Teaching Quantum Physics at Upper-Secondary School Level

Abstract

Středoškolské vzdělávání je stále častěji považováno za vhodnou úroveň pro zavádění klíčových konceptů kvantové fyziky. Jejich začlenění do školní výuky však naráží na praktická omezení související s předepsaným kurikulem, časovou dotací i připraveností učitelů. Cílem této dizertační práce je přispět k řešení těchto výzev vytvořením modu- lárního výukového plánu, který kvalitativně seznámí žáky s moderními koncepty kvan- tové fyziky a současně bude respektovat podmínky školní výuky. Nejprve jsme prostřednictvím elektronického dotazníku zkoumali názory učitelů fy- ziky na českých středních školch na výukové cíle v kvantové fyzice, a také jaká je obvyklá časová dotace výuky a která témata jsou do výuky běžně zařazována. Zjištěné poznatky posloužily jako podklad pro návrh výukového plánu zaměřeného na koncepty kvantování energie, superpozice, kvantového měření a nekompatibilních veličin. Tyto koncepty jsou zpracovány v pěti samostatných modulech, z nichž každý je představuje v jiném fyzikál- ním kontextu. Moduly lze využívat samostatně nebo je podle možností učitele propojit do ucelené výukové sekvence podporující hlubší konceptuální porozumění. Výukový plán byl vytvořen v rámci metodologie design-based research a Model of Edu- cational Reconstruction. Jeho formativní hodnocení proběhlo ve dvou...

Secondary education is increasingly seen as an appropriate level for introducing key concepts of quantum physics. However, their integration into school instruction faces practical curricular, time, and teacher constraints. This thesis aims to address these challenges by developing a modular teaching approach to introduce modern quantum concepts qualitatively while respecting the practical constraints of school instruction. First, we investigate Czech upper-secondary physics teachers' perspectives via an electronic questionnaire addressing teachers' goals, typical time allocation for quantum physics instruction, and topics typically taught. These findings informed the develop- ment of the teaching approach, which addressed the concepts of energy quantisation, superposition, quantum measurement, and incompatible observables through five inde- pendent modules, each introducing these concepts in a different physical context. The modules may be used separately or combined into a coherent instructional sequence supporting deeper conceptual understanding, according to teachers' preferences. The teaching approach was developed within the framework of design-based research and the Model of Educational Reconstruction. It was evaluated formatively through five classroom implementations conducted in two...