Design, analysis and reformulation of a didactic sequence for teaching the special theory of relativity in high school

Otero, María Rita; Arlego, Marcelo José Fabián; Prodanoff, Fabiana

doi:10.1590/s1806-11173731891

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“…Se busca identificar los Invariantes Operatorios (IO) que dirigen la acción del estudiante identificando un subconjunto de estos, relacionados con los conceptos básicos de la cinemática clásica (Otero, Arlego y Prodanoff, 2015, 2018Arlego y Otero, 2017) tales como: Sistemas de referencia, velocidad relativa, adición de velocidades de galileo, principio de relatividad Galileano, para la construcción de una secuencia que se apoye en las nociones de la cinemática clásica para enseñar a TER.…”

Section: Introducción Y Formulación Del Problemaunclassified

“…El trabajo de investigación reformula, implementa y evalúa la secuencia Otero y en la escuela secundaria colombiana y retoma los avances publicados por (Otero, Arlego y Prodanoff, 2015Otero y Arlego, 2018;Arlego y Otero, 2017;Otero, Arlego y Muñoz 2016, 2018, 2019 particularmente se construye una posible Estructura Conceptual de referencia (ECR) para ensenar la TER, al considerar que no existe un sistema de referencia único o privilegiado a partir del cual se logre observar, describir y analizar la enseñanza de un determinado campo conceptual (Otero, 2019(Otero, , 2020. El saber "sabio" de la física no es la referencia absoluta y obligada que "legitima" la física escolar, o la física propuesta para ser enseñada en la escuela.…”

Section: Introducción Y Formulación Del Problemaunclassified

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“Enseñanza de conceptos básicos de la teoría especial de la relatividad en la escuela secundaria colombiana”

Guzmán¹

2021

RIDAA Tesis Unicen

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Esta investigación estudia el proceso de conceptualización de las nociones básicas de la teoría especial de la relatividad (TER) en la escuela secundaria. Dicho estudio, aquí definido, como la dimensión cognitiva, pretende identificar cómo el proceso de conceptualización de las nociones básicas de la TER es favorecido por el abordaje previo de las nociones de la cinemática clásica, (Sistemas de referencia, velocidad relativa, adición de velocidades de galileo, principio de relatividad Galileano) y, por el estudio amplio de la noción de simultaneidad. De ahí que, para determinar las nociones tratadas en la secuencia de situaciones, el estudio propone una estructura conceptual de referencia, partiendo de la inexistencia de un sistema de referencia único o privilegiado a partir del cual se logre observar, describir y analizar la enseñanza de un determinado campo conceptual (Otero, 2019, 2020). El saber “sabio” de la física no es la referencia absoluta y obligada que “legitima” la física escolar, o la física propuesta para ser enseñada en la escuela. A partir de lo anterior, es menester construir y establecer una referencia desde la cual sea factible “mirar los hechos didácticos” (Otero, 2020).Con respecto al proceso de conceptualización en la dimensión cognitiva y, para analizar en profundidad la actividad de los estudiantes en situación de clase, la investigación plantea, desde la metodología, la inferencia de manera inductiva, de los invariantes operatorios (IO) (forma predicativa del conocimiento) con los cuales se pretende deducir la forma como los estudiantes hacen frente a las tareas que les son asignadas a partir en situaciones cotidianas (forma operatoria del conocimiento). Más adelante, se construyeron 42 categorías con sus respectivas subcategorías, con los IO que se lograron inferir; y a partir de estas, se realiza el análisis cualitativo de cada una de las situaciones y etapas que componen dicha secuencia. Los IO se infieren desde los protocolos (1.280) que elaboran los estudiantes, así como desde los audios (40 horas) tomados en cada uno de los encuentros. En definitiva, para la dimensión cognitiva, los resultados indican cómo la noción de simultaneidad ofrece un camino más directo para pasar desde relatividad de galileo hacia la relatividad de Einstein. Por tanto, antes de poder abordar la relatividad de la simultaneidad y las nociones básicas de la TER, se requiere las herramientas de la cinemática clásica y la relatividad galileana, algo totalmente inusual en la enseñanza de la relatividad, debido a la suposición común del dominio de dicho conocimiento por los estudiantes. De manera paralela, la investigación estudia también la enseñanza de las nociones propuestas, definida como la dimensión didáctica, donde se identifica el funcionamiento de la secuencia de situaciones, diseñada por Otero y Arlego (2016) y, las reformulaciones propuestas para implementarse en cuatro cursos (n= 128 estudiantes), de allí se logra identificar los aspectos necesarios a modificar o incluso suprimir de dicho dispositivo. Ambas dimensiones son analizadas a partir de la Teoría de los Campos Conceptuales propuesta por Gérard Vergnaud. En conclusión, la dimensión didáctica señala como, las reformulaciones realizadas a la secuencia de situaciones, permiten que los IO necesarios emerjan y facilitar el estudio de la noción de simultaneidad, avanzando así en la conceptualización de las nociones básicas de la TER con estudiantes de último año de la básica secundaria. Por lo tanto, el desarrollo de la génesis propuesta en el dispositivo didáctico, el estudio delas nociones enmarcado en situaciones cotidianas y el rescate de la adición de velocidades galileana, pasada por alto en los planes de estudio de la física en Colombia, sea fundamental. This research studies the conceptualization process of the basic notions of the particular theory of relativity (STR) in high school. This study, the cognitive dimension, aims to identify how the conceptualization process of the basic notions of STR is favored by the prior approach to the notions of classical kinematics, (Reference systems, relative speed, the addition of speeds Galilean, the Galilean principle of relativity) and, for the extensive study of the notion of simultaneity. Hence, to determine the notions treated in the sequence of situations, the study proposes a conceptual reference structure, based on the absence of a unique or privileged reference system from which it is possible to observe, describe and analyze the teaching of a specific conceptual field (Otero, 2019, 2020). The "wise" knowledge ofphysics is not the absolute and obligatory reference that "legitimizes" school physics or the physics proposed to be taught at school. From the above, it is necessary to build and establish a benchmark from which it is feasible to “look at the didactic facts” (Otero, 2020).Concerning the conceptualization process in the cognitive dimension and, to analyze in-depth the activity of students in a class situation, the research proposes, from the methodology, the inductive induction of the operative invariants (OI) (predicative form of knowledge) with which it is intended to deduce how students face the tasks assigned to them from everyday situations (a valid kind of experience). Later, 42 categories were built with their respective subcategories, with the OI that was inferred; and from these, the qualitative analysis of each of the situations and stages that make up this sequence is carried out. The OI is deducted from the protocols (1,280) prepared by the students, as well as from the audios (40 hours) taken in each of the meetings. In short, for the cognitive dimension, the results indicate how the notion of simultaneity offers a more direct path to go from Galilean relativity to Einstein relativity. Therefore, before being able to deal with the physics of simultaneity and the basic notions of STR, the tools of classical kinematics and Galilean relativity are required, something unusual in the teaching of relativity, due to the common assumption of the domain of such knowledge by the students. In parallel, the research also studies the teaching of the proposed notions, defined as the didactic dimension, where the operation of the sequence of situations is identified, designed by Otero and Arlego (2016) and, the proposed reformulations to be implemented in four courses (n = 128 students), from there it is possible to identify the necessary aspects to modify or even delete from said device. Both dimensions are analyzed from the Theory of Conceptual Fields proposed by Gérard Vergnaud. In conclusion, the didactic dimension indicates how the reformulations made to the sequence of situations allow the necessary OI to emerge and facilitate the study of the notion of simultaneity, thus advancing in the conceptualization of the basic notions of the STR with students of the last year of elementary school. Therefore, the development of the genesis proposed in the didactic device, the study of the notions framed in everyday situations, and the rescue of the addition of Galilean velocities, overlooked in the study plans of physics in Colombia, is fundamental.

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Section: Introducción Y Formulación Del Problemaunclassified

“Enseñanza de conceptos básicos de la teoría especial de la relatividad en la escuela secundaria colombiana”

Guzmán¹

2021

RIDAA Tesis Unicen

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“…Para enseñar la TER y describir el proceso de conceptualización de sus nociones básicas en la ES, diseñamos una secuencia didáctica basada en lo que los estudiantes saben y no en lo que supuestamente deberían saber (OTE-RO, ARLEGO, 2016). Las versiones sucesivas de la secuencia se fundamentan en las implementaciones realizadas en ocho cursos de la ES en Argentina y en Colombia (OTERO, ARLEGO, PRODANOFF, 2015OTERO, ARLEGO, MUÑOZ, 2018).…”

Section: Introductionunclassified

¿Cómo y por qué estudiar la relatividad de la simultaneidad en la escuela secundaria?

Otero

Arlego

Guzmán

2019

Góndola enseñ. aprendiz. cienc.

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Analizamos los resultados obtenidos al poner a prueba dos situaciones que enseñan la relatividad de la simultaneidad en la escuela secundaria. Las situaciones proponen el uso de la suma clásica de velocidades y su no uso, para tomar conciencia de las implicaciones de aplicar conjuntamente el primer y segundo postulado relativista. Se analizan sucesos que ocurren en sistemas de referencia inerciales en movimiento relativo, donde la simultaneidad se pierde según el observador que está en el andén, y no según el que viaja en el tren, a diferencia del conocido problema propuesto por Einstein reproducido mayoritariamente en los textos. Se analizan los protocolos obtenidos en cuatro cursos de grado 11 (15-16 años) con 128 estudiantes de un colegio público de la ciudad de Medellín. Se identifican los invariantes operatorios que utilizan en ambas situaciones, así como las argumentaciones que ofrecen. Los resultados indican que las situaciones propuestas producirían la emergencia y la toma de conciencia de invariantes operatorios vinculados a la relatividad de Galileo, los cuales permitirían conceptualizar la relatividad de la simultaneidad en la escuela secundaria.

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Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

“…In this work, we present a possible didactic sequence for the study of basic aspects of special relativity (SR) in high school that re-signifies the role of classical kinematics and Galileo´s relativity principle (Otero, M. R, Arlego, M., Prodanoff, F. (2015)). The sequence has been implemented in four courses of two secondary schools in Argentina (Otero, M. R, Arlego, M., Prodanoff, F. (2015) and in Colombia in 2016, with students aged 15-16, during 20 school hours, being the teacher a member of our research team. The aim is that students develop in an operational way, not only predicatively or discursively, the following concepts: reference system, observer, motion, Galilean velocity addition, relativity principle, c-invariance, relativity of simultaneity, time dilation, contraction of lengths and relativistic addition of velocities.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Teaching Basic Special Relativity in High School: The Role of the Classical Kinematics

Arlego¹,

Otero²

2017

International Journal of Physics and Chemistry Education

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In this work, we present a possible didactic sequence for the study of basic aspects of special relativity in high school. The sequence re-signifies the role of classical kinematics and Galileo´s relativity principle. It has been implemented in four courses of two secondary schools in Argentina in 2014-2015 and in Colombia in 2016, with students aged 15-16, during 20 school hours, being the teacher a member of our research team.

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Design, analysis and reformulation of a didactic sequence for teaching the special theory of relativity in high school

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“Enseñanza de conceptos básicos de la teoría especial de la relatividad en la escuela secundaria colombiana”

¿Cómo y por qué estudiar la relatividad de la simultaneidad en la escuela secundaria?

Teaching Basic Special Relativity in High School: The Role of the Classical Kinematics

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