Proefschrift Paul Alstein – relativiteitstheorie in het voortgezet onderwijs

Proefschrift Paul Alstein, Universiteit Utrecht Exploring special relativity through simulation-based inquiry learning Relativiteitstheorie in het voortgezet onderwijs. Download

On Monday, September 22nd, 2025, at 14:00, in the Senate Hall of the Academiegebouw, Utrecht University (Domplein 29, 3512 JE Utrecht), Paul Alstein defended his dissertation, entitled “Exploring special relativity through simulation-based inquiry learning”.

Samenvatting

De publicatie van Einstein’s speciale relativiteitstheorie (SR) in 1905 bracht een revolutie teweeg in ons begrip van ruimte en tijd. Door middel van deductieve redenatie legde Einstein een diepe interconnectie bloot tussen ruimte en tijd – een concept dat later geformaliseerd werd als het ruimtetijdcontinuüm. Dit inzicht vormde de basis voor verdere ontwikkelingen in de natuurkunde door de 20e eeuw heen; van moderne kosmologie tot deeltjesfysica.
De historische en epistemologische context van SR biedt een helder perspectief op de dynamische ontwikkeling van natuurkunde als discipline.
Met dit doel is SR in 2014 geïntroduceerd als keuzemodule in het VWObovenbouwcurriculum.
Ook internationaal wint SR aan populariteit in de natuurkundecurricula van het middelbaar onderwijs. Uit onderzoek is echter gebleken dat SR een grote uitdaging vormt voor leerlingen en docenten. Deze uitdaging is gerelateerd aan het abstracte en contra-intuïtieve karakter van SR. In SR worden metingen uitgedrukt in ruimtetijd gebeurtenissen, met een unieke set ruimtecoördinaten en een
tijdcoördinaat. De coördinaten worden uitgedrukt ten opzichte van een inertiaalstelsel; een referentiekader waarin de 1e wet van Newton geldig is. Relativistische effecten kunnen worden bepaald door meetresultaten in verschillende inertiaalstelsels met elkaar te vergelijken.Veel leerlingen zijn niet vertrouwd met deze manier van meten. Daarnaast worden relativistische effecten pas significant bij relatieve snelheden die in de buurt komen van de lichtsnelheid. Zo blijft de relativistische wereld voor veel leerlingen ontastbaar en onvoorstelbaar.

De opkomst van virtuele simulaties in het onderwijs biedt een veelbelovende oplossing. Simulatieomgevingen faciliteren een vorm van onderzoekend leren, waarbij leerlingen een hypothese formuleren bij een onderzoeksvraag en deze testen in een simulatieomgeving. Door te reflecteren op de uitkomst van de simulatie kan een cognitief conflict ontstaan dat een basis vormt voor betekenisvol leren.

In dit promotieonderzoek richten we ons op de volgende vraag: hoe kan simulatie-gebaseerd onderzoekend leren een ondersteunende rol spelen bij het leren van SR in middelbaar onderwijs? Hiertoe hebben we de simulatieomgeving Relativity Lab ontwikkeld1. Vervolgens hebben we in een groep van onderwijsonderzoekers en natuurkundedocenten een driedelige lessenserie ontwikkeld waarin simulatieopdrachten in Relativity Lab centraal staan. Hierbij hebben we gebruikgemaakt van de collaboratieve aanpak van Lesson Study (LS).

Verwijzingen

• Alstein, P., Krijtenburg – Lewerissa, K., & van Joolingen, W. (2025). Supporting secondary school students’ understanding of time dilation through simulation-based inquiry learning. International Journal of Science Education, 1-21. Advance online publication. https://doi.org/10.1080/09500693.2025.2453953
• Alstein, P., Krijtenburg – Lewerissa, K., & van Joolingen, W. (2024). Hands-on with Relativity Lab: a simulation environment for special relativity in secondary education. Abstract from World Conference on Physics Education, Krakow, Poland.
• Alstein, P. (2023). Supporting secondary school students’ understanding of special relativity through Lesson Study. Abstract from World Association of Lesson Studies 2023: Welcome back! Let’s talk!, Zwolle, Netherlands.