Regensburg 2013 – scientific programme
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LT: Lehrertage
LT 2: Lehrertage II
LT 2.1: Invited Talk
Friday, March 15, 2013, 14:00–15:00, H4
Die Faszination der Quantentheorie - Stoff für den Schulunterricht? Ideen zur Verbesserung der Theorieausbildung zukünftiger Physiklehrer. — •Peter Schmüser — Institut für Experimentalphysik der Universität Hamburg und DESY, Notkestr. 85, 22607 Hamburg
Die Quantentheorie ist Grundlage fast aller modernen Technologien, und für ein hoch industrialisiertes Land ist es überlebenswichtig, dass viele begabte junge Menschen ein Studium der Natur- oder Ingenieurwissenschaften aufnehmen, um neue Erfindungen in der Elektronik, Optronik und anderen Quantentechnologien machen zu können. Ich bin überzeugt davon, dass man Quantenphysik in der Schule unterrichten sollte und dass man auch Interesse und Begeisterung bei den Schülern wecken kann. Eine wichtige Voraussetzung ist, dass die Lehrer selber über fundierte Kenntnisse verfügen und von ihrem Fach begeistert sind, und das wiederum setzt voraus, dass sie an der Universität entsprechend ausgebildet werden. Die Heraeus-Stiftung hat Seniorprofessuren für die Weiterentwicklung der Lehrerausbildung im Fach Physik gestiftet. Unter den Heraeus- Seniorprofessoren und auch in einer Kommission der DPG besteht Einigkeit darüber, dass eine wesentliche Verbesserung des Lehramtsstudiums darin bestünde, eigenständige Vorlesungen in theoretischer Physik für die Studierenden des Lehramts anzubieten. Die bisher gängige Praxis der meisten deutschen Universitäten, den Studierenden des Lehramts ausgewählte Theorievorlesungen aus dem regulären Diplom/Master-Studiengang anzubieten, hatte gravierende Nachteile, weil die Lehramtsstudenten häufig nicht über das nötige mathematische Rüstzeug verfügten, insbesondere wenn ihr Zweitfach nicht die Mathematik war. Als Folge davon war der Lernerfolg in theoretischer Physik oft erschreckend gering.
An der Universität Hamburg wurden die eigenständigen Theorievorlesungen im Jahr 2002 etabliert. Ich habe ich einen zweisemestrigen Kurs "Theoretische Physik für Studierende des Lehramts" konzipiert und zweimal durchgeführt. Im Rahmen meiner Heraeus-Seniorprofessur habe ich daraus ein zweibändiges Lehrbuch erarbeitet, das 2012 im Springer-Verlag erschienen ist. Die zwei Bände - Quantenmechanik sowie Elektrodynamik und Spezielle Relativitätstheorie - sind anders aufgebaut als herkömmliche Lehrbücher der theoretischen Physik. Im Vordergrund stehen nicht der abstrakte Formalismus und die mathematische Eleganz, sondern es wird versucht, den Stoff in möglichst einfacher mathematischer Form darzustellen und mit vielen Abbildungen und Beispielen zu verdeutlichen, während kompliziertere theoretische Herleitungen und mathematische Ergänzungen in den Anhängen zu finden sind. Didaktische Anmerkungen am Ende der Kapitel haben das Ziel, den zukünftigen Lehrern/innen Verständnishilfen zu geben und auch Hinweise, wie sie die physikalischen Konzepte in der Schule vermitteln könnten.
Obwohl die Quantentheorie schon mehr als 80 Jahre alt ist, bereitet sie immer wieder große Verständnisschwierigkeiten, weil viele ihrer Aussagen unserer Erfahrung und Intuition widersprechen. Wenn man jedoch heute Quantentheorie lehren oder lernen will, befindet man sich in einer viel besseren Lage als die Professoren, Studenten und Schüler vor 80 oder auch 40 Jahren. Viele "Gedankenexperimente", die von Bohr, Schrödinger, Heisenberg, Einstein und anderen vorgeschlagen und oft sehr kontrovers diskutiert wurden, sind durch enorme Fortschritte in der Experimentiertechnik inzwischen Wirklichkeit geworden. Messungen können dazu dienen, eine Entscheidung zwischen verschiedenartigen theoretischen Ideen und Interpretationen zu treffen, was um 1925-1935 kaum möglich war. Die fremdartigen, der Anschauung zuwider laufenden Aussagen der Theorie lassen sich Stück für Stück durch ausgeklügelte Experimente bestätigen: Teilchen- Welle-Komplementarität, der gleitende Übergang zwischen Quantenphysik und klassischer Physik, Verschränkung, Nichtlokalität der Quantenmechanik. Auf die modernen Experimente werde ich in meinem Vortrag eingehen.
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