Studying worked examples has been shown by extensive research to be an effective method for learning to solve well-structured problems in physics and mathematics. The effectiveness of learning with worked examples has been demonstrated and documented in many research projects. In this work, we propose a new four-step approach for teaching with worked examples that includes writing explanations and finding and correcting errors. This teaching method can even be implemented in courses in which homework performance constitutes part of the grading system. This four-step approach is illustrated in the context of Lagrangian mechanics, which is ideal for the application of worked examples due to its universal approach to solve problems.

With quantum physics being a particularly difficult subject to teach because of its contextual distance from everyday life, the need for multiperspective teaching material arises. Quantum physics education aims at exploring these methods but often lacks physical models and haptic components. In this paper, we provide two analog models and corresponding teaching concepts that present analogies to quantum phenomena for implementation in secondary school and university classrooms: While the first model focuses on the polarization of single photons and the deduction of reasoning tools for elementary comprehension of quantum theory, the second model investigates analog Hardy experiments as an alternative to Bell’s theorem. We show how working with physical models to compare classical and quantum perspectives has proven helpful for novice learners to grasp the abstract nature of quantum experiments and discuss our findings as an addition to existing quantum physics teaching concepts.

Immer mehr Themen drangen sich mittelfristig in unseren Alltag. Aktuell beginnen moderne Quan-tentechnologien Einzug in Industrie und nachfolgend auch in unsere tagliche Lebenswelt zu halten. Damit einher geht die Notwendigkeit nach einem tiefgreifenden Verstandnis komplexer Zusammen-hange, die im Minimum durch eine geeignete Schulausbildung untermauert werden mussen. Hierbei muss ein besonderes Augenmerk auf zukunftige Lehrkrafte gelegt werden, wobei umfassende expe-rimentelle Fertigkeiten gefordert werden, die im Lehramtsstudium bisher nur eine nebengeordnete Rolle spielen. Wir prasentieren im Rahmen dieser Arbeit einen ersten Entwurf fur die Eingliederung dieser Themen in das Studium. So sollen die Grundlagen der Themen moderner Physik im Zuge eines Lehr-Lern-Labors erlernt und ausprobiert werden. Dies umfasst zum einen optische Aufbau-ten, mit welchen quantenmechanische Analogieexperimente durchgefuhrt werden konnen. Zum an-deren werden fur die Auswertung von Einzelphotonenmessungen digitale Zahler und das notige Verstandnis elektronischer Schaltungen benotigt und erlernt.

In den letzten Jahrzehnten wurden viele interaktive sowie aktivierende Lehrkonzepte fur den Schulunterricht oder fur universitare Einfuhrungsvorlesungen in der Physik konzipiert und etabliert. Eine Verbesserung des Lernerfolgs bei Schuler*innen, bzw. bei Studierenden mithilfe solcher Lehrkonzepte ist hinreichend belegt. In fortgeschritteneren Themenfeldern wie der Theoretischen Physik in den Gebieten Mechanik, Quantenmechanik, Elektrodynamik, Thermodynamik und der statistischen Physik gibt es jedoch im deutschsprachigen Raum noch kaum konkrete Umsetzungen dieser Konzepte. Wir beschreiben in diesem Artikel Beispiele, wie interaktive und aktivierende Lehrkonzepte in Universitatsvorlesungen zur Theoretischen Physik mit einem hohen mathematischen Anteil aufgebaut und angewendet werden konnen und mochten alle Dozierenden ermutigen, diese Konzepte in eigenen Vorlesungen ebenfalls einzubauen. Die vorgestellten Beispiele werden seit dem Wintersemester 2018/19 in einem Seminar begleitend zur Vorlesung fur Theoretische Physik fur das gymnasiale Lehramt erprobt und weiterentwickelt. Diese Vorlesung hat die oben genannten inhaltlichen Schwerpunkte Mechanik, Quantenmechanik, Elektrodynamik, Thermodynamik und statistische Physik. Im Seminar werden die neuen Konzepte folglich in diesem Themenspektrum umgesetzt.

Fur die Beschreibung und Kommunikation physikalischer Phanomene sind mathematische Kompetenzen grundlegend und mathematisches Fachwissen ist fur ein tiefes Verstandnis physikalischer Probleme, wie sie an der Universitat behandelt werden, entscheidend. An der Universitat Stuttgart spielt haufig nur eine Einfuhrungsvorlesung, die ausschlieslich das mathematische Handwerkszeug der Physik sowie dessen Anwendungen ohne Vertiefung oder Herleitung vorstellt, eine zentrale Rolle in der mathematischen Ausbildung im Lehramtsstudium fur das Gymnasiallehramt. Erste Befragungen von Studierenden, nach der Einfuhrungsvorlesung, deuten an, dass sie den Zusammenhang zwischen den beiden Fachdisziplinen oft nicht herstellen. Auserdem scheinen sie dem mathematischen Formalismus der Theorievorlesungen in der Physik nur im geringen Umfang folgen zu konnen. Um diesem Umstand entgegen zu wirken, wurden Begleitprogramme zu existierenden Vorlesungen entwickelt. Diese Begleitprogramme nehmen Bezug zu der mathematischen Einfuhrung im ersten Semester und den Theorievorlesungen im dritten und vierten Semester. Hier soll beschrieben werden, mit welchen Ansatzen das gelingen soll. Regelmasiges Feedback der Studierenden deutet an, dass die Angebote geschatzt werden und dem subjektiven Empfinden nach fachlich hilfreich sind. Dennoch nimmt die Teilnehmerzahl stark ab.

Coupled micro- and nanomechanical oscillators are of fundamental and technical interest for emerging quantum technologies. Upon interfacing with long-lived solid-state spins, the coherent manipulation of the quantum hybrid system becomes possible even at ambient conditions. Although the ability of these systems to act as a quantum bus inducing long-range spin-spin interactions has been known, the possibility to coherently couple electron/nuclear spins to the common modes of multiple oscillators and map their mechanical motion to spin-polarization has not been experimentally demonstrated. We here report experiments on interfacing spins to the common modes of a coupled cantilever system and show their correlation by translating ultralow forces induced by radiation from one oscillator to a distant spin. Further, we analyze the coherent spin-spin coupling induced by the common modes and estimate the entanglement generation among distant spins.