Wie man einen abstrakten Formalismus anschaulich vermittelt
Drei Chemnitzer Physiker eröffneten die diesjährige Schule „Physikalische Praktika“ der Deutschen Physikalischen Gesellschaft mit einem Experimentalvortrag zum Thema Fourieroptik
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Für die Darstellung der Live-Experimente wurden mehrere Kamerabilder zusammengefügt. Im unteren Teil ist er verwendete Versuchsaufbau zur Fourieroptik zu sehen. Im oberen Bildteil befinden sich die mit diesem Aufbau erhaltene Abbildung eines mikroskopischen Objekts (rechts) sowie die Aufnahme der Fouriertransformierten desselben Objekts (links). Quelle: Screenshot der Vortragsaufzeichnung -
Die Vortragenden Dr. Thomas Franke (r.) und Dr. Martin Dehnert (l.) im Physikhörsaal der TU Chemnitz, von wo aus der Vortrag als Videokonferenz übertragen wurde. Quelle: Screenshot der Vortragsaufzeichnung
„Physikalische Praktika“ – dieser Begriff steht in der Physikausbildung an Hochschulen für die Vermittlung der praktischen Laborarbeit, die neben den theoretischen Kenntnissen eine wesentliche Fachkompetenz darstellt. Zugleich steht dieser Begriff auch für eine Arbeitsgruppe innerhalb der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG), in der sich Praktikumsleiterinnen und -leiter aus dem gesamten deutschsprachigen Raum (und teilweise auch darüber hinaus) zum Erfahrungsaustausch treffen. Alljährlich im Frühjahr findet im DPG-Kongresszentrum in Bad Honnef die DPG-Schule „Physikalische Praktika“ statt. Im Rahmen dieser Weiterbildungsmaßnahme geht es hauptsächlich um fachliche und didaktische Gesichtspunkte bei der praktischen Ausbildung im Fach Physik. In diesem Jahr wurde ein hybrides Veranstaltungsformat gewählt. So war eine Teilnahme sowohl in Präsenz im Kongresszentrum als auch online via Videokonferenz möglich.
Den Chemnitzer Physikern wurde in diesem Jahr die Ehre zuteil, im sehr umfangreichen Tagungsprogramm den Eröffnungsvortrag zu halten. Dr. Thomas Franke, Dr. Herbert Schletter und Dr. Martin Dehnert präsentierten das Thema Fourieroptik in einer Mischung aus Theorie und Praxis. Neben den formal-mathematischen Betrachtungen wurden auch die zugehörigen Experimente live im Vortrag vorgeführt. Da sich die Vortragenden selbst nicht in Bad Honnef, sondern in Chemnitz befanden, konnte gleichzeitig auch eindrucksvoll demonstriert werden, wie hybride Lehrveranstaltungen mit Live-Experimenten an der TU Chemnitz umgesetzt werden.
Nach Einschätzung der Zuhörerinnen und Zuhörer ist das Thema Fourieroptik äußerst grundlegend sowohl für die Ausbildung im Hauptfach als auch für die Nebenfachausbildung der Ingenieurinnen und Ingenieure. Die Bezeichnung Fourieroptik verweist auf die allgemeine mathematische Operation der Fouriertransformation. Einerseits findet dieses Verfahren in vielen Bereichen der Naturwissenschaft und Technik Anwendung. Andererseits bereitet es als abstraktes mathematisches Werkzeug den Studierenden meist Schwierigkeiten im Verständnis und in der Anwendung. Hier setzen die Experimente zur Fourieroptik an, die im Vortrag vorgestellt wurden. „Auch bei einer optischen Abbildung – beispielsweise in einem Mikroskop – kommt die Fouriertransformation zum Tragen“, erläutert Schletter: „In einem entsprechenden optischen Aufbau lassen sich das Abbild eines Objekts und die zugehörige Fouriertransformierte, ebenfalls in Form eines Bildes, gleichzeitig beobachten. So kann ohne Rechenaufwand der Zusammenhang zwischen einem Objekt und seiner Fouriertransformierten beobachtet werden. Die abstrakte Rechenoperation erhält so eine anschauliche Bedeutung.“ Auch die bei Studierenden nicht seltene Frage nach dem Sinn dieses Verfahrens wird auf diese Weise beantwortet.
Von den Zuhörerinnen und Zuhörern wurde vielfach die Wichtigkeit einer anschaulichen Vermittlung der Fouriertransformation bestätigt. „Die Diskussion zeigte, dass Fourieroptik, generell die Fouriertransformation, ein schwieriges Thema ist, an das die Studierenden sorgfältig mit vielen Analogien zwischen Experiment und Theorie herangeführt werden müssen. Dies leistet exemplarisch auch der didaktische Aufbau des Vortrags […]“ fasst Dr. Franz-Josef Schmitt als Leiter der DPG-Schule zusammen. Vor diesem Hintergrund vermittelte der Vortrag nicht nur die physikalischen Aspekte der Fouriertransformation, wie Franke betont: „Die im Vortrag live vorgeführten Experimente bieten wertvolle Beispiele für neue grundlegende Praktikumsversuche sowohl für das Grundlagen- und Anfänger- als auch für die Fortgeschrittenenpraktika. Der von der Firma Thorlabs entwickelte Versuchsaufbau ermöglicht den Studierenden, die Apparatur komplett aus Einzelteilen schrittweise selbst aufzubauen, zu justieren und gezielt zu erforschen.“
Hinweis: Der aufgezeichnete Vortrag ist im Videocampus Sachsen verfügbar: https://videocampus.sachsen.de/video/Fourieroptik/bfffb047408ff4bf07729732b4dc6586
(Autoren: Dr. Thomas Franke und Dr. Herbert Schletter)
Mario Steinebach
14.03.2022
