Enseñando Relatividad mediante imágenes generadas por inteligencia artificial

 

    ¿Se puede enseñar un tópico tan especializado como la Teoría General de la Relatividad (RG) con la asistencia de las herramientas de inteligencia artificial?. De la misma forma, ¿es posible aprender RG con imágenes generadas por 'inteligencia artificial' (IA)? Es mas, ¿es posible plantearse la enseñanza-aprendizaje de tópicos de física avanzada con las herramientas de aprendizaje profundo disponibles?. La pregunta es por cierto extensible a otras disciplinas científicas, tecnológicas, sociales, humanísticas y artísticas a todos los niveles de formación curricular existentes, y por cierto tiene respuestas ampliamente positivas a estas y otras preguntas posibles.

El prompt en este caso es cantado: "Estudiantes liceales creando imágenes de relatividad general en clase utilzando inteligencia artificial generativa de Bing"

  

  Este ejemplo, publicado recientemente en Physics Education apunta por cierto en la dirección optimista acerca del uso de la IA en el aula y es una muy buena demostración del potencial didáctico como herramienta de enseñanza-aprendizaje de las distintas aplicaciones para generar imágenes a partir de texto. El trabajo, publicado por docentes e investigadores de la Universidade Luterana do Brasil, describe un curso extracurricular de Relatividad General (RG) para estudiantes de liceo. La experiencia consiste en comparar las imágenes generadas mediante IA antes y después del curso de RG de manera de comparar avances en el dominio de los conceptos expuestos.

    Las imágenes generadas por los estudiantes se analizaron de acuerdo a los prompts utilizados y se realizaron entrevistas de evaluación de los conceptos planteados en el curso. Además de evaluar el conocimiento positivo sobre la RG se evalúan especialmente las interacciones entre los alumnos y la IA generativa. Los autores del trabajo reportan resultados realmente significativos. Por ejemplo aquellos estudiantes que demostraron una mejor comprensión de los conceptos centrales del curso orientaron sus prompts a visualizar la curvatura del espacio tiempo, concepto clave de la teoría. Por el contrario, aquellos estudiantes que demostraron una menor comprensión de los aspectos centrales del curso, plantean prompts e imágenes mucho menos claras o definidas. Los autores utilizan el término tangencial para describir esto lo cual es, dado el tema del curso, una literalidad sumamente pertinente.

    La claridad en los promts utilizados se puede asociar entonces a una mejor manejo de las herramientas de IA y por tanto a la generación de imágenes conceptualmente mas relevantes. El estudio concluye que el uso de herramientas de IA aplicadas a la enseñanza de conceptos abstractos o particularmente difíciles de explicar arroja resultados positivos en el desempeño académico de los estudiantes.

    El estudio se realizó con estudiantes de liceo público de Brasil (12 años) voluntarios de participar en un curso extracurricular de física 'La Relatividad de Einstein: del GPS a los agujeros negros', en los que se realizaron pruebas de conocimiento antes y después del mismo. Un total de 11 bolillas cubrieron temas de Relatividad Especial (las primeras 6) y las siguientes versaron sobre conceptos de Relatividad General. Las pruebas de conocimiento se basaron en preguntas del tipo múltiple opción, una de ellas correcta, dos correctas y alternativas, y dos contrapuestas. Cada alumno fue interrogado al final del curso con el mismo protocolo, partiendo de la base de la centralidad de las imágenes en la fijación de nuevos conceptos físicos. Se utilizó el generador de imágenes de Bing, mediante el uso de los celulares de cada estudiante.

    Si bien la Relatividad de Einstein es, hasta ahora, la representación mas precisa del universo conocido, su formulación didáctica y enseñanza es particularmente antiintuitiva, como sucede con otras teorías de la física moderna. Las habilidades para visualizar estos nuevos conocimientos son clave para el razonamiento abstracto. De manera que arrojar luz sobre como los estudiantes se forman una imagen de estos nuevos conceptos es un aspecto crucial en todos los niveles de enseñanza. Los nuevos recursos en materia de generación de imágenes en base a texto, proporcionados por las recientes herramientas generativas disponibles, se presentan como métodos de gran interés para estimular el pensamiento visual y la motivación en el aprendizaje.

    Ciertamente estamos ante herramientas realmente alternativas a los métodos convencionales de enseñanza, de manera que la creatividad y la iniciativa del estudiante toman un protagonismo central en la formación de conceptos. La creación de imágenes a cargo de los estudiantes estimula positivamente las habilidades de observación y la creatividad en el uso del lenguaje conceptual. Naturalmente el desafío esta planteado en utilizar las herramientas generativas de forma adecuada, experimentando con los resultados obtenidos, modificando los prompts, modificar las instrucciones y analizar nuevamente la siguientes respuestas.

    Sin dudas las herramientas de generación de imágenes mediante IA llegó para quedarse, y si bien los estudios sobre el impacto en la enseñanza recién comienza, los resultados son ampliamente satisfactorios y prometedores. Se me ocurren varias reflexiones al respecto:

    - Las visiones apocalípticas o pesimistas sobre la IA están en cuestión: la creatividad, iniciativa e imaginación de los estudiantes son protagonistas en el proceso de creación visual. No hay otra forma de abordar el uso de estas herramientas para explorar nuevos conceptos, especialmente de ideas físico-matemática novedosas y conceptualmente arduas de exponer.

    - Esta experiencia, que abarca una de las teorías mas fundamentales de la física moderna, se puede extender a otras teorías igual de fundamentales e incluso mas abstractas de la física, como por ejemplo la mecánica cuántica. Pero además estos nuevos métodos se pueden aplicar a otras ciencias, y en general a casi cualquier materia, en todos los niveles de enseñanza.

 Algunas imágenes generadas por mi demuestran hablan por si solas:

En este caso le pedí a Bing que interpretara un agujero negro, la comparación con las imágenes reales es remarcable.

    Hay una aproximación bien interesante a los conceptos básicos de la RG:

En este caso el prompt es: "curvas cerradas de espacio-tiempo"

    En suma, no se me hubiese ocurrido una forma tan creativa y libre de prejuicios de utilizar lo mejor que nos está dando la tecnología en el aula, y en una etapa de formación tan temprana como la liceal. Sin dudas el uso de la IA en educación no ha hecho mas que comenzar, y es de esperar resultados aún mas significativos y fascinantes. 

    Los resultados se exponen en Maira Giovana de Souza et al Visualising relativity: assessing high school students' understanding of complex physics concepts through AI-generated images, 2024 Phys. Educ. 59 025018