Quantenphysik als Teil gymnasialer Allgemeinbildung

Dissertationsprojekt von Hans Peter Dreyer hp.dreyer@thurweb.ch

«Die Quanten sind eine Schweinerei.» schrieb Max Born an Albert Einstein vor hundert Jahren (M. Born, 1924). Quantenphysik ist also nicht mehr «moderne» Physik. Trotzdem ist sie in der Schweiz kaum in der obligatorischen Physik der Oberstufe angekommen. Viele Gymnasiastinnen und Gymnasiasten verlassen die Schule mit dem Planetenmodell des Atoms im Kopf. Das ist wie Geschichte, die bei Franz Joseph und Sissi endet.
Es gibt objektive Gründe für das Fehlen: Universitäre Quantenphysik benützt mathematische Methoden, die im Gymnasium nicht zugänglich sind. Ihre Konzepte sind abstrakt, kontraintuitiv und bis zur Gegenwart nicht vollständig geklärt. «There are no particles nor are there quantum jumps.» So disqualifiziert ein Befürworter der Feldvorstellungen das tief verankerte Teilchenbild (H. D. Zeh, 1993). Auch in der Physikdidaktik ist der Welle-Teilchen-Dualismus umstritten (Schülervorstellungen und Physikunterricht, H. Schecker et al., 2018). Trotzdem wird im Projekt angestrebt, mit den FACETTEN DER QUANTENPHYSIK einen didaktisch rekonstruierten Lernweg mit reflektiertem Dualismus zu entwickeln. Er orientiert sich an den Bedürfnissen im nicht-naturwissenschaftlichen Gymnasium und spricht Themen wie «Physik und Technik» oder «Theorie und Experiment» explizit an (Über die Natur der Naturwissenschaft lernen, E. Kircher et al., 2015). Begriffsbildung und Veranschaulichungen werden breit diskutiert. Simulationen spielen eine geringere Rolle als Realexperimente (Quantenoptische Experimente als Grundlage eines Curriculums, P. Bronner, 2010). Partner- und Gruppendiskussionen haben mehr Gewicht als Rechenaufgaben (Schülervorstellungen in Quantenphysik, M. Lichtfeldt, 1992). Material für individuelle Vertiefung von MINT-Interessierten erleichtert die Binnendifferenzierung.
Das Ziel der Arbeit ist zu zeigen, dass mit realistischem Zeitbudget im Gymnasium fachwissenschaftliche Konzeptwechsel (vom Planetenmodell zum Orbitalmodell) zugleich mit «Natur der Naturwissenschaften»-Konzeptwechsel (vom Primat des Experiments zur Wechselwirkung zwischen Theorie und Experiment) angestrebt werden können. Die Auswertung der Pilotversuche mit einem Fragebogen (Quantenphysik in der Schule, R. Müller, 2003) liefert positive Resultate. Perfektes Lernen der Quantenphysik wird es nicht geben, denn es gilt immer noch: «Wer von der Quantenphysik nicht schockiert ist, hat sie nicht verstanden.» Diese Aussage, von Werner Heisenberg Niels Bohr wohl erst nachträglich (1958) in den Mund gelegt, signalisiert jedoch, wie allgemeinbildend und modern Quantenphysik ist.