Vom Licht zum Atom - Ein Unterrichtskonzept zur Quantenphysik unter Nutzung des Zeigermodells

Unter Anwendung eines Zeigerformalismus zur Beschreibung von Interferenz- und Beugungserscheinungen, welcher auf eine Idee von Feynman zurückgeht, ist von Schön und Erb in den letzten Jahren ein interessantes Konzept für den Optikunterricht entwickelt worden. Es wurde unter dem Strukturmerkmal des Lichtweges ein Curriculum konstruiert, in das sich die Inhalte des Optikunterrichtes von der Mittel- bis zur Oberstufe einfügen.

Das Lichtwegkonzept schließt mit der Erarbeitung der Quanteneigenschaften des Lichtes. Das spannende Thema der Wechselwirkung von Licht und Materie, das einen Einblick in die Atomphysik gibt, könnte sich nachfolgend anschließen. Optische Phänomene verraten typische Eigenschaften der Atome, allerdings lassen sich die Wechselwirkungsprozesse erst mit dem Verständnis eines Atommodells erklären. Im üblichen Physikunterricht ist hierbei der Übergang von klassischen zu quantenmechanischen Beschreibungen und Modellen problematisch. Wünschenswert wäre eine Fortführung der Modelle und Formalismen, die in der Optik und zur Einführung in den Bereich der Quantenphysik bereits genutzt wurden.

Als zentrale Fragestellung wird in dieser Arbeit untersucht, ob es möglich ist, ein quantenmechanisches Atommodell unter Verwendung des Zeigerformalismus im Sinne des Lichtwegkonzeptes zu entwickeln. Es wird versucht, die physikalische Beschreibung von gebundenen Elektronen mit Hilfe von Zeigern in einen Unterrichtsentwurf zum Einstieg in die Atomphysik zu übersetzen. Das bestehende Lichtwegkonzept, mit seinen besonderen Strukturen, bildet den Rahmen, in den sich die neue Unterrichtseinheit einfügt. Darüber hinaus werden Ergebnisse der in den letzten Jahren in der Physikdidaktik geführten Diskussion über den Unterricht der Quantenphysik sowie Untersuchungen über Schülervorstellungen vor und nach dem Unterricht über Atomphysik berücksichtigt.

Die Durchführbarkeit eines Unterrichtes nach dem neuen Entwurf wurde in einer Oberstufenklasse getestet und aufgrund des Erwartungshorizontes zuvor formulierter Lernziele beurteilt.

Die vorliegende Arbeit ist gemäß den oben skizzierten Arbeitsschritten gegliedert. Nach einer kurzen Bestandsaufnahme zum Unterricht der Optik und der Atomphysik in der Schule werden im zweiten Kapitel verschiedene Untersuchungen über die Vorstellungen der Schülerinnen und Schüler zu diesen Inhalten zusammengefasst, um sie später bei der Entwicklung der Unterrichtseinheiten berücksichtigen zu können. In Kapitel 3 wird über einige Resultate aus der Literatur von Untersuchungen über Unterricht zur Quantenphysik referiert. Ausführlicher wird das Lichtwegcurriculum beschrieben, das die Basis der eigenen Unterrichtseinheiten darstellt.

Im vierten Kapitel werden Kriterien zur Curriculumsentwicklung genannt. Die Formulierung von Leitlinien soll einen Rahmen für die spätere Konstruktion der Unterrichtseinheiten geben. In der Auseinandersetzung mit Aspekten der Diskussion über die Quantenphysik unter Physikdidaktikern und Fach-Physikern lassen sich die Leitlinien erläutern. Die Rekonstruktion des neuen Curriculums wird in Kapitel 5 beschrieben, wobei neben den Inhalten besonders die Schritte der didaktischen Elementarisierung, ausgehend von den physikalischen Grundlagen, verdeutlicht werden. Gegenstand des sechsten Kapitels ist die erste Erprobung der konstruierten Unterrichtseinheiten in der Schule. Die Ergebnisse der begleitend durchgeführten Untersuchung werden vorgestellt.

Um interessierten Lehrerinnen und Lehrern die Durchführung eines ähnlichen Unterrichts zu erleichtern, wird das neue Konzept in einem zweiten Teil dieser Arbeit in Form einer Handreichung für den Unterricht präsentiert. Dazu sind die für die Erprobung erstellten Unterrichtsentwürfe überarbeitet worden und liegen nun in einer ausführlichen, schulnahen Fassung mit Stundenverlaufsplänen und Arbeitsmaterialien vor. Sie können als Grundlage oder als Anregung für die eigene Unterrichtsplanung zur Quantenphysik genutzt werden.