Zusammenfassung |
| Quantenphysik (QP) gehört zur grundlegenden gymnasialen Bildung.
Die QP liefert auch die Grundlagen für viele Technologien, vom
Handy bis zum MRI. Der in dieser Dissertation erarbeitete Zugang
richtet sich an die oft wenig MINT-affine Mehrheit im
obligatorischen Physikunterricht der gymnasialen Oberstufe.
Mithilfe Didaktischer Rekonstruktion erarbeitete der Autor die
Lernumgebung FACETTEN DER QUANTENPHYSIK, bestehend aus 3 Modulen, und erprobte diese mit über 500 Schülerinnen und Schülern
sowie 10 Lehrpersonen. Modul 1 fragt nach dem Wesen des Lichts,
macht die Schülerschaft mit dem Strahlungsgesetz und dem
Photoeffekt bekannt und führt neben dem Wellen- auch den
Teilchenaspekt elektromagnetischer Strahlung ein. Der
Konzeptwechsel vom «Entweder-oder» zum «Sowohl-als-auch» fällt
beim Licht leichter als beim Elektron, das im Zentrum von Modul 2
steht. Dieses führt bis zur Zustandsfunktion im Wasserstoff-Atom
und im Potenzialtopf, zu Borns Wahrscheinlichkeitsinterpretation
und zu Schrödingers Katze. Die historische Entwicklung der
Forschung entspricht oft Schwierigkeiten im Lernprozess; in
diesen Fällen folgt der Lernweg der Geschichte. Er bezieht aber
auch Anwendungen wie den Treibhauseffekt oder das Tunnelmikroskop
mit ein und ermöglicht exemplarische Einsichten in das Wesen der
Physik (Nature of Science, NOS). Die Evaluierung (N = 90) mit
Fragebogen und Zeichnungen bestätigt nach einer
Unterrichtssequenz von 10 bis 15 Lektionen Dauer eine beachtliche
Entwicklung der Konstrukte «Licht», «Atom», «Elektron» und
«Zufall» in Richtung fachwissenschaftlichen Verständnisses. Eine
qualitative Inhaltsanalyse strukturierter Lerntagebücher (N =
60) zeigt, dass die Schülerinnen und Schüler gerne mit FACETTEN
arbeiten, dass ihnen die Welle-Teilchen-Dualität beim Sprechen
über Quantenobjekte hilft und dass sie die meisten Einblicke in
NOS schätzen. Modul 3 geht vertieft auf die Quantenmechanik ein,
ist jedoch noch nicht erprobt. Die Unterrichtsmaterialien sind
im Internet verfügbar. Zusatzangebote zur Binnendifferenzierung
in Richtung MINT und NOS gibt es unter demselben Link als
Testversionen. |
Description du projet |
| La physique quantique fait partie des bases de l’éducation
gymnasiale. Elle sert également de fondement à une multitude de
technologies, du téléphone portable à l’IRM. L’accès à cette
discipline qui a été élaboré dans cette thèse de doctorat
s’adresse à la majorité des élèves en cours de physique
obligatoire au gymnase, qui a souvent peu d’affinités avec les
matières MINT. En s’appuyant sur la méthode de la reconstruction
didactique, l’auteur a conçu l’environnement d’apprentissage
FACETTES DE LA PHYSIQUE QUANTIQUE, composé de 3 modules, qu’il a
testé avec plus de 500 élèves et 10 enseignant-e-s. Le premier
module, consacré à la nature de la lumière, fait découvrir aux
élèves la loi du rayonnement et l’effet photoélectrique et aborde
les aspects ondulatoire et particulaire du rayonnement
électromagnétique. Le passage du concept «soit l’un, soit
l’autre» au concept «les deux» est plus facile pour la lumière
que pour l’électron, qui est le thème du second module. Celui-ci
englobe la fonction d’état dans un atome d’hydrogène et dans la
cuvette de potentiel, l’interprétation probabiliste de Born et le
chat de Schrödinger. Le développement historique de la recherche
correspond souvent à des difficultés rencontrées dans le
processus d’apprentissage. Dans ces cas, le chemin
d’apprentissage suit l’Histoire. Cependant, il prend aussi en
considération des domaines d’utilisation tels que l’effet de
serre ou le microscope à effet tunnel et propose des exemples
offrant un aperçu de la nature de la physique (Nature of Science,
NOS). L’évaluation (N = 90), effectuée à l’aide d’un
questionnaire et de dessins, confirme après une séquence de 10 à
15 leçons un développement considérable des concepts «lumière»,
«atome», «électron» et «hasard» vers une compréhension scientifique. Une analyse qualitative des contenus de journaux
d’apprentissage structurés (N = 60) montre que les élèves aiment
travailler avec FACETTES, que la dualité onde-particule les aide
à parler des objets quantiques et qu’ils et elles apprécient la
plupart des aperçus qu’ils ont pu avoir de la nature de la
physique. Le troisième module traite en profondeur de la
mécanique quantique, mais n’a pas encore été testé. Les supports
pédagogiques sont disonibles sur Internet. Des offres
supplémentaires pour la différenciation interne dans les
disciplines MINT et NOS, sont disponibles sous le même lien. Il
s’agit de versions d’essai. |
Schlüsselbegriffe |
| Gymnasium, Sekundarstufe II, didaktische Rekonstruktion, Welle-Teilchen-Dualität, Quantenphysik, Naturwissenschaften, Nature of Science |
Mots-clés |
| degré secondaire II, reconstruction didactique, dualité onde-particule, physique quantique,
Sciences de la nature, Nature of Science
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Publikationen / Publications |
| Dreyer, H. P. (2023). Quantenphysik als Teil gymnasialer Bildung –
Entwicklung und Evaluierung einer didaktisch rekonstruierten
Lernumgebung (Dissertation, Universität Zürich).
https://www.zora.uzh.ch/id/eprint/233601/
Dreyer, H. P. (2024). Facetten der Quantenphysik für das Nicht-MINT-Gymnasium – Entwicklung und Evaluierung einer didaktisch
rekonstruierten Lernumgebung. Progress in Science Education (PriSE)
7(2), 78–110. https://doi.org/10.25321/prise.2024.1501 |
Methodologie / Méthodes de recherche |
| design-based research, Befragung, Lerntagebücher, Didaktische
Rekonstruktion, Inhaltsanalyse
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Geographische Angaben / Délimitation géographique |
| Deutschschweiz |
Projekttyp / Type de recherche |
| Eigenprojekt im Rahmen einer Dissertation |
Auftraggeber / Mandant de la recherche |
| ohne Auftrag |
Finanzierung / Financement |
| Eigenfinanzierung |
