Kuantum mekaniği ve görelilik öğreniminde karşılaşılan kavramsal ve matematiksel zorlukların araştırılması
Investigation of conceptual and mathematical difficulties in learning quantum mechanics and relativity
Yazar: ÖZGÜR ÖZCAN
Danışman: PROF. DR. MEHMET ABAK
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Ortaöğretim Fen ve Matematik Alanları Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Eğitim ve Öğretim = Education and Training

Özet:
Modern fizik üç sütun üzerine inşa edilmiştir: Kuantum mekaniği, özel ve genel görelilik kuramları. Kapsam ve içerikleri klasik fizik ve alışık matematikten ayrı olması nedeniyle Kuantum ve Görelilik kuramlarını öğrenme ve anlamada birçok öğrenci zorluk çeker. Diğer taraftan fiziğin temeline taban oluşturmaları bu iki kuramı önemli kılar. İki bölüm halinde düzenlenen bu tez çalışmasının ilk bölümünde, üniversite öğrencilerinin kuantum mekaniği ile ilgili kavramsal ve matematiksel zorlukları belirlenmiştir. Bu zorlukları belirlemek amacıyla, kuantum mekaniğinin temel kavramlarını içeren çoktan seçmeli bir test geliştirilmiştir. Yapılan bu çalışmada işlemciler, dalga fonksiyonu, dalga fonksiyonunun normlanması potansiyel kuyu ve potansiyel engeli problemleri ve olasılık yoğunluğu ile ilgili kavramsal ve matematiksel zorluklar araştırılmıştır. Ortaya çıkan zorlukları daha derinlemesine araştırabilmek için, uygulama sonuçlarına göre seçilen öğrencilerle yarı ? yapılandırılmış görüşmeler yapılmıştır.İkinci bölümde ise, üniversite öğrencilerinin özel görelilik kavramlarına yönelik kavramsal ve matematiksel zorluklarını belirlemek amacıyla açık uçlu sorular geliştirilmiş ve uygulama sonuçlarına göre seçilen öğrencilerle yarı ? yapılandırılmış görüşmeler yapılmıştır. Bu bölümde, öğrencilerin Galileo ve Einstein göreliliğini nasıl betimledikleri ve hangi durumlarda geçerli oldukları hakkında düşünceleri belirlenmiştir. Öğrencilerin referans çerçeveleri kavramı ve zamanın göreliliği gibi özel göreliliğin temel kavramlarına yönelik tanımlamaları araştırılmıştır. Ayrıca farklı referans çerçevelerinde meydana gelen olayların eş zamanlılığı hakkında öğrencilerin karşılaştıkları kavramsal zorluklar belirlenmiştir. Yapılan bu çalışma sonucunda elde edilen sonuçlar fizik eğitimi alanında araştırma yapan araştırmacıların, bu kavramlara yönelik öğrencilerde ortaya çıkan düşünce biçimlerini daha ayrıntılı anlamalarını sağlayacaktır.

Abstract:
Modern physics is built up on three pillars: Quantum mechanics, special and general theories of relativity. Quantum and relativity theories are the topics that many students many have difficulties in learning or grasping a true understanding. Especially the mathematical structure of quantum mechanics and relativity is more difficult from classical physics and different from the usual mathematics. The first part of this thesis has been organized in two sections: i) to identify the university students' conceptual and mathematical difficulties related to quantum mechanics; ii) to develop a multiple-choice test including the basic concepts of quantum mechanics. In this work, conceptual and mathematical difficulties related to the wave function, normalization of the wave function, the potential wells and potential barrier problems and probability density are investigated. In order to investigate these difficulties thoroughly semi-structured interviews were conducted with students according to the multiple-choice test results. In the second section of the thesis, open-ended questions were developed to determine students? conceptual and mathematical difficulties related to the concepts of special relativity and also semi-structured interviews were conducted with students according to the implementation results. In this section, how the students described the Galileo?s and Einstein?s ideas of relativity and the students? ideas about the validity of these theories were determined. The students? identification regarding the basic concepts such as reference frames and time concepts in special relativity has been investigated. Moreover, the conceptual difficulties about the simultaneity of the events that occur in different reference frames were identified. The results of this study have implications for physics education researchers in understanding students? reasoning in detail related to the quantum and relativity concepts mentioned above.