Nascholing Quantumwereld Bijeenkomst 1, Amsterdam 21 januari 2013 Tous Spuijbroek en Lodewijk Koopman met dank aan Stichting IOBT

Leerdoelen cursus Drie niveaus: Leerlingen noodzaak voor QM inzien (wereldbeeld), verschijnselen begrijpen met behulp van QM, toepassingen van QM leren kennen en begrijpen Docenten I + wendbaar in kunnen spelen op vragen van leerlingen, boven de vakinhoud staan, beargumenteerde keuze maken voor de te volgen didactiek Docenten van de docenten I + II + opdoen van mogelijkheden voor inhoud en vorm van een bijscholingscursus voor docenten

Overzicht eerste bijeenkomst 3 Overzicht eerste bijeenkomst Doelen, overzicht cursus, kennismaken Perspectieven op quantum onderwijs NiNa module Quantumwereld Diner Boeken Toepassingen: camera’s, elektronenmicroscoop De golffunctie Vragen en vooruitblik

Vier bijeenkomsten (21 jan.) perspectieven, didactiek, golffunctie, quantum boeken, toepassingen (30 jan.) vervolg golffunctie, tunneling, proeven in de klas (12 feb.) spectra, vaste stoffen en halffgeleiders, gebruik van applets, quantum opgaven (computerlokaal) (4 mrt.) verband quantum-klassiek, interpretatie, toetsing Afsluitende toets op 13 maart

Quantum in Nina Domeinen met quantum: Medische beeldvorming (B2) emissie en absorptie van e.m. straling, fotonen, α-, β, γ-straling, verval van kernen, MRI en PET-scan Elektromagnetische straling en materie (E2) atoommodel Bohr, spectraallijnen, planck-krommen, zwarte stralers Kern- en deeltjesprocessen (E3, SE/keuze) “equivalentie massa en energie, beschrijven en analyseren van deeltjes- en kern-processen”

Belangrijke voorkennis NiNa-domeinen: Informatieoverdracht (B1) trillingen en golven, superpositie, interferentie, staande golven Kracht en beweging (C1) impulsbegrip (geschrapt in laatste versie syllabus) Energie en wisselwerking (C2) energiebegrip

Wat maakt Quantum moeilijk? Beschrijft een wereld buiten onze zintuiglijke waarneming

Classificatie van leerproblemen gebrek in voorkennis “misconcepties” ontologisch pedagogisch hiaat voorkennis gefragmenteerde voorkennis vakdidaktiek quantummechanica NiNa-domeinen B1, C1 en C2 Taber (2005)

“Misconcepties” Ontologisch: leerlingen hebben een bepaalde intuïtie over de wereld om hen heen die onterecht wordt toegepast in het nieuwe domein. Pedagogisch: als een resultaat van eerder onderwijs hebben leerlingen (bedoeld en onbedoeld) bepaalde ideeën ontwikkeld die niet kloppen met het nieuwe domein.

Het begrip “misconceptie” Verkeerde connotatie: “ze snappen het niet” Staat een analyse van de oorzaak in de weg Constructivisme kan hierbij helpen: mensen “bouwen” een abstract schema om de wereld om hen heen te begrijpen waarnemingen worden m.b.v. het schema geïnterpreteerd schema wordt aangepast op basis van nieuwe waarnemingen

Het begrip “misconceptie” Een misconceptie zou als volgt (losjes) gedefinieerd kunnen worden: Een misconceptie is een cognitief schema dat 1) is ontstaan door een (beperkte) ervaring en 2) buiten het domein van die ervaring wordt toegepast Voorbeeld: “Constante kracht: constante snelheid”

Misconcepties golf-deeltjedualiteit foton golft herkomst: licht is “ruimtelijke” trilling (Steinberg, 1999; Olson, 2002) elektronen blijven voornamelijk deeltjes, fotonen zijn duaal (Olson, 2002) de Broglie-golflengte is vaste eigenschap van een quantum deeltje, varieert niet met impuls (Vokos, 2000)

Voorbeeld uit mijn eigen onderzoek na afronding eerstejaarsvak Quantumchemie

Uit mijn eigen onderzoek Twee spleten experiment: elektronen volgen golvend pad (analoog aan fotonen) golffunctie kan direct gemeten worden elektronen interfereren met elkaar interferentie wordt niet herkend aan patroon op een scherm, maar gezien als interactie van deeltjes te beperkt begrip van term “golf” als sinusoïde; elektron kan slechts één golf zijn

Misconcepties opsporen en voorkomen let op taalgebruik: leerling kan “andere taal” spreken gebruik concept-tests biedt niet te beperkte voorbeelden en ervaringen aan laat leerlingen zelf hun begrip verwoorden stel open vragen en vraag door: socratisch gesprek confronteer leerlingen met de gevolgen van hun ideeën

Perspectieven op de quantumwereld 16 Perspectieven op de quantumwereld Algemeen rijtje perspectieven: Vakstructuur Begrip van het dagelijks leven Techniek en toepassing Maatschappelijke vraagstukken Ontwikkeling van ideeën (filosofisch, historisch)

Thuisopdracht Bedenk een opzet voor een eerste les in 6 VWO over het golf-deeltjesdualisme wissel in tweetallen het lesidee uit in welk perspectief past deze “eerste les”? kies het “beste” lesidee en wissel met ander tweetal uit

Quantum probleemgestuurd 18 Quantum probleemgestuurd leerstof wordt aangeboden in de vorm van "open-einde" probleemstellingen studenten werken samen leraren nemen rol aan van "facilitator" van leren behandeling in de stappen van de zevensprong Hoe zou je het lesidee aan kunnen passen om het probleemgestuurd te maken?

Diner Start om 19.30 uur

Boeken over Quantum Quantics: Rudiments of Quantum Physics J.M. Levy-Leblond, F. Balibar Quantum Physics S. Gasiorowicz Kwantummechanica, een eenvoudige inleiding P.L. Lijnse online beschikbaar

De elektronenmicroscoop q ·U = ½ · m · v2 1,6·10-19 · 105 = ½ · 9,1·10-31 · v2 v = 1,87·108 m/s λ = h/p = h/mv = 6,6·10-34/(9,1·10-31 · 1,87·108) = 3,9·10-12 m  http://virtual.itg.uiuc.edu/training/EM_tutorial/

Afronden en vooruitblik Bijeenkomst 2: - afronden interpretatie Psi, gevolgen, discussie - tunneling - bespreken van toepassingen en experimenten voor in de klas

Bibliografie Olsen, R. V. (2002). Introducing quantum mechanics in the upper secondary school: a study in Norway. Int. J. Sci. Educ., 24 (6), 565–574. Steinberg, R., Wittmann, M. C., Bao, L., & Redish, E. F. (1999, March). The influence of student understanding of classical physics when learning quantum mechanics. In Research on teaching and learning quantum mechanics (41–44). National Association for Research in Science Teaching. Presented at the annual meeting National Association for Research in Science Teaching. http://perg.phys.ksu.edu/papers/narst/QM papers.pdf Taber, K. S. (2005). Learning quanta: Barriers to simulating transitions in student understanding of orbital ideas. Science Education, 89 (1), 94-116. Vokos, S., Shaffer, P. S., Ambrose, B. S., & McDermott, L. C. (2000, July). Student understanding of the wave nature of matter: Diffraction and interference of particles. Am. J. Phys., 68 (S1), S42–S51.