Use of Generative Artificial Intelligence to Solve Physics Problems in Engineering
Abstract
This paper analyzes the integration of generative artificial intelligence in education using ChatGPT and the challenges it poses for instructors. It focuses on problems of electromagnetic induction—a key concept in physics and engineering—that demand both theoretical knowledge and metacognitive skills. ChatGPT functions as a «cognitive prosthesis», expanding learners’ capabilities and supporting self-regulation. In a university physics course, its potential and limitations were evaluated through practical activities and qualitative interaction analysis. The results show that ChatGPT enhances understanding of electromagnetic induction, strengthens self-regulated learning strategies, and promotes metacognitive reflection, although pedagogical challenges and the need for instructor training remain. Integration guidelines and avenues for future research in adaptive learning environments and outcome evaluation are proposed.
Keywords
Generative artificial intelligence, Engineering problems, Electromagnetic induction, Cognitive prosthesis, MetacognitionReferences
Almudí, J. M., Zuza, K., & Guisasola, J. (2016). Aprendizaje de la teoría de inducción electromagnética en cursos universitarios de física general: Una enseñanza por resolución guiada de problemas. Enseñanza de las Ciencias, 34(2), 7-24. https://doi.org/10.5565/rev/ensciencias.1612
Avargil, S., Dori, Y. J., & Lavi, R. (2018). Students’ Metacognition and Metacognitive Strategies in Science Education. En Y. J. Dori, Z. R. Mevarech, & D. R. Baker (Eds.), Cognition, Metacognition and Culture in STEM Education (pp. 33-64). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-319-66659-4_3
Astolfi, J. & Peterfalvi, B. (2001). Estrategias para trabajar los obstáculos: dispositivos y resortes. Los obstáculos epistemológicos en la enseñanza, 191-223.
Azevedo, R. (2020). Reflections on the field of metacognition: issues, challenges, and opportunities. Metacognition and Learning, 15, 91-98. https://doi.org/10.1007/s11409-020-09231-x
Braun, V. & Clarke, V. (2013). Successful qualitative research: A practical guide for beginners. Sage.
Braunmüller, M., Bravo, B., & Juárez, A. (2019). La enseñanza y el aprendizaje del fenómeno de Inducción Electromagnética (IE) en el ciclo básico de carreras de Ingeniería. Revista de Enseñanza de la Física, 31, 97–105. https://revistas.unc.edu.ar/index.php/revistaEF/article/view/26533
Bravo, B., Montero, M., Juárez, M., & Solari, F. (2021). Desarrollo de la competencia de resolución de problemas ingenieriles en clases de Física. Revista Electrónica de Investigación en Educación en Ciencias, 16(2), 1-17. https://reiec.unicen.edu.ar/reiec/article/view/304
Cain, W. (2023). GPTeammate: A design fiction on the use of variants of the GPT language model as cognitive partners for active learning in higher education. En E. Langran, P. Christensen, & S. Sanson (Eds.), Proceedings of the Society for Information Technology & Teacher Education International Conference (pp. 1293-1298). Association for the Advancement of Computing in Education (AACE).
Catalán, L., Caballero Sahelices, C., & Moreira, M. A. (2010). Niveles de conceptualización en el campo conceptual de la inducción electromagnética: Un estudio de caso. Latin-American Journal of Physics Education, 4(1), 126–142.
Cedeño Tapia, S. J. (2023). La inteligencia artificial como herramienta complementaria en la investigación y educación: responsabilidad ética y humana. Revista Unidad Sanitaria XXI, 3(8). https://doi.org/10.57246/rusxxi.v3i8.47
Chi, M. T. H., Roscoe, R. D., Slotta, J. D., Roy, M., & Chase, C. L. (2012). Misconceived causal explanations for emergent processes. Cognitive Science, 36(1), 1-61. https://doi.org/10.1111/j.1551-6709.2011.01207.x
Conejo-Villalobos, M., Arguedas-Matarrita, C., & Concari, S. B. (2019). Difundiendo el uso de laboratorios remotos para la enseñanza de la física: Talleres con docentes y estudiantes. Revista de Enseñanza de la Física, 31, 205-213.
Cooper, G. (2023). Examining science education in ChatGPT: An exploratory study of generative artificial intelligence. Journal of Science Education and Technology, 32(3), 444-452.
Couso, D., Izquierdo, M., & Merino Rubilar, C. (2008). La resolución de problemas. En C. Merino Rubilar, A. Gómez Galindo, & A. Adúriz-Bravo (Coords.), Áreas y estrategias de investigación en la didáctica de las ciencias experimentales (pp. 65-86). Universidad Autónoma de Barcelona.
Davidson, J., Deuser, R., & Sternberg, R. (1994). The role of metacognition in problem solving. En J. Metcalfe & A. Shimamura (Eds.), Metacognition: Knowing about knowing (pp. 207-226). The MIT Press.
Fabre, M. & Orange, C. (2001). Construcción de problemas y superación de obstáculos. En A. Camilloni (Comp.), Los obstáculos epistemológicos en la enseñanza (pp. 63-90). Gedisa.
Flick, U. (2007). Introducción a la investigación cualitativa. Morata.
García, J. & Rentería Rodríguez, E. (2012). La medición de la capacidad de resolución de problemas en las ciencias experimentales. Ciência & Educação (Bauru), 18, 755-767.
Giere, R. N. & Moffatt, B. (2003). Distributed cognition: Where the cognitive and the social merge. Social Studies of Science, 33(2), 301-317. https://doi.org/10.1177/03063127030332017
Gómez-Carmona, O. et al. (2023). Mind the gap: The AURORAL ecosystem for the digital transformation of smart communities and rural areas. Technology in Society, 74, 102304. https://doi.org/10.1016/j.techsoc.2023.102304
González Galli, L., Pérez, G., Cupo, B., & Alegre, C. (2022). Revisión y revalorización del concepto de obstáculo epistemológico para la enseñanza de las ciencias naturales. Ciência & Educação (Bauru) (28), e22040. https://doi.org/10.1590/1516-731320220040
Hartelt, T. & Martens, H. (2024). Influence of self-assessment and conditional metaconceptual knowledge on students’ self-regulation of intuitive and scientific conceptions of evolution. Journal of Research in Science Teaching, 61(5), 1134-1180. https://doi.org/10.1002/tea.21938
Inorreta, Y., Bravo, B., & Bravo, S. (2023). Estudio del desarrollo del conocimiento en inducción electromagnética en estudiantes de nivel secundario. Revista de Enseñanza de la Física, 35, 191-199. https://revistas.unc.edu.ar/index.php/revistaEF/article/view/43307
Inorreta, Y. (2024). El aprendizaje y la enseñanza del fenómeno de inducción electromagnética en la educación secundaria. (Tesis doctoral). Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires [en prensa].
Kahneman, D. (2011). Thinking, fast and slow. Farrar, Straus and Giroux.
Krieger, F., Azevedo, R., Graesser, A. C., & Greiff, S. (2022). Introduction to the special issue: The role of metacognition in complex skills-spotlights on problem solving, collaboration, and self-regulated learning. Metacognition and Learning, 17(3), 683-690. https://doi.org/10.1007/s11409-022-09327-6
Lawanto, O. (2010). Students’ metacognition during an engineering design project. Performance Improvement Quarterly, 23(2), 117-136. https://doi.org/10.1002/piq.20084
López-Quintero, J., Pontes-Pedrajas, A., & Varo-Martínez, M. (2019). Las TIC en la enseñanza científico-técnica hispanoamericana: Una revisión bibliográfica. Digital Education Review, 229-243.
Marra, R. M., Hacker, D. J., & Plumb, C. (2022). Metacognition and the development of self-directed learning in a problem-based engineering curriculum. Journal of Engineering Education, 111(1), 137-161. https://doi.org/10.1002/jee.20437
Mercado del Collado, R. & Reyes, R. (2024). ChatGTP como compañero cognitivo. Revista Paraguaya de Educación a Distancia, 5(2), 17-31.
Monereo, C., Castelló, M., Clariana, M., Palma, M., & Pérez, M. (2012). Estrategias de enseñanza y aprendizaje (2.ª ed.). Graó.
Monereo, C. & Pozo, J. I. (2007). Competencias para (con)vivir con el siglo XXI. Cuadernos de Pedagogía, 370, 12-18.
Naizaque Aponte, N. (2013). Diseño de una estrategia didáctica para la enseñanza de la inducción electromagnética. (Tesis de maestría). Universidad Nacional de Colombia.
Neuendorf, K. (2019). Content analysis and thematic analysis. En P. Brough (Ed.), Research Methods for Applied Psychologists: Design, Analysis and Reporting (pp. 211-223). Routledge.
Ng, D., Tan, C., & Leung, J. K. L. (2024). Empowering student self-regulated learning and science education through ChatGPT: A pioneering pilot study. British Journal of Educational Technology, 55(4), 1328-1353. https://doi.org/10.1111/bjet.13454
Ortiz, L., Bekerman, Z., & Ros, M. (2024). Presentación del número especial de RED «IA generativa, ChatGPT y Educación. Consecuencias para el Aprendizaje Inteligente y la Evaluación Educativa». Revista de Educación a Distancia, 24(78).
Perry, J., Lundie, D., & Golder, G. (2018). Metacognition in schools: What does the literature suggest about the effectiveness of teaching metacognition in schools? Educational Review, 71(4), 483-500. https://doi.org/10.1080/00131911.2018.1441127
Pozo, J. I. & Pérez Echeverría, P. (2009). Aprender para comprender y resolver problemas. Psicología del aprendizaje universitario, 31-53.
Pozo, J. I. (2016). Aprender en tiempos revueltos. Comercial Grupo ANAYA, SA.
Ritchhart, R., Church, M., & Morrison, K. (2014). Hacer visible el pensamiento. Paidós.
Tan, O. (2004). Cognition, metacognition, and problem-based learning. En O. Tan (Ed.), Enhancing thinking through problem-based learning approaches: International perspectives (pp. 1-16). Cengage Learning.
Truyol, M., Gangoso, Z., & López, V. (2012). Modeling in physics: A matter of experience? Latin-American Journal of Physics Education, 6(1), 260-265.
Truyol, M. & Gangoso, Z. (2010). La selección de diferentes tipos de problemas de Física como herramienta para orientar procesos cognitivos. Investigações em Ensino de Ciências, 15(3), 463-484.
Viennot, L. (2011). Els molts reptes d’un ensenyament de les ciències basat en la indagació: Ens aportaran múltiples beneficis en l’aprenentatge? Ciències: Revista del Professorat de Ciències de Primària i Secundària(18), 22-36.
Vosniadou, S. (2012). Reformulación del enfoque clásico del cambio conceptual: Ideas preconcebidas, ideas erróneas y modelos sintéticos. En B. J. Fraser, K. G. Tobin, & C. J. McRobbie (Eds.), Segundo manual internacional de educación científica (pp. 119-130).
Werner da Rosa, C. & Ghiggi, C. (2018). Resolução de problemas em Física envolvendo estratégias metacognitivas: Análise de propostas didáticas. Investigações em Ensino de Ciências, 23(3), 31-59. https://doi.org/ 10.22600/1518-8795.ienci2018v23n3p31
Wingert, J. R., Jones, J. C., Swoap, R. A., & Wingert, H. M. (2022). Mindfulness-based strengths practice improves well-being and retention in undergraduates: A preliminary randomized controlled trial. Journal of American College Health, 70(3), 783-790.
Zohar, A., & Barzilai, S. (2013). A review of research on metacognition in science education: Current and future directions. Studies in Science education, 49(2), 121-169. https://doi.org/10.1080/03057267.2013.847261
Zuza, K., Almudí, J. M., y Guisasola, J. (2012). Revisión de la investigación acerca de las ideas de los estudiantes sobre la interpretación de los fenómenos de Inducción electromagnética. Revista Enseñanza de las Ciencias, 30(2), 175-19. https://doi.org/10.5565/rev/ec/v30n2.565
Published
How to Cite
Downloads
Copyright (c) 2025 Bettina Bravo, Gastón Pérez, Yéscia Inorreta, Yanina Jara
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
