Seit Beginn des Schuljahres 2022/23 gelten für den Unterricht in der Mainzer Studienstufe neue Lehrpläne. Das Abitur im Schuljahr 2024/25 wird erstmals zentrale Prüfungselemente enthalten.

Die Quantenphysik stellt uns im Unterricht immer wieder vor vielfältige Herausforderungen. Auch im neuen Lehrplan der Oberstufe spielt die Quantenphysik eine wesentliche Rolle. So wurden wesentliche Aspekte aus dem Wahlpflichtbereich des alten Lehrplans in den Pflichtbereich integriert.
In dieser Fortbildung wollen wir uns unter anderem mit den Fragen beschäftigen, wie moderner Unterricht dazu aussehen kann, welche Aspekte/Modellvorstellungen sollten wie thematisiert werden und welche Experimente können in den Unterricht eingebunden werden.
Darüber hinaus werden wir uns im Rahmen der Fortbildung auch über die fachdidaktischen Vorstellungen zu der Thematik Quantenphysik in der Schule auseinandersetzen.

Die Dozenten haben im Rahmen einer einwöchigen DPG Lehrerfortbildung mit der Thematik "Quantenphysik in der Schule: Sprache, Modelle, Konzepte und Experimente" diese Thematik aus unterschiedlichen Blickwinkeln betrachtet.

In einem weiteren Workshop werden wir uns mit Augmented Reality auseinandersetzen. Sie (AR) ermöglicht die Ergänzung der realen Umgebung durch virtuell hinzugefügte Objekte, Einblendungen oder Erläuterungen. Dadurch können Experimente in natürlichen Umgebungen durchgeführt werden, ohne dass auf schematische Darstellungen oder Kompromisse bei der Bedienung zurückgegriffen werden muss. Die Teilnehmenden erhalten in einem Workshop grundlegende Informationen zu digitalen Medien im Physikunterricht und dazu konzeptionelle Einblicke in die Anwendung AR.X sowie die Möglichkeit, mit der Anwendung und ihren Möglichkeiten zu experimentieren und diese didaktisch und methodisch zu reflektieren. Außerdem wird es einen Ausblick auf die bald verfügbare AR.X Electronics App - also zu Stromkreisen - geben.

Hier das aktualisierte Programm ein vorläufiger Programmentwurf:
Programm:
Programm:
27.11.23:
09.30 – 09.45: Einführung Ames
09.45 – 11.00: Vortrag "Quantenphysik in der Schule" (Philipp Bitzenbauer, Uni Erlangen-Nürnberg)
11.00 – 11.15: Kaffeepause 1
11.15 – 12.00: Vortrag "Koinzidenzmethode zum Nachweis einzelner Photonen – Ein unterrichtspraktischer Vorschlag" (Moritz Waitzmann, Uni Hannover)
12.00 - 13.30: Mittagspause
13.30 - 15.00: Workshop "Quantenalgorithmen" (Philipp Bitzenbauer, Uni Erlangen-Nürnberg)
15.00 – 15.15: Kaffeepause 2
15.15 – 16.45: Workshop "Reales Experimentieren an virtuellen Experimenten!? Augmented Reality im Physikunterricht" (Johannes Lhotzky, Uni Koblenz)
16.45 – 17.00: Abschlussplenum Tag 1

28.11.23:
09.30 - 11.00: Workshop "Nicht-Lokalität und Delayed-Choice am Beispiel des Mach-Zehnder Interferometers" (Moritz Waitzmann, Uni Hannover)
11.00 – 11.15: Kaffeepause 1
11.15 – 12.45: Workshop "Mathematik und QP-Unterricht" (Moritz Förster, TU Dresden)
12.45 – 14.00: Mittagspause
14.00 – 15.30: Workshop "Quantenphysik im Alltag?" (Kim Kappl, Uni Stuttgart)
15.30 – 15.45: Kaffeepause
15.45 – 17.00: Workshop " Erarbeitung der Wesenszüge der Quantenphysik mit Hilfe von Analogie-Experimenten" (Stefan Aehle, Uni Jena)
17.00 – 17.15: Abschlussplenum

Abstracts:

Vortrag "Quantenphysik in der Schule" (Philipp Bitzenbauer, Uni Erlangen-Nürnberg): Der Nobelpreis für Physik ging im Jahr 2022 an Alain Aspect, John F. Clauser und Anton Zeilinger für ihre Arbeiten zu verschränkten Photonen, die eine wichtige Grundlage heutiger Entwicklungen auf dem Gebiet der Quantentechnologien darstellen. Die im späten 20. Jahrhundert durchgeführten Experimente bereiteten aber nicht nur den Weg für Quantencomputer und Co., sondern waren bahnbrechend für unser heutiges Verständnis der Quantenphysik. In diesem Vortrag wird gezeigt, dass Experimente mit einzelnen Photonen Ausgangspunkt des Quantenphysikunterrichts an Schulen sein können: Mit dem Erlanger Unterrichtskonzept zur Quantenoptik wird ein in der Unterrichtspraxis erprobtes Konzept vorgestellt, das an einer der Pionierarbeiten von Aspect und Kollegen orientiert ist. Konzepte der Quantenoptik, wie die Präparation von Quantenzuständen, die Antikorrelation am halbdurchlässigen Spiegel oder die Einzelphotoneninterferenz werden im Rahmen des Unterrichtsgangs mit Hilfe von interaktiven Bildschirmexperimenten erarbeitet und verhelfen Lernenden zu einem modernen Bild über die Wesenszüge der Quantenphysik. Gleichzeitig ermöglicht der quantenoptische Zugang einen direkten Anschluss an Experimente mit verschränkten Photonen und stößt damit das Tor zu den Quantentechnologien für die Lernenden weit auf. Im Vortrag wird das Unterrichtskonzept mit den interaktiven Bildschirmexperimenten vorgestellt und es werden die Erfahrungen von Lehrkräften in der Umsetzung des Konzepts in der Praxis berichtet.

Vortrag "Koinzidenzmethode zum Nachweis einzelner Photonen – Ein unterrichtspraktischer Vorschlag" (Moritz Waitzmann, Uni Hannover): Mit Einführung der Bildungsstandards für den Physikunterricht der Sekundarstufe II hat die Koinzidenzmethode zum Nachweis einzelner Photonen ihren Einzug in die Physiklehrpläne gefunden. Aus fachlicher Sicht ist der Begriff nicht eindeutig belegt, da dieser neben einem grundsätzlichen messtechnischen Verfahren sowohl die Präparation von Einzelphotonenzuständen als auch den experimentellen Nachweis von Lichtquanten umfassen kann. Mit Blick auf den Unterricht ist somit berechtigterweise nicht klar, was im Unterricht thematisiert werden soll. Für den niedersächsischen Lehrplan wurde in Zusammenarbeit mit erfahrenen Lehrkräften der Gruppe naturwissenschaftlicher Unterricht Niedersachsen (Multiplikatoren des neuen Lehrplans) ein Vorschlag für eine Doppelstunde entwickelt. Der Vortrag nimmt nicht nur eine Klärung des Begriffs der Koinzidenzmethode vor, sondern stellt den niedersächsischen Unterrichtsvorschlag vor.

Workshop "Quantenalgorithmen" (Philipp Bitzenbauer, Uni Erlangen-Nürnberg): Im Workshop erarbeiten sich die Teilnehmenden eigenständig Grundlagen zur Quantengattern und erleben am Beispiel des Quantum Penny Flip Game, welche möglichen Vorteile gegenüber klassischen Rechenoperationen bestehen.

Workshop "Reales Experimentieren an virtuellen Experimenten!? Augmented Reality im Physikunterricht" (Johannes Lhotzky, Uni Koblenz): Augmented Reality (AR) ermöglicht die Ergänzung der realen Umgebung durch virtuell hinzugefügte Objekte, Einblendungen oder Erläuterungen. Dadurch können Experimente in natürlichen Umgebungen durchgeführt werden, ohne dass auf schematische Darstellungen oder Kompromisse bei der Bedienung zurückgegriffen werden muss. Die AR.X Optics App verwendet die Kamera eines Tablets (oder Smartphones), um reale Platzhalter (in Form von ausdruckbaren Kärtchen) zu erfassen. Die Kärtchen werden durch die AR-Technologie zu echten Experimentiermöglichkeiten erweitert. Durch die Platzierung der Platzhalter in der realen Welt können Laser, Spiegel, Linsen, Prismen und vieles mehr mit dem Blick durch das Tablet angeordnet (siehe Abb.1), justiert und auch kooperativ genutzt werden - eben so, als wären sie real vorhanden. Die Anwendung ermöglicht so selbstständiges Experimentieren und regt zum forschenden Lernen an. Die digital dargestellten Objekte werden in ihren physikalischen Eigenschaften korrekt simuliert und können in Anordnung und Strahlengang beliebig kombiniert werden.
Im Rahmen des Workshops erhalten die Teilnehmenden grundlegende Informationen zu digitalen Medien im Physikunterricht und dazu konzeptionelle Einblicke in die Anwendung AR.X sowie die Möglichkeit, mit der Anwendung und ihren Möglichkeiten zu experimentieren und diese didaktisch und methodisch zu reflektieren. Außerdem wird es einen Ausblick auf die bald verfügbare AR.X Electronics App - also zu Stromkreisen - geben.

Benötigte Materialien: Smartphone oder Tablet (iOS) sowie PC/Laptop
Anwendung AR.X Optics installiert

Workshop "Nicht-Lokalität und Delayed-Choice am Beispiel des Mach-Zehnder Interferometers" (Moritz Waitzmann, Uni Hannover): Das Mach-Zehnder Interferometer ist typischerweise im Kontext der Begriffe Nicht-Lokalität und Delayed-Choice angesiedelt. Oftmals bleibt die Betrachtung des Interferometers jedoch theoretisch, da reale Versuchsaufbauten nur selten zur Verfügung stehen. Im Projekt O3Q wurden an der Universität Münster kostengünstige Experimentiersets aus dem 3D-Druck entwickelt, mit Hilfe welcher ein Analog-Delayed-Choice Experiment als Schülerexperiment möglich ist. Im Rahmen des Workshops soll ein Mach-Zehnder Interferometer realisiert und das Analogexperiment durchgeführt werden. Zusätzlich soll ein Einblick in das niedersächsische Unterrichtsmaterial der Gruppe naturwissenschaftlicher Unterricht Niedersachsen (Multiplikatoren des neuen Lehrplans) gegeben werden.

Workshop "Mathematik und QP-Unterricht" (Moritz Förster, TU Dresden): Die Vermittlung der Quantenphysik über Zwei-Zustands-Systeme in der Schule steht seit einiger Zeit im Mittelpunkt verschiedener didaktischer Arbeiten. Ein solcher Zugang erlaubt nicht nur einen Fokus auf konzeptuellem Verständnis, sondern auch eine vergleichsweise einfache Einführung in eine mathematisch-formale Beschreibung der Quantenphysik. Im Workshop wird anhand der Polarisation von Photonen gezeigt, wie ein in diesem Sinne reduzierter Dirac-Formalismus im Unterricht verwendet werden könnte.

Workshop "Quantenphysik im Alltag?" (Kim Kappl, Uni Stuttgart): Schlagwörter, wie "Quantencomputer", "Quantenkryptografie", sowie "Quantenrevolution 2.0" sind uns heutzutage keine Fremdwörter mehr. Doch wie erfolgsversprechend sind diese momentan so gehypeten Themen wirklich und wo steht die aktuelle Forschung momentan auf dem Gebiet? Wie viel Quantenphysik steckt bereits in unserem Alltag, ohne dass wir uns dessen bewusst sind? Im Laufe dieses Workshops wird die Theorie ausgewählter Anwendungsbeispiele genauer beleuchtet und diese werden im Anschluss neutral auf ihre Anwendungstauglichkeit bewertet. Dies hat das Ziel, den Lehrkräften einen Überblick über die Anwendungsmöglichkeiten der Quantenphysik im Alltag zu geben, um den Schülerinnen und Schülern eine Begründung für die Notwendigkeit des Quantenphysikunterrichts in der Schule liefern zu können.

Workshop "Erarbeitung der Wesenszüge der Quantenphysik mit Hilfe von Analogie-Experimenten" (Stefan Aehle, Uni Jena): Wie schafft man es die Besonderheiten quantenphysikalischer Prozesse im Schulunterricht "greifbar" zu machen und nachhaltig zu veranschaulichen? Diese Frage soll im Rahmen dieses Workshops untersucht und bearbeitet werden. Dazu wird zurückgegriffen auf bereits etablierte und erprobte Lehrkonzepte, die durch neue Ansätze ergänzt werden. Konkret werden mittels einfacher Analogie-Versuche die "Wesenszüge der Quantenphysik" nach Müller und Küblbeck erarbeitet und Ergebnisse realer Quantenexperimente anschaulich nachgestellt. Ziel ist es somit alle Teilnehmenden mit Materialen und Überlegungen für den eigenen Quantenphysikunterricht zu versorgen.

Veranstaltungsart

Fortbildung

Fortbildungsart

Kurs

Ausbildungsstunden

18

Dozenten

Dr. Stefan Aehle, BfU Naturwissenschaften, Prof. Dr. habil Philipp Bitzenbauer, Dr. Anna Donhauser, Moritz Förster, Kim Kappl, Dr. Johannes Lhotzky, Markus Monnerjahn, Dr. Claus Münz, Dr. Malte Ubben, Dr. Moritz Waitzmann

Leitung

Norbert Ames

Standort

Speyer

Veranstaltungsort

Pädagogisches Landesinstitut Rheinland-Pfalz
Butenschönstr. 2
67346 Speyer

Termine

Module

Veranstalter

Pädagogisches Landesinstitut Rheinland-Pfalz

Gültigkeitsbereich

landesweit

Anmeldeschluss

30.10.2023