Nutzung des Internets zur Lehrerfortbildung in Quantenmechanik

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1 Nutzung des Internets zur Lehrerfortbildung in Quantenmechanik R. Müller, H. Wiesner, H. Hoff Universität München 1. Die Rolle der Quantenmechanik in der Schulphysik Der Quantenmechanik kommt in der Schulphysik eine ganz besondere Stellung zu. Sie wird allgemein als wesentlicher Bestandteil des Physikunterrichts in der Oberstufe angesehen und ist deshalb auch in allen Lehrplänen vertreten. Trotzdem ist es keine leichte Aufgabe, die Quantenphysik zu unterrichten. Das hat mehrere Gründe. Zum einen ist sie sicherlich das inhaltlich schwierigste Teilgebiet der Schulphysik. Die Theorie ist abstrakt und unanschaulich. Anders als z. B. in der Elektrizitäts- oder Wärmelehre fällt es schwer, die begrifflichen und formalen Grundlagen der Quantenmechanik so zu elementarisieren, dass sie für den Schulgebrauch übernommen werden können. Daher ist es notwendig, für die Schule eigene Vorgehensweisen zu finden. Ein Beispiel kann dies illustrieren: Das Wasserstoff-Atom ist ein wichtiges Thema im Unterricht. Jede Lehrerin und jeder Lehrer hat in der Quantenmechanik-Vorlesung an der Universität die exakte Lösung des Problems kennengelernt. Leider kann diese Lösung im Unterricht nicht genutzt werden, weil sie mathematisch bei weitem zu kompliziert ist. Mit anderen Worten: Das an der Universität erworbene Wissen kann bestenfalls als Hintergrundwissen dienen; für die praktische Umsetzung des Themas im Unterricht ist es weitgehend irrelevant. Ein zweiter Grund für die Schwierigkeiten beim Unterrichten der Quantenphysik liegt darin, dass es sich fast um das einzige Gebiet der Schulphysik handelt, das noch im Fluss ist. Fast monatlich werden in den wissenschaftlichen Zeitschriften neue Experimente vorgestellt, die die Eigenart der Quantenwelt illustrieren oder ihr ganz neue Anwendungsbereiche erschließen. Das Spektrum reicht hier von der experimentellen Realisierung von Schrödingers Katze über die Beugung von C 60 -Molekülen bis zur Quantenkryptographie. Viele der jüngst realisierten Experimente gehen auf Gedankenexperimente zurück, die schon in der Anfangszeit der Quantenmechanik zum Verständnis ihrer Grundlagen erdacht und diskutiert wurden. Auch auf der Seite der Interpretation ist die Debatte alles andere als abgeschlossen. Eine Vielzahl von Positionen wird von ernstzunehmenden Fachvertretern bezogen: Kopenhagener Deutung, Ensemble-Interpretation, Bohmsche Mechanik, Consistent histories approach, Viele- Welten-Theorie. Der Quantenmessprozess ist ein immer noch heiß diskutiertes Thema, in dem sich in den letzten Jahren mit der Theorie der Dekohärenz neue Gesichtspunkte ergeben haben. Sowohl Schüler(innen) als auch Lehrer(innen) müssen sich bei der Beschäftigung mit der Quantenphysik den Interpretationsproblemen stellen. Selbst wenn im Unterricht Deutungsfragen weitgehend vermieden werden (z. B. indem man sich weitgehend auf die Atomphysik beschränkt) spätestens bei der Behandlung der Heisenbergschen Unbestimmtheitsrelation und der Frage, was Δx und Δp bedeuten, kann man ihnen nicht mehr ausweichen. Der von der Quantenmechanik gebotene Abschied von der Anschauung führt fast zwangsläufig zu einer Diskussion über Fragen der Deutung und Interpretation. Es wurde vorgeschlagen [1], die Offenheit der wissenschaftlichen Debatte als Chance für den Unterricht zu begreifen. Die neuen Entwicklungen und Entdeckungen können den Unterricht interessant und lebendig machen. Allerdings setzt dies setzt auf Seiten der Lehrerinnen und

2 Lehrer ein solides Hintergrundwissen sowie die fortgesetzte Auseinandersetzung mit dem Thema voraus. 2. Lehrerfortbildung über das Internet Die genannten Befunde zeigen den Sinn und die Notwendigkeit von Lehrerfortbildung im Bereich der Quantenphysik. Es besteht einerseits das Bedürfnis nach vertieftem Hintergrundwissen und andererseits nach für den Unterricht aufbereiteten Materialien zu lohnenden Themen der Quantenmechanik. Dies ist der Ausgangspunkt für das in Vorbereitung befindliche Projekt milq: das Münchener Internet-Projekt zur Lehrerfortbildung in Quantenmechanik. Unseres Wissens handelt es sich hierbei um den ersten größeren Versuch, Lehrerfortbildung in Physik über das neue Medium Internet anzubieten. Die Details dieses Projekts sollen im folgenden näher erläutert werden. Weitere Informationen, die Möglichkeit zur Anmeldung sowie Beispiellektionen findet man unter: Der Aspekt, der das Projekt von einer herkömmlichen Fortbildung am stärksten unterscheidet ist das Medium: Die Lehrerfortbildung soll über das Internet stattfinden. Die Gründe, die für diese Entscheidung sprechen, sind die folgenden: Mit dem Internet wird ein modernes Medium genutzt, dessen Bedeutung in den letzten Jahren sprunghaft zugenommen hat und in der Zukunft speziell im Lehr- und Lernbereich noch zunehmen wird. Mit der Wahl dieses Mediums kann man neue Lehrformen (z. B. die Organisation von Inhalten mit Hypertext) nutzen und auch die sich daraus ergebenden neuen Möglichkeiten erproben. Es besteht die Möglichkeit der Integration multimedialer Elemente, z. B. von Simulationsprogrammen. Sie können direkt in die Fortbildung integriert werden. Ein nicht zu unterschätzender Vorteil ist die potentiell größere Reichweite des Projekts. Statt einer einzelnen Gruppe von 20 bis 40 Personen wie bei herkömmlichen Lehrerfortbildungen kann ein sehr viel weiterer Personenkreis angesprochen werden. Das gilt insbesondere, wenn das Material, wie geplant, auch in englischer Sprache zur Verfügung gestellt wird. Die Inhalte können stetig erweitert und angepasst werden. 3. Multimedia-Elemente Ein Beispiel für die Integration von Multimedia-Elementen in die Fortbildung soll kurz erläutert werden. Das Doppelspalt-Experiment bildet seit Feynman [2] einen wichtigen Bestandteil jeder Diskussion über Interpretationsfragen der Quantenmechanik. Etliche milq-lektionen gehen von diesem paradigmatischen Experiment aus, um Themen wie Komplementarität, Zustandsreduktion oder Schrödingers Katze zu untersuchen. In einem Buch oder Aufsatz kann man zur Illustration dieser Themen nur auf statische Abbildungen zurückgreifen. Man kann z. B. eine bestimmte experimentelle Konfiguration des Doppelspalt-Experiments darstellen und das sich auf dem Schirm ergebende Muster zeigen.

3 Abb. 1: Beispiel für die Einbindung von Multimedia-Elementen in eine Lektion Am Computer ist das anders. Wenn es das Thema wünschenswert erscheinen lässt, können interaktive Komponenten direkt in die Lektionen eingebunden werden. Dies ist in Abb. 1 gezeigt. Der Benutzer kann das Experiment im Simulationsprogramm selbsttätig durchführen. Der Text erläutert das zu simulierende Experiment und gibt die Anleitung zum Einstellen der experimentellen Parameter. Im Gegensatz zur statischen Abbildung werden jetzt dynamische Abläufe erfahrbar (im Fall des Doppelspalt-Experiments z. B. der allmähliche Aufbau des Interferenzmusters aus den Spuren einzelner Elektronen). Es können nicht nur vorgegebene Situationen passiv nachvollzogen werden; durch die Gestaltung des Simulationsprogramms als interaktives Labor (Abb. 2) können eigenständige Erkundungen durchgeführt werden. Natürlich soll der Umgang mit dem Simulationsprogramm auch auf den eigenen Unterricht Auswirkungen haben. Denn auch hier kann man die Vorteile des Medieneinsatzes nutzen. In Befragungen zum Einsatz von Simulationsprogrammen im Unterricht [3] wird von Schülerinnen und Schülern betont, als wie wichtig sie es empfunden haben, die Erfahrungen mit Hilfe des Computers selber sammeln zu können. Dass es sich bei den Simulationsprogrammen (im Gegensatz zu Realexperimenten) um Erfahrungen aus zweiter Hand handelt, wird demgegenüber allgemein als nebensächlich angesehen.

4 Abb. 2: Als interaktives Labor gestaltetes Simulationsprogramm zum quantenmechanischen Doppelspaltexperiment 4. Ausgestaltung des Kurses Da im Bereich des Internet-Lehrens und -Lernens noch relativ wenige Erfahrungen vorliegen, müssen hier Lösungen bezüglich der Gestaltung der Fortbildung gefunden werden. Unser Projekt besteht aus kleinen überschaubaren Lektionen zu eng umrissenen Themenkreisen. Damit soll einerseits der Tatsache Rechnung getragen werden, dass zu umfangreiche Lerneinheiten am Bildschirm leicht zu Überforderungen führen und andererseits dem lost in hyperspace -Phänomen (dem Verlieren der Übersicht in zu komplexen Multimedia- Umgebungen) vorgebeugt werden. Zur Orientierung dienen Übersichten, die die Abhängigkeiten verschiedener Lektionen verdeutlichen. Ausgehend von der Beobachtung, dass es große Mühe bereitet, längere Texte am Bildschirm zu lesen und zu verstehen, sind die Lektionen größtenteils hybrid angelegt: Die Computerlektion wird durch einen ausgedruckten Lehrtext ergänzt, der in den Ablauf der Lektion integriert ist. Computer-Aktivitäten und Lesen des Textes auf dem Papier erfolgen parallel. Die Struktur einer Lektion, die sich auf diese Weise ergibt, ist in Abb. 3 dargestellt. Ausgehend von einer Startseite, die zur Orientierung über den Inhalt der Lektion dient, gelangt man zu einer Führung durch den gedruckten Text. Hier werden Lesehinweise und Hilfen zum Überprüfen des Verständnisses gegeben; der Text wird aber nicht reproduziert. Nur in Fällen (z. B. Simulationsexperimenten am Bildschirm), wo ein zu häufiges Hin- und Herspringen

5 zwischen gedrucktem Text und Computerbildschirm erforderlich wäre, wird allein am Bildschirm gearbeitet. Abb. 3: Schema der Struktur einer Lektion Die Führung durch den Lehrtext ist linear angelegt. Es gibt allerdings zwei Arten von Abzweigungen: Hinweise für den Unterricht werden in Seiten gegeben, die über mit einem - Zeichen (wie Unterricht) gekennzeichnete Links erreicht werden können. Neben der Diskussion von didaktischen Fragen finden sich hier zusätzliche Materialien wie Aufgaben und Arbeitsblätter. Eine andere Art von Seiten zweigt an den mit (wie Information) gekennzeichnete Links ab. Hier haben Hintergrundinformationen, mathematische Ableitungen und tiefergehende Begründungen ihren Platz, deren Erörterung im Haupttext den Darstellungsfluss zu sehr unterbrechen würde. Zusätzlich werden zu wichtigen Themen mit gekennzeichnete Seiten eingerichtet, die in kurzer Form Basiswissen für nachfolgende Bezüge bereitstellen. Die verschiedenen Stränge sind auch optisch gekennzeichnet um eine leichte Identifizierung zu erlauben: Der Hintergrund von Seiten im Hauptstrang ist sandfarbenen, der von -Seiten blau, von -Seiten grün 5. Inhalte Wie bereits oben erwähnt soll der Schwerpunkt von milq auf den begrifflichen Fragen der Quantenmechanik liegen. Um eine Orientierungsgrundlage aufzubauen, durchlaufen die Teilnehmer zunächst einen Basiskurs, der aus ca. 20 Lektionen besteht. Die durchschnittliche Bearbeitungszeit einer Lektion beträgt eine halbe bis eine Stunde. Die Inhalte in diesem Basiskurs orientieren sich weitgehend am Münchener Unterrichtskonzept zur Quantenmechanik [4,5], in dem die begrifflichen Aspekte der Quantenmechanik eine zentrale Rolle spielen. Beispiele für Themen sind: Wahrscheinlichkeiten in der Quantenmechanik, dynamische Eigenschaften und ihre Präparation, Doppelspaltexperiment, Messungen in der Quantenmechanik, Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation im Unterricht, Auseinandersetzung mit dem Bohrschen Atommodell. Darauf aufbauend werden Lektionen angeboten, die sich mit Aspekten beschäftigen, die für den Schulunterricht relevant sein können und die aus den folgenden Kategorien stammen: Hintergrundinformationen zu typischen Lehrplanthemen Beispiele: In welchem Sinne beweist der Photoeffekt die Photonenhypothese, Probleme bei der Einzelspaltableitung der Unbestimmtheitsrelation. Was bedeutet die Energie-Zeit- Unbestimmtheitsrelation?

6 Themen aus der aktuellen Diskussion Beispiele: Was sind Rydberg-Atome? Was ist das Besondere an einem Quantencomputer? Was sind Greenberger-Horne-Zeilinger-Korrelationen und was kann man mit ihnen nachweisen? Deutungsfragen Beispiele: Kopenhagener Interpretation, Bohr-Einstein-Debatte, Statistische Deutung, EPR-Paradoxon, Bellsche Ungleichung, Verborgene Parameter (Bohmsche Mechanik), Viele-Welten-Interpretation Überblick über Unterrichtsvorschläge aus der physikdidaktischen Literatur 6. Lernen mit dem Internet Die Lehrerfortbildung milq ist in den allgemeinen Rahmen der Bemühungen einzuordnen, das Medium Internet für Lernzwecke nutzbar zu machen. Obwohl es hier eine Anzahl von Versuchen gibt, steckt das Gebiet noch weitgehend in der Phase des Experimentierens (für einen Überblick s. z. B. [6]). Als Beispiel für ein evaluiertes Projekt sei stellvertretend das virtuelle Seminar an der Universität München genannt [7], dessen Ergebnisse auch zeigen, dass man sich vor allzu überzogenen Erwartungen an das neue Medium hüten sollte. Von vornherein klar sollte jedenfalls sein, dass man alte Vorgehensweisen nicht einfach übernehmen kann, sondern dass mit dem Internet eigene Erfahrungen gewonnen werden müssen. Aus diesem Grund soll zu milq eine Begleituntersuchung durchgeführt werden, in der die Bedingungen des Lernens mit dem Internet erforscht werden sollen. Fragestellungen sind hier z. B. die Einschätzung der Lerneffizienz im Vergleich zu herkömmlichen Formen der Lehrerfortbildung, die Motivation im Umgang mit dem Medium und natürlich die Qualität und Interessantheit des Angebots. Ein wichtiger Punkt, bei dem das Internet-Lernen klare Nachteile im Vergleich zur üblichen Lehrerfortbildung aufweist, ist die soziale Komponente. Während bei normalen Lehrerfortbildungs-Veranstaltungen das Zusammensein in der Gruppe und die Möglichkeit ungezwungener Kommunikation von den Teilnehmern als Bereicherung empfunden werden, lernt man am Computer normalerweise allein. Um dem wenigstens teilweise abzuhelfen sollen (jedenfalls in der Anfangsphase des Projekts) Lerngruppen gebildet werden. Die Mitglieder der Gruppe bearbeiten die einzelnen Lektionen synchron. Sie können über eine -diskussionsgruppe untereinander kommunizieren und diskutieren. Wenn es die Rahmenbedingungen zulassen, soll dies durch gelegentliche persönliche Zusammenkünfte ergänzt werden. Inwieweit diese Maßnahmen den genannten Nachteilen des isolierten Lernens entgegenwirken können, wird ebenfalls Gegenstand der Begleituntersuchung sein. [1] W. Jung, H. Wiesner, Kontroverse Deutungen der Quantenphysik als Gegenstand des Physikunterrichts, PdN-Ph 33, 276 (1984). [2] R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands, Vorlesungen über Physik, Oldenbourg, München (1974). [3] R. Müller, H. Wiesner, H. Hoff, Evaluation des Münchener Unterrichtskonzepts zur Quantenmechanik Erste Ergebnisse, erscheint in Didaktik der Physik Vorträge auf der GDCP-Tagung [4] R. Müller, H. Wiesner, Das Münchener Unterrichtskonzept zur Quantenmechanik, erscheint in Physik in der Schule (2000); R. Müller, H. Wiesner, Photonen im Mach-Zehnder-

7 Interferometer ein Zugang zur Deutung der Quantenphysik, zur Veröffentlichung eingereicht bei Physik in der Schule (2000). [5] W. Kuhn, Physik II, Westermann-Verlag, Braunschweig (2000). [6] L. J. Issing, P. Klimsa (Hrsg.), Information und Lernen mit Multimedia, Psychologie- Verlags-Union, Weinheim (1995); M. Kerres, Multimediale und telemediale Lernumgebungen, Oldenbourg, München (1998); G. Dörr, K. L. Jüngst (Hrsg.), Lernen mit Medien, Juventa, Weinheim (1998); P. Strittmair, H. Niegemann, Lehren und Lernen mit Medien. eine Einführung, Wiss. Buchges., Darmstadt (2000). [7] N. Nister et al., Das virtuelle Seminar Empirische Erhebungs- und Auswertungsverfahren, LMU München, Lehrstuhl für Empirische Pädagogik und Pädagogische Psychologie, Praxisbericht Nr. 22 (2000).