Quantenmechanik - visualisiert und animiert
Didaktische Anmerkungen
Quantenmechanik - visualisiert und animiertDidaktische Anmerkungen |
|
Dies ist eine Sammlung von Unterrichtsmaterialien zur Quantenmechanik für die Sekundarstufe 2. Teile des Materials in einer vorläufigen Form wurden am BORG Graz, Monsbergergasse in drei Klassen getestet. Hier sind einige Interviews und Stellungnahmen dazu. Als Ergebnis des Tests wurden die Unterrichtseinheiten adaptiert und neu arrangiert.
Das vorliegende Angebot hat sich aus den Begleitmaterialien zu den Büchern "Visual Quantum Mechanics" und "Advanced Visual Quantum Mechanics" entwickelt. Diese verwenden neuartige Visualisierungsmethoden für den Unterricht der theoretischen Quantenmechanik an Universitäten. Es stellte sich jedoch heraus, dass die dort gewählten Darstellungsmethoden auch gut geeignet sind, die Quantenmechanik auf elementarerem Niveau begreiflich zu machen.
Die Unterrichtseinheiten behandeln jeweils möglichst kurze, in sich möglichst abgeschlossene Stoffkapitel. Sie versuchen dem Ideal der "reusable learning objects" möglichst nahe zu kommen (feine Granularität mit jeweils nur einem, klar definierten Lehrziel, klare Schnittstellen, Wiederverwertbarkeit in anderen Zusammenhängen). Lehrende können bei Bedarf sicherlich einige dieser Lernobjekte aus ihrem Kontext herauslösen, in geänderter Reihenfolge verwenden, oder zur Illustration eigener Lerninhalte verwenden, wenn sie nicht dem hier vorgeschlagenen Lernpfad folgen wollen.
In der vorliegenden Form eignen sich die Materialien vor allem für den lehrergeleiteten und lehrerzentrierten Unterricht, der die bereitgestellten Animationen und Visualisierungen zur Illustration des Lehrstoffes verwendet. Die Präsentation erfolgt primär über Videoprojektion während des Unterrichts. Die Texte, die hier die Filme begleiten, sollten für Schüler zum Nachlernen und Wiederholen verständlich sein.
In der vorliegenden Form eignen sich die Materialien nur bedingt zum Selbststudium, da zur Zeit weder Schüleraktivitäten noch Testfragen oder Wissensüberprüfungen angeboten werden.
Die Unterrichtseinheiten versuchen, unter weitgehender Vermeidung formaler oder mathematischer Argumente, in die moderne Quantenmechanik einzuführen. Der phänomenologische Hintergrund wird dabei von kurzen Animationen gebildet. An konkreten Experimenten wird nur das Doppelspaltexperiment diskutiert, und auch das erfolgt in einer stark stilisierten Form. Für eine in sich schlüssige Argumentationskette wird weiter eigentlich nichts benötigt.
Trotzdem wird es möglicherweise von Vorteil sein, wenn dem Lernenden auch der historische Hintergrund erklärt wird, also die unhaltbare Lage der klassischen Physik zu Beginn des 20. Jahrhunderts. Diese manifestiert sich vor allem in Einstein's Erklärung des Photoeffekts, und durch die Bohr'sche Theorie von diskreten Energieniveaus in atomaren Systemen, welche die spektroskopischen Beobachtungen ("Spektrallinien") auf einfachste Art beschrieb.
Allerdings sollten die historischen Atommodelle nicht zu breit dargestellt werden. Sie nehmen sonst in der Vorstellung der Schüler einen zu prominenten Platz ein - somit ist der didaktische Wert dieser Vorgehensweise sehr in Frage zu stellen. In diesem Kurs wird versucht, ein Modell vom Wasserstoffatom auf der Grundlage der Vorstellung von wellenförmigen Aufenthaltswahrscheinlichkeiten zu entwickeln. Die Energiezustände des Elektrons im Wasserstoffatom werden dann durch eine stationäre Schwingung der Wellenfunktion beschrieben. Diese zeitgemäßere Vorstellung wird durch das antiquierte Bild vom Bohr'schen Atommodell (Kreisbahnen mit Quantenbedingung) eher behindert. Langfristig tendieren Schüler dazu, die komplizierter Erklärung (Quantenmechanik) zu vergessen, während das unzutreffendere, doch einfachere Bild des Bohr'schen Atoms im Gedächtnis bleibt.
Obwohl die Planck'sche Strahlungsformel (Hohlraumstrahlung) von großer historischer Bedeutung für die Entwicklung der Quantenmechanik ist, sind wir der Meinung, dass sie im schulischen Kontext zu schwierig zu verstehen ist, und daher wenig zur begrifflichen Entwicklung auf Schulniveau beitragen kann. Auf sie wird daher hier nicht Bezug genommen.
Es wurde versucht, mit minimalen Vorkenntnissen auszukommen.
Grundkenntnisse über Wellen und Schwingungen sind vorteilhaft, sie werden im nötigen Ausmaß zu Beginn wiederholt. Die Schüler sollten verstehen können, dass Wellen Funktionen der Raum- und Zeitkoordinaten sind.
Weiters wären Grundkenntnisse über Vektorrechnung wünschenswert, etwa die Addition von Vektoren (über die Parallelogrammregel) in zwei Dimensionen, da so die Interferenz von vektorwertigen Wellen erklärt wird. An den entsprechenden Stellen können diese Grundtatsachen aber leicht eingeführt werden, ansonsten kann und soll an die Anschauung appelliert werden.
Eigentlich sind quantenmechanische Wellenfunktionen komplexwertige Funktionen. Zum vollen (mathematischen) Verständnis werden eigentlich die komplexen Zahlen benötigt, die sehr oft in der Schule nicht mehr unterrichtet werden. Die Erklärungen sind so formuliert, dass komplexe Zahlen nicht benötigt werden.
Was man tatsächlich braucht, um die Interferenz von Teilchenstrahlen zu modellieren, ist eine zweidimensionale Wellengröße (deren Betrag direkt beobachtbar ist, deren Phasenwinkel sich aber nur bei Interferenz manifestiert). Hier verwenden wir Farben um so eine zweidimensionale Wellengröße darzustellen. Die rein mathematisch-abstrakte Beschreibung mit Hilfe komplexer Zahlen wird hier also durch qualitativ-anschauliche Visualisierungen mit Hilfe von Farben ersetzt.
Thaller: Visionen des Unsehbaren - Impressionen aus der Welt der Quanten - Karlsruhe 2004