katze die philosophische Interpretationsthematik beginnt. – Beim reduzierten Training von Mechanik- und Elektrizitäts-Aufgaben gewonnene Zeit ist hier gut eingesetzt.

Über grundlegende Einsichten hinaus erreichen die Lernenden mit Modul 3 anspruchsvolle Themen wie die Unbestimmtheitsrelation, den Spin, die Verschränkung und die Ununterscheidbarkeit. Infinitesimalrechnung erfordern die QP des harmonischen Oszillators und die Elektronenpaar-Bindung.
Zu allen Modulen gibt es Aufgaben mit Lösungen, Vorschläge für Experimente und Materialien zum Umfeld der Physik. Die FACETTEN vermitteln punktuell Einblicke in die Geschichte der Physik und beziehen Anwendungen wie den Treibhauseffekt oder den Flash-Speicher mit ein. Sie zeigen den Lernenden die persönliche Bedeutung der Quantenphysik und exemplarische Einsichten in das Wesen der Physik (Nature of Science).