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Empirische Untersuchung zu Schülervorstellungen zur Relativitätstheorie
Stefan Brenner
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Lehramt Sek (AB) UF Mathematik UF Physik
Betreuer*in
Hildegard Urban-Woldron
DOI
10.25365/thesis.72777
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-14324.69363.219713-4
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Schülervorstellungen spielen in der Physikdidaktik eine entscheidende Rolle für die Erforschung, Planung, Durchführung und Evaluierung von Physikunterricht. Da zur speziellen Relativitätstheorie jedoch nur wenige Befunde zu den Vorstellungen der Schuler existieren ist die zentrale Frage dieser Arbeit, welche Vorstellungen die Schuler in den Unterricht mitbringen, und welche nach dem Schulunterricht zum Thema vorliegen. Somit soll erhoben werden, welche Voraussetzungen zu Beginn des Unterrichts gegeben sind, um die Entwicklung von adäquaten Unterrichtskonzepten, die daran anknüpfen, zu ermöglichen. Die Vorstellungen der Schuler nach dem Unterricht werden erhoben, um die Effektivität des Physikunterrichts beim Vermitteln der zentralen Konzepte der speziellen Relativitätstheorie zu überprüfen. Somit soll nach Hinweisen für mögliche Probleme des Physikunterrichts gesucht werden, um eine Verbesserung zu ermöglichen. Zur Erforschung der Vorstellungen der Schuler werden kurz vor und direkt nach dem Unterricht zur speziellen Relativitätstheorie problemzentrierte Interviews durchgeführt. Weiters werden, aufgrund ihrer oft großen Bedeutung für den Physikunterricht, auch die Darstellungen zur speziellen Relativitätstheorie in den in Osterreich approbierten Schulbüchern analysiert. Dadurch sollen mögliche Ansätze für Unterrichtskonzepte gefunden und problematische Formulierungen und Konzepte identifiziert werden. In den Interviews zeigt sich, dass die meisten Schuler für die besprochene Situation eine brauchbare Vorstellung des Relativitätsprinzips haben, jedoch ein ausgezeichnetes, äußeres Bezugssystem nicht ausschließen. Es finden sich viele Hinweise auf die Vorstellung absoluter Bewegung. Im Gegensatz dazu wird die Erde kaum als ausgezeichnetes Bezugssystem betrachtet. Die meisten Schuler wenden die klassische Geschwindigkeitsaddition gut an und sind von der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit überrascht. Einige verlangen auch nach dem Unterricht noch eine Erklärung für diese. Gleichzeitigkeit wird vor dem Unterricht von den Schülern als absolut angesehen, nach dem Unterricht sieht nicht einmal die Hälfte sie als relativ an. Viele begründen sie mit der Lichtlaufzeit. Längen werden vor dem Unterricht als absolut angesehen, nach dem Unterricht rechnen viele Schuler mit einer Änderung der Länge, jedoch nur rund die Hälfte jedenfalls mit einer Verkürzung in einem relativ zur gemessenen Strecke bewegten System. Einige Schuler wenden die Längenkontraktion asymmetrisch an.
Abstract
(Englisch)
In didactics of physics student’s conceptions play a crucial role for the exploration, planning, execution, and evaluation of physics classes. Since there exist only few results on the conceptions of students in special relativity it is the central question of this paper, which conceptions the students have before and after the physics class concerning this topic. The target is to make clear which preconditions are given at the beginning of the physics class to make the development of an appropriate concept for lessons possible. The conceptions of students after the class are explored to test the effectiveness of the class in teaching the key ideas of special relativity. Those results shall be used to discover indications of the problems of the physics class to facilitate improvements. To explore the conceptions of students, problem-centered interviews are conducted shortly before and right after the class on special relativity. Since school textbooks are usually of great importance for the physics class, the chapters concerning special relativity in Austrian school textbooks will also be analyzed. This analysis shall shed a light on possible approaches for a concept for lessons, and problematic wordings and concepts shall be identified. Results show that most pupils have an appropriate understanding of the principle of relativity for the given situation. Several students do not exclude the possibility of an outward absolute frame of reference. There are a lot of indications, that students have the idea of absolute movement. Students usually do not look at earth as an absolute inertial frame. Most pupils are able to use the classical velocity-addition properly and are surprised by the fact that the speed of light is a constant value for every observer. Some pupils ask for a reason for the principle of the constancy of the speed of light. Before the class on special relativity pupils view simultaneity as absolute, after the class not even half of the students think that it depends on the state of movement of the observer. A lot of students explain the relativity of simultaneity with respect to the time light needs to travel from it’s source to an observer. Pupils think that lengths are absolute before the class on special relativity, after the class a lot of them expect lengths to change with respect to the relative velocity. Just half of the students always expect the length to be contracted in a system moving relative to the measured distance. Several students use length contraction in an asymmetrical way.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Schülervorstellungen Relativitätstheorie Längenkontraktion Gleichzeitigkeit Geschwindigkeitsaddition Relativitätsprinzip
Schlagwörter
(Englisch)
Students conceptions Relativity Length contraction Simultaneity Velocity addition Principle of Relativity
Autor*innen
Stefan Brenner
Haupttitel (Deutsch)
Empirische Untersuchung zu Schülervorstellungen zur Relativitätstheorie
Paralleltitel (Englisch)
Empirical study on student's conceptions in special relativity
Publikationsjahr
2022
Umfangsangabe
343 Seiten
Sprache
Deutsch
Beurteiler*in
Hildegard Urban-Woldron
Klassifikationen
33 Physik > 33.21 Relativität. Gravitation ,
81 Bildungswesen > 81.61 Didaktik. Hochschuldidaktik
AC Nummer
AC16707323
Utheses ID
65405
Studienkennzahl
UA | 199 | 520 | 523 | 02