The Use of Feynman Diagrams in Physics Education: Opportunities, Challenges, Practices

by Merten Nikolay Dahlkemper
Doctoral thesis
Date of Examination:2024-05-14
Date of issue:2024-06-28
Advisor:Prof. Dr. Pascal Klein
Referee:Prof. Dr. Pascal Klein
Referee:Prof. Dr. Andreas Müller
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10576

 

 

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Abstract

English

This thesis explores the potential of Feynman diagrams as educational tools in upper secondary physics education, specifically for teaching particle physics concepts. It is set within the design-based research (DBR) framework, meaning learning materials incorporating Feynman diagrams were designed and evaluated while obtaining theoretical insights into learning processes. Feynman diagrams are a widely used tool in particle physics and have, therefore, found their way into physics textbooks and popular culture. Students interested in particle physics will come across them. However, the complexity of these diagrams also raises concerns about their suitability as educational content. On the theoretical side, this project addressed two key research goals: a) Identifying the opportunities and challenges of using Feynman diagrams in particle physics education. b) Developing specific design principles for designing and using learning materials that effectively leverage Feynman diagrams. On the practical side, the outcome was an online learning environment that interested students can use to learn about particle physics. As mentioned in the beginning, the project followed the DBR framework. Interviews with four experts on particle physics education were conducted to investigate the opportunities and challenges of Feynman diagrams in physics education. Learning goals that can be achieved with Feynman diagrams were derived from these interviews and literature. A draft of the learning material was designed based on the learning goals and design principles from multimedia research. The material consisted of graphics and English-speaking textual explanations to convey concepts of particle physics with Feynman diagrams, which students typically took between 20 to 30 minutes to work through. This draft was evaluated in two rounds with 72 international students between 16 and 20 years at CERN and, after redesigning and creating a German version, in a third study with 33 students between 15 and 19 years in two German schools. The evaluation studies used eye-tracking to investigate students' visual strategies and cognitive processes. Think-aloud protocols and questionnaires about prior knowledge in particle physics, cognitive load, motivational factors, and conceptual understanding supplemented the eye-tracking data. Four progressing educational opportunities could be derived from the expert interviews and relevant literature: Feynman diagrams offer a clear and intuitive way to represent \textbf{charge conservation}, a crucial concept in physics, especially particle physics. They can introduce the concept of interaction particles, a key concept of modern physics, contrasting it with the classical, non-local interaction view. They help illustrate the superposition principle and the role of approximations in particle physics, unveiling the quantum nature of particle physics and, thereby, a more accurate picture of the field than usually painted in popular depictions. By understanding how Feynman diagrams \textbf{connect theoretical and experimental particle physics}, students gain a deeper understanding of the nature of science. The first and second eye-tracking studies revealed that students use different, diagram-dependent visual strategies to examine Feynman diagrams based on the depth of their processing. The eye-tracking data of the third study demonstrated that various types of diagrams have different needs of cognitive processing, that students can learn through examples of Feynman diagrams that visualise charge conservation to focus their attention on relevant parts, and that a focused and systematic viewing behaviour is beneficial to solve tasks with Feynman diagrams. Furthermore, responses to open comprehension questions in the third student study revealed students' difficulties with subject-specific terms and concepts (like "weak charge" or "interaction particle") but no inherently stable or widespread inadequate conceptions. From these results, \textbf{challenges} that come with using the diagrams in education can be derived, which are classified into three categories: Students have difficulties with concepts like charge conservation and interaction particles, requiring careful instruction and practice. The complexity of Feynman diagrams, including non-sequential elements and arrows, is challenging for some students to decipher. Using technical terms in particle physics confuses most students. Furthermore, certain \textbf{specific design principles} can be derived from the project to address these challenges: Foster the development of different strategies (e.g., reading vertices forwards and backwards or identifying anti-particles) for examining Feynman diagrams to enhance their understanding. Present the Feynman diagrams in a well-defined progression, starting from simpler diagrams and gradually increasing complexity. Introduce foundational terms and definitions before using them in the explanations of diagrams to mitigate confusion. The results of this thesis demonstrate that Feynman diagrams can be valuable tools for teaching particle physics concepts in upper secondary education, provided the challenges are addressed with appropriate practices. However, further research should be done to explore the broader application of Feynman diagrams in science education.
Keywords: Physics; Physics Education Research; Feynman diagrams; Eye Tracking; Particle Physics; Design-Based Research

German

In dieser Arbeit wird dass Potential von Feynman-Diagrammen für das Physiklernen auf dem Niveau der Sekunderstufe II untersucht, insbesondere für die Vermittlung von Konzepten der Teilchenphysik. Sie ist im Rahmen der designbasierten Forschung (DBR) angesiedelt, was bedeutet, dass Lernmaterialien, die Feynman-Diagramme enthalten, entworfen und evaluiert wurden, während gleichzeitig theoretische Erkenntnisse über Lernprozesse gewonnen wurden. Feynman-Diagramme sind ein weit verbreitetes Werkzeug in der Teilchenphysik und haben daher ihren Weg in die Physiklehrbücher und die Populärkultur gefunden. Jugendliche, die sich für Teilchenphysik interessieren, werden ihnen daher unweigerlich begegnen. Die Komplexität dieser Diagramme gibt jedoch auch Anlass zu Bedenken hinsichtlich ihrer Eignung als Lerninhalt. Auf der theoretischen Seite wurden in diesem Projekt zwei zentrale Forschungsziele verfolgt: Identifizierung der \textbf{Chancen und Herausforderungen} der Verwendung von Feynman-Diagrammen beim Lernen von Konzepten der Teilchenphysik. Entwicklung von spezifischen Gestaltungsprinzipien zur Gestaltung und Verwendung von Lernmaterialien, die Feynman-Diagramme effektiv nutzen. Auf der praktischen Ebene war das Ergebnis eine Online-Lernumgebung, die interessierte Schüler*innen nutzen können um über Teilchenphysik zu lernen. Wie eingangs erwähnt, folgte das Projekt dem DBR-Ansatz. Es wurden Interviews mit vier Expert*innen für das Lehren und Lernen auf dem Gebiet der Teilchenphysik geführt, um die Chancen und Herausforderungen des Lernens mit Feynman-Diagrammen zu untersuchen. Die Lernziele, die mit Feynman-Diagrammen erreicht werden können, wurden aus diesen Interviews und der Literatur abgeleitet. Auf der Grundlage der Lernziele und Gestaltungsprinzipien aus der Multimediaforschung wurde ein Entwurf des Lernmaterials erstellt. Das Material bestand aus Grafiken und englischsprachigen Erklärungen in Textform zur Vermittlung von Konzepten der Teilchenphysik mit Feynman-Diagrammen, für deren Bearbeitung die Schülerinnen und Schüler typischerweise zwischen 20 und 30 Minuten benötigten. Dieser Entwurf wurde in zwei Runden mit 72 internationalen Schüler*innen zwischen 16 und 20 Jahren am CERN und, nach Überarbeitung und Erstellung einer deutschen Version, in einer dritten Studie mit 33 Schüler*innen zwischen 15 und 19 Jahren an zwei deutschen Schulen evaluiert. In den Evaluationsstudien wurden mittels Eye-Tracking die visuellen Strategien und kognitiven Prozesse der Schüler*innen untersucht. Think-aloud-Protokolle und Fragebögen zu Vorwissen in Teilchenphysik, kognitiver Belastung, Motivationsfaktoren und konzeptionellem Verständnis wurden als Begleitdaten erhoben. Aus den Experteninterviews und der einschlägigen Literatur konnten vier aufeinander aufbauende didaktische Chancen abgeleitet werden: Feynman-Diagramme bieten eine klare und intuitive Möglichkeit zur Darstellung der Ladungserhaltung, einem wichtigen Konzept in der Physik, insbesondere der Teilchenphysik. Sie können das Konzept der Wechselwirkungsteilchen, einen Schlsselkonzept der modernen Physik, einführen und es mit der klassischen, nichtlokalen Wechselwirkungsansicht kontrastieren. Sie helfen dabei, das Überlagerungsprinzip und die Rolle von Näherungen in der Teilchenphysik zu veranschaulichen, indem sie die Quantennatur der Teilchenphysik enthüllen und damit ein präziseres Bild des Feldes zeichnen als es üblicherweise in populären Darstellungen gezeichnet wird. Durch das Verständnis, wie Feynman-Diagramme die theoretische und experimentelle Teilchenphysik miteinander verbinden, gewinnen die Schüler*innen ein tieferes Verständnis für die Natur der Naturwissenschaft. Die erste und die zweite Eye-Tracking-Studie haben gezeigt, dass die Schüler*innen je nach Verarbeitungstiefe unterschiedliche, vom Diagramm abhängige visuelle Strategien zur Untersuchung von Feynman-Diagrammen verwenden. Die Eye-Tracking-Daten der dritten Studie zeigten, dass verschiedene Diagrammtypen unterschiedliche Anforderungen an die kognitive Verarbeitung stellen, dass Schüler*innen durch Beispiele von Feynman-Diagrammen lernen können, die Ladungserhaltung zu visualisieren, um ihre Aufmerksamkeit auf relevante Teile zu fokussieren, und dass ein fokussiertes und systematisches Betrachtungsverhalten von Vorteil ist, um Aufgaben mit Feynman-Diagrammen zu lösen. Darüber hinaus zeigten die Antworten auf offene Verständnisfragen in der dritten Studie, dass die Schüler*innen Schwierigkeiten mit fachspezifischen Begriffen und Konzepten (wie "schwache Ladung" oder "Wechselwirkungsteilchen") haben, aber keine inhärent stabilen oder weit verbreiteten inadäquaten Vorstellungen. Aus diesen Ergebnissen lassen sich Herausforderungen ableiten, die mit der Verwendung der Diagramme im Lehr-/ Lernkontext einhergehen und in drei Kategorien eingeteilt werden: Schüler*innen haben Schwierigkeiten mit Konzepten wie Ladungserhaltung und Wechselwirkungsteilchen, die eine sorgfältige Anleitung und Übung erfordern. Die Komplexität von Feynman-Diagrammen, einschließlich nicht-sequenzieller Elemente und Pfeile, ist für einige Schüler*innen schwer zu bewältigen. Die Verwendung von Fachbegriffen in der Teilchenphysik verwirrt die meisten Schüler*innen. Darüber hinaus lassen sich aus dem Projekt bestimmte spezifische Gestaltungsprinzipien ableiten, um diesen Herausforderungen zu begegnen: Fördern Sie die Entwicklung verschiedener Strategien (z. B. das Vorwärts- und Rückwärtslesen von Vertices oder die Identifizierung von Antiteilchen im Diagramm), um die Feynman-Diagramme zu untersuchen und ihr Verständnis zu verbessern. Präsentieren Sie die Diagramme in einer klar definierten Abfolge, beginnend mit einfacheren Diagrammen und allmählich ansteigender Komplexität. Führen Sie grundlegende Begriffe und Definitionen ein, bevor sie bei der Erklärung von Diagrammen verwendet werden, um Verwirrung zu vermeiden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Feynman-Diagramme wertvolle Werkzeuge für den Unterricht von Konzepten der Teilchenphysik in der Sekundarstufe II sein können, vorausgesetzt, die Herausforderungen werden mit geeigneten Maßnahmen angegangen. Es sollten jedoch weitere Forschung durchgeführt werden, um die breitere Anwendung von Feynman-Diagrammen im naturwissenschaftlichen Unterricht zu untersuchen.
 
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