Förderung eines funktionalen Modellverständnisses Lernender in der Quantenphysik

(1)

Förderung eines funktionalen Modellverständnisses Lernender in der Quantenphysik

Philipp Bitzenbauer und Jan-Peter Meyn

15. September 2020

(2)

Ausgangspunkt: Wie stellen sich Lernende Atome vor?

(3)

Ausgangspunkt: Wie stellen sich Lernende Atome vor?

https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Atommodelle#/media/Datei:Rutherfordsches_Atommodell.svg

https://de.wikipedia.org/wiki/Bohrsches_Atommodell#/media/Datei:Bohr_atom_model.svg

(4)

Konkretisierung: Verständnistypen mentaler Modelle zur Atomhülle

https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Atommodelle#/media/Datei:Rutherfordsches_Atommodell.svg

https://de.wikipedia.org/wiki/Bohrsches_Atommodell#/media/Datei:Bohr_atom_model.svg

(Demtröder, 2010) https://www.abiweb.de/physik-atomphysik-kernphysik/atommodelle/moderne-atommodelle-der-quantenmechanik/das-

(5)

Konkretisierung: Mentale Modelle zur Atomhülle

• Oft Synonym verwendet:

 Schülervorstellungen (Schecker, Wilhelm, Hopf & Duit, 2018)

 Präkonzept (Grusche, 2016)

 Vorverständnis (Schecker, 1985)

 Fehlvorstellung (Kaus, Slinga, Borowski & Heinke, 2012)

• Mentales Modell = neutraler und umfassender Oberbegriff

(Ubben, 2020)

(6)

Konkretisierung: Mentale Modelle zur Atomhülle

• Oft Synonym verwendet:

 Schülervorstellungen (Schecker, Wilhelm, Hopf & Duit, 2018)

 Präkonzept (Grusche, 2016)

 Vorverständnis (Schecker, 1985)

 Fehlvorstellung (Kaus, Slinga, Borowski & Heinke, 2012)

• Mentales Modell = neutraler und umfassender Oberbegriff

(Ubben, 2020)

(7)

Mentale Modelle

Mentale Modelle sind individuelle Typen von mentalen modalen Mustern, die ein Funktionspotential haben und auf äußeren Erfahrungen beruhen.

(Ubben, 2019)

(8)

Mentale Modelle

Mentale Modelle sind individuelle Typen von mentalen modalen Mustern, die ein Funktionspotential haben und auf äußeren Erfahrungen beruhen.

(Ubben, 2019)

Strukturelle Komponente

Funktions- potential

asdsd

Mentales

Modell

(9)

Mentale Modelle

Mentale Modelle sind individuelle Typen von mentalen modalen Mustern, die ein Funktionspotential haben und auf äußeren Erfahrungen beruhen.

(Ubben, 2019)

Mentale Modelle besitzen strukturelle

Komponente, eine

„Gestalt“

Strukturelle Komponente

Funktions- potential

Mentales

Modell

(10)

Mentale Modelle

Mentale Modelle sind individuelle Typen von mentalen modalen Mustern, die ein Funktionspotential haben und auf äußeren Erfahrungen beruhen.

(Ubben, 2019)

Strukturelle Komponente

Funktions- potential

asdsd

Mentales

Modell

(11)

Mentale Modelle

Mentale Modelle sind individuelle Typen von mentalen modalen Mustern, die ein Funktionspotential haben und auf äußeren Erfahrungen beruhen.

(Ubben, 2019)

Strukturelle Komponente

Funktions- potential

Mentales Modell

= Situationsabh.

Bedeutung oder Zweck, seine

„Funktionalität“

(12)

Mentale Modelle

Mentale Modelle sind individuelle Typen von mentalen modalen Mustern, die ein Funktionspotential haben und auf äußeren Erfahrungen beruhen.

(Ubben, 2019)

Strukturelle Komponente

Funktions- potential

Subjektiv- erfahrungs-

basiert

Mentales

Modell

(13)

Mentale Modelle

Mentale Modelle sind individuelle Typen von mentalen modalen Mustern, die ein Funktionspotential haben und auf äußeren Erfahrungen beruhen.

(Ubben, 2019)

Strukturelle Komponente

Funktions- potential

Mentales Modell

Mentale

Modelle sind

individuell und

(14)

Mentale Modelle

Mentale Modelle sind individuelle Typen von mentalen modalen Mustern, die ein Funktionspotential haben und auf äußeren Erfahrungen beruhen.

(Ubben, 2019)

Strukturelle Komponente

Funktions- potential

Subjektiv- erfahrungs-

basiert

Mentales

Modell

(15)

Mentales Modell

Individu- alität Funktio-

nalität

Gestalt

Mentale Modelle

(16)

Mentales Modell

Individu- alität Funktio-

nalität

Gestalt

(Ubben, 2019)

Mentale Modelle

• Empirische Fragebogenstudie: 𝑁 = 3108

• Explorative Faktorenanalyse:

 Zwei-Faktoren-Lösung

 Faktoren Gestalttreue und

Funktionalitätstreue unabhängig

voneinander (𝑟 = .06).

(17)

Mentales Modell

Individu- alität Funktio-

nalität

Gestalt

Mentale Modelle

• Empirische Fragebogenstudie: 𝑁 = 3108

• Explorative Faktorenanalyse:

 Zwei-Faktoren-Lösung

 Faktoren Gestalttreue und

Funktionalitätstreue unabhängig

voneinander (𝑟 = .06).

(18)

(Ubben, 2019)

Verständnistypen mentaler Modelle zur Atomhülle

Mentales Modell hat keine Bedeutung; max.

deklaratives Wissen vor-

handen.

(19)

Verständnistypen mentaler Modelle zur Atomhülle

Mentales Modell primär

als gestaltliche Kopie der

Realität; hoher Grad an

Gestalttreue.

(20)

(Ubben, 2019)

Verständnistypen mentaler Modelle zur Atomhülle

Mentales Modell trägt

Funktion, die im model-

lierten realen Phänomen

gefunden wird.

(21)

Verständnistypen mentaler Modelle zur Atomhülle

Modell repräsentiert ab-

strakte Ideen; Gestalt-

treue kein wesentlicher

Bestandteil des Modells.

(22)

Verallgemeinerung…

• …auf andere Aspekte der Quantenphysik?

• Fragebogenstudie:

 Vorstellungsfragebogen (Müller, 2002)

 10 Items mit fünfstufiger Ratingskala

 N = 118 Schülerinnen und Schüler der gymn. Oberstufe

„In der Quantenphysik ist es möglich, dass ein Quantenobjekt klassisch wohldefinierte Eigenschaften, wie den Ort, nicht besitzt.“

„Niemand kann mit Sicherheit sagen, ob ein Photon am Strahlteiler

transmittiert oder reflektiert wird.“

(23)

Ergebnisse

Explorative Faktorenanalyse:

Zwei Faktoren (𝜆 _1/2 ≥ 1.00) erklären 44.4%

der Gesamtvarianz

(24)

Ergebnisse

(25)

Ergebnisse

(26)

Ergebnisse

Item 6: Wenn das Photon im Interferometer zum Detektor fliegt, nimmt es

einen ganz bestimmten Weg, auch wenn ich ihn nicht bestimmen kann.

(27)

Ergebnisse

(28)

Ergebnisse

(29)

Ergebnisse

(30)

Ergebnisse

Item 2: Die augenblickliche Position eines Photons zwischen Quelle und

Detektor ist nicht prinzipiell unbestimmt, sondern dem Experimentator

unbekannt.

(31)

Ergebnisse

(32)

Ergebnisse

Item 10: Bei ausreichender Kenntnis der Anfangsbedingungen könnte man in

der klassischen Physik das Ergebnis eines Würfelwurfs vorhersagen.

(33)

Ergebnisse

• Explorative Faktorenanalyse:

Zwei Faktoren (𝜆 _1/2 ≥ 1.00) erklären 44.4% der Gesamtvarianz

• Mittlerweile in erweiterter Erhebung - Konf. Faktorenanalyse: zweifaktorielle Struktur mentaler Modelle in der Quantenphysik bestätigt; gute Modellpassung

( ^𝜒 ² _𝑑𝑓 = 1.380, 𝐶𝐹𝐼 = 0.934, 𝑅𝑀𝑆𝐸𝐴 =

0.048, 𝑆𝑅𝑀𝑅 = 0.057) 

(34)

Verallgemeinerung…

• …auf andere Aspekte der Quantenphysik?

=> Scheint grundsätzlich möglich!

(35)

Förderung eines funktionalen Modellverständnisses

• Fachdidaktische Anschlussfrage: Funktionales Modellverständnis fördern?

(36)

Förderung eines funktionalen Modellverständnisses

• Fachdidaktische Anschlussfrage: Funktionales Modellverständnis fördern?

• Interviewstudie: Schülerinnen und Schüler nach Einführung in die QP mit

Erlanger Unterrichtskonzept

(37)

Förderung eines funktionalen Modellverständnisses

• Fachdidaktische Anschlussfrage: Funktionales Modellverständnis fördern?

• Interviewstudie: Schülerinnen und Schüler nach Einführung in die QP mit Erlanger Unterrichtskonzept

 Gymnasiale Oberstufe

 Keine Vorkenntnisse zur Quantenphysik

 𝑁 = 25

 Dauer: 25 − 45 min.

 Auswertung: qualitative Inhaltsanalyse und Clusteranalyse

(38)

Förderung eines funktionalen Modellverständnisses

• Fachdidaktische Anschlussfrage: Funktionales Modellverständnis fördern?

• Interviewstudie: Schülerinnen und Schüler nach Einführung in die QP mit Erlanger Unterrichtskonzept

 Gymnasiale Oberstufe

 Keine Vorkenntnisse zur Quantenphysik

 𝑁 = 25

 Dauer: 25 − 45 min.

 Auswertung: qualitative Inhaltsanalyse und Clusteranalyse

• Hier: Beispielhafte Ergebnisse zur Eigenschaft Ort in der Quantenphysik

(39)

Förderung eines funktionalen Modellverständnisses

Jemand behauptet, dass ein Photon im Doppelspalt-Experiment immer entweder durch den rechten oder durch den linken Spalt geht. Wie würdest du

ihn widerlegen? (aus Müller, 2003)

Was verstehst du im Zusammenhang von Photonen unter dem Begriff „Ort“?

2 Beispielfragen:

(40)

Förderung eines funktionalen Modellverständnisses

𝜅 ∈ [0.63; 1.00]

(41)

Förderung eines funktionalen Modellverständnisses

Cluster # SuS Perm Lokal

Bahn Ph

Best Schw

Heisen- berg

Dualis- mus

Präpa- ration

Qrts- mesQZ

1 5 100% 0% 0% 0% 20% 100% 100%

2 8 0% 75% 0% 13% 0% 100% 50%

3 6 0% 100% 33% 17% 17% 0% 0%

4 6 83% 0% 0% 0% 33% 100% 0%

(42)

Förderung eines funktionalen Modellverständnisses

Cluster # SuS Perm

Lokal Bahn Ph Best Schw

Heisen- berg

Dualis- mus

Präpa- ration

Qrts- mesQZ

𝟏 𝟓 𝟏𝟎𝟎% 𝟎% 𝟎% 𝟎% 𝟐𝟎% 𝟏𝟎𝟎% 𝟏𝟎𝟎%

2 8 0% 75% 0% 13% 0% 100% 50%

3 6 0% 100% 33% 17% 17% 0% 0%

4 6 83% 0% 0% 0% 33% 100% 0%

Cluster 1: Elaborierter Eigenschaftsbegriff

(43)

Förderung eines funktionalen Modellverständnisses

Cluster # SuS Perm

Lokal Bahn Ph Best Schw

Heisen- berg

Dualis- mus

Präpa- ration

Qrts- mesQZ

𝟏 𝟓 𝟏𝟎𝟎% 𝟎% 𝟎% 𝟎% 𝟐𝟎% 𝟏𝟎𝟎% 𝟏𝟎𝟎%

2 8 0% 75% 0% 13% 0% 100% 50%

3 6 0% 100% 33% 17% 17% 0% 0%

4 6 83% 0% 0% 0% 33% 100% 0%

(44)

Förderung eines funktionalen Modellverständnisses

Cluster # SuS Perm

Lokal Bahn Ph Best Schw

Heisen- berg

Dualis- mus

Präpa- ration

Qrts- mesQZ

1 5 100% 0% 0% 0% 20% 100% 100%

𝟐 𝟖 𝟎% 𝟕𝟓% 𝟎% 𝟏𝟑% 𝟎% 𝟏𝟎𝟎% 𝟓𝟎%

3 6 0% 100% 33% 17% 17% 0% 0%

4 6 83% 0% 0% 0% 33% 100% 0%

Cluster 2: Indifferenter Eigenschaftsbegriff

(45)

Förderung eines funktionalen Modellverständnisses

Cluster # SuS Perm

Lokal Bahn Ph Best Schw

Heisen- berg

Dualis- mus

Präpa- ration

Qrts- mesQZ

1 5 100% 0% 0% 0% 20% 100% 100%

𝟐 𝟖 𝟎% 𝟕𝟓% 𝟎% 𝟏𝟑% 𝟎% 𝟏𝟎𝟎% 𝟓𝟎%

3 6 0% 100% 33% 17% 17% 0% 0%

4 6 83% 0% 0% 0% 33% 100% 0%

(46)

Förderung eines funktionalen Modellverständnisses

Cluster # SuS Perm

Lokal Bahn Ph Best Schw

Heisen- berg

Dualis- mus

Präpa- ration

Qrts- mesQZ

1 5 100% 0% 0% 0% 20% 100% 100%

2 8 0% 75% 0% 13% 0% 100% 50%

𝟑 𝟔 𝟎% 𝟏𝟎𝟎% 𝟑𝟑% 𝟏𝟕% 𝟏𝟕% 𝟎% 𝟎%

4 6 83% 0% 0% 0% 33% 100% 0%

Cluster 3: Naiver Eigenschaftsbegriff

(47)

Förderung eines funktionalen Modellverständnisses

Cluster # SuS Perm

Lokal Bahn Ph Best Schw

Heisen- berg

Dualis- mus

Präpa- ration

Qrts- mesQZ

1 5 100% 0% 0% 0% 20% 100% 100%

2 8 0% 75% 0% 13% 0% 100% 50%

𝟑 𝟔 𝟎% 𝟏𝟎𝟎% 𝟑𝟑% 𝟏𝟕% 𝟏𝟕% 𝟎% 𝟎%

4 6 83% 0% 0% 0% 33% 100% 0%

(48)

Förderung eines funktionalen Modellverständnisses

Cluster # SuS Perm

Lokal Bahn Ph Best Schw

Heisen- berg

Dualis- mus

Präpa- ration

Qrts- mesQZ

1 5 100% 0% 0% 0% 20% 100% 100%

2 8 0% 75% 0% 13% 0% 100% 50%

3 6 0% 100% 33% 17% 17% 0% 0%

𝟒 𝟔 𝟖𝟑% 𝟎% 𝟎% 𝟎% 𝟑𝟑% 𝟏𝟎𝟎% 𝟎%

Cluster 4: Quantenobjekte als Wellen nicht lokalisiert

(49)

Förderung eines funktionalen Modellverständnisses

Cluster # SuS Perm

Lokal Bahn Ph Best Schw

Heisen- berg

Dualis- mus

Präpa- ration

Qrts- mesQZ

1 5 100% 0% 0% 0% 20% 100% 100%

2 8 0% 75% 0% 13% 0% 100% 50%

3 6 0% 100% 33% 17% 17% 0% 0%

𝟒 𝟔 𝟖𝟑% 𝟎% 𝟎% 𝟎% 𝟑𝟑% 𝟏𝟎𝟎% 𝟎%

(50)

Förderung eines funktionalen Modellverständnisses?

(51)

Förderung eines funktionalen Modellverständnisses?

Naiver Eigenschaftsbegriff

(52)

Förderung eines funktionalen Modellverständnisses?

Naiver Eigenschaftsbegriff

Quantenobjekte als Wellen

nicht lokalisiert

(53)

Förderung eines funktionalen Modellverständnisses?

Naiver Eigenschaftsbegriff Indifferenter

Eigenschaftsbegriff

(54)

Förderung eines funktionalen Modellverständnisses?

Naiver Eigenschaftsbegriff Indifferenter

Eigenschaftsbegriff

Elaborierter Eigenschaftsbegriff

Quantenobjekte als Wellen

nicht lokalisiert

(55)

Fazit

 Archetypen der Wahrnehmung mentaler Modelle auf Aspekte der QP verallgemeinerbar

 Förderung funktionalen Modellverständnisses zur QP im Unterricht möglich

(z.B. mit Erlanger Unterrichtskonzept, vgl. Eigenschaft Ort)

(56)

Fazit

 Archetypen der Wahrnehmung mentaler Modelle auf Aspekte der QP verallgemeinerbar

 Förderung funktionalen Modellverständnisses zur QP im Unterricht möglich (z.B. mit Erlanger Unterrichtskonzept, vgl. Eigenschaft Ort)