1. ReleKvant: Undervisningsstrategier og elevers begrepsutvikling i moderne fysikk Berit Bungum og Cathrine W. Tellefsen

2. Prosjektet ReleKvant utvikler web-baserte læringsmoduler i kvantefysikk og relativitets- teori. Modulene skal være motiverende og relevante i forhold til dagens læreplan, og oppmuntre til bruk av språk i fysikk for å fremme elevenes begrepsutvikling og erkjennelse av fysikkens mer «underlige» sider. Et verktøy for lærere

3. Hvem tester? Lillestrøm vgs Asker vgs Jessheim vgs Valler vgs Hvem forsker? UiO NTNU Naturfagsenteret Hvem bidrar ellers? Are Raklev Arnt Inge Vistnes Susanne Viefers Øystein Sørborg Kombinert forsknings- og utviklingsprosjekt

4. Kompetansemål med utfordringer Hvilke utfordringer opplever du som lærer? Skriv ned noen linjer. Mål for opplæringen er at eleven skal kunne gjøre rede for postulatene som er grunnlag for den spesielle relativitetsteorien, drøfte kvalitativt noen av konsekvensene av denne teorien for tid, bevegelsesmengde og energi, og gi en kvalitativ beskrivelse av den generelle relativitetsteorien gjøre rede for Einsteins forklaring av fotoelektrisk effekt, og kvalitativt gjøre rede for hvordan resultater fra forsøk med fotoelektrisk effekt, comptonspredning og partiklers bølgenatur representerer et brudd med klassisk fysikk gjøre rede for Heisenbergs uskarphetsrelasjoner, beskrive fenomenet sammenfiltrede fotoner og gjøre rede for erkjennelsesmessige konsekvenser av dem

5. Kompetansemål med utfordringer Abstrakt innhold Kvalitative forklaringer Forskere ikke enige, hva skal vi si da? Brudd med klassisk fysikk – hva er det? Vanskelig å visualisere Elevene stiller «rare» spørsmål Spennende å lære, utfordrende å undervise Bryter med hverdagserfaringer og sunn fornuft Behov for andre måter å aktivisere elevene på, ingen regneoppgaver

6. Fem moduler i kvantefysikkpakken

7. Plan for utviklingen: 9 moduler, 3 utprøvinger av hver modul på 4 skoler Modul 1-3 Kvantefysikk Modul 4-5 Kvantefysikk Modul 6-7 Relativitetsteori Modul 8-9 Relativitetsteori 2014 Pilot utviklet, første utprøving. Utbedring og andre utprøving. Utvikle pilot, første utprøving. Utbedring. 2015 Utprøving 3 + utbedring Utprøving 2 + utbedring Utvikle pilot, utprøving 1 + utbedring 2016 Utprøving 2+ utbedring Utprøving 3 + ubedring Utprøving 2+ utbedring Utprøving 3 + utbedring Oversette utvalgte moduler til finsk, utprøving i finske skoler og finsk lærerutdanning.

8. Prinsipper for utviklingen (våre mål): 1)Aktivisere gjennom språk, læring gjennom språk 2)Trene muntlige og skriftlige ferdigheter i fysikk 3)Fokusere på elevenes begrepsmessige utfordringer og misoppfatninger 4)Visualisere gjennom animasjoner og simuleringer 5)Tydeliggjøre hvordan naturvitenskapen er et menneskelig produkt under stadig utvikling 6)Oppmuntre til refleksjon omkring erkjennelsesmessige konsekvenser av kvantefysikken 7)Gi lærere et verktøy for formativ vurdering av elevene

9. Læringsmoduler på http://www.viten.no/relekvant

10. Elever om lys (i starten av Modul 1) En god del elever gir riktige ”lærebokforklaringer” av bølge/partikkel-dualisme: Lyset kan sees som både partikler og som bølger. Forsøk med interferens underbygger at lys er bølger, men samtidig er det jo fotoner/partikler som blir sendt ut fra eksiterte elektroner. Lys er et elektromagnetisk fenomen som kan beskrives som bølger eller partikler. Det diskuteres om lys er bølger eller partikler, eller begge deler! Etter hva vi vet, har lys både partikkelegenskaper og bølgeegenskaper.

11. Noen beskriver partikler og bølger i samme åndedrag (også i opptak av samtaler) Lys er energi i form av små partikler, fotoner. Lyset får forskjellig farge avhengig av hvilken bølgelengde den har. Ideen om ”partikkel i bølgebevegelse” er ganske utbredt: Lys kan sees på som bølger og partikler. Slik jeg har forstått det, er lys partikler med bølgeegenskaper. Altså beveger partiklene seg i bølgebevegelser. (Fotonet) Følger bølgebaner med varierende bølgelengde Lys er bølger av partikler som kalles fotoner. Partiklene beveger seg i "bølgebaner" gjennom rommet.

12. Har elevene utviklet sin forståelse? Etter opplegget gir elevene generelt langt mer sofistikerte beskrivelser (men oppgaven gir flere hint om hva som kan inngå). Fotoner har både bølge- og partikkelegenskaper. Fotoner har ikke masse, men de har bevegelsesmengde. De har energi. Kan slå løs elektroner. Ved annihilering møtes en partikkel og dets antipartikkel og partiklene forsvinner og det dannes fotoner. Comptonspredning er et elastisk støt mellom et elektron og røntgenfoton, og både energi og bevegelsesmengde blir bevart. Samme elev svarte før opplegget: Lys er små partikler. Fotoner, energi som sender ut farge i form av frekvens (?). Disse kan bevege seg i vakum, og har den høyeste hastigheten som er mulig å finne. Når elektroner eksiterer og faller tilbake igjen i sin ''bane'', sender det ut fotoner, energi i en pakke kan man si.

13. Elevers tanker om Schrödingers katt (og kvantefysikk):

14. 3 hovedkategorier av elevsvar 1.Banale tolkninger (Vi vet ikke resultatet før vi måler) 2.Katten kan lære oss noe om kvantefysikk ved å illustrere at katten ikke har en bestemt tilstand før vi måler på den 3.Skeptikere

15. Banale (?) tolkninger: ”Vi kan ikke vite om katten er død eller levende før vi har åpnet boksen” Først og fremst synes jeg bruken av en katt er litt brutal, men bortsett fra det illustrerer det et godt poeng om at ettersom vi ikke vet når giften blir utløst, eller om den blir utløst, kan vi ikke vite om katten er levende eller død før vi faktisk tester det ut ved å åpne boksen. Det gir mening at man ikke kan vite om katten er død eller ikke. Og dette er litt det samme i kvantefysikk at man ikke vet noe om tilstanden til en gjenstand. du kan ikke på noe tidspunkt vite om den katten er død eller levende uten å åpne boksen, derfor er katten i en superposisjon mellom død og levende. katten er både død og levende.

16. Jeg vil si meg enig med det Schrödinger sa, at vi ikke vet om katten er død før vi ser etter, og at katten da vil være i en superposisjon. Noe vi ikke er sikre på er om katten er i et stadie mellom liv og død, og at dette også gjelder i kvantefysikken, at f.eks fotonet er i et stadie mellom bølger og partikler. Det dette får meg til å tenke om kvantefysikk, er at om vi ikke får sjekket/gjort målinger av det vi er ute etter, kan vi aldri være sikre på hva som egentlig skjer.

17. Kategori 2. Katten kan lære oss noe om kvantefysikk: Det sier oss at det er først når vi observerer en hendelse, at vi kan fastslå at den har hendt. Det får meg også til å tenke på at i kvantefysikk så kan vi se på lys som både bølger og partikler. Men vi kan ikke observere lys som både en bølge og en partikkel på samme tid. Det kommer helt an på hva vi observerer. Det er en god måte å forklare hva superposisjon betyr. Det har vært litt vanskelig å forstå dette med at observasjon/måling "bestemmer" tilstanden til en partikkel, men når man tenker seg det på makroskopisk nivå er det lettere å forstå. Jeg syns Schrödingers katt er et interessant tankeeksperiment. Vi kan se en sammenheng mellom dette og elektronets posisjon når vi måler, altså den kan være alt, men i det vi måler får det en eksakt posisjon.

18. - og noen tvilere: Det er litt uforståelig ennå.. Virker naturen annerledes i virkeligheten enn under menneskelig observasjon? Man vet ikke om noe har skjedd før man har sjekket, men sier dette noe om fysikken? Vet ikke jeg…

19. Kategori 3. Skeptikere, avviser at katten kan være i superposisjon av død og levende: Jeg synes det er en merkelig tanke. Man sier at hvis man ikke kan vite noe, så er det begge deler. Kanskje det er slik man tenker om fenomener som sammenfiltrede fotoner. Det er fysisk umulig å være død og levende på samme tid, men ikke i følge kvantefysikken. Dersom vi prøver å sjekke om katten er død vil resultatet endre seg og vi vil ikke kunne sjekke den egentlige tilstanden. At katten enten er død eller levende på samme tid er jo fysisk umulig. Den er enten død eller levende, og det har den vært før man sjekker også. Det er merkelig å tenke på ting på en sånn måte, og det gjør det lettere å forstå hvordan man tenker om kvantefysikk.

20. - Og noen som i samme slengen avviser visse tolkninger av kvantefysikken: Schrödingers katt er et spennende eksperiment. Det forsterker vel egentlig troen på at naturen har en uskarphet (tidspunktet strålingen dreper katten), men forandrer ikke mitt syn på kvantefysikken noe særlig radikalt. For meg handler dette om usikkerhet. Det er ikke slik at katten er død/lever i det øyeblikket vi åpner boksen, men det er i det vi åpner boksen vi blir sikre. Kvantefysikken handler for meg om sannsynlighet. Jeg synes kvantefysikk er absurd og abstrakt. Ting er som de er, sant? Determinisme er feil!? Kan jeg ikke tenke meg. Hvorfor skal det gjøre en forskjell om man har et videokamera stående eller ikke? Hvordan kan partiklene oppføre seg annerledes ut i fra om et kamera, eller et menneske står og ser på? Dette er problemet jeg har med kvantefysikk akkurat nå. Samtidig som katter er for søte til å eksperimentere med.

21. Diskusjon av hvordan dette kan brukes…

22. Elevers erfaringer med ReleKvant En ny måte å lære på Bra variasjon Annerledes enn å regne og løse oppgaver Blir nødt til tenke og snakke om hvordan vi tenker når vi må sende lydfil til læreren Savnet å gjøre eksperimenter, ikke bare se alt på en skjerm Tankeeksperimentet med Schrödingers katt var interessant, vet ikke om jeg skjønte det helt, men det var interessant å tenke på!

23. Sluttvurdering

25. http://www.viten.no/relekvant