Community of Practice:
Quantum Skills in der Schule

QuantenLehrKompetenzen: Aufbau didaktischer Lehrkompetenzen für Quanteninformatik und -physik bei zukünftigen Lehrkräften
Prof. Dr.-Ing. Steffen Becker & Nadine Koch
Universität Stuttgart, Institute of Software Engineering
 

Die Gestaltung der Lehrkräfteausbildung beeinflusst maßgeblich das spätere Lernen der Schulerinnen und Schüler. Eine Sensibilisierung der Lehrkräfte für didaktische Herangehensweisen und die Integration innovativer Informatikthemen kann dazu beitragen, Interesse bei Schulerinnen und Schülern zu wecken, Stereotypen zu überwinden und ein positives Fähigkeitsselbstkonzept der Schulerinnen und Schüler zu entwickeln. Dies kann einen kompetenteren Umgang mit innovativen Techniken unterstutzen und gegen den Fachkräftemangel wirken.

Das Projekt orientiert sich an den Empfehlungen des Stifterverbandes zur zeitgemäßen Vermittlung von Quantum Skills, insbesondere Empfehlung 7. Lehramtsstudierende sollen dabei nicht nur fachlich, sondern auch fachdidaktisch und schulrelevant auf den Unterricht vorbereitet werden.

Ziel dieses Projektes ist es, die didaktische Ausbildung von Lehrkräften für Informatik weiterzuentwickeln, indem Innovationen im Unterricht thematisiert werden und Lehrkompetenzen für die Vermittlung von Quantenphysik und Quanteninformatik gefördert werden. Dabei sollen sowohl didaktische Herangehensweisen, Gamifizierung und psychologischen Theorien betrachtet werden.

Es sollen zwei Projektteile umgesetzt werden: Der erste Teil fokussiert sich auf die Vermittlung grundlegender Kompetenzen zur Lehre von Innovationen in der Informatik, wobei die Quanteninformatik als Beispiel dient. Der zweite Teil, ein interdisziplinäres Seminar, fördert gezielt didaktische Kompetenzen für die Vermittlung von Quantenphysik und Quanteninformatik. Aus dem Seminar entstehen langfristig nutzbare Materialien, darunter eine gamifizierte Lernumgebung und Unterrichtsmaterialien.

Das Projekt wird in die bestehende Lehrkraftausbildung integriert, wobei der erste Teil dauerhaft im Pflichtseminar verankert wird. Die Zusammenarbeit mit der Pädagogischen Hochschule Ludwigsburg ermöglicht die Teilnahme für Studierende beider Institutionen am zweiten Teil. In den anderthalb Förderjahren erfolgt die Konzeptionalisierung, Durchführung und Weiterentwicklung der Seminare.

Kurztexte zu Quantentechnologien für (angehende) MINT-Lehrkräfte
Prof. Dr. Thomas Filk & Andreas Woitzik
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
 

Um Quantum Skills stärker in die Lehrkräfteausbildung einfließen zu lassen, sollen zwei Wege in diesem Projekt synergetisch verfolgt werden. So sollen Vorlesungsmaterialien für eine lehramtsspezifische Vorlesung der theoretischen Physik erarbeitet werden, die bereits in Freiburg etabliert ist und durch ihren modularen Aufbau eine Integration quantentechnologischer Inhalte erlaubt. Diese Materialien sollen gleichzeitig in Form von Kurztexten mit einem Umfang von 12 bis 15 Seiten als Fortbildungsmaterial für Lehrkräfte aufbereitet werden und auch zur Eigenweiterbildung den Lehrkräften als Open Educational Resources sowohl in Repositorien sowie auf unserer Website zugänglich gemacht werden.

Die Inhalte sind dabei so gewählt, dass bereits Bekanntes aus der Physik- wie Informatikfachdidaktik nicht repetitiv neu erstellt wird, sondern weitere Themen aufgegriffen oder physikdidaktisch erschlossene Themen um fehlende Perspektiven der Informatik ergänzt werden, wie zum Beispiel im Fall der Quantenkryptographie.

Von Bits zu QuBits - Quantencomputing als Thema informatischer Bildung in Schulen (QB2School) an der TU München
Prof. Dr. Tilman Michaeli & Stefan Seegerer
IQM, Technische Universität München
 

Quantencomputing gilt als eine der vielversprechendsten neuen technologischen Entwicklungen, der perspektivisch eine disruptive Wirkung auf unsere Lebenswelt zugeschrieben wird. Aufgabe informatischer Allgemeinbildung in Schulen ist es daher, Schülerinnen und Schülern die zugrundeliegenden Ideen, Potenziale und Grenzen dieser Technologie zugänglich zu machen. Die qualitativ hochwertige fachliche wie fachdidaktische Qualifizierung von angehenden Lehrkräften ist hierfür von zentraler Bedeutung.

Bisher fehlt es jedoch an geeigneten Formaten für dieses neue und hochkomplexe Feld – auch an der TU München. Daher soll in diesem Projekt unter Einbezug verschiedener Kooperationspartner ein Seminarkonzept für Studierende im Lehramt Informatik zum Erwerb fachlicher wie fachdidaktischer Kompetenzen im Bereich Quanteninformatik ausgestaltet werden. Die erworbenen Vermittlungskompetenzen werden anschließend praktisch angewendet, indem die Studierenden in Kooperation mit einer Schule eine Wissenschaftswoche für Schülerinnen und Schüler der Jahrgangsstufe 11 konzipieren, durchführen und evaluieren.

Aufbauend auf den eigenen Erfahrungen sowie der Vernetzung und dem Austausch mit anderen Mitgliedern der Community of Practice trägt das Projekt somit dazu bei, die Empfehlungen des Stifterverbandes zur zeitgemäßen Vermittlung von Quantum Skills für die informatischen Bildung in die Praxis zu implementieren und Gelingensbedingungen und Best Practices in der Hochschullehre zu identifizieren.

Entwicklung und Erprobung eines erfahrungsbasierten Zugangs zur Quantenphysik im Setting eines Lehr-Lern-Labors
Dr. Marco Seiter
Fakultät für Physik und Astronomie, AG Didaktik der Physik, Ruhr-Universität Bochum

Mit dem Blick auf eine immer stärker technologisch wachsende Gesellschaft gewinnen Quantentechnologien zunehmend an Bedeutung für den technologischen Fortschritt und die Wirtschaft. Hierzu ist es notwendig, quantenphysikalischen Grundlagen als Teil der Allgemeinbildung im Schulunterricht zu vermitteln. Dies ermöglicht Schülerinnen und Schülern eine gesellschaftliche Teilhabe an diesem Fortschritt. Es gibt bisher allerdings wenig Berührungspunkte mit quantenphysikalischen Phänomenen im Schulunterricht. Die physikdidaktische Forschung zeigt zudem, dass Schülervorstellungen oft von physikalischen Konzepten abweichen.

Aktuelle Lehrpläne beinhalten bereits Kompetenzanforderungen zur Quantenphysik. Es bestehen jedoch Herausforderungen bezüglich der experimentellen Umsetzung im Schulunterricht. Bestehende Unterrichtskonzepte zu den Wesenszügen der Quantenphysik sind geprägt durch Simulationen und theoretische Darstellungen. Mit Einzelphotonenexperimenten besteht die Möglichkeit, die Wesenszüge phänomenologisch zu erleben/erfahren. Dies ermöglich Schülerinnen und Schülern einen emotionaleren Zugang.

Damit auch angehende Lehrkräfte den Wert dieses didaktischen Vorgehens erkennen, sollen sie selbst im Lehr-Lern-Labor den phänomenologischen Zugang erfahren. Der Quantenkoffer von QuTools ermöglicht die Durchführung verschiedener Experimente zur Quantenphysik, darunter Photon-(Anti)Korrelationen, Interferenzexperimente und die Verschränkung von Photonen. Der Einsatz des Quantenkoffers durch Lehrkräfte ohne entsprechende Unterrichtskonzepte erweist sich zudem als schwierig.

In dem Projekt ist geplant, dass Studierende im Modul 5 (Schlüsselkompetenzen) des Master-of-Education-Studiengangs im Fach Physik an der Ruhr-Universität Bochum mit Hilfe des Quantenkoffers zunächst eigenständig Materialien zum Einsatz von quantenphysikalischen Experimenten im Schulunterricht entwickeln und dieses anschließend in einem Lehr-Lern-Labor mit Schülerinnen und Schülern erproben und evaluieren. Die erstellten Materialien werden anschließend aufbereitet und online zur Verfügung gestellt oder für zukünftige Lehrerfortbildungen verwendet.

Kognitive Aktivierung und Vernetzung von Professionswissen im Studium der Quantenphysik
Philipp Scheiger
Physik und ihre Didaktik, Universität Stuttgart
 

In der universitären Lehramtsausbildung gibt es viel Verbesserungspotenzial, das in diesem Projekt für die Quantenphysik ausgenutzt werden soll. Neben dem Fokus auf an das Lehramt angepasste Inhalte ist dabei auch die Umgestaltung des universitären Lehrbetriebs entscheidend.

Im Vergleich zum konventionellen Lehrbetrieb können mit interaktiven und kognitiv aktivierenden Ansätzen die Inhalte wesentlich effektiver vermittelt werden. Im Rahmen dieses Projekts sollen deshalb kognitiv aktivierende und interaktive Materialien für die theoretische Quantenphysik für den Übungsbetrieb, Tutorien, aber auch die Vorlesung entstehen und im Modul "Theoretische Physik für Lehramt 1" eingesetzt werden. Damit kann die fachliche Ausbildung verbessert werden, und gleichzeitig kann die methodische Vielfalt angehenden Lehrkräften als Vorbild für das spätere Berufsleben dienen.

Es werden Methoden verwendet, deren aktivierender Charakter bereits nachgewiesen wurde, die in der theoretischen Quantenphysik aber noch kaum Anwendung finden. Dazu zählen das Lernen mit Lösungsbeispielen, die Versprachlichung und Verbildlichung von Formeln, die Elementarisierung und die Peer Instruction.

Zusätzlich sollen im Masterstudiengang für das "Fachdidaktikmodul: Physik und ihre Didaktik" Seminare entwickelt werden, die theoretisches Wissen, Schulwissen, fachdidaktisches Wissen und Experimente zur Quantenphysik und Quantentechnologien miteinander verknüpfen. Die Seminare beinhalten sowohl Experimente, die von Schülerinnen und Schülern selbst durchgeführt werden können, als auch fortgeschrittenere Experimente zu Einzelphotonen und zur Quantensensorik mit NV-Zentren, um Studierenden die technischen Herausforderungen und deren Lösungsansatze zu vermitteln.

Die neuen Konzepte werden in Pflichtmodulen umgesetzt und kommen damit allen Studierenden zugute. Die Verbesserung der Hochschullehre befähigt Studierenden dazu, Themen der Quantenphysik mit Ausrichtung auf Quantentechnologien kompetent zu unterrichten und entspricht damit den Forderungen des Diskussionspapiers des Stifterverbandes.

PhotonLab am Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Dr. Silke Stähler-Schöpf, Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Andreas Koch, Gymnasium Bruckmühl
 

Das PhotonLab verfügt über fundierte Expertise in der Vermittlung von Quantenphysik, jedoch fehlt bisher die Einbindung von Lehrkräften und die Vernetzung mit anderen Schülerlaboren und Akteuren. Die Fellowships bieten eine einzigartige Gelegenheit zur Vernetzung und direkten Zusammenarbeit mit Lehrkräften, um die Angebote an die Erfordernisse der Schulen anzupassen und anschließend in Fortbildungen weiterzugeben.

Andreas Koch (Gymnasium Bruckmühl) ist als Lehrer und Fachbereichsleiter Physik sehr motiviert, Quantenphysik bzw. Quantentechnologien im Unterricht zu stärken und ansprechende Konzepte zu entwickeln. Die Kooperation mit Schülerlaboren wie dem PhotonLab ermöglicht es, das Interesse der Schülerinnen und Schüler zu fördern und sie an wissenschaftliches Arbeiten heranzuführen.

Die interaktiven Bücher aus dem Schülerlabor bieten faszinierende Einblicke in Quantenexperimente, bleiben jedoch wenig genutzt. Das Projekt zielt darauf ab, diese Materialien zu optimieren, an den Lehrplan anzupassen und Lehrkräften über Fortbildungen zugänglich zu machen. Dies soll die Anwendung im Unterricht erleichtern und die Verknüpfung von Wissenschaft und schulischer Praxis fördern.

In Zusammenarbeit mit Linda Qerimi soll ein neues interaktives Buch zu Quantentechnologien entwickelt werden, das Qubits stark fokussiert behandelt. Es vermittelt die Grundlagen und ermöglicht Schülerinnen und Schülern, sich auf verschiedenen Stufen damit auseinanderzusetzen.

Das Projekt trägt zur Verbesserung der Situation an Schulen bei, indem es Lehrkräften effektive Materialien zur Verfügung stellt und die Vermittlung der Quantenphysik optimiert. Die Erprobung der Materialien erfolgt in Zusammenarbeit mit Schulen, und die entstandenen Ressourcen werden nach Projektende durch das PhotonLab verbreitet und verstetigt. Dies trägt dazu bei, Schülerlabore als effektive und bereichernde außerschulische Lernorte zu etablieren und das Verständnis für Quantenphysik zu fördern.

Multiperspektivisches Quantenphysik-Schülerlabor
Stefan Aehle
Friedrich-Schiller-Universität Jena, AG Fachdidaktik der Physik und Astronomie
 

Das Projekt zielt darauf ab, das Schülerlabor der Physikalisch-Astronomischen Fakultät mit Inhalten zur Quantenphysik und den Quantentechnologien zu erweitern und darüber hinaus Lehrerinnen und Lehrern die nahtlose Einbettung dieser Inhalte in ihren Schulunterricht zu ermöglichen. Dazu sollen, basierend auf bereits bestehenden Lehrkonzepten, multiperspektivische Lernmaterialien entstehen und weiterentwickelt werden. Damit gemeint ist die Kombination von klassisch-physikalischen Versuchen der Optik, veranschaulichenden Analogiemodellen und quantenphysikalischen Realexperimenten.

Diese Ansätze sollen im Rahmen eines umfassenden, kohärenten Programms den Einstieg in das Thema erleichtern. Über eine Vielzahl von Zugängen wird sich so inhaltlich-theoretisch, aber auch praktisch-experimentell den Wesenszügen der Quantenphysik genähert.

Die entstehenden Materialen werden integraler Bestandteil des regulären Schülerlabor-Angebots und außerdem für das Lehramtsstudium und Lehrerfortbildungen eingesetzt. Auf lange Sicht können somit aber auch der Quantenphysikunterricht vorbereitet und unterstützt werden, was hinsichtlich der Aktualisierungen in Lehr- und Bildungsplänen nach Vorgaben der KMK-Bildungsstandards wichtig sein wird. Die enge Anbindung des Materials an Lehrplanvorgaben, die bereits eingeplante Einbindung der Inhalte in den laufenden Physikunterricht und die Flexibilität in der Anwendung sollen einen niederschwelligen Zugang zur Quantenphysik gewährleisten – sowohl für Lernende als auch für Lehrende.

Quanten 1x1 für Schulen
Sabrina Konzok & Claudia Tillmann, Junge Tüftler gGmbH
 

Das BMBF-geförderte Projekt "Quanten 1x1" wurde 2023 erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurden digitale Lerninhalte wie Animationsvideos und Interviews mit Expertinnen und Experten sowie niederschwellige Tüftel-Boxen mit Quanten-Spielen entwickelt. Die dazugehörigen Fortbildungsformate spezifisch für Lehrkräfte sollen nun im Rahmen des “Quanten 1x1 für Schulen” ausgebaut und iteriert werden.

Partner hierbei wird die Martin-Buber-Oberschule (MBO) aus Berlin sein. Zusammen werden bestehende Formate im Rahmen von mindestens zwei zeitlich weit auseinanderliegenden Projekttagen mit Schulklassen erprobt, evaluiert und in einer weiterentwickelten Form erneut implementiert. Die Ergebnisse werden danach auf die digitale Lernplattform “TüftelLab digital” eingebunden sowie bestehende Inhalte iteriert und sollen im Makerspace “TüftelLab Berlin” am Moritzplatz langfristig implementiert werden.

Zentrale Ziele sind hierbei:
1. Gewährleistung einer langfristigen Implementierung von Quanten 1x1 Lerninhalten durch Lehrkräfte;
2. Verbesserung der Handreichungen für Lehrkräfte in entwickelten Quanten 1x1 Projekttagen und Lernkonzepten.

Das erste Ziel soll unter anderem durch eine inhaltliche Begleitung der Lehrkräfte nach dem Projekttag gewährleistet werden. Das zweite Ziel soll durch die Iteration der bestehenden Lerninhalte, insbesondere der Handreichungen für Lehrkräfte wie zum Beispiel zusätzliche Arbeitsblätter, Tipps und Tricks oder sonstige Bedarfe, erreicht werden. Dies wäre ein weiterer Baustein für erfolgreiche strukturierte Kooperationen zwischen der MBO und anderen Schulen mit der Junge Tüftler gGmbH als außerschulischer hybrider Lernort.

Quantenlabor aus dem 3D-Drucker in der Schulpraxis
Andreas Kral & Frank Oslender, Kaiser-Karls-Gymnasium, Aachen

Es gibt bereits einige Realexperimente, die das Potenzial haben, moderne Phänomene der Quantenphysik in der Schule zu veranschaulichen. Beispielsweise wurde erst im Dezember 2023 der Quantenradierer als Low-cost-Experiment aus dem 3D-Drucker vom Team der Universität Münster um Professor Stefan Heusler veröffentlicht. Inwieweit diese Realexperimente in der Schulpraxis eingesetzt werden können und wie sie sich gewinnbringend in den aktuellen Kernlehrplan NRW integrieren lassen, ist aktuell noch unklar. Außerdem sollen weitere Realexperimente erprobt und in einem gemeinsamen Unterrichtskonzept eingebunden werden.

Dieses Projekt soll einen Beitrag leisten, um bestehende Realexperimente beim Einsatz in der Schule auf ihre Schulpraxistauglichkeit zu überprüfen und dann in einer zweiten Phase bewährte Best-Practice-Elemente im Rahmen einer Lehrerfortbildung an andere Lehrkräfte weiterzugeben. Nach der Erprobung der Realexperimente im Unterrichtskonzept soll eine Lehrerfortbildung angeboten werden, um anderen Physiklehrkräften die entwickelten Realexperimente sowie das Unterrichtskonzept in einem Praxis-Workshop vorzustellen. Zentrale Aspekte sind:
●  Workshop zur Durchführung der entwickelten Realexperimente - Vorstellung eines Konzepts zum Einsatz der Realexperimente im Unterricht
●  Nennung zentraler Aspekte zum praxistauglichen Einsatz in der Schule

Je nach Interesse der Lehrkräfte und organisierbaren Aufwand besteht die Möglichkeit einen Bauworkshop für die O3Q-Interferometer darüber hinaus anzubieten.