Facetten der Quantenphysik für das Nicht-MINT-Gymnasium – Entwicklung und Evaluierung einer didaktisch rekonstruierten Lernumgebung

Abstract

Hintergrund: Wenn gymnasialer Physikunterricht aktuelles Orientierungswissen vermitteln will, muss er auch Quantenphysik, das zentrale Gebiet der heutigen Physik, thematisieren. In der Schweiz ist dies im obligatorischen Grundlagenfach oft nicht der Fall, weil das abstrakte Thema ungeeignet scheint, besonders für Lernende mit wenig Affinität zu Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft und Technik (MINT). Quantenphysik taucht aber im neuen Rahmenlehrplan der Erziehungsdirektorenkonferenz (EDK, 2024) auf.
Ziele: Primäres Ziel war, eine Unterrichtseinheit zum Einstieg in die Quantenmechanik spezifisch für Nicht MINTLernende nach dem Modell der Didaktischen Rekonstruktion zu entwickeln und zu erproben. Anschliessend sollten die Lernwirkung auf verschiedene Weisen geprüft und die Fragen beantwortet werden, wie weit die Welle-TeilchenDualität das Lernen erleichtert, ob Konzepte wie der Aspekt-Charakter, die Nicht-Kausalität oder der Zustandsbegriff erfasst werden und wie biografische, technische und weitere Elemente aus ‘Nature of Science’ (NoS) wirken.
Stichprobe / Rahmen: Das nach dem Paradigma des Design-Based Research entwickelte Material wurde zwischen 2017 und 2022 im Rahmen des normalen Unterrichts an 4 verschiedenen Gymnasien der Deutschschweiz erprobt. 11 Lehrpersonen und 546 Lernende waren beteiligt. Die eigentliche Evaluierung mit Frageboden startete mit 89 Lernenden. 149 Lernende schrieben vorstrukturierte Lerntagebücher. Beides waren opportunistische Stichproben.
Design und Methoden: Die Entwicklung der Lernumgebung orientierte sich am Modell der Didaktischen Rekonstruktion. Zur fortlaufenden Bewertung dienten einerseits konventionelle Klausuren und andererseits Prä-Post-Fragebogen mit 40 Items und 5 Zeichnungen. Zusätzlich wurden in Gruppen geschriebene Lerntagebücher inhaltsanalytisch ausgewertet. Eine eigentliche Referenzpopulation gab es nicht. Im schweizerischen Rahmen hätte sie diejenigen NichtMINT-Lernenden umfasst, die keinen Unterricht zur Quantenphysik erhalten.
Ergebnisse: (1) Die Lernumgebung FACETTEN DER QUANTENPHYSIK ist praxistauglich und ermöglicht im 10.- 12. Schuljahr in rund 16 Lektionen einen Einblick in die Quantenphysik, der Nicht-MINT-Lernende anspricht. (2) Der Kompetenzerwerb liegt im üblichen Rahmen. Für die Verbesserung des «Anfänger-Quantenphysik-Konzepts» ergab die Evaluierung eine Cohen-Effektstärke von 0.75 auf dem 0.1% Signifikanz-Niveau. Die Lerntagebücher lieferten differenzierte und überwiegend positive Antworten auf die Forschungsfragen.
Fazit: Die FACETTEN ermöglichen Lernenden im Nicht-MINT-Gymnasium einen Einstieg in die Quantenphysik in kurzer Zeit. Während Aspekt-Charakter und Nicht-Kausalität der Quantenobjekte verstanden werden, bleibt der Zustandsbegriff ψ der Quantenphysik bei den Lernenden nach dem knappen Unterricht unsicher. Die grosse Mehrheit schätzt die integrierten Elemente von NoS mit biografischen, technischen, philosophischen usw. Querbezügen und Ergänzungen. Die Welle-Teilchen-Dualität ist fachwissenschaftlich korrekt und als Scaffolding-Element auch lernpsychologisch hilfreich. Weitere Arbeiten müssten zeigen, wieweit das bereits ausgearbeiteten Modul 3 den Zustandsbegriff klären kann, wie stabil die NoS-Entwicklung ist, ob die angebotenen MINT-Vertiefungen eine effektive Binnendifferenzierung erlauben und in welchem Umfang die Welle-Teilchen-Dualität das Lernen von Quantenphysik erleichtert.
Berichterstattung: Dieser Bericht fokussiert bei der Didaktischen Rekonstruktion auf die Bedeutung der Rahmenbedingungen, auf die Analyse der Welle-Teilchen-Dualität und die Rolle der NoS-Elemente. Er illustriert die Lernumgebung anhand von vier Schwerpunkten und fasst die Ergebnisse der Evaluierung mit Klausuren, Prä-Post Fragebogen, Zeichnungen und Lerntagebüchern zusammen.
Keywords: Sekundarstufe II, Quantenphysik, Didaktische Rekonstruktion, Welle-Teilchen-Dualität, Nature of Science

Facets of quantum physics for non-STEM-secondary II students – Development and evaluation of a didactically reconstructed learning environment

Background: If instruction in Gymnasium pretends to provide an education that helps students to orient in the actual world, it needs to deal with quantum physics which is the central part of modern physics. Unfortunately, this is often not the case in mandatory physics in Switzerland because this abstract topic doesn’t seem to match learners with little affinity to science, technology, engineering and mathematics (STEM). But quantum physics will become a mandatory topic in Switzerland’s new framework curriculum (EDK, 2024).
Purpose: The primary purpose was to develop a learning environment which provides an entry into quantum mechanics especially for non-STEM students following the model of didactical reconstruction. In addition, learning effects should be tested, the usefulness of wave-particle duality should be checked, and the questions answered how well abstract concepts such as the aspect character and the notion of state function are learned and how biographical, technical and other elements of Nature of Science (NoS) influence learning.
Sample / setting: The learning environment was developed between 2017 and 2022, following the paradigm of design-based research. 11 teachers and 546 students from 4 different Gymnasium-schools in German-speaking Switzerland cooperated. The evaluation by questionnaires started with 89 students. 149 students wrote pre-structured learningdiaries. Both samples were opportunistic.
Design and Methods: The design of the learning environment was guided by the model of didactical reconstruction with recursive development. Continuous evaluation used conventional performance-tests and questionnaires with drawings and items. In addition, learning-diaries which had been written in groups, were analyzed. No reference group existed, since under Swiss conditions it had no instruction on quantum physics at all.
Results: (1) The learning environment FACETTEN DER QUANTENPHYSIK is applicable in real school situation and provides a start in quantum physics for non-STEM-students from 10th to 12th grade within roughly 16 lessons. (2) The acquisition of competences as measured with ordinary performance tests was within the usual range. The evaluation of the development of concepts by pre-post questionnaires showed an increase in the “beginner’s quantum concept” with 0.75 Cohen effect on the 0.1% significance level. Learning diaries provided detailed and mostly positive answers to the research questions.
Conclusions: The learning environment gives non-STEM-students access to quantum physics in a short period of time. While the concepts ‘aspect’ and ‘non-causality’ are understood, the notion of the state function ψ remains vague. The great majority estimates the integrated nature of science elements with complimentary biographical, technical, philosophical etc. information. Wave-particle-duality is scientifically correct and from the point of view of learning psychology useful as an element for scaffolding. Further work is needed to make clear whether the already existing module 3 allows students to better understand the concept of the state function, how stable the development of NoS is, whether the offered STEM supplements facilitate internal differentiation and to what extent wave-particle duality eases the learning of quantum physics.
Reporting: The focus of this report lies on the adaptation of the model of didactical reconstruction, the analysis of wave-particle-duality and the role of NoS. It highlights the learning environment by four examples and summarizes the results of the evaluation with tests, pre-post questionnaires, drawings and learning diaries.
Keywords: secondary II, quantum physics, didactical reconstruction, wave-particle-duality, nature of science