Lerarenopleidingen Science en Wiskunde/Rekenen

Proefschrift – Introducing Special Relativity in Secondary Education

Samenvatting

Het verklaren van relativistische verschijnselen staat centraal in het leerdoel van SRT (speciale relativiteitstheorie) zoals dat verwoord is in het curriculum: “De kandidaat kan in gedachte-experimenten en toepassingen de verschijnselen tijdrek en lengtekrimp verklaren aan de hand van de begrippen lichtsnelheid, gelijktijdigheid en referentiestelsel.” (College voor Toetsen en Examens, 2018).

Om dit doel te bereiken ligt een conceptuele benadering voor de hand, waarbij leerlingen ook kennis kunnen maken met de centrale manier van denken van de theorie: het uitvoeren van gedachte-experimenten.

Daarvoor moeten leerlingen kunnen redeneren met het lichtpostulaat. Verschillende onderzoeken hebben aangetoond dat het heel lastig is voor leerlingen om dat te gaan doen. Na standaard onderwijs, waarin het lichtpostulaat vaak als een soort definitie wordt geponeerd, kunnen leerlingen het lichtpostulaat wel reproduceren, maar gebruiken vervolgens een spontaan lichtvoortplantingsmodel als ze ermee moeten redeneren.

Aansluiten bij leerlingideeën tijdens de introductie van het lichtpostulaat kan voorkomen dat leerlingen terugvallen naar zo’n spontaan model.
Het lichtpostulaat stelt dat “licht zich door de lege ruimte altijd voortplant met snelheid c, onafhankelijk van de bewegingstoestand van de lichtbron” (Einstein 1905/2005).
Leerlingen redeneren met een constante lichtsnelheid ten opzichte van de lichtbron of ten opzichte van een absolute ruimte (Kamphorst, Savelsbergh, & Vollebregt, 2019). Om te gaan redeneren met het lichtpostulaat moeten leerlingen het referentiekader van hun spontane model dus veranderen naar dat van de waarnemer. Dat zullen leerlingen niet uit zichzelf doen. De volgende inzichten kunnen leerlingen een noodzaak voor een nieuw
lichtvoortplantingsmodel laten ervaren:

  1. lichtvoortplanting is altijd ten opzichte van een referentiekader,
  2. Er zijn verschillende mogelijkheden voor dit referentiekader,
  3. Voorspellingen met lichtvoortplanting hangen af van de keuze voor dit referentiekader, en
  4. Hun huidige redeneren leidt tot verkeerde of inconsistente voorspellingen.

Om vervolgens ook daadwerkelijk het lichtpostulaat te gaan gebruiken en daar productief mee te redeneren, is het nodig dat leerlingen:

  1. Hun referentiekader voor lichtvoortplanting veranderen naar dat van de waarnemer,
  2. ervaren dat dit nieuwe lichtvoortplantingsmodel het probleem oplost met hun spontane model, en
  3. De gevolgen van dit nieuwe model verkennen.

Lesmateriaal

Lesmateriaal ontwikkeld tijdens het promotieonderzoek van Floor Kamphorst, in samenwerking met Paul Alstein, Jan Dentener, Stefan van Dijk, Gerhard van Hunnik, Bart van de Laar, Sjaak Meertens, Johanna Phaf-Novozamsky, Marianne Verhaart, Bastiaan Vinke, Tienke de Vries en Nathalie van der Weide.

Lesmateriaal

ELWIeR en Ecent als één STEM