Published 2020 | Version v1
Book

Quantum optics in schools. Study in a mixed-methods design to evaluate the Erlangen teaching concept on quantum optics

Description

Quantum physics already forms the foundation of many current technologies. Future quantum technologies, such as quantum computers, will gain importance both in industry and for society. Quantum physics is now firmly anchored in many national and international school curricula as a topic for physics teaching. But despite the enormous growth in the importance of quantum technologies, the teaching of quantum physics in schools is still dominated by semi-classical models and quasi-historical approaches, while modern concepts of quantum physics are often ignored. As a result, learners often have classical-mechanistic ideas about quantum physics. This is where this work comes in: with the Erlangen teaching concept for quantum optics, a concept is presented with which learners in the upper secondary school learn about quantum effects using quantum optical experiments. Concepts of quantum optics, such as the preparation of quantum states, the anti-correlation at the beam splitter and the single photon interference help learners to gain a modern picture of quantum physics. Within the framework of a summative evaluation in a mixed-methods design with 171 pupils, it was shown that learners reach quantum physics-dominated ideas with the Erlangen teaching concept and that widespread learning difficulties can be avoided.

Availability note (English)

Available from: http://dx.doi.org/10.30819/5123

Abstract (German)

Die Quantenphysik bildet schon heute das Fundament zahlreicher aktueller Technologien. Zukünftige Quantentechnologien, wie Quantencomputer, werden sowohl in der Industrie als auch für die Gesellschaft an Bedeutung gewinnen. In vielen nationalen und internationalen Schulcurricula ist die Quantenphysik als Thema für den Physikunterricht mittlerweile fest verankert. Aber trotz des enormen Bedeutungszuwachses von Quantentechnologien ist der Unterricht zur Quantenphysik an Schulen nach wie vor von semi-klassischen Modellen und quasi-historischen Zugängen geprägt, während moderne Begriffe der Quantenphysik häufig unberücksichtigt bleiben. Die Folge sind oft klassisch-mechanistisch geprägte Vorstellungen Lernender zur Quantenphysik. Hier setzt diese Arbeit an: mit dem Erlanger Unterrichtskonzept zur Quantenoptik wird ein Konzept vorgestellt, mit dem Lernende der gymnasialen Oberstufe Quanteneffekte anhand quantenoptischer Experimente kennen lernen. Konzepte der Quantenoptik, wie die Präparation von Quantenzuständen, die Antikorrelation am Strahlteiler und die Einzelphotoneninterferenz verhelfen Lernenden zu einem modernen Bild über Quantenphysik. Im Rahmen einer summativen Evaluation im Mixed-Methods-Design mit 171 Schülerinnen und Schülern zeigte sich, dass Lernende mit dem Erlanger Unterrichtskonzept zu quantenphysikalisch dominierten Vorstellungen gelangen und verbreitete Lernschwierigkeiten vermieden werden können.

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Original title (German)
Quantenoptik an Schulen. Studie im Mixed-Methods Design zur Evaluation des Erlanger Unterrichtskonzepts zur Quantenoptik

Identifiers

Publishing Information

Publisher
Logos
Imprint Place
Berlin (Germany)
ISBN
978-3-8325-5123-0
Imprint Pagination
279 p.
ISSN
1614-8967

INIS

Country of Publication
Germany
Country of Input or Organization
Germany
INIS RN
52088511
Subject category
S71: CLASSICAL AND QUANTUM MECHANICS, GENERAL PHYSICS;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis
Descriptors DEI
QUANTUM COMPUTERS; QUANTUM MECHANICS; QUANTUM OPTICS; QUANTUM STATES
Descriptors DEC
COMPUTERS; MECHANICS; OPTICS