Beim Physik-Daten-Workshop werden Lehrer wieder zu Schülern

30. August 2023 | Julianne Hodges

Anmerkung des Herausgebers: Fermilab bietet eine breite Palette an MINT-Bildungsprogrammen. Dieser Artikel ist der erste einer mehrteiligen Serie, die einige der im Labor verfügbaren Möglichkeiten beleuchtet.

In der ersten Hälfte eines einwöchigen Workshops im Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums setzte eine ausgewählte Gruppe von High-School-Lehrern ihre „Schülerhüte“ auf und lernte, wie sie anhand realer Szenarien ihre Schüler mit der Teilchenphysik vertraut machen können.

Dies taten sie im QuarkNet Data Camp. QuarkNet ist ein landesweit anerkanntes naturwissenschaftliches Bildungsprogramm, das von der National Science Foundation finanziert und von der University of Notre Dame koordiniert wird. Fermilab, seit seiner Einführung ein wichtiger Mitwirkender des QuarkNet-Programms, war im Juli Gastgeber des jährlichen Datencamps des Programms.

Das Camp dauert eine Woche und zieht etwa zwei Dutzend Oberstufenlehrer, überwiegend Physiklehrer, aus dem ganzen Land an. Andere Oberstufenlehrer, die Lehr- und Lernstipendiaten für QuarkNet sind, leiten das Datencamp und unterrichten die Teilnehmer. Zusätzlich zu den Hauptaktivitäten können die am Workshop teilnehmenden Lehrer Fermilab sehen und von Wissenschaftlern lernen.

In den ersten Tagen des Workshops arbeiteten die Lehrer in Gruppen zusammen, um reale Teilchenkollisionsdaten vom Compact Muon Solenoid-Detektor am Large Hadron Collider zu analysieren. Die Lehrer müssen die Daten verwenden – etwas bereinigt, um sie einfacher zu verwenden –, um die Partikelmassen zu ermitteln und nach einer bestimmten Art von Partikelkollisionsereignis zu suchen. Bei der Kollision erzeugte Partikel zerfallen in andere Partikel, und indem die Lehrer diese Partikel nach dem Zerfall finden, können sie daraus schließen, welche Art von Ereignis sie sehen.

„Sie waren den ersten Teil der Woche Schüler“, sagte Jodi Hansen, eine High-School-Physiklehrerin aus Minnesota und Lehr- und Lernstipendiatin für QuarkNet, die das Programm seit mehr als einem Jahrzehnt unterstützt. „Wir haben sie gedrängt; Manchmal fühlten sie sich unwohl und manchmal taten sie Dinge, die ihnen schwer fielen. Viele von ihnen hatten noch nie zuvor Physik auf diese Weise betrieben, und das ist es, was Physiker, die am LHC arbeiten, ständig tun.“

Eine Gruppe von Lehrern, die am QuarkNet Data Camp teilnehmen, präsentiert, was sie in den letzten Tagen aus ihrem Datensatz gelernt haben. Foto: Spencer Pasero, Fermilab

Spencer Pasero, Mitglied des Büros für Bildung und öffentliches Engagement von Fermilab, sagte, dass die Bereitstellung realer, von Physikern verwendeter Datensätze für die Lehrer ein authentischeres Erlebnis bietet und sie lehrt, dass echte Daten chaotisch und mehrdeutig sein können. Eine Herausforderung für die Lehrer besteht darin, aus dem Hintergrundrauschen, das reale Daten trübt, Signale oder nützliche Informationen herauszufiltern.

„Man muss nachforschen und herausfinden, was mir das wirklich sagt?“, sagte er. „Gibt es Dinge, von denen ich annehme, dass sie nicht korrekt sind? Wie unterscheidet man Signal und Hintergrund? In vielen High-School-Laboren gibt es keinen Hintergrund, alles ist signalisiert, und daher ist es nützlich, diese Dinge auseinanderhalten zu können.“

Es kann entmutigend sein, die Lehrer in die Lage der Schüler zu versetzen und sie zu bitten, Probleme zu lösen, sagte Jeremy Smith, Physiklehrer in Baltimore und Lehr- und Lernkollege für QuarkNet, der das Datencamp moderiert. Aber er und Pasero sagten beide, dass der Prozess lohnend sei und die Lehrer bereit sei, das Gelernte mit ihren Schülern zu teilen.

„Es kann wirklich hilfreich sein, neue Themen, neue Inhalte, neue Denk- und Arbeitsweisen aus der studentischen Perspektive kennenzulernen“, sagte Pasero. „Es hilft ihnen, in diese Denkweise zu gelangen: Nachdem ich das erlebt habe und weiß, was ich lernen musste, um diese Daten verstehen zu können, wie soll ich das meinen Schülern vermitteln?“

Emily Rosen, eine Lehrerin aus Cincinnati und Teilnehmerin des diesjährigen Datencamps, unterrichtet seit 18 Jahren und ist seit Beginn ihrer Karriere bei QuarkNet engagiert.

Für Rosen war die Analyse der Daten eine Herausforderung, die in der Lehre nicht möglich ist. Diese Erfahrung gab ihr die Möglichkeit, ein komplexes physikalisches Problem zu lösen und erinnerte sie daran, wie es ist, Studentin zu sein.

„Als Lehrer eines Fachs, das manchmal einschüchternd und komplex ist, ist es wirklich gut, daran erinnert zu werden, dass ein Schüler, wenn er etwas zum ersten Mal sieht, nicht so einfach ist, wie es mir erscheint“, sagte Rosen. „Es ist einfach schön, akademisch herausgefordert zu werden und mich daran zu erinnern, wie sich das anfühlt und wie es sich anfühlt, mit anderen Menschen zusammenzuarbeiten, wenn ich mich herausgefordert fühle.“

Nachdem die Lehrergruppen ihr Projekt abgeschlossen hatten, konnten sie mit anderen Gruppen zusammenarbeiten und von ihnen lernen, die nach Partikeln mit ähnlichen Zerfallsprodukten suchten. Diese Zusammenarbeit habe den Lehrergruppen geholfen, einzigartige Präsentationen zusammenzustellen, die sich auf die Unterschiede zwischen den Aufgaben der verschiedenen Gruppen konzentrieren, sagte Hansen.

„Sie tauschen sich mit anderen Lehrern aus, die denselben Zerfallskanal studieren, um zu sehen, was ihr Teilchen getan hat, um diese Elektronen oder diese Myonen zu erzeugen. Das ist bei verschiedenen Teilchen unterschiedlich“, sagte sie. „Wir ließen sie nach Ähnlichem und Unterschiedlichem suchen. Als sie wieder mit ihrer Teilchengruppe zusammenkamen, baten wir sie, auf Dinge hinzuweisen, die sich von den anderen Teilchen unterschieden.“

Die Teilnehmer des diesjährigen QuarkNet Data Camp stehen vor dem reflektierenden Pool vor der Wilson Hall von Fermilab. Foto: Spencer Pasero, Fermilab

Nachdem die Lehrer Präsentationen über das Gelernte gehalten hatten, diskutierten sie in den letzten Tagen darüber, wie sie diese Erfahrung nutzen können, um die Teilchenphysik in ihren Lehrplan zu integrieren. Zusätzlich zum Datencamp bietet QuarkNet eine umfangreiche Bibliothek mit Datenaktivitäten, die verschiedene Aspekte der Teilchenphysik abdecken und die Lehrer in ihren Unterricht integrieren können.

„In der zweiten Hälfte des Workshops setzen sie ihre Lehrerrolle wieder auf und konzentrieren sich darauf, darüber nachzudenken, wie sie das Gelernte in ihren Lehrplan umsetzen können“, sagte Smith.

„Die Lehrer sagen, dass sie nicht genug Zeit haben, um das zu unterrichten, was sie bereits müssen, ganz zu schweigen von einer komplett neuen Einheit“, fuhr er fort. „Vielmehr finden es die Lehrer hilfreich, diese Aktivitäten über den gesamten Lehrplan zu verteilen und sie als Ergänzung oder Ersatz für etwas zu tun, das sie bereits haben. Sie integrieren Konzepte der Teilchenphysik in den gesamten Kurs.“

Hugo Delgado, ein Physiklehrer aus Puerto Rico, sagte, er habe nicht nur etwas über Teilchenphysik und Fermilab gelernt, sondern auch darüber, wie andere Lehrer die Teilchenphysik nutzen, um einen vielfältigen und ansprechenden Physiklehrplan zu erstellen.

Delgado arbeitet normalerweise mit anderen Lehrern für Naturwissenschaften zusammen und hat nicht viele Gelegenheiten, andere Physiklehrer an der High School zu treffen. Während des QuarkNet Data Camp hatte er die Gelegenheit, von Kollegen zu lernen.

„Als ich erfuhr, dass die Schwierigkeiten, die ich als Lehrer in Puerto Rico habe, denen ähneln, die Menschen aus anderen Orten in den Vereinigten Staaten haben, gab mir das Hoffnung, dass ich die Dinge richtig mache“, sagte Delgado. „Außerdem gaben sie mir Ideen, wie ich die Teilchenphysik in meinem Unterricht angehen kann.“

Auch die Diskussion mit anderen Lehrern über Möglichkeiten, die Teilchenphysik in den Unterricht zu bringen, war für Rosen inspirierend.

„Naturwissenschaften zu unterrichten ist wie das Schießen auf ein bewegliches Ziel – denn wenn man es gut macht, verändert es sich – und wir sollten damit Schritt halten und es in unseren Lehrplan aufnehmen“, sagte sie. „Ich bin zutiefst dankbar für Erfahrungen, in denen ich mich weiterentwickeln kann, damit ich diese wieder in meinen Unterricht einbringen kann.“

Das QuarkNet Data Camp findet jedes Jahr im Juli statt. Lehrer, die Mitglieder von QuarkNet sind, können von ihrem Mentor oder QuarkNet-Mitarbeitern für die Teilnahme am jährlichen Camp nominiert werden. Für die Teilnahme fallen keine Kosten an – alle Kosten werden übernommen – und die Dozenten erhalten ein Stipendium für ihre Zeit.

„Obwohl es nur eine Woche war, war es meiner Meinung nach der Höhepunkt des ganzen Sommers“, sagte Delgado. „Ich habe bereits mit der Planung meines Jahres begonnen und es wird einen großen Einfluss darauf haben, wie ich dieses Jahr an meinen Unterricht herangehen werde.“

Das Fermi National Accelerator Laboratory wird vom Office of Science des US-Energieministeriums unterstützt. Das Office of Science ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter science.energy.gov.