Quantum mechanica in het voortgezet onderwijs, hoe realiseer je meer begrip?

Krijtenburg, K. (2020). Teaching Quantum Mechanics at the secondary school level. University of Twente, Enschede.

Quantummechanica is gebaseerd op geavanceerde wiskunde, die geen onderdeel uitmaakt van het curriculum van de middelbare school. Daarnaast heeft quantummechanica geleid tot een nieuwe manier van denken die conflicteert met het klassieke denken van scholieren. Het is daarom nodig om te onderzoeken op welke wijze quantummechanica op een toereikende manier kan worden onderwezen aan middelbare scholieren. Hierbij is het van belang te onderzoeken welke onderwerpen van quantummechanica van belang zijn, welke moeilijkheden middelbare scholieren ondervinden bij het leren van quantummechanica en op welke wijze we leerlingen kunnen helpen om quantummechanica beter te begrijpen.

In dit proefschrift presenteren we daarom ons onderzoek naar de volgende onderzoeksvragen:
(1) Wat is de huidige stand van zaken in het onderzoek naar begripsproblemen, lesstrategieën en onderzoeksinstrumenten voor quantummechanica gericht op het middelbare schoolniveau?

Uit het literatuuronderzoek blijkt dat er behoefte is aan meer empirisch onderzoek naar de begripsproblemen van middelbare scholieren bij het leren van quantummechanica, vooral wat betreft het begrip van de golffunctie, de oneindige potentiaalput en tunneling. Om meer inzicht te krijgen in onderliggende problemen van scholieren en systematisch te onderzoeken op welke wijze deze problemen voorkomen of bestreden kunnen worden, is het ontwikkelen van een gevalideerde begripstest gericht op middelbare scholieren van groot belang.

(2) Welke onderwerpen vinden Nederlandse experts op het gebied van quantummechanica en aanverwante onderzoeksgebieden belangrijk om te onderwijzen op middelbare scholen?

Uit de Delphi-studie blijkt dat de experts de golf-deeltjesdualiteit, golffuncties en atomen essentiële onderwerpen vinden om te onderwijzen binnen het natuurkundecurriculum op middelbare scholen. De deskundigen in dit onderzoek redeneren echter vooral vanuit kennis. Voor het ontwerp van een curriculum is het ook van belang om te onderzoeken wat de invloed van de verschillende deelonderwerpen is op de houding van scholieren ten opzichte van wetenschappelijk onderzoek en hun inzicht in het maatschappelijke belang van quantummechanica.

(3) Welke begripsproblemen hebben Nederlandse leerlingen na hun lessen over quantummechanica? En wat zijn de onderliggende problemen en oorzaken die leiden tot deze begripsproblemen?

Uit de kwantitatieve analyse blijkt dat Nederlandse middelbare scholieren dezelfde moeilijkheden ondervinden als bachelor-studenten in eerder onderzoek: de leerlingen vermengen klassieke- en quantummodellen en maken oneigenlijk gebruik van klassieke modellen en beschrijvingen. De belangrijkste problemen die in deze studie zijn gevonden, hebben te maken met de moeite die scholieren hebben om hun nieuwe kennis van quantummechanica te integreren in hun bestaande denkstructuren. Het is daarom van belang om onderzoek te doen naar de relatie tussen klassieke voorkennis en het begrip van quantummechanica.

In het onderzoek naar begripsproblemen komt naar voor dat veel begripsproblemen te maken hebben met een incorrecte koppeling van quantummechanica met de
(klassieke) voorkennis die de scholieren hebben. De resultaten van deze studie impliceren daarom dat het belangrijk is om de scholieren te helpen om de nieuwe kennis van quantummechanica in hun bestaande denkstructuren te integreren.

(4) Is het mogelijk om het begrip van quantummechanica te verbeteren door de onderliggende oorzaken en problemen aan te pakken?

Het resultaat van de vierde studie laat zien dat een grotere voorkennis van potentiële energie het begrip van quantummechanica positief beïnvloedt. De uitkomst van dit onderzoek roept de vraag op of er andere onderwerpen uit de natuurkunde van belang zijn voor het begrijpen van quantummechanica. Daarom is er behoefte aan meer onderzoek naar de invloed van het begrip van klassieke natuurkundeconcepten op het begrip van quantummechanica en naar hoe we deze concepten op een goede manier een plaats kunnen geven binnen het natuurkundecurriculum.