Διδασκαλία βασικών εννοιών της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας στη δευτεροβάθμια εκπαίδευση: διερεύνηση διαδικασιών μάθησης

Abstract

This PHD Thesis contributes to Science Education Research. It focuses on the possibility of teaching and learning basic ideas of the Theory of Special Relativity (TSR) at upper secondary school. Its aim is to investigate students’ learning processes towards the two axioms of the theory and their consequences (the relativity of simultaneity, time dilation and length contraction). Based on an analysis of physics college textbooks, on the review of the relevant bibliography and on two pilot studies, a teaching and learning sequence consisted of five sessions was developed. To collect the data, experimental interviews (a so-called ‘teaching experiment’) were used. The teaching experiment may be viewed as a Piagetian critical interview that is deliberately employed as a teaching and learning situation. The sample consisted of forty 10th grade students (aged 15-16). Each student had to fill also open-ended questionnaires before, after the end of the interviews and one month later. Methods of qualitative content analysis were applied. The main findings of the study show that students are able to recognize the basic ideas of the TSR and to deal with its consequences which have to do with the relativity of time and space. They face some difficulties though, concerning the following concepts: a) Frame of reference, b) observers, and c) objects’ properties. The results lead to the conclusion that students seem to think in absolute terms. This makes it difficult for them to deal effectively with the TSR. They seem to try to incorporate the Theory of Relativity into Classical Physics.

Η συγκεκριμένη διατριβή εντάσσεται στο ερευνητικό πεδίο της Διδακτικής των Φυσικών Επιστημών. Επιχειρείται η διδασκαλία βασικών εννοιών της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας (ΕΘΣ) στη δευτεροβάθμια εκπαίδευση. Βασικός στόχος της έρευνας ήταν η καταγραφή των διαδικασιών μάθησης του μαθητικού πληθυσμού κατά τη διδασκαλία των δύο αξιωμάτων της ΕΘΣ και των συνεπειών της (σχετικότητα ταυτοχρονισμού, διαστολή χρόνου και συστολή μήκους). Με βάση μία ανάλυση πανεπιστημιακών βιβλίων Φυσικής, την ανασκόπηση της σχετικής βιβλιογραφίας και δύο πιλοτικές έρευνες, σχεδιάστηκε η κυρίως εμπειρική έρευνα. Συγκεκριμένα, σχεδιάστηκε μία διδακτική ακολουθία που αποτελούνταν από πέντε «συνεντεύξεις». Η έρευνα πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο του διδακτικού πειράματος, που αποτελεί μια τεχνική συνέντευξης η οποία συνδυάζει τα στοιχεία μιας κλασικής συνέντευξης, αλλά και μιας διδασκαλίας. Το δείγμα αποτελούνταν από σαράντα μαθητές της Α’ λυκείου (15-16 ετών). Τα δεδομένα προέκυψαν από τις «συνεντεύξεις», καθώς και από ερωτηματολόγια με ανοιχτές ερωτήσεις που απάντησαν ατομικά οι μαθητές πριν, αμέσως μετά το τέλος των συνεντεύξεων, καθώς και ένα μήνα μετά. Η ανάλυση των δεδομένων έγινε με ποιοτικές μεθόδους ανάλυσης περιεχομένου. Προέκυψε ότι οι μαθητές μπορούν να κατανοήσουν τα δύο αξιώματα της ΕΘΣ και να τα εφαρμόσουν κατά την επεξεργασία των συνεπειών της. Αντιμετωπίζουν, ωστόσο, ορισμένες δυσκολίες που σχετίζονται με τις έννοιες i) του συστήματος αναφοράς, ii) του παρατηρητή και iii) των ιδιοτήτων των αντικειμένων. Οι δυσκολίες που επισημαίνονται οδηγούν στο συμπέρασμα ότι οι μαθητές φαίνεται να σκέφτονται με απόλυτους όρους και τείνουν να ερμηνεύσουν τη θεωρία της Σχετικότητας στα πλαίσια της Κλασικής Φυσικής.