Nascholing Quantumwereld Bijeenkomst 1, Amsterdam 21 januari 2013

Tous Spuijbroek en Lodewijk Koopman

met dank aan Stichting IOBT

Leerdoelen cursus

Drie niveaus:

I. Leerlingennoodzaak voor QM inzien (wereldbeeld), verschijnselen begrijpen met behulp van QM, toepassingen van QM leren kennen en begrijpen

II.DocentenI + wendbaar in kunnen spelen op vragen van leerlingen, boven de vakinhoud staan, beargumenteerde keuze maken voor de te volgen didactiek

III.Docenten van de docentenI + II + opdoen van mogelijkheden voor inhoud en vorm van een bijscholingscursus voor docenten

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

1) (21 jan.) perspectieven, didactiek, golffunctie, quantum boeken, toepassingen

2) (30 jan.) vervolg golffunctie, tunneling, proeven in de klas

3) (12 feb.) spectra, vaste stoffen en halffgeleiders, gebruik van applets, quantum opgaven (computerlokaal)

4) (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 invoorkennis

“misconcepties”

hiaat voorkennis gefragmenteerdevoorkennis

ontologisch pedagogisch

Taber (2005)NiNa-domeinen B1, C1 en C2

vakdidaktiek quantummechanica

“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”

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 golftherkomst: 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 onderzoekna afronding eerstejaarsvak Quantumchemie

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

• 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 QuantumQuantics: Rudiments of Quantum PhysicsJ.M. Levy-Leblond, F. Balibar

Quantum PhysicsS. Gasiorowicz

Kwantummechanica, een eenvoudige inleidingP.L. Lijnseonline 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

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.

Bibliografie