Vermehrt Quantenphysik im bayerischen Gymnasium

22.10.2024

Quantentechnologie gilt als Zukunftstechnologie. Nun nimmt sie Einzug in die Oberstufe der bayerischen Gymnasien. Am Lehrstuhl für Physik und ihre Didaktik der Uni Würzburg wurden die Lehrkräfte für diese Aufgaben fit gemacht.

Demonstrations-Experiment und Bildschirmexperiment (Laptop) zu einem quantenoptischen Effekt im Rahmen der LFB Quantenphysik an der Uni Würzburg. (Bild: Stefan Kraus)

Der neue Lehrplan PLUS für die gymnasiale Oberstufe in Bayern bringt eine bedeutende Erweiterung der Unterrichtsinhalte im Bereich der Quantenphysik und beinhaltet nun auch Grundlagen der Quantentechnologie. Schülerinnen und Schüler werden nicht nur an die theoretischen Grundlagen dieses modernen Forschungsfeldes herangeführt, sondern auch an deren praxisnahe Anwendungen, die die Technologie der Zukunft prägen.

Von Zufälligkeiten und Quantencomputern

Zentrale Themen, die in der Oberstufe des bayerischen Gymnasiums nun vermittelt werden, sind neben dem Konzept der Quantenobjekte und der Unschärferelation auch der stochastische Charakter der Quantenphysik.

Letzterer bezieht sich auf die Tatsache, dass viele Prozesse in der Quantenwelt nicht deterministisch sind, sondern einer gewissen Zufälligkeit unterliegen. Anders als in der klassischen Physik, in der man den Zustand eines Systems zu einem bestimmten Zeitpunkt exakt bestimmen kann, macht die Quantenphysik nur Wahrscheinlichkeitsaussagen über das Ergebnis eines Experiments oder die Eigenschaften eines Teilchens.

Eine weitere Neuerung im Lehrplan ist die Behandlung der Verschränkung quantenmechanischer Objekte. Diese fundamentale Eigenschaft besagt, dass zwei Teilchen miteinander verbunden bleiben und ihren Zustand gegenseitig beeinflussen, selbst wenn sie weit voneinander entfernt sind. Dieses Phänomen wird nicht nur theoretisch erarbeitet, sondern auch im Kontext von Quantentechnologien wie dem Quantencomputing betrachtet. Die Grundlage eines Quantencomputers ist der Begriff des Qubits. Ein Qubit kann im Gegensatz zu klassischen Bits mehrere Zustände gleichzeitig annehmen und stellt die Grundlage für die enorme Rechenleistung von Quantencomputern in bestimmten Problemfeldern dar.

Ein Boost für die MINT-Fächer

Um diese abstrakten Konzepte verständlicher zu machen, setzt der Lehrplan auf eine anschauliche Vermittlung durch Experimente und Simulationen. So wird das Wissen greifbarer und kann besser in einen praktischen Kontext gesetzt werden.

Mit der deutlichen Erweiterung der Quantenphysik-Inhalte im Vergleich zu früheren Lehrplänen soll nicht nur das Interesse an MINT-Fächern gefördert werden, sondern auch eine fundierte Vorbereitung auf Studiengänge und Berufe in Bereichen wie Physik, Informatik, Ingenieurwesen oder Technologieentwicklung geboten werden. Der neue Lehrplan zielt darauf ab, die Schülerinnen und Schüler fit für die technologischen Herausforderungen der Zukunft zu machen.

Lehrerfortbildung zur Quantenphysik

Um die Lehrkräfte bei diesen neuen Anforderungen zu unterstützen, organisierte der Lehrstuhl Physik und ihre Didaktik am 2. Oktober 2024 eine ganztägige Lehrerfortbildung zur Quantenphysik der gymnasialen Oberstufe. Die Fortbildung konzentrierte sich darauf, praxisnahe Ansätze für den Unterricht zu vermitteln und einen Austausch zwischen Lehrkräften zu fördern.

Die Fortbildung begann mit einem inspirierenden Vortrag von PD Dr. Oliver Passon von der Universität Wuppertal, der auf die „Stolpersteine in der Didaktik der Quantenphysik“ einging und damit grundlegende Vorstellungen der Teilnehmenden adressierte. Der Vortrag sensibilisierte die Teilnehmenden für typische Herausforderungen bei der Vermittlung dieser anspruchsvollen Materie. Im Anschluss präsentierte Professor Stefan Heusler von der Universität Münster mögliche "Zugänge zur modernen Quantenphysik mithilfe von Low-Cost-Experimenten". Dabei wurde, unter anderem der Bezug zu den Grundlagen des Quantencomputings, aufgezeigt.

Ergänzt wurden die Vorträge durch praxisnahe Workshops, die sich auf Schüler- und Demonstrationsexperimente sowie Simulationen und Modellierungen zur Quantenphysik im Unterricht konzentrierten. Hier erhielten die Lehrkräfte konkrete Anregungen zur Umsetzung der Quantenphysik im Klassenzimmer, immer am Lehrplan orientiert und mit Fokus auf die Schüleraktivität.

Die von der Deutschen Physikalischen Gesellschaft geförderte Veranstaltung bot neben dem fachlichen Input auch Raum für Austausch und intensive Diskussionen unter Kolleginnen und Kollegen, sodass viele neue Ideen und Kontakte mit in die Schulen genommen werden konnten. Laut vieler Rückmeldungen der Teilnehmenden zeigte die gelungene Veranstaltung, wie komplexe Themen wie die Quantenphysik für Schülerinnen und Schüler zugänglich und spannend vermittelt werden können.

Im kommenden internationalen „Jahr der Quantenphysik“ werden unter anderem von der Fakultät für Physik und Astronomie der Julius-Maximilians-Universität viele weitere Veranstaltungen angeboten, in denen Lernende und Lehrkräfte sich weiter mit diesem zukunftsweisenden Themengebiet der Physik befassen können.