Physikunterricht 2.0

Transkript

1 Physikunterricht 2.0 Modellvorschlag für eine Neustrukturierung des Physikunterrichts aufbauend auf den Erkenntnissen und Grundlagen der Quantentheorie Mag. Gerfried Wiener

2 Übersicht Vortrag im Rahmen des IKTP-Institutsseminars am Persönlicher Hintergrund 2. Motivation & Ziele 3. Unterrichtskonzept 4. Konklusion & Diskussion

3 1. Persönlicher Hintergrund Lehramtsstudium Physik, Philosophie und Psychologie, Universität Wien Tutor für Fachdidaktik und e-learning, Universität Wien - Fakultät für Physik Physiklehrer am GRG 21 Bertha von Suttner - Schulschiff, Wien 2011 Freiwillige Lehrtätigkeit im ACODO Waisenhaus, Siem Reap 2012 Netzwerk Teilchenwelt Project Associate am CERN, Genf

4 GRG 21 Bertha von Suttner - Schulschiff, Wien Physik, Altersgruppe: Jahre

5 ACODO Waisenhaus, Siem Reap Englisch & Physik - Altersgruppe: 6-20 Jahre

6 2. Motivation & Ziele Physik gilt als schwer verständlich und kompliziert Physikunterricht ist im Allgemeinen wenig beliebt Physiklehrpläne sind überladen und verschachtelt Physikinhalte enden zumeist Anfang des 20. Jahrhunderts Suche nach dem roten Faden Rückführung auf fundamentale Grundlagen

7 2. Motivation & Ziele Die Physik ist das grundlegende Fundament der Naturphilosophie! Aristoteles: Logik Humes: Kritik der apodiktischen Gültigkeit empirischer Induktion Kant: Kritik der reinen Vernunft Höchste Aufgabe der Physiker ist also das Aufsuchen jener allgemeinsten elementaren Gesetze, aus denen durch reine Deduktion das Weltbild zu gewinnen ist. Zu diesen elementaren Gesetzen führt kein logischer Weg, sondern nur die auf Einfühlung in die Erfahrung sich stützende Intuition. (Einstein, Albert: Mein Weltbild, Ullstein Taschenbuch, 2005, S.121)

8 2. Motivation & Ziele Ziele des Physikunterrichts: Anwendung im Alltag Vermittlung der wissenschaftlichen Methode Erklärung der Naturgesetze Vorschlag zur Neugestaltung!

9 2. Motivation & Ziele Ziele des modernen Physikunterrichts: Erklärung der Naturgesetze Vermittlung der wissenschaftlichen Methode Anwendung im Alltag

10 2. Motivation & Ziele Erklärung der Naturgesetze durch Rückführung auf die Grundlagen: Elementarteilchen & fundamentale Wechselwirkungen Standardmodell der Teilchen bildet den roten Faden

11 3. Unterrichtskonzept 3.1. Motivation 3.2. Idee 3.3. Erwartungen 3.4. Herausforderung 3.5. Umsetzung

12 3. Unterrichtskonzept 3.1. Motivation des Konzeptes Weitgehend zusammenhanglose Aneinanderreihung von Inhalten im PU Geringes Verständnis über Aufbau der Materie (Schulbücher) Kaum vorhandene Selbsterklärungskompetenzen (IYPT)

13 3. Unterrichtskonzept 3.2. Idee des Konzeptes Einführung/Eingliederung der Teilchenphysik von Beginn an Rückführung des Lehrplans auf fundamentale Grundlagen PU durch Bezug zur Teilchenphysik zusammenhängend vernetzen Verzicht auf Verwendung von historisch obsoleten Termini

14 3. Unterrichtskonzept 3.3. Erwartungen an das Konzept Tieferes Verständnis der Naturvorgänge Qualitätserhöhung der Selbsterklärungskompetenz Qualitätserhöhung der Problemlösungskompetenz

15 3. Unterrichtskonzept 3.4. Herausforderung an das Konzept Durchführbarkeit? Teilchenphysik zu abstrakt und zu kompliziert! Reines Auswendiglernen von Teilchengattungen! Lehrplanproblematik - was lässt man stattdessen weg?

16 3. Unterrichtskonzept 3.5. Umsetzung des Konzeptes Zusammfassung der wichtigsten Fakten (2 A4 Seiten) für 8-10 Wochenstunden Kleine Portionen von Beginn an in den Regelunterricht eingliedern Ständiges Wiederholen und Anbinden an den Regelunterricht

17 3. Unterrichtskonzept 3.1. Motivation 3.2. Idee 3.3. Erwartungen 3.4. Herausforderung 3.5. Umsetzung Fermionen & Bosonen

18 3. Unterrichtskonzept Fermionen Unter Materie versteht man alle Beobachtungsgegenstände, die Masse besitzen. Der Atomkern wird aus Protonen und Neutronen gebildet. Materie besteht aus Atomen, die sich zu Molekülen zusammenschließen. Protonen und Neutronen kann man wiederum in Elementarteilchen zerteilen, in sogenannte Quarks. Ein Atom lässt sich in zwei Bereiche einteilen: den Atomkern und das Orbital. Es gibt 6 verschiedene Quarks: up, down, charm, strange, top, bottom. Unter einem Orbital versteht man den Bereich, in dem sich die elektrisch negativ geladenen Elektronen befinden. Elektronen sind Elementarteilchen, d.h. man kann sie nach heutigem Wissen nicht mehr weiter zerteilen. Für den Aufbau der Materie sind nur das up-quark und das down-quark verantwortlich. Das elektrisch positiv geladene Proton besteht aus u / u / d, das Neutron besteht aus d / d / u und ist elektrisch neutral.

19 3. Unterrichtskonzept Fermionen ORBITALTEILCHEN Name Symbol Elektrische Ladung Masse Elektron e - -1 klein KERNTEILCHEN Name Symbol Elektrische Ladung Masse Proton p + +1 groß Neutron n neutral groß QUARKS Name Symbol Elektrische Ladung up u +2/3 down d -1/3 charm c +2/3 strange s -1/3 top t +2/3 bottom b -1/3

20 3. Unterrichtskonzept Bosonen Gravitative Wechselwirkung Essentielle Faktoren: zugehörige Bosonen & Ladungen Elektro-magnetische Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung Reihung ist völlig willkürlich!

21 3. Unterrichtskonzept Bosonen FUNDAMENTALE WECHSELWIRKUNGEN Name Gravitative Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung Elektro-magnetische Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Boson Graviton? W +, W -, Z 0 Boson Photon Gluon

22 3. Unterrichtskonzept Fermionen & Bosonen Materie + Elektro-magnetische & Starke Wechselwirkung - 7 Teilchen Up-Quark, Down-Quark, Elektron, Proton, Neutron, Gluon, Photon Materie & Antimaterie + Elektro-magnetische & Starke Wechselwirkung - 12 Teilchen Up-Quark, Anti-Up-Quark, Down-Quark, Anti-Down-Quark, Elektron, Positron, Proton, Anti-Proton, Neutron, Anti-Neutron, Gluon, Photon Materie & Antimaterie + Elektro-magnetische & Starke & Schwache Wechselwirkung - 17 Teilchen Up-Quark, Anti-Up-Quark, Down-Quark, Anti-Down-Quark, Elektron, Positron, Proton, Anti-Proton, Neutron, Anti-Neutron, Neutrino, Antineutrino, Gluon, Photon, W+, W-, Z Boson Unbestreitbar viele Teilchen, aber sehr gut sortierbar!

23 4. Konklusion & Diskussion Dissertation Offizieller Beginn: 1. März 2013 Entwicklung von Unterrichtsmaterial für Altersgruppen Jahre Erprobung mit Hilfe von Absolventen der CERN Teachers Programmes

24 4. Konklusion & Diskussion Forschungsfragen Inwiefern verstehen Jugendliche das Quantentheoriekonzept und können es zur Problemlösung verwenden? Inwiefern beeinflusst die Neustrukturierung die prinzipielle Motivation der Lernenden hinsichtlich naturwissenschaftlicher Vorgänge nachhaltig? Wie beurteilen Lehrkräfte das Quantentheoriekonzept? Wie realisieren Lehrkräfte das Quantentheoriekonzept?

25 4. Konklusion & Diskussion Langfristiges Ziel Diskussion über Stellenwert der modernen Physik vs. Historie Anregung zur Erprobung des Konzeptes in verschiedenen Ausprägungen Das größte Risiko des Physikunterrichts ist es, dass man die Neugier und das Auffassungsvermögen von Jugendlichen unterschätzt und sich daher von Anfang an mit Hilfserklärungen zufrieden gibt. Dieser Gefahr möchte dieses Konzept von Anfang an entgegenwirken!