Schülervorstellungen in der Quantenphysik

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1 Michael Lichtfeldt Schülervorstellungen in der Quantenphysik und ihre möglichen Veränderungen durch Unterricht Naturwissenschaften und Unterricht Didaktik im Gespräch, Band 15 W/ WESTARP WISSENSCHAFTEN

2 Kapitel 1: Einleitung Vorbemerkung Zielsetzungen der Untersuchung 3 Kapitel 2: Begriffsnetze als Abbild der Schülervorstellungen Einordnung des Begriffs Schülervorstellungen Symbolischer Interaktionismus als Ansatz zur Interpretation von Schülervorstellungen Sprache als Interaktionsmedium Bildung von synchronen Begriffsnetzen Der Ansatz von NORMAN und RUMELHART Der Ansatz von KLIX Übertragung der Ansätze auf physikalische Begriffsbildung: Die Ansätze von DÖRNER, MAICHLE und ROST 40 Kapitel 3: Dynamische Entwicklung der Begriffsnetze Der Ansatz von SEILER: Idiosynkratische Minitheorien Diachrone Beziehungen zwischen Begriffsnetzen Lernprozesse dargestellt als Wandel von Begriffsnetzen 61 Kapitel 4: Das Unterrichtskonzept zur Einführung in die Quantenphysik Begründungen für die Quantenphysik in der Schule Vorschläge zur Einführung in die Quantenphysik Didaktische Entscheidungen für das Unterrichtskonzept 76

3 VIII Inhaltsverzeichnis 4.4. Der entwickelte Unterrichtsweg in Abgrenzung zur herkömmlichen Konzeption 79 Kapitel 5: Methodologischer Ansatz der Untersuchung Instrumente der Untersuchung Einsatz von Fragebogen Interviews und Videoaufzeichnungen Welche Schülervorstellungen sind wünschenswert nach dem Unterricht? Clusterbildung von Vorstellungen (beispielhafte Darstellung) Entwicklung eines Begriffsnetzrasters Einzelfalldarstellung zur Bildung eines Begriffsnetzes Population der Untersuchung (Erprobungs- und Kontrollgruppe) 124 Kapitel 6: Schülervorstellungen vor dem Unterricht zur Einführung in die Quantenphysik Schülervorstellungen in der Mechanik Physikalische Eigenschaften eines ruhenden Körpers (Item A1A) Physikalische Eigenschaften eines bewegten Körpers (Item A1B) Besondere Teilchen in der Physik (Item A2) Wieso ist ein Körper schwer oder leicht? (Items A3A und A3B) Kennzeichen eines festen Körpers (Item A3C) Mögliche Kräfte zwischen Körpern (Item A3D) Mechanische Vorstellungen von "Teilchen" im Überblick Schülervorstellungen in der Optik Sind zwei Erklärungsmuster möglich? (Item Bl), Was ist Licht "wirklich"? (Item B2) Kann Licht plus Licht Dunkelheit ergeben? (Item B3) 148

4 IX Zusammenfassung der Vorstellungen vom Licht Schülervorstellungen im Bereich der Atomphysik Gibt es kleinere Teilchen als Atome? (Item Cl) Beziehung zwischen Atom und Elektron (Item C2A) Beziehung zwischen Proton und Elektron (Item C2B) Beziehung zwischen Neutron und Proton (Item C2C) Beziehung zwischen Elektron und Körper (Item C2D) Bilder des Wasserstoffatoms (Item C3) Stabilität der Atome (Item C4) Zusammenfassung der atomaren Vorstellungen Wissenschaftstheoretische Aspekte Gewinnung von physikalischen Erkenntnissen (Item Dl) Allgemeingültigkeit einer physikalischen Aussage (Item D2) Ist in der Physik alles erklärbar? (Item D3) Können zwei Erklärungsmodelle gleichzeitig gültig sein? (Item D4) Zeigen Meßinstrumente physikalische Vorgänge (Item D5) Zusamenfassung der wissenschaftstheoretischen Aspekte Überblick über die Vorstellungen vor dem Unterricht zur Einführung in die Quantenphysik 180 Kapitel 7: Schülervorstellungen nach dem Unterricht zur Einführung in die Quantenphysik Schülervorstellungen in der Mechanik der Körper 184

5 Besondere Teilchen in der Physik (Item All) Eigenschaften der besonderen Teilchen (Item A21) Gibt es Teilchen, die nicht ruhen? (Item A31) Zusammenfassung der Vorstellungen über "Teilchen" Schülervorstellungen über das Licht Beziehung zwischen Licht und Strahl (Item B11A) Beziehung zwischen Licht und Photon (Item B11B) Beziehung zwischen Licht und Welle (Item B11C) Was ist Licht "wirklich"? (Item B21) Können sich zwei Lichtguanten auslöschen? (Item B31) Die Lichtvorstellungen im Überblick Schülervorstellungen im Bereich der Atomphysik Beziehung zwischen Elektron und Welle (Item C11A) Beziehung zwischen Elektron und Teilchen (Item C11B) Beziehung zwischen Elektron und Beugung (Item C11C) , Beziehung zwischen Elektron und Interferenz (Item C11D) Verhalten sich Elektronen wie Photonen oder Lichtwellen wie Materie wellen am Doppelspalt? (Item C21) Bilder des Wasserstoffatoms (Item C31) Stabilität der Atome (Item C41) Zusammenfassung der Vorstellungen von Elektronen und Atomen Wissenschaftstheoretische Aspekte Allgemeingültigkeit einer physikalischen Aussage (Item DU) Bedeutung statistischer Ergebnisse (Item D21) 249

6 XI Ist in der Physik alles erklärbar? (Item D31) Können mikrophysikalische Objekte mit Hilfe von Bahnen beschrieben werden? (Item D41) Zusammenfassung der wissenschaftstheoretischen Aspekte Zusammenfassung der Erkenntnisse über die Vorstellungen der Schüler nach dem Unterricht über Quantenphysik Vergleich der Vorstellungen zwischen den Themenbereichen Klassifizierung der Vorstellungen der Schüler 264 Kapitel 8: Schülervorstellungen im Wandel Themenbereich: Körper-Teilchen Themenbereich: Licht Themenbereich: Elektronen und atomare Strukturen Themenbereich: Wissenschaftstheoretische Aspekte Zusammenfassung der Erkenntnisse über den Wandel der Vorstellungen der Schüler 290 Kapitel 9: Einzelfalluntersuchungen über den Wandel der Begriffsnetze Schüler 04 aus der Gruppe A Schüler 09 aus der Gruppe A Schüler 10 aus der Gruppe A Schüler 11 aus der Gruppe A Schüler 01 aus der Gruppe B Schüler 02 aus der Gruppe B Schüler 04 aus der Gruppe B Schüler 06 aus der Gruppe B Der Wandel der Begriffsnetze als Indikator der Lernprozesse 395

7 XII Inhaltsverzeichnis Spezifische Unterrichtssituationen, die zu besonderen kognitiven Konflikten und Lernfortschritten beim Schüler führen Vergleich der Begriffsnetzveränderungen zwischen Erprobungs- und Kontrollgruppe 400 Kapitel 10: Zusammenfassende Überlegungen zur Untersuchung Beurteilung des Unterrichtskonzeptes Forderungen an den Unterricht vor und nach der Einführung in die Quantenphysik Greift das didaktische Prinzip der Anschauung für den Lernprozeß in der Quantenphysik noch? 416 Anhang I: Literaturverzeichnis A 1 Anhang II: Unterrichtsprotokoll der Gruppe A (einschließlich Eingangsinterview und Abschlußinterview) A 17 Anhang III: Unterrichtsprotokoll der Gruppe B (einschließlich Eingangsinterview) A 80 Anhang IV: Abschlußinterview der Gruppe C A127 Anhang V: Abschlußinterview der Gruppe D A130