Quantenphysik spielerisch frühzeitig unterrichten

15.03.2022

Damit Schulkinder frühzeitig von brandaktuellen wissenschaftlichen Erkenntnissen profitieren können, startet jetzt das erste MINT-EC-Themencluster zur Quantenphysik. Mit dabei ist das Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat.

Das Handyspiel „Katze Q“ für Kinder ab elf Jahren lässt sich schon im ersten Jahr des Physikunterrichts an Schulen einsetzen. (Bild: Tobias Ritz)

Deutschland gehört bei der Förderung von Quantentechnologien zu den führenden Nationen. Doch der vielbeschworene Fachkräftemangel betrifft auch die Wissenschaft, vor allem die naturwissenschaftlichen Grundlagenfächer. Viel zu wenige Schülerinnen und Schüler lassen sich für Physik begeistern und bleiben bis zum Abitur dabei.

Deshalb starten das Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat – Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien und das nationale Exzellence-Netzwerk MINT-EC, das Schulen mit starkem mathematisch-naturwissenschaftlich-technischem Profil vereint, jetzt ein gemeinsames Projekt.

In den kommenden zwei Jahren wollen Lehrende deutscher MINT-EC-Schulen zusammen mit Forschenden des Exzellenzclusters modulares Schulmaterial zum Thema Quantenphysik erarbeiten - mit einem neuen, anwendungsorientiert-spielerischen Anspruch. Die Materialien sollen bereits ab dem ersten Physikunterricht in der 6. Klasse zum Einsatz kommen.

Quantenphysik in deutschen Schulen

In Deutschland wird Quantenphysik bisher nur in der gymnasialen Oberstufe und mit einem traditionell-historischen Ansatz gelehrt. Nur der bayerische Lehrplan sieht dies bereits in der 10. Klasse vor. Dabei vermitteln alle Bundesländer zwar grundlegende Prinzipien der Quantenphysik, nicht aber ihre spannenden Phänomene oder revolutionären Anwendungen.

„Die technische Entwicklung der letzten Jahre im Bereich Quantenmaterialien und Quantentechnologien ist bahnbrechend. Wenn Deutschland hier wirklich eine Vorreiterrolle spielen will, müssen brandaktuelle wissenschaftliche Entwicklungen schnell und deutlich früher in den Klassenzimmern ankommen“, betont Professor Matthias Vojta, Dresdner Sprecher des Exzellenzclusters ct.qmat.

Gamification: Physik spielend einfach lernen

Lernspiele gelten in der aktuellen Didaktik als vielversprechender Ansatz für die schulische Vermittlung quantenphysikalischer Inhalte. Denn gerade im Physikunterricht erweisen sie sich als besonders effektiv. „Bisherige Studien bescheinigen digitalen Lernspielen im Schulunterricht eine positive Wirkung auf Motivation, Lernerfolg und soziale Interaktion. Das wird meist durch die Nähe der Digital-Native-Generation zu digitalen Medien erklärt“, so Carsten Albert, der im Exzellenzcluster ct.qmat zum Thema Gamification im Physikunterricht forscht.

„Das Handyspiel ‚Katze Q‘ trifft also nicht nur thematisch, sondern ebenso didaktisch den Zeitgeist. Und weil es für Kinder ab elf Jahren entwickelt wurde, lässt es sich schon im ersten Jahr des Physikunterrichts einsetzen.“

Lehrende und Forschende arbeiten zusammen

Damit Schulkinder frühzeitig von brandaktuellen wissenschaftlichen Erkenntnissen profitieren können, startet jetzt das erste MINT-EC-Themencluster zur Quantenphysik. Lehrende von MINT-EC-Schulen werden gemeinsam mit Forschenden von ct.qmat in mehreren Arbeitsgruppen innovative Konzepte und praxisnahe Materialien für den Physikunterricht erarbeiten. Am Ende der zweijährigen Projektlaufzeit werden die Ergebnisse im Rahmen der MINT-EC-Schriftenreihe veröffentlicht.

Spiele-App „Katze Q – Ein Quanten-Adventure“

Das Mobile Game „Katze Q“ wurde konzipiert, um vor allem Mädchen spielerisch an Studienoptionen im Bereich Mathematik, Informatik, Natur- und Technikwissenschaft (MINT) heranzuführen. Denn speziell die Physik gehört zu den Disziplinen mit einem besonders niedrigem Frauenanteil. Mit „Katze Q“ geht die Forschungsallianz ct.qmat der Universitäten Würzburg und Dresden einen ungewöhnlichen Weg bei der Nachwuchsgewinnung, da eine sehr junge Zielgruppe angesprochen wird. Das Mobile Game ist seit Herbst 2021 in App- und Play-Store erhältlich. Bis heute wurde die App weltweit 80.000 Mal heruntergeladen.

Exzellenzcluster ct.qmat

Das Exzellenzcluster ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter (Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien) wird seit 2019 gemeinsam von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und der TU Dresden getragen. Mehr als 270 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 34 Ländern und von vier Kontinenten erforschen topologische Quantenmaterialien, die unter extremen Bedingungen wie ultratiefen Temperaturen, hohem Druck oder starken Magnetfeldern überraschende Phänomene offenbaren. Das Exzellenzcluster wird im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gefördert – als einziges bundeslandübergreifendes Cluster in Deutschland.

MINT-EC

MINT-EC ist das nationale Excellence-Netzwerk von Schulen mit Sekundarstufe II und ausgeprägtem Profil in Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik (MINT). MINT-EC offeriert neben einem breiten Veranstaltungs- und Förderangebot für Schülerinnen und Schüler einen Rahmen für fachlichen Austausch für Lehrkräfte und Schulleitungen. Das Netzwerk mit derzeit 339 zertifizierten Schulen mit rund 360.000 Schülerinnen und Schülern sowie 29.500 Lehrkräften steht seit 2009 unter der Schirmherrschaft der Kultusministerkonferenz der Länder (KMK).