Die Quantenphysik bildet schon heute das Fundament zahlreicher aktueller Technologien. Zukünftige Quantentechnologien, wie Quantencomputer, werden sowohl in der Industrie als auch für die Gesellschaft an Bedeutung gewinnen. In vielen nationalen und internationalen Schulcurricula ist die Quantenphysik als Thema für den Physikunterricht mittlerweile fest verankert. Aber trotz des enormen Bedeutungszuwachses von Quantentechnologien ist der Unterricht zur Quantenphysik an Schulen nach wie vor von semi-klassischen Modellen und quasi-historischen Zugängen geprägt, während moderne Begriffe der Quantenphysik häufig unberücksichtigt bleiben. Die Folge sind oft klassisch-mechanistisch geprägte Vorstellungen Lernender zur Quantenphysik. Hier setzt diese Arbeit an: mit dem Erlanger Unterrichtskonzept zur Quantenoptik wird ein Konzept vorgestellt, mit dem Lernende der gymnasialen Oberstufe Quanteneffekte anhand quantenoptischer Experimente kennen lernen. Konzepte der Quantenoptik, wie die Präparation von Quantenzuständen, die Antikorrelation am Strahlteiler und die Einzelphotoneninterferenz verhelfen Lernenden zu einem modernen Bild über Quantenphysik. Im Rahmen einer summativen Evaluation im Mixed-Methods-Design mit 171 Schülerinnen und Schülern zeigte sich, dass Lernende mit dem Erlanger Unterrichtskonzept zu quantenphysikalisch dominierten Vorstellungen gelangen und verbreitete Lernschwierigkeiten vermieden werden können.

 Im naturwissenschaftlichen Unterricht setzt hypothesengeleitetes Experimentieren bei den Lernenden eine Grundvorstellung über die untersuchten Zusammenhänge voraus. Die Arbeit mit einem dynamischen Modell soll im didaktischen Konzept der physikalischen Modellbildung die Lücke zwischen einer naturwissenschaftlichen Fragestellung und einer im Experiment überprüfbaren Hypothese schließen. Die Anwendung des aus erkenntnistheoretischen Überlegungen abgeleiteten Konzepts wird in einer explorativen Studie im Mixed-Methods-Design analysiert, in der sich N = 41 Lehramtsstudierende mit GeoGebra-Modellen auf ein Experiment im Praktikum der Optik vorbereiten. Anhand von Videoaufnahmen werden Faktoren und Verhaltensmuster der Arbeit mit einem dynamischen Modell identifiziert. Diese Merkmale werden in Abhängigkeit individueller Lernvoraussetzungen auf Zusammenhänge mit der Qualität und Quantität der formulierten Hypothesen sowie den Handlungen im Experiment untersucht. Aus den Daten wird ersichtlich, dass die Formulierung komplexer Hypothesen und ihre Überprüfung in einem Experiment erst bei gründlicher Arbeit mit dem dynamischen Modell erfolgt. Als Ergebnis werden Gestaltungsempfehlungen für dynamische Modelle abgeleitet, die eine zielgerichtete Untersuchung des modellierten Systems ermöglichen. Sie werden in einem Unterrichtskonzept für die Optik umgesetzt, das sich durch die Modellierung optischer Phänomene und die Überprüfung der Modellaussagen in Experimenten auszeichnet.

 Die zentralen Aussagen der Newtonschen Mechanik sind für Lernende nur schwer zu verstehen. Nicht zur physikalischen Theorie passende Schülervorstellungen erschweren den Aufbau von Konzeptverständnis. Dies liegt u.a. an der wahrgenommenen Unvereinbarkeit der Newtonschen Gesetze mit Alltagserfahrungen der Lernenden. Oft vorgeschlagen wird hier Computereinsatz zur Bearbeitung authentischer Bewegungen mit Reibungseinflüssen. Die vorliegende Mixed-Methods-Studie (N = 274) umfasst die Entwicklung und Pilotierung eines Testinstruments, die theoriegeleitete Konzeption zweier Interventionen zur Newtonschen Dynamik für die gymnasiale Oberstufe (mathematische Modellbildung bzw. Videoanalyse von Bewegungen) sowie deren quantitative und qualitative Evaluation. Das Ziel war, ein angemessenes Kraftverständnis bei den Lernenden aufzubauen. Mit Blick auf den gesamten Lernzuwachs ergibt sich kein Unterschied zwischen den Varianten, wohl aber in einzelnen Inhaltsbereichen und im Modellverständnis der Lernenden. Eine Mehrebenanalyse zeigt, dass u.a. das Interesse an theoretischen Zusammenhängen und die kognitive Belastung den Lernzuwachs beeinflussen. Die Analyse von Bildschirmaufnahmen deutet an, dass die Phase der Ergebnissicherung und die Nutzung von Modell- bzw. Messdaten wichtig für den Lernerfolg sein könnten. Die Thematisierung von komplexen Bewegungen mithilfe des Computers ist erfolgreich und führt in beiden Gruppen zu einer starken Verbesserung im Kraftverständnis.

 Verständnisprozesse sind zentraler Teil des Lernens und der Bildung. Vor allem in den Naturwissenschaften und in der Mathematik ist es jedoch häufig der Fall, dass diese Prozesse nur teils oder gar nicht stattfinden. Ausgehend von dieser Problematik wird hier eine Studie vorgestellt, die mentale Modelle der Atomhülle und allgemein das Modellverständnis in der Physik gemeinsam untersucht. Aus den gewonnen empirischen Daten werden dabei vier Verständnistypen mentaler Modelle abgeleitet und mittels Literaturvergleichs in die Literatur der naturwissenschaftlichen Didaktik eingeordnet. Somit liefert die vorliegende Arbeit nicht nur eine mögliche Erklärung für das Festhalten an klassischen, mechanistischen Modellvorstellungen trotz der Einführung in die Quantenphysik, sondern auch generell für Probleme beim Verständnisprozess, die in der naturwissenschaftlichen Didaktik beim Lernen mit Modellen und bei Vorstellungen auftreten.

 Die Teilchenphysik als Teilgebiet der modernen Physik gewinnt zunehmend an Bedeutung im schulischen Physikunterricht. In dieser Arbeit wird erstmalig das von Lehrkräften benötigte Fachwissen zur Teilchenphysik modelliert, wobei Fachwissen als ein Teil des Professionswissens verstanden wird. Als Fachwissensdimensionen werden die Inhaltsbereiche und die Wissensarten in den Fokus genommen, für welche jeweils Subfacetten identifiziert und präzise beschrieben werden. Nach einem Überblick über die wesentlichen Ideen der Teilchenphysik wird in der Arbeit die sukzessive Modellierung des Fachwissens im Rahmen einer qualitativ und quantitativ angelegten Delphi-Studie vorgestellt. In drei Befragungsrunden wurden zwischen 35 und 65 internationale Expertinnen und Experten aus der teilchenphysikbezogenen Forschung (Fachwissenschaft und Fachdidaktik) und Öffentlichkeitsarbeit (u.a. Wissenschaftsjournalismus) sowie erfahrene Lehrkräfte zu den für das Fachwissen relevanten Themen der Teilchenphysik befragt. Empirische Analysen der Befragungsrunden ergaben, dass sich die Dimension Inhaltsbereiche im deklarativen Wissen aus zehn teilchenphysikalischen Themen (z.B. Teilchen in der Hochenergiephysik, die vier fundamentalen Wechselwirkungen) zusammensetzt, von welchen sechs als besonders relevant eingeschätzt wurden. Im Anschluss an die letzte Befragungsrunde wurde theoriegeleitet eine erste Modellierung der Inhaltsbereiche für die Wissensarten des prozeduralen und konditionalen Wissens vorgenommen.

 Ein zentrales Ziel der fachdidaktischen Forschung stellt die Verbesserung schulischen Unterrichts dar. Eine Transferstrategie zur flächendeckenden Verbreitung wissenschaftlicher Erkenntnisse bildet die Bereitstellung evidenzbasierter, innovativer materialgestützter Unterrichtskonzeptionen. Allerdings fällt das Materialnutzungsverhalten von Lehrkräften individuell sehr unterschiedlich aus, wobei das Zusammenspiel verschiedener Einflussfaktoren auf die Materialnutzung bislang wenig erforscht ist. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, dieses Wirkgefüge unter authentischen Bedingungen genauer zu untersuchen. Dazu wurde kriteriengeleitet eine evidenzbasierte, fachdidaktisch innovative Unterrichtskonzeption ausgewählt (das Münchener Unterrichtskonzept zur Quantenmechanik) und den teilnehmenden Lehrkräften fakultativ zur Verfügung gestellt. Mittels eines qualitativen Forschungsansatzes wurden elf Lehrkräfte bei der Implementierung des Konzepts durch ein Interview zu Beginn und am Ende einer Unterrichtsreihe zur Quantenmechanik sowie zwei Unterrichtsbeobachtungen mit je einem anschließenden stimulated recall begleitet. Aus den Ergebnissen folgt, dass die Probanden sich überwiegend heuristisch mit der Konzeption auseinandersetzten und lediglich Elemente auf Sichtstrukturebene implementierten. Das nachgewiesene Wirksamkeitspotential von evidenzbasierten, innovativen Unterrichtskonzeptionen scheint sich folglich lediglich unter bestimmten Bedingungsfaktoren zu entfalten.

 Eine lernendenorientierte und adaptive Gestaltung von Unterricht erfordert von den Lehrkräften, dass sie vorhandene Kompetenzen und Lernprozesse der Schülerinnen und Schüler diagnostizieren. Außerdem müssen sie die Anforderungen von Aufgaben mit Blick auf deren Passung zu den Lernprozessen der Schülerinnen und Schüler analysieren können. Eine derart verstandene "diagnostische Kompetenz" wird als zentrales Professionalisierungsziel von Lehrkräften angesehen. Vor diesem Hintergrund wurden die diagnostischen Prozesse von acht Studierenden mit den Fächern Physik und Mathematik in zwei aufeinander folgenden Lehrveranstaltungen zur Diagnostik untersucht, um Potentiale und Lernhindernisse im Kompetenzaufbau zu identifizieren. In beiden Veranstaltungen bildeten Vignetten von Lernprozessen den Ausgangspunkt für studentische Diagnosen. Forschungsgegenstand waren u.a. schriftliche Diagnosen der Studierenden im Prä-Post-Vergleich sowie auf Video aufgezeichnete studentische Diskurse bei der Diagnose von Lernprozessen der Schülerinnen und Schüler. Die Analysen erfassen u.a., auf welche Komponenten eines Diagnoseprozesses die Studierenden in welcher Weise Bezug nehmen und welche (fach-) didaktischen überlegungen bzw. Theoriebezüge sie in ihren Diagnosen als Referenzpunkte nutzen. Die Ergebnisse zeigen, dass auf struktureller Ebene zwar alle Komponenten thematisiert, aber inhaltlich nicht entlang einer typischen Abfolge miteinander verbunden werden. Trotz inhaltlicher Prompts wird nur selten explizit auf Theoriebezüge zurückgegriffen.