Εκπαιδευτικές προσεγγίσεις της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας με ψηφιακές τεχνολογίες

Abstract

Theory of Special Relativity is one of the most influential theories of the 20th century and has changed the way we view the world. It is part of many undergraduate curriculums and it is often suggested that it should be integrated into an upper secondary curriculum. Special Theory of Relativity combines time and space and as it describes abstract phenomena, students encounter several difficulties understanding its basic principles and consequences. This Phd thesis consists of two main parts. In the first part, we present the research that we conducted in order to detect the aforementioned difficulties. The sample consisted of 45 non-major physics undergraduate students. The purpose of our study was to determine and categorize the difficulties students face when they study the principles of the Theory of Special Relativity and its consequences. The results of our research indicate that student face many obstacles when trying to interpret phenomena described by the Special Relativity principles. These results dictate us to create an educational approach that tackle the difficulties found. So we proceeded to the second part of our research. Particularly, we constructed a digital learning environment for teaching Special Relativity in a university and an upper secondary level. This learning environment included interactive educational simulations of Special Relativity Phenomena (time dilation, length contraction and relativity of simultaneity). In order to investigate the learning outcomes of our environment, we conducted a quantitative research. Results showed significant differences between the experimental and control groups in pre-test–post-test comparisons, confirming our hypothesis that the learning environment we constructed would result in learning gains for the participating students.

Η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας αποτελεί μια από τις σημαντικότερες θεωρίες του 20ου αιώνα και έχει αλλάξει τον τρόπο που βλέπουμε το σύμπαν. Είναι μέρος πολλών προπτυχιακών προγραμμάτων σπουδών και προτείνεται από πολλούς ερευνητές η ένταξη της στην ανώτερη δευτεροβάθμια εκπαίδευση. Η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας συνδυάζει τον χώρο και το χρόνο και καθώς μελετά αφηρημένα φαινόμενα οδηγεί τους μαθητές στο να αντιμετωπίζουν δυσκολίες στην κατανόηση των βασικών αρχών και των συνεπειών των αρχών αυτών. Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή διακρίνουμε δύο μέρη. Στο πρώτο μέρος παρουσιάζουμε την έρευνα που διενεργήσαμε προκειμένου να προσδιορίσουμε τις προαναφερθείσες δυσκολίες. Το δείγμα αποτελούταν από 45 φοιτητές, οι οποίοι δεν είχαν ως κύριο γνωστικό αντικείμενο τη Φυσική. Ο σκοπός της έρευνας μας ήταν να προσδιορίσουμε και να κατηγοριοποιήσουμε τις δυσκολίες που αντιμετωπίζουν οι φοιτητές όταν μελετούν τις βασικές αρχές της Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας, καθώς και τις συνέπειες τους. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι φοιτητές αντιμετωπίζουν δυσκολίες κατά τη μελέτη της Ειδικής Σχετικότητας. Έτσι, προχωρήσαμε στο δεύτερο μέρος της διατριβής το οποίο περιελάμβανε τη δημιουργία ενός εκπαιδευτικού ψηφιακού περιβάλλοντος το οποίο θα βοηθούσε τους μαθητευόμενους να ξεπεράσουν τις οποίες δυσκολίες είχαν στην κατανόηση των βασικών αρχών και συνεπειών της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας. Το εν λόγω περιβάλλον, περιλαμβάνει αλληλεπιδραστικές προσομοιώσεις σχετικιστικών φαινομένων ( σχετικότητα του ταυτοχρονισμού, διαστολή του χρόνου, συστολή του μήκους). Προκειμένου να διερευνήσουμε τα μαθησιακά αποτελέσματα σχεδιάσαμε και υλοποιήσαμε ποσοτική έρευνα. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την αρχική μας υπόθεση ότι οι εκπαιδευόμενοι όταν μελετούν την Ειδική Σχετικότητα μέσα στο ψηφιακό περιβάλλον που δημιουργήσαμε έχουν θετικότερα των συνήθων παραδοσιακών μεθόδων αποτελέσματα.