Quantenmechanik - visualisiert und animiert Einsatz im Unterricht

Teile der hier vorgestellten Unterrichtsmaterialien, hauptsächlich Kapitel 1 über Teilchen und Wellen wurden im Schuljahr 2005/2006 am BORG Graz, Monsbergergasse in drei Klassen getestet. Die Lehrmaterialien wurden zur Illustration des Lehrstoffes verwendet. Zusätzlich zum Einsatz kamen Materialien von QM-online, und Visual Quantum Mechanics. Der Unterricht war ansonsten weitgehend konventionell, lehrerzentriert, und verwendete Videoprojektion zur Präsentation der Animationen und Visualisierungen.

Aufgrund der gemachten Erfahrungen wurden die Lehrmaterialien überarbeitet und neu arrangiert.

Hier sind die Kurzberichte der durchführenden Lehrer (QuickTime):

Mag. Dr. Otmar Kobler
Mag. Gernot Prünster

Auch wurden etwa einen Monat nach Beendigung des Unterrichts einige SchülerInnen befragt:

a) Welche Gebiete der Physik interessieren dich besonders?
b) Wie stellst du dir ein Atom vor?
c) An welche Inhalte erinnerst du dich besonders gut?
d) Was hältst du von Videoprojektion als Hilfsmittel im Unterricht?

Einige Bemerkungen zu den Äußerungen der SchülerInnen:

zu a) Das Interesse der SchülerInnen an moderner Physik ist nicht besonders ausgeprägt. Alltagsthemen scheinen von größerem Interesse zu sein. Lehrer, die Quantenmechanik unterrichten wollen, müssen somit besonderes Augenmerk auf die richtige Motivation legen. Der Hinweis auf moderne Themen wie Quantenteleportation und Quantencomputer kann das Interesse wecken, die praktische Realisierung liegt aber sicher noch in weiter Ferne. In der Mikroelektronik und der Nanotechnologie hingegen werden Quantenphänomene bereits in naher Zukunft verstärkt auftreten. Ein gewisses Grundverständnis der Quantenmechanik wird daher auch von größerer Bedeutung für die Allgemeinbildung werden.

zu b) Schüler wiederholen gerne Stereotypen, wie "Elektronen kreisen um den Atomkern". Ein wichtiges Lehrziel wäre es, Atomorbitale als "stehende Wahrscheinlichkeitswellen" zu begreifen. Elektronen in der Atomhülle haben keinen scharfen Ort, nur eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit, die sich wellenartig verteilt. Sie "kreisen" also nicht im herkömmlichen Sinn. Auch wenn diese Erkenntnis im Unterricht zutreffend vermittelt wurde, bleiben nach einiger Zeit offenbar nur mehr die Stereotypen im Gedächtnis hängen.

zu c) Die SchülerInnen behalten besonders das Doppelspaltexperiment in Erinnerung. Auch die Bedeutung für die weitere Entwicklung der Theorie (Teilchendichten müssen durch Wellengrößen beschrieben werden) scheint durchaus präsent zu sein. Viele erinnern sich auch an die Zuordnung Farben-Winkel, obwohl sie keine Details nennen können. Dazu ist zu sagen, dass die Farben nur eine anschauliche Darstellung zweidimensionaler Wellengrößen liefern sollen - mit den Dimensionen Helligkeit - Farbton (die Sättigung ist maximal). Primäres Lehrziel ist es nicht, die Zuordnung der Farben zu Winkeln zu wissen, sondern die Notwendigkeit einer Beschreibung von Teilchendichten mittels einer zweidimensionalen Wellengröße zu erkennen.

zu d) Die Unterrichtsform, bei der Erklärungen des Lehrers durch Videoprojektion illustriert werden, wird allgemein gutgeheissen.

Allgemein: Ein wichtiges Ziel der Allgemeinbildung sollte es sein, die sprachliche Ausdrucksfähigkeit der SchülerInnen zu schulen. Das Sprechen über wissenschaftliche Zusammenhänge in korrekten deutschen Sätzen sollte verstärkt geübt werden.

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