Desafíos en la enseñanza de la ley de Ampère - Maxwell en cursos introductorios de física universitaria: análisis de su presentación en libros de texto y dificultades conceptuales

Abstract

Esta tesis de doctorado se enmarca en el campo de la Investigación en Enseñanza de la Física y aborda el problema didáctico: ¿qué aprenden los estudiantes sobre la ley de Ampère-Maxwell? A partir de este problema, definimos tres preguntas de investigación: 1. ¿Qué significa aprender la ley de Ampère-Maxwell? 2. ¿Cómo presentan los libros de texto la ley de Ampère-Maxwell y las fuentes del campo electromagnético? 3. ¿Cuáles son las dificultades conceptuales de los estudiantes al aplicar la ley de Ampère-Maxwell? Para responder a estas preguntas, realizamos un análisis histórico, epistemológico y ontológico de la teoría electromagnética y su culminación en la ley de Ampère-Maxwell, identificando un conjunto de ideas clave para su comprensión. Estas ideas sirvieron como base para definir los objetivos de aprendizaje en cursos introductorios de física universitaria, establecer criterios para evaluar libros de texto y diseñar problemas para investigar sobre las dificultades conceptuales de los estudiantes. En cuanto a la manera en que los libros de texto presentan la ley de Ampère-Maxwell y las fuentes del campo electromagnético, encontramos que la mayoría tiende a interpretar las ecuaciones de Maxwell en términos de causa-efecto, afirmando por ejemplo que la ley de Ampère-Maxwell implica que un campo eléctrico variable genera un campo magnético. Además, al explicar la propagación de ondas electromagnéticas, la mayoría describe un mecanismo de inducción mutua entre campos eléctricos y magnéticos, sin considerar que son componentes de un mismo campo electromagnético y por lo tanto no pueden interactuar entre sí. Respecto a las dificultades conceptuales de los estudiantes, encontramos que muchos tienen dificultades para relacionar el campo magnético y su circulación con un campo eléctrico variable en el tiempo y para reconocer la aparición de una corriente de desplazamiento. Además, tienden a pensar que solo se puede usar la ley de Ampère-Maxwell para calcular campos magnéticos cuando las curvas cerradas son simétricas y no consideran la forma de las líneas del campo magnético al calcular circulaciones. Finalmente, algunos estudiantes creen erróneamente que el campo eléctrico inducido debe atravesar toda la curva amperiana para aplicar la ley de Ampère-Maxwell y hallar el campo magnético. Esperamos que los resultados de esta investigación sean un insumo importante para mejorar la calidad de la enseñanza de la física, contribuyendo así a una comprensión más sólida de conceptos clave en la formación de científicos y profesionales en física y ciencias en general.