La mecánica cuántica es una materia difícil de enseñar debido a su naturaleza contraintuitiva. [1] Como la materia ahora se ofrece en escuelas secundarias avanzadas, los educadores han aplicado una metodología científica al proceso de enseñanza de la mecánica cuántica , con el fin de identificar conceptos erróneos comunes y formas de mejorar la comprensión de los estudiantes.
Los conceptos erróneos de los estudiantes van desde el pensamiento de la física completamente clásica , los modelos mixtos, hasta las ideas cuasi-cuánticas. [1] Por ejemplo, si se malinterpreta el concepto de que la mecánica cuántica no describe un camino para los electrones o los fotones , los estudiantes pueden creer que siguen trayectorias específicas (clásicas), o caminos sinusoidales (mixtas), o que son simultáneamente ondas y partículas (cuasi-cuánticas: "en las que los estudiantes comprenden que los objetos cuánticos pueden comportarse como partículas y ondas, pero aún tienen dificultades para describir eventos de una manera no determinista"). Entre los conceptos que se malinterpretan con más frecuencia se encuentran:
También surgen problemas por la falta de comprensión de conceptos clásicos relacionados con conceptos cuánticos, como la diferencia entre energía e intensidad de la luz.
La mecánica cuántica se puede enseñar centrándose en diferentes interpretaciones, diferentes modelos o mediante técnicas matemáticas. Los estudios han demostrado que centrarse en conceptos no matemáticos puede conducir a una comprensión adecuada. [6]
A pesar de la imposibilidad fundamental de ver directamente los estados cuánticos, las visualizaciones multimedia son una herramienta importante en la educación. Los medios interactivos proporcionan una experiencia alternativa más allá de la experiencia personal cotidiana como herramienta para comprender la mecánica cuántica. [2] Entre los sitios multimedia que se han estudiado con resultados positivos se encuentran QuVis [7] y Phet. [8]
Al introducir la historia como parte del proceso de enseñanza de la mecánica cuántica se plantea un posible conflicto de objetivos: historia precisa o claridad pedagógica. [9] Los estudios han demostrado que enseñar a través de la historia ayuda a los estudiantes a reconocer que las cuestiones contraintuitivas son fundamentales en lugar de simplemente algo que no entienden. Analizar específicamente los debates históricos sobre los conceptos cuánticos refuerza la idea de que lo cuántico difiere de lo clásico. [2] Analizar la filosofía de la ciencia introduce la idea de que el lenguaje derivado de la experiencia cotidiana limita nuestra capacidad para describir los fenómenos cuánticos.
Mohan [10] analiza dos libros de texto representativos de mecánica cuántica ampliamente utilizados en relación con los desafíos de aprendizaje informados por Krijtenburg-Lewerissa [1] y otros. Ambos textos adoptan un lenguaje ('ondas' y 'partículas') familiar para los estudiantes en otros contextos sin explorar directamente los cambios significativos en el significado que requiere la mecánica cuántica. Mohan atribuye algunos de los desafíos de aprendizaje a esta aplicación inexplorada de un lenguaje inapropiado.
N. David Mermin informa que una estrategia no convencional basada en conceptos matemáticos abstractos pero simples es suficiente para enseñar mecánica cuántica a estudiantes interesados en la aplicación de la computación cuántica en lugar de la física. [11] Muchos de los problemas que confunden a los estudiantes de física no se aplican a este caso y el trasfondo matemático de la computación cuántica se asemeja al trasfondo que ya se enseña en informática . Mermin desarrolla notación y operaciones con bits clásicos y luego introduce bits cuánticos como superposiciones de dos estados clásicos. Nunca necesita discutir ni siquiera la constante de Planck , que sugiere que es importante para el hardware de la computadora cuántica pero no para el software.
Philipp Blitzenbauer involucra a los estudiantes a través de experimentos simples pero intrínsecamente cuánticos con un solo fotón . [12] El enfoque evita el carácter ambiguo de los fotones, clásico y cuántico, en experimentos de interferencia óptica como la doble rendija. Los estudiantes expuestos a la mecánica cuántica de esta manera evitan desarrollar conceptos erróneos evidentes entre los estudiantes del grupo de control.