Keine andere Wissenschaft ist in einem so hohen Maße mathematisiert wie die Physik. Aufgrund dieser engen Verbindung beider Wissenschaften muss geklärt werden, welche Rolle die Mathematik im Physikunterricht spielen soll. Um einen theoretischen Rahmen bereitzustellen, wird ein didaktisches Modell erarbeitet, das mathematik- und physikdidaktische Erkenntnisse mit wissenschaftstheoretischen Argumenten zur Rolle der Mathematik in der Physik verbindet. Unter der daraus resultierenden Perspektive der konzeptuell-mathematischen Physik wird die Aufgabenkultur im Physikunterricht beleuchtet und neue Aufgaben zum Themengebiet der Mechanik konstruiert, die die Übersetzung zwischen physikalischer Bedeutung und mathematischen Strukturen thematisieren. Auf diesen Aufgaben basiert die qualitative empirische Studie, die die Verständnisprobleme von Schülerinnen und Schülern neunter und zehnter Klassen verschiedener Gymnasien beim Verbinden von Physik und Mathematik untersucht. Die Analyse ergibt verschiedene Problembereiche, wobei sich insbesondere beim Übersetzen zwischen physikalischer Bedeutung und mathematischen Strukturen problematische Vorstellungen zeigen. So werden teilweise funktionale Abhängigkeiten zwischen den Faktoren eines Produktes gesehen. Andererseits zeigt sich aber auch, dass der Abgleich zwischen der mathematischen Herleitung und der physikalischen Interpretation der entscheidende Faktor für das erfolgreiche Lösen einer Aufgabe sein kann.

A física é uma ciência altamente matematizada, tendo seus conceitos e métodos profundamente influenciados pelo pensamento matemático. Apesar disso, em contextos de ensino, o papel da matemática na física tende a se resumir ao de uma ferramenta para a descrição e operacionalização de grandezas, fazendo com que os estudantes não percebam o caráter estruturante do formalismo matemático para a constituição teórica da física. Assim, é fundamental dedicar um esforço sistemático de pesquisa para investigar estratégias que visem a apropriação dessa maneira matemática de conceber o mundo físico pelos estudantes. Apesar da existência de um número razoável de pesquisas que identificam as principais dificuldades enfrentadas pelos estudantes para a compreensão do significado de equações e utilização da matemática para a resolução de problemas de física, esse tema tem sido pouco investigado sob a ótica do ensino. Dessa forma, este trabalho objetiva contribuir para tal esforço por meio da realização de um estudo de caso em aulas de relatividade e eletromagnetismo, ministradas por um professor experiente e diferenciado em nível superior. A análise das aulas com auxílio do software videograph, juntamente com estudos históricos e epistemológicos, nos conduz à proposição de uma ferramenta teórica composta por oito categorias de análise, a qual se destina a descrever e avaliar abordagens didáticas em relação à ênfase em múltiplos aspectos da imbricada inter-relação entre física e matemática em contextos de ensino. Essa ferramenta é utilizada na análise de 19 episódios de ensino extraídos da gravação do curso de eletromagnetismo ministrado pelo professor do estudo de caso. Sua abordagem focada na estruturação matemática de conceitos físicos, na interpretação física de expressões matemáticas, no incentivo constante à metacognição, entre outros aspectos, nos permite apontar critérios associados à qualidade didática das aulas analisadas, os quais são posteriormente justificados pelo próprio professor em entrevistas semiestruturadas. Dentre as perspectivas deste trabalho, estão a possibilidade de utilizar a ferramenta de análise para realizar estudos comparativos entre aulas ministradas por diferentes professores sobre o mesmo tema, avaliar concepções diversas sobre o papel da matemática presentes em materiais didáticos, bem como a utilização de tais análises como recurso didático-pedagógico para a formação de professores de física e matemática. / Physics is a highly mathematized science, so that its concepts and methods are profoundly influenced by the mathematical thinking. Nevertheless, in the context of physics education, mathematics tends to be seen as a mere tool to describe and operate physical quantities, preventing students from understanding the structural role of the mathematical formalism for the development of physical theories. Thus, it is essential to devote a systematic research effort to investigate how to enable students to reason mathematically about the physical world. Despite the existence of several studies that identify the main difficulties faced by students to understand the meaning of physics equations and to use mathematics to solve physics problems, this topic has not been sufficiently investigated from the perspective of instruction. Aiming at contributing to this effort, this work conducts a case study in relativity and electromagnetism lectures, which were taught by an experienced and distinguished professor. The analysis of these lectures with the software videograph, along with historical and epistemological studies, led us to proposing a theoretical framework with eight categories, which is intended to describe and evaluate teaching approaches regarding the emphasis on the multiple aspects of the relationship between physics and mathematics. This framework is used in the analysis of 19 teaching episodes extracted from the recordings of the electromagnetism course given by the case study professor. His approach focused on constructing mathematical representations of physical concepts, physically interpreting mathematical expressions, encouraging metacognition, among others. This allowed us to identify several criteria related to the didactical quality of the lectures analyzed. These criteria are later justified by the professor in semi-structured interviews. The use of this analytical tool to conduct comparative studies between different lecturers/teachers, to evaluate different conceptions about the role of mathematics in physics textbooks and as a didactic resource for teacher education, are some of the future perspectives of this research.

A física é uma ciência altamente matematizada, tendo seus conceitos e métodos profundamente influenciados pelo pensamento matemático. Apesar disso, em contextos de ensino, o papel da matemática na física tende a se resumir ao de uma ferramenta para a descrição e operacionalização de grandezas, fazendo com que os estudantes não percebam o caráter estruturante do formalismo matemático para a constituição teórica da física. Assim, é fundamental dedicar um esforço sistemático de pesquisa para investigar estratégias que visem a apropriação dessa maneira matemática de conceber o mundo físico pelos estudantes. Apesar da existência de um número razoável de pesquisas que identificam as principais dificuldades enfrentadas pelos estudantes para a compreensão do significado de equações e utilização da matemática para a resolução de problemas de física, esse tema tem sido pouco investigado sob a ótica do ensino. Dessa forma, este trabalho objetiva contribuir para tal esforço por meio da realização de um estudo de caso em aulas de relatividade e eletromagnetismo, ministradas por um professor experiente e diferenciado em nível superior. A análise das aulas com auxílio do software videograph, juntamente com estudos históricos e epistemológicos, nos conduz à proposição de uma ferramenta teórica composta por oito categorias de análise, a qual se destina a descrever e avaliar abordagens didáticas em relação à ênfase em múltiplos aspectos da imbricada inter-relação entre física e matemática em contextos de ensino. Essa ferramenta é utilizada na análise de 19 episódios de ensino extraídos da gravação do curso de eletromagnetismo ministrado pelo professor do estudo de caso. Sua abordagem focada na estruturação matemática de conceitos físicos, na interpretação física de expressões matemáticas, no incentivo constante à metacognição, entre outros aspectos, nos permite apontar critérios associados à qualidade didática das aulas analisadas, os quais são posteriormente justificados pelo próprio professor em entrevistas semiestruturadas. Dentre as perspectivas deste trabalho, estão a possibilidade de utilizar a ferramenta de análise para realizar estudos comparativos entre aulas ministradas por diferentes professores sobre o mesmo tema, avaliar concepções diversas sobre o papel da matemática presentes em materiais didáticos, bem como a utilização de tais análises como recurso didático-pedagógico para a formação de professores de física e matemática. / Physics is a highly mathematized science, so that its concepts and methods are profoundly influenced by the mathematical thinking. Nevertheless, in the context of physics education, mathematics tends to be seen as a mere tool to describe and operate physical quantities, preventing students from understanding the structural role of the mathematical formalism for the development of physical theories. Thus, it is essential to devote a systematic research effort to investigate how to enable students to reason mathematically about the physical world. Despite the existence of several studies that identify the main difficulties faced by students to understand the meaning of physics equations and to use mathematics to solve physics problems, this topic has not been sufficiently investigated from the perspective of instruction. Aiming at contributing to this effort, this work conducts a case study in relativity and electromagnetism lectures, which were taught by an experienced and distinguished professor. The analysis of these lectures with the software videograph, along with historical and epistemological studies, led us to proposing a theoretical framework with eight categories, which is intended to describe and evaluate teaching approaches regarding the emphasis on the multiple aspects of the relationship between physics and mathematics. This framework is used in the analysis of 19 teaching episodes extracted from the recordings of the electromagnetism course given by the case study professor. His approach focused on constructing mathematical representations of physical concepts, physically interpreting mathematical expressions, encouraging metacognition, among others. This allowed us to identify several criteria related to the didactical quality of the lectures analyzed. These criteria are later justified by the professor in semi-structured interviews. The use of this analytical tool to conduct comparative studies between different lecturers/teachers, to evaluate different conceptions about the role of mathematics in physics textbooks and as a didactic resource for teacher education, are some of the future perspectives of this research.