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

Abstract

In this work, we design, implement and analyze a didactic sequence for the teaching of the basic topics of special relativity theory in high school. The sequence proposes a series of situations, specially designed to allow the emergence of the central aspects of special relativity. The conceptualization process is investigated from the point of view of the theory of conceptual fields of Vergnaud. By means of a careful analysis of classroom student productions we detect the key theorems-in-action they use, evidencing that most of conceptual errors are of pre-relativistic nature. This leads us to a reformulation of the sequence, which promotes the conceptualization of Galilean relativity and the principles of the special relativity. This previous step aims at bringing to students a firm basis to address the more complex aspects of the subject.

Neste trabalho planejamos, implementamos e avaliamos uma sequência didática para ensinar aspectos básicos da teoria especial da relatividade (TER) no Ensino Médio. A sequência propõe um conjunto de situações especialmente planejadas para que os aspectos centrais da TER possam emergir. O processo de conceitualização é analisado segundo o ponto de vista da teoria dos campos conceituais de Vergnaud. Por meio de uma cuidadosa análise das produções dos estudantes durante as aulas, detectamos teoremas em ação e conceitos em ação, de natureza pre galileana. Isso nos conduziu à reformular a sequência para promover a conceitualização da relatividade galileana e os postulados da relatividade especia, antes de considerar aspectos mais complexos.