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Ingeniería Industrial. Actualidad y Nuevas Tendencias Año 9, Vol. V, N° 16 ISSN: 1856-8327 Otero et al., Análisis de la retención de estudiantes… un enfoque de Cadenas de Markov, p. 7-18 7 Análisis de la retención de estudiantes de ingeniería basado en la pérdida consecutiva de una misma asignatura. Un enfoque de Cadenas de Markov Retention analysis of engineering students based on consecutive course failure. A Markov Chain Approach Ricardo Otero Caicedo, Stevenson Bolívar Atuesta, Juan Palacios Caicedo Palabras clave: Cadenas de Markov, retención estudiantil, matriz de transiciones Key words: Markov chains, student retention, transition matrix RESUMEN En los últimos años, la retención estudiantil ha sido una variable crítica para las Universidades ya que comprende el compromiso que éstas adquieren con la formación de profesionales a través de la aplicación completa de un proyecto educativo. En este artículo, se analiza la intención de los estudiantes de desertar de su programa académico en ingeniería, basado en el número de veces que pierde una misma asignatura de su plan de estudios. El comportamiento de los estudiantes se modeló usando cadenas de Markov discretas, donde los estados representan el número de veces que se repite un curso o se retira del programa académico. Este enfoque permite a la Universidad analizar cómo el nivel de dificultad de las asignaturas puede impactar los niveles de deserción. ABSTRACT Recently, student retentions have become a main factor in the educational institution project, because Universities main objective is to develop professional trough a complete application of its educational project. In this paper, we propose to analyze the student’s dropout intention based on the repeated failure of one course. We use discrete Markov chain DMC to estimate the likelihood of repeating a course or leaving the academic program. Statistics test for homogeneity and dependence between chain states were also made. This approach makes easier for the University to analyze how the course difficulty could increase the dropout proportion. INTRODUCCIÓN La retención estudiantil ha sido una variable crítica dentro de los planes institucionales de las universidades, debido a los altos índices de deserción que usualmente se presentan en las instituciones de educación superior.

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Análisis de la retención de estudiantes de ingeniería basado en

la pérdida consecutiva de una misma asignatura. Un enfoque de

Cadenas de Markov

Retention analysis of engineering students based on consecutive course failure. A Markov

Chain Approach

Ricardo Otero Caicedo, Stevenson Bolívar Atuesta, Juan Palacios Caicedo

Palabras clave: Cadenas de Markov, retención estudiantil, matriz de transiciones

Key words: Markov chains, student retention, transition matrix

RESUMEN

En los últimos años, la retención estudiantil ha

sido una variable crítica para las

Universidades ya que comprende el

compromiso que éstas adquieren con la

formación de profesionales a través de la

aplicación completa de un proyecto educativo.

En este artículo, se analiza la intención de los

estudiantes de desertar de su programa

académico en ingeniería, basado en el número

de veces que pierde una misma asignatura de

su plan de estudios. El comportamiento de los

estudiantes se modeló usando cadenas de

Markov discretas, donde los estados

representan el número de veces que se repite

un curso o se retira del programa académico.

Este enfoque permite a la Universidad

analizar cómo el nivel de dificultad de las

asignaturas puede impactar los niveles de

deserción.

ABSTRACT

Recently, student retentions have become a

main factor in the educational institution

project, because Universities main objective is

to develop professional trough a complete

application of its educational project. In this

paper, we propose to analyze the student’s

dropout intention based on the repeated

failure of one course. We use discrete Markov

chain DMC to estimate the likelihood of

repeating a course or leaving the academic

program. Statistics test for homogeneity and

dependence between chain states were also

made. This approach makes easier for the

University to analyze how the course

difficulty could increase the dropout

proportion.

INTRODUCCIÓN

La retención estudiantil ha sido una

variable crítica dentro de los planes

institucionales de las universidades,

debido a los altos índices de deserción que

usualmente se presentan en las

instituciones de educación superior.

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A pesar de los grandes avances en el tema,

hoy en día su análisis sigue siendo un reto

debido a la complejidad del problema. Los

casos de deserción no siempre son

evidentes, ya que están contextualizados

en tres perspectivas diferentes: la

individual, la institucional y la estatal

(Ministerio de Educación Nacional, 2009).

Cada agente (individuos, universidades o

el estado) aborda el problema desde su

perspectiva y el análisis de la problemática

depende del enfoque dado por el

investigador. Por ejemplo, las

transferencias entre instituciones de

educación superior son consideradas

como deserción para la universidad pero

no para el estado, dado que los estudiantes

no han abandonado el sistema educativo.

Como parte del ejemplo, el ministerio de

educación nacional resalta que la situación

de crisis económica en un país se convierte

en un factor determinante dentro de la

deserción de instituciones privadas hacia

instituciones públicas y del abandono

definitivo del sistema educativo.

A nivel nacional, si bien es cierto que cada

vez existen mayores apoyos

gubernamentales dirigidos a incrementar

el número de estudiantes con acceso a la

educación superior, es necesario también

implementar sistemas que permitan

mantener la motivación con la que los

estudiantes inician el programa

académico. Esto permite asegurar, no

solamente que los estudiantes culminen su

proceso académico, sino también, que esta

motivación se vea reflejada en la

formación académica de los estudiantes.

Claramente, no se puede abordar la

perspectiva estatal a nivel institucional,

pero tal como lo menciona Torres (2010),

actualmente las instituciones cuentan con

varias herramientas de gestión pedagógica

que están dirigidas a apoyar y a prevenir

las intenciones de deserción en los

estudiantes universitarios. Desde la

perspectiva individual, si bien es cierto

que no hay un modelo que involucre las

particularidades de cada individuo, sí se

han identificado factores

sociodemográficos y socioeconómicos

relacionados con la deserción, como por

ejemplo las variables identificadas por

Patricia (2011), Murtaugh, Burns y

Schuster (1999) y Duque, Duque y

Surinach (2012) presentadas en la tabla 1.

El objetivo principal de esta perspectiva es

determinar cómo se relacionan los factores

con la decisión de desertar, permitiendo

identificar grupos de estudiantes que

requerirían un acompañamiento adicional

y enfocar los esfuerzos de la universidad

para aumentar el nivel de retención

universitaria.

Entre algunos estudios que aprovechan

esta perspectiva para crear herramientas

que apoyen la retención, se encuentran

Murtaugh, Burns y Schuster (1999),

quienes emplean un modelo de

supervivencia que utiliza las

características del individuo para predecir

el tiempo hasta que deserta; Awadhi y

Ahmed (2002) empelan un modelo de

regresión logística para identificar los

factores relevantes y el grado de

asociación con la decisión de desertar;

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Duque, Duque y Surinach, (2012) elaboran

un indicador de deserción mediante

mínimos cuadrados parciales, con lo cual

realizan comparaciones entre grupos de

individuos sobre el tiempo.

Otros autores, como Kwak, Brown y

Schiederjans (1986); Awadhi, Ahmed

(2002) y Alawadhi, Konsowa (2010) han

realizado análisis a nivel institucional, en

los cuales a través de cadenas de Markov,

se analiza el comportamiento de los

estudiantes con respecto a la permanencia

en las asignaturas o las inscripciones en

cursos.

Tabla 1. Factores relacionados con la deserción estudiantil universitaria

Variable Categoría

Edad

Personal y

familiar

Género

Procedencia

Residencia

Recursos financieros

Desempeño escolar

Programa Académico

Universitario

Promedio académico

Expectativas de éxito

Percepción de dificultad

Calidad de los recursos de la institución

Adeleke, Oguntuase y Ogunsakin, (2014)

emplearon cadenas de Markov para

modelar la deserción estudiantil, con

estados absorbentes graduarse y desertar,

y con estados transitorios número de años

cursados. Este enfoque trae una ventaja

adicional, permite estimar el tiempo

promedio que un estudiante tarda en

graduarse o desertar. Sin embargo, no

permite a las instituciones identificar

oportunidades de mejora en la

problemática analizada.

Es evidente que las instituciones de

educación superior tengan la necesidad de

ejercer liderazgo en los programas de

retención haciendo uso de la información

y recursos disponibles. Esto genera la

necesidad de utilizar cualquier tipo de

herramientas que generen información

sobre la intención de los estudiantes de

continuar en el programa académico.

A pesar de la posibilidad de mejorar las

predicciones de retención, implementando

las variables mencionadas en la tabla 1, no

todas las instituciones de educación

superior cuentan con esta información o

no la tienen disponible en una misma base

de datos. Sin embargo, usualmente cada

una de las carreras cuenta con registros

históricos de los resultados académicos de

los estudiantes por cada uno de los

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periodos de estudio y para cada una de las

asignaturas que cursaron.

Adicionalmente, vale la pena resaltar que

estos enfoques relacionan la deserción con

factores o variables sociodemográficas y

académicas propias del individuo, pero no

con las materias que pueden influir en la

decisión de desertar por su grado de

dificultad, lo cual permitiría detectar

necesidades de acompañamiento especial

para los estudiantes que cursan estas

asignaturas.

Este artículo busca medir la dificultad de

la asignatura a través del número de veces

que la cursa un estudiante antes de

aprobarla o desertar, con lo cual se analiza

su intención de deserción, basándose en su

desempeño académico desde el punto de

vista de los resultados obtenidos en

algunas asignaturas de su plan de

estudios. Para ello, se analizaron los

resultados de los estudiantes de la facultad

de ingeniería civil de una Universidad de

Bogotá – Colombia en las asignaturas que

son consideradas críticas en el proceso de

formación.

Se pretende determinar para un

estudiante, la probabilidad de desertar de

la institución educativa o aprobar una

materia en particular, teniendo en cuenta

como estados transitorios el número de

veces que la ha cursado. Se modeló este

comportamiento como una cadena de

Markov discreta, en la cual, los estados

representan el número de veces que ha

cursado la materia, incluyendo además

dos estados absorbentes: aprobó la

asignatura o desertó del programa.

Con el modelo planteado se pueden

determinar las materias que presentan una

probabilidad alta de ser reprobadas

reiteradamente y su relación con la

deserción estudiantil en cada programa

académico.

Esta información le permite a la

universidad tomar decisiones sobre planes

de acompañamiento y validación de

prerrequisitos, entre otras medidas que

podrían favorecer la gestión pedagógica

para disminuir los niveles de deserción.

METODOLOGÍA

Descripción del problema

En el transcurso del programa académico,

los estudiantes pasan por diferentes

asignaturas que contienen diferentes

niveles de dificultad. Existen algunas

ocasiones en las que los estudiantes

después de haber reprobado una

asignatura un número determinado de

veces, pierden la motivación de seguir

adelante debido al incremento en la

percepción de dificultad sobre la carrera y

la disminución de su propia confianza.

Este comportamiento se modeló como una

cadena de Markov de tiempo discreto, con

la cual se estimó la probabilidad de que un

estudiante se retire del programa

académico con base en las probabilidades

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condicionadas al número de veces que ha

perdido la asignatura.

Las cadenas de Markov de tiempo

discreto, son procesos estocásticos que

toman valores discretos en puntos

particulares del tiempo y que

adicionalmente cumplen con la propiedad

de Markov, es decir, la probabilidad

asociada a un evento depende solamente

de la ocurrencia del evento

inmediatamente anterior.

Esto se resume en: sea Xn el estado del

proceso estocástico en el tiempo n ∈ Z,

una cadena de Markov cumple que:

,,

donde es el estado del proceso en el

tiempo i. Esta propiedad permite expresar

todas las probabilidades asociadas a la

cadena de Markov en una matriz de

transición, la cual tiene dimensiones

, donde es el número de posibles

valores que puede tomar la variable

aleatoria. Por ejemplo: una cadena de

Markov, en donde la variable aleatoria

sólo puede tomar 3 estados, todas las

posibles transiciones entre sus estados

pueden representarse a través de la

siguiente matriz:

,

en donde representa la probabilidad de

pasar del estado al estado en un paso,

es decir, entre dos periodos consecutivos.

En este caso, debe cumplirse que:

.

Para el presente estudio, cada uno de los

estados se va a definir de la siguiente

manera:

A - Asignatura aprobada

R - Deserción

1, 2, …, n - Número de veces que

se cursa la asignatura.

Figura 1. Gráfico de estados de la cadena de Markov

Base de datos

La base de datos cuenta con

aproximadamente 8.000 registros

académicos desde el año 2007 hasta el año

2011, incluyendo todas las materias del

programa. De esta base de datos se

emplearon las variables: i) código

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estudiante, ii) periodo académico, iii)

asignatura y iv) calificación obtenida.

Para este caso, debido al gran impacto que

históricamente han tenido las asignaturas

de ciencias básicas en los programas de

ingeniería, el presente trabajo hace

referencia sólo a las asignaturas descritas

en la tabla 2.

Como primer paso se calculó para cada

uno de los estudiantes el número de veces

que cursó la asignatura. Se asume que un

estudiante se ha retirado del programa

académico, si después de haber cursado y

reprobado una asignatura, no la vuelve a

inscribir en los periodos siguientes.

Tabla 2. Asignaturas que se analizan en esta

investigación

Variable Semestre

Cálculo diferencial 1

Cálculo integral 2

Cálculo vectorial 3

Física mecánica 2

En la siguiente sección se describe el

procedimiento realizado para la

asignatura Cálculo Diferencial, presentado

el procedimiento para probar los

supuestos de una cadena de Markov y

estimar las probabilidades de transición.

RESULTADOS y ANÁLISIS

En la tabla no. 3 se presenta el número de

estudiantes que se encuentra en cada uno

de los estados para cada uno de los

periodos de la base de datos. Es decir, en

el periodo 2007-2, han aprobado 30

estudiantes, 34 se encuentran cursando la

asignatura por primera vez, 2 por segunda

y se retiraron del programa 5 estudiantes.

Los estados A y R son absorbentes, por lo

que llevan un acumulado de los

estudiantes que han aprobado y los que se

han retirado del programa. Es necesario

aclarar que los valores obtenidos para el

primer periodo, es decir 2007-2, se

obtuvieron a partir del análisis de los

resultados del periodo inmediatamente

anterior 2007-1.

Tabla 3. Frecuencias absolutas de estados por periodo para la asignatura cálculo diferencial

Periodo A 1 2 3 R

2007-2 30 34 5 0 5

2008-1 54 35 2 2 18

2008-2 81 23 9 0 21

2009-1 105 53 5 3 21

2009-2 148 33 8 2 30

2010-1 173 75 12 2 34

2010-2 221 49 21 2 52

2011-1 271 95 8 7 58

2011-2 344 42 13 0 81

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Después de obtener la conformación de

estados por cada uno de los periodos, se

obtuvo las transiciones entre estados para la

asignatura, obteniendo los siguientes

resultados para la asignatura cálculo

diferencial.

Tabla 4. Transiciones entre estados para la asignatura de cálculo diferencial

2007-2 A 1 2 3 R 2008-1 A 1 2 3 R

1 21 0 2 0 11 1 23 0 1 0 2

2 3 0 0 2 0 2 2 0 0 0 0

3 0 0 0 0 0 3 2 0 0 0 0

2008-2 A 1 2 3 R 2009-1 A 1 2 3 R

1 18 0 5 0 0 1 38 0 7 0 8

2 6 0 0 3 0 2 2 0 0 2 1

3 0 0 0 0 0 3 3 0 0 0 0

2009-2 A 1 2 3 R 2010-1 A 1 2 3 R

1 17 0 12 0 4 1 37 0 21 0 17

2 6 0 0 3 0 2 9 0 0 2 1

3 2 0 0 0 0 3 2 0 0 0 0

2010-2 A 1 2 3 R 2011-1 A 1 2 3 R

1 35 2 7 0 5 1 62 1 13 0 19

2 13 0 0 7 1 2 6 0 0 0 2

3 2 0 0 0 0 3 5 0 0 0 2

2011-2 A 1 2 3 R

1 31 1 9 0 1

2 10 0 0 1 1

3 0 0 0 0 0

En este caso, se omiten las filas

relacionadas con los estados A y R por

considerarse redundantes, debido a que

son estados absorbentes y por lo tanto,

representan el total de estudiantes que

hasta el momento han aprobado la

asignatura o se han retirado del programa.

Análisis de supuestos de la cadena de Markov

A continuación se describe el

procedimiento que se realizó para probar

los supuestos de la cadena de Markov,

tomando como ejemplo la asignatura de

Cálculo diferencial.

Las cadenas de Markov son procesos

estocásticos que cumplen dos supuestos

fundamentales: poseen probabilidades

estacionarias y cumplen la propiedad de

Markov.

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Para que se cumpla la propiedad de

probabilidades estacionarias, se requiere

homogeneidad de las probabilidades de

transición durante todos los periodos. Este

supuesto es fundamental para poder

soportar los cálculos de probabilidades de

largo plazo. En particular, se debe cumplir

que:

(1)

Para verificar esta propiedad se debe

asegurar que la frecuencia de estudiantes

en cada uno de los estados no sea

dependiente del tiempo en el cual se toma

la medición. Para esto se utilizó una

prueba de independencia chi cuadrado.

La tabla de contingencia debe probarse

para cada una de las posibles transiciones

, sin embargo, debido a que en los

estados son absorbentes, sólo se

determinará la independencia entre los

periodos académicos y las frecuencias de

estudiantes que cambian de estado para

cada una de las veces que se reprueba una

asignatura.

Tabla 5. Frecuencia de transiciones entre el estado 1 los demás estados para cada periodo

Periodo

2007-2 21 0 2 0 11

2008-1 23 0 1 0 2

2008-2 18 0 0 0 0

2009-1 38 0 7 0 8

2009-2 17 0 12 0 4

2010-1 37 0 21 0 17

2010-2 35 2 7 0 5

2011-1 62 1 13 0 19

2011-2 31 1 9 0 1

En este caso se comparan las frecuencias

de cada una de las transiciones para cada

uno de los estados, y se debe asegurar que

estas frecuencias puedan considerarse

homogéneas a través de cada uno de los

periodos. La prueba de independencia en

este caso, compara las frecuencias

absolutas encontradas en la muestra y las

frecuencias esperadas cuando se asume

independencia entre el periodo y las

transiciones. En este caso el estadístico:

(2)

Sigue una distribución chi cuadrado

cuando el tamaño de muestra es lo

suficientemente grande. Los resultados

para todos los estados se presentan en la

tabla no. 6.

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Tabla 6. Resultados de la prueba de independencia entre periodos y transiciones

Periodos

2007-2 hasta 2011-2 <1% <1% <1%

2009-1 hasta 2011-2 <1% <1% <1%

2010 hasta 2011-2 >5% >5% >5%

Los resultados indican que en los periodos

posteriores a 2010-1, las frecuencias de

transiciones son estadísticamente

independientes del periodo. Es posible que

para los periodos anteriores no exista

homogeneidad, debido a los cambios que

usualmente se presentan cada cierto tiempo en

los currículos de las asignaturas. En este caso,

si deseamos obtener estimaciones a largo

plazo del comportamiento de las transiciones,

debemos tener en cuenta únicamente los

periodos del 2010 en adelante.

Orden de la Cadena de Markov

Se debe asegurar que las frecuencias de

transición obtenidas cumplan con la principal

característica de las cadenas de Markov, deben

ser dependientes únicamente de su estado

anterior. Para ello, se realizó una tabla de

contingencia y una prueba de chi cuadrado

para cada una de las matrices de frecuencias

estipuladas en la Tabla 3. Los resultados de la

prueba se presenta en la tabla no. 7.

Los resultados de la prueba indican que se

rechaza la hipótesis nula de la

independencia entre los estados, por lo

que se puede garantizar que los resultados

obtenidos en un estado, dependen de su

estado anterior. Esto puede resultar

evidente, ya que la única forma de cursar

la asignatura 2 veces es haberla cursado 1

vez.

Estimación de las matrices de transición

Anderson y Goodman (1956), demostraron

que para estimar las probabilidades de

una cadena de Markov, es posible utilizar

el enfoque de la maximización de la

función de verosimilitud. Según los

resultados, el estimador de máxima

verosimilitud de cada probabilidad de la

matriz de transición, está dada por:

(3)

Es decir, el estimador es tan solo un

cociente entre las frecuencias absolutas de

cada estado de destino sobre el total de

observaciones del estado de origen. Los

resultados de las matrices de transición

para las asignaturas de la tabla 2 son

mostrados en las tablas 8, 9, 10 y 11.

Tabla 7. Resultados de la prueba de

independencia para garantizar la dependencia

entre estados para cálculo diferencial

Periodo

2007-2 <1%

2008-1 <1%

2008-2 <1%

2009-1 <1%

2009-2 <1%

2010-1 <1%

2010-2 <1%

2011-1 <1%

2011-2 <1%

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Tabla 8. Matriz de transición Cálculo Diferencial

Cálculo

Diferencial

A 1 2 3 R

A 100% 0 0 0 0

1 68% 1% 17% 0 14%

2 71% 0 1% 21% 7%

3 89% 0 0 0 11%

R 0 0 0 0 100%

Tabla 9 Matriz de transición Cálculo Integral

Cálculo Integral A 1 2 3 R

A 100% 0 0 0 0

1 75% 1% 15% 0 9%

2 83% 0 0 8% 8%

3 80% 0 0 0 20%

R 0 0 0 0 100%

Tabla 10. Matriz de transición Cálculo Integral

Cálculo

Vectorial

A 1 2 3 4 R

A 100% 0 0 0 0 0

1 66% 4% 21% 0 0 9%

2 70% 0 6% 22% 0 2%

3 86% 0 0 0 14% 0

4 100% 0 0 0 0 0

R 0 0 0 0 0 100%

Tabla 11. Matriz de transición Física Mecánica

Física Mecánica A 1 2 3 4 R

A 100% 0 0 0 0 0

1 60% 0 32% 0 0 8%

2 73% 0 0 16% 0 11%

3 63% 0 0 0 21% 16%

4 100% 0 0 0 0 0

R 0 0 0 0 0 100%

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Probabilidades al largo plazo

A pesar de que las cadenas descritas

anteriormente son absorbentes, es

posible determinar cómo se estabilizan

las probabilidades a largo plazo, de esta

forma se puede encontrar la

probabilidad de que un estudiante que

está cursando la asignatura por primera

vez, termine retirándose del programa.

Esto permite identificar cuáles son las

asignaturas que generan un mayor

riesgo de deserción.

Tabla 12. Probabilidades de retiro o

aprobación al largo plazo

Asignatura Probabilidad

de aprobar

Probabilidad

de desertar

Cálculo

Diferencial 84% 16%

Cálculo

Integral 89% 11%

Cálculo

Vectorial 90% 10%

Física

Mecánica 88% 12%

Es posible modelar el comportamiento

de repetir una asignatura a través de

cadenas de Markov discretas. Este tipo

de modelamiento permite obtener las

probabilidades estimadas de que un

estudiante al cursar una asignatura,

corra el riesgo de desertar y además,

permite calcular las probabilidades por

cada una de las veces que el estudiante

pierde la asignatura.

Según los resultados obtenidos, se

puede apreciar que la asignatura que

describe mayor deserción, es cálculo

diferencial, con un total del 16% de los

estudiantes que la cursan por primera

vez. De igual manera, se recomienda a la

Universidad realizar un

acompañamiento personalizado a los

estudiantes que están cursando Cálculo

integral por tercera vez, debido a que,

como se aprecia en la tabla no. 9, en

promedio 1 de cada 5 estudiantes que

están en esta situación, termina

retirándose del programa académico.

Para profundizar los resultados de este

estudio se planea continuar con este

análisis para las demás asignaturas del

plan de estudios y se espera incrementar

la base de datos incluyendo más

periodos académicos y diferentes

programas de ingeniería.

Se pretende que los resultados de este

estudio permitan profundizar el análisis

que se realiza sobre la manera en que

algunas asignaturas tienen un impacto

mayor que otras dentro de la deserción

de los estudiantes de Ingeniería.

Además, las probabilidades de

transición pueden convertirse en alertas

tempranas para que la Universidad

realice un seguimiento especial a

aquellos estudiantes que tienen una alta

probabilidad de retirarse del programa

académico en un semestre específico.

Finalmente, los resultados también

pueden ser utilizados para un análisis

descriptivo de los porcentajes de

reprobaciones en las asignaturas del

programa académico.

CONCLUSIONES

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Ingeniería Industrial.

Actualidad y Nuevas Tendencias

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126a2501c229.

Autores

Ricardo Fernando Otero Caicedo. Ingeniero Industrial. Pontificia Universidad Javeriana,

Bogotá, Colombia.

E-mail: [email protected]

Juan Carlos Palacios Caicedo. Ingeniero físico. Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá,

Colombia. Florida Institute of Technology, Florida, USA.

E-mail: [email protected].

Stevenson Bolívar Atuesta. Ingeniero Industrial. Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá,

Colombia.

E-mail: [email protected]

Recibido: 12-12-2015 Aceptado: 23-03-2016

REFERENCIAS