Introducción

En este momento de la historia en la educación se han conjuntado características muy especiales, una de ellas es la inmersión en la sociedad de la información, que permite una educación globalizada, además se ha impulsado el uso de los sistemas de gestión del aprendizaje o, por sus siglas en inglés, LMS (^{Leiton-Quintero, Mesa-Bejarano y Ortíz-Carabali, 2022}). Otro aspecto importante fue la instauración forzada de la educación virtual durante la pandemia por COVID-19. Este hecho colocó a la educación en línea como una posibilidad real en el ámbito educativo público, ya que antes de este suceso se veía como una posibilidad parcial o en algunos casos su inserción gradual fue muy lenta (^{De la Cruz-Flores, 2020}). Por lo tanto, es necesario investigar y definir metodologías que permitan asegurar una educación en línea de calidad.

En el ciclo escolar 2019- 2020, de acuerdo con lo presentado por el Instituto Nacional de Estadística (^{INEGI, 2020}), de los 54.3 millones de personas de 3 a 29 años, 62.0% (33.6 millones) estuvo inscrita en el ciclo escolar 2019-2020. De las anteriores, se estima que 2.2% (738.4 mil personas) no concluyeron el ciclo escolar 2019-2020 y más de la mitad (58.9%) lo hizo por un motivo relacionado a la COVID-19. Además, un dato relevante que arrojó el mismo INEGI, con relación a los motivos asociados a la pandemia por COVID-19, y por lo cual, muchos estudiantes no se inscribieron en el ciclo escolar 2020-2021, fue que 26.6% consideró a las clases a distancia como poco funcionales para el aprendizaje; 25.3% indicó que alguno de sus padres o tutores se habían quedado sin trabajo, y 21.9% no contaba con computadora, algún otro dispositivo o no tenía conexión de internet (^{INEGI, 2020}).

Esta investigación implementó la metodología instruccional que promueve la motivación del estudiante, la adquisición del conocimiento, aplicación práctica del mismo y la extensión de la aplicación del conocimiento, basada en el modelo conocido como “4MAT Learning”, que es el acrónimo de sus palabras en inglés Motivation, Acquisition, Transformation, Extension (^{Thitiporn, Punsrigate, y Srikoon, 2023}), con el objetivo de evaluar la efectividad de impartir educación en línea usando 4MAT, en contraste con su aplicación en las clases presenciales tradicionales a nivel ingeniería en el área de programación. En la Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas del Instituto Politécnico Nacional (UPIITA-IPN), se imparten carreras interdisciplinarias en el área de ingeniería, pero no se tienen programas de educación en línea asociados a las carreras impartidas, por lo que es necesario que se indague sobre la efectividad de una educación en línea aplicada en ese ámbito del conocimiento.

Para la implementación de la metodología se eligió un grupo de la carrera de Ingeniería Automotriz en la asignatura Programación de Sistemas Inmersos. Esta asignatura se imparte en el séptimo semestre, que se encuentra en el último tercio de su formación académica. El propósito de esta asignatura consiste en que el estudiante pueda realizar el análisis, sí como el diseño y la implementación de sistemas en tiempo real y que permitan la interacción con ambientes físicos (^{ISISA-IPN, 2024})“Evaluar las metodologías formales y los estándares de programación, para el análisis, diseño e implementación de sistemas en tiempo real que interactúen con entornos físicos” (^{ISISA-IPN, 2024}), considerando que los sistemas computacionales inmersos son aquellos que se diseñan para microcontroladores y que permiten controlar desde un motor de un automóvil hasta sistemas más complejos, como el control de estabilidad, o el tráfico automotriz, aéreo, ferroviario; entonces se requiere de una comprensión y aplicación del conocimiento adquirido en la solución a problemas en ingeniería (^{Stankovic, 1996}). La asignatura se impartió en línea a un grupo de 21 estudiantes y se dio seguimiento utilizando software que permite la comunicación asíncrona, como la síncrona, para la asignación y seguimiento de actividades propuestas por el docente (^{Guijarro, Rodríguez y Castro, 2021}; ^{Ortiz, Tarango y Romo, 2019}). También se impartió la misma asignatura al grupo de control, pero en forma presencial, y se empleó la misma metodología; la diferencia radicó en que se utilizaron recursos tradicionales para su impartición dentro de las instalaciones de la universidad.

Con relación a la metodología 4MAT

La necesidad que se tiene en la educación en línea de prácticas innovadoras y atractivas a los estudiantes para retener su motivación, atención e interés en aprender, hace necesario encontrar sistemas de enseñanza que permitan una comprensión profunda de los temas y que favorezcan el desarrollo de las competencias, para trasladar ese conocimiento a la solución de problemas en condiciones reales, considerando factores como sus estilos de aprendizaje, habilidades cognitivas, lateralidades y especificidades hemisféricas (^{Romero, Chávez y Castillejos, 2023}). El sistema 4MAT toma en consideración la forma como las personas perciben, procesan, comprenden y comunican la información, y los integra en un ciclo de aprendizaje que promueve la comprensión y la comunicación del conocimiento (^{Thitiporn, Punsrigate y Srikoon, 2023}). De acuerdo con ^{Berenice McCarthy (1982)}, el sistema 4MAT está basado en un ciclo de instrucción conformado por cuatro cuadrantes, mismos que están relacionados con los estilos de aprendizaje del modelo Kolb de 1984 (^{Agudelo, Salinas y Mortera, 2010}). Los estilos de aprendizaje según Kolb son:

1. Divergente: el estudiante es imaginativo, visualiza situaciones concretas con diferentes perspectivas, formula ideas, es emocional y le interesan los demás.

2. Asimilador: conceptualiza de forma activa, observador, tiene grandes habilidades para modelos teóricos, tiene razonamiento inductivo, le interesan menos las personas y más los conceptos abstractos.

3. Convergente: le gusta llevar a la práctica las ideas, tiene razonamiento hipotético deductivo, poco emotivo, prefiere los objetos a las personas.

4. Acomodador: le gustan las experiencias activas y concretas, llevar a cabo planes, involucrarse en experiencias nuevas, arriesgado e intuitivo, depende de otras personas, se siente cómodo con la gente.

El grupo de trabajo adaptó el modelo 4MAT a los estilos de aprendizaje de Kolb como se muestra en la tabla 1. En la figura 1, se aprecian los cuatro cuadrantes de la metodología propuesta por McCarthy (^{Alshankyty, 2021}) y se puede también observar los dos pasos que incluye cada uno de los cuadrantes.

Tabla 1 Cuadrantes de la asociación modelo de aprendizaje y el modelo 4MAT. 

Kolb	McCarthy	Cuadrante	Preguntas
Divergente	Imaginativo	I. Comprender	¿Por qué?
Asimilador	Analítico	II. Conceptualizar	¿Qué?
Convergente	Sentido común	III. Aplicar	¿Cómo?
Acomodador	Dinámico	IV. Crear	¿Y si?

Fuente: Adaptada de las fuentes (^{McCarthy, 1982} ; ^{Agudelo, Salinas y Mortera, 2010})

Fuente: adaptada de las fuentes (^{Conde, 2017}, ^{McCarthy, 1982}).

Figura 1 Diagrama metodología 4MAT. 

Cuadrante I. Comprender

Este cuadrante se divide en dos: conectar y examinar, lo que permite responder al porqué del conocimiento (^{Conde, 2017}; ^{McCarthy, 1982}). Por lo anterior, en la primera sesión, se comparten las experiencias personales previas en programación y uso de los sistemas inmersos, se promueve una discusión ordenada para reflexionar el grado del conocimiento que posee cada estudiante y hacer una conexión inicial con el nuevo conocimiento.

Cuadrante II .Conceptualizar

Al integrar las experiencias y tras el análisis dirigido, surge la necesidad de adquirir más conocimiento dentro de nuestro contexto, para resolver problemas identificados en el cuadrante anterior. En este cuadrante el análisis se efectúa a través de imaginar o criticar, para después definir el nuevo conocimiento. Al imaginar, se genera la necesidad de expresar y asociar esos nuevos conocimientos y en la definición se aprenden conceptos y habilidades, sobre lo que se está abordando, respondiendo al “¿qué?” (^{Salinas, 2008}, ^{McCarthy, 1982}).

Cuadrante III. Aplicar

Después de que el estudiante comprende el nuevo conocimiento, entonces está listo para usar ese conocimiento en ejemplos o condiciones típicas. Aquí es posible explorar e implementar, para responder el “¿cómo?” (^{McCarthy, 1982}). Asimilando los ejemplos, explorando sus variantes y resolviendo nuevos retos, el estudiante puede interiorizar y adueñarse del conocimiento, hasta desarrollar aplicaciones originales y adaptarlas a necesidades personales.

Cuadrante IV. Crear

En este cuadrante se fomenta la habilidad de extender el alcance de su conocimiento ya asimilado, para refinar las estrategias de su aplicación, identificar posibilidades de integrarlo con otros conocimientos y detectar cómo colaborar en la solución de problemas más complejos. Entonces está listo para el “¿y si?” (^{Conde, 2017}; ^{McCarthy, 1982}).

Materiales y métodos

El alcance de la investigación fue descriptivo (^{Hernández-Sampieri, 2018}) y se trabajó con una metodología cuantitativa debido a que las variables del estudio fueron medidas a través de un cuestionario y se llevó a cabo un análisis estadístico. Se definieron las siguientes variables de investigación: a) implementación del 4MAT en el curso en línea utilizando los recursos digitales, b) verificar si un curso en línea permite a los estudiantes desarrollar aplicaciones originales y adaptarlas a sus propias ideas de la misma forma que un curso presencial; y c) verificar si un curso en línea motivó a los estudiantes en aplicar nuevos temas y analizar la relevancia que tienen los contenidos para su carrera, de la misma manera que un curso presencial.

La población está representada por los estudiantes de Ingeniería de 7° semestre, de un total de nueve semestres que conforman la carrera Ingeniería en Sistemas Automotrices (ISISA-IPN) del Instituto Politécnico Nacional y que cursan la asignatura de Programación de Sistemas Inmersos. Como antecedente se tiene un curso de programación en lenguaje C con un paradigma estructurado. Para esta asignatura solamente se abre un grupo por semestre. El estudio se dividió de la siguiente forma: en el semestre de enero a junio del 2023, se impartió la asignatura en modalidad en línea (grupo experimental), utilizando la metodología 4MAT; y en el semestre de agosto a diciembre de 2023, se impartió empleando también 4MAT, pero con el grupo de en modalidad presencial (grupo de control). La muestra se define como aleatoria debido a que ambos grupos se encontraban constituidos por estudiantes que se inscribieron para tomar la asignatura. El 100% de los alumnos participaron de forma voluntaria en la investigación (^{Hernández-Sampieri, 2018}). En la tabla 7 se describen las características de la muestra.

La asignatura que se trabajó con los dos grupos, el experimental (que fue en línea) y el de control (que fue presencial), fue la Programación de sistemas inmersos. Las competencias de un ingeniero en el área automotriz le deben permitir realizar procesos sistemáticos, resolver problemas prácticos, proponer soluciones acordes al contexto, administrar y gestionar procesos de manufactura complejos en equipos de trabajo (^{Galárraga, Izaguirre y Orellana, 2021}). Estas competencias se requieren incentivar a lo largo de la formación del ingeniero, de forma transversal en la currícula de los estudiantes. La programación de sistemas inmersos es un conocimiento donde se pueden consolidar estas competencias, y la experiencia previa en educación presencial ha demostrado que el proceso de enseñanza y aprendizaje síncronos da resultados utilizando el aula y los laboratorios asignados; sucede que en esta modalidad, en muchas ocasiones de manera natural se involucran elementos del modelo 4MAT, es decir, de una manera implícita basada en nuestra experiencia. Sin embargo, las estadísticas de deserción durante la pandemia revelaron la necesidad de buscar estrategias estructuradas utilizando clases en línea de emergencia, como en este caso, donde a través de la aplicación sistemática de una metodología como la 4MAT se busca garantizar que se proporcionen elementos para recorrer las cuatro etapas del ciclo del aprendizaje.

Resultados y análisis estadístico

El coeficiente de Cronbach fue de 0.97, lo que implica una confiabilidad excelente (ver tabla 8 y anexo 1).

En cuanto a la correlación de las dos mitades, el coeficiente de Spearman fue de 0.622 (p<0.0001), con un intervalo de confianza del 95%, el cual fue [0.4112 a 0.7697]. En las gráficas de las figuras 1 y 2, se observa una correlación positiva entre los bloques de preguntas.

Fuente: elaboración propia.

Figura 1 Gráfica resultante del bloque 1 (preguntas impares). 

Fuente: elaboración propia.

Figura 2 Gráfica resultante del bloque 2 (preguntas pares) 

El Coeficiente de Pearson y el ajuste lineal de los bloques de preguntas fue de 0.6924 con un intervalo de confianza de [0.5151 a 0.8129], pero debido a que no es una variable continua, no es tan preciso como Spearman.

Se observó que hubo mayor deserción en el presencial, y al hacer una comparación entre los dos grupos con la prueba t-student con α= 0.05, no se encontró una diferencia significativa (p <0.05) entre el desempeño de los dos grupos, mientras que la evaluación muestra que ambos grupos cumplieron satisfactoriamente el curso.

La investigación arrojó información para analizar la causa-efecto de la 4MAT en cursos en línea.

Los resultados obtenidos por la implementación de 4MAT en los dos grupos se compararon por pregunta en función de lo reportado por los estudiantes, como el logro percibido en cada uno de los rubros involucrados en el ciclo de aprendizaje.

En la tabla 9 se presenta el nivel de logro reportado (1 a 5 según la escala), considerando el 5 como el nivel más alto (80-100%) y 1 como el que casi nunca se logró el objetivo, lo que correspondería entre un 0 a 20%, además del porcentaje de respuestas de los grupos de alumnos, es decir, el porcentaje de la muestra de estudiantes a quienes se consideran que obtuvieron ese nivel. Los valores remarcados en negritas son las máximas prevalencias por pregunta y la suma de los porcentajes en cada renglón por columna debe dar el 100%, ya que corresponde al total de los alumnos.

Si consideramos que el efecto es positivo a partir del nivel 3 (60-80% de logro), entonces tenemos que, en los dos tipos de curso, siempre fue posible completar el ciclo 4MAT, desde identificar su experiencia previa hasta la apropiación del conocimiento y resolución de proyectos. Se observa en la figura 3 que más del 70% de los alumnos cumplieron el objetivo de cada etapa. Sin embargo, el grupo del curso en línea tiende a tener una percepción de logro de cada una de las etapas, más alto en todo el proceso, y sólo en la identificación de ejemplos reales en su campo de conocimiento el método presencial fue mayor, esto se puede deber a que la discusión dirigida en el aula incentiva la participación de los alumnos y al profesor a identificar actitudes de participación dudosas que pueden ser alentadas.

Fuente: elaboración propia.

Figura 3 Prevalencia de las respuestas [0-100]% de cumplimiento del objetivo de cada etapa en las clases presencial y virtual. 

Las comparaciones se hicieron para un análisis con un modelo de efectos múltiples tipo III, sin asumir esfericidad, con alfa de 0.05, donde se utilizó el método de Tukey para comparar todos los promedios entre sí de las preguntas de los dos grupos (figuras 4 y 5).

Fuente: elaboración propia.

Figura 4 Comparación de la percepción del cumplimiento de los objetivos de las clases presencial y virtual, obtenida a partir de las preguntas del cuestionario, con *P adjusted <0.05, **p adjusted<0.005 

Fuente: elaboración propia.

Figura 5 Mediana de la percepción del cumplimiento de los objetivos del 4MAT de las clases presencial y virtual. 

Si no asumimos que la distribución de las muestras es gaussiana, y considerando que el cuestionario Likert es por rangos, entonces es conveniente analizar las medianas, ahí es más evidente las diferencias en las tendencias de ambos grupos a lo largo del ciclo del aprendizaje (4MAT).

Por último, se consideraron los promedios, desviación estándar y número de participantes para realizar una comparación entre los cambios del desempeño en el curso y la percepción general de logro de los alumnos, para verificar si hay alguna diferencia entre los dos métodos de enseñanza, con el método de comparación TWO-WAY ANOVA ordinario y un α=0.5. Se observa que no hay diferencias significativas entre los dos modos de impartir el curso, y que la calidad del curso se mantiene, como se observa en la figura 6.

Fuente: elaboración propia

Figura 6 Comparación de la percepción del cumplimiento del objetivo y las calificaciones obtenidas de manera grupal con 4MAT aplicado en las clases presencial y virtual. 

Discusión

De acuerdo con las variables de investigación se puede observar, en el análisis estadístico realizado, que fue posible la implementación de la metodología 4MATE tanto en un curso presencial como en el curso virtual. En la figura 5 se observa que los porcentajes siempre fueron mayores de 70%, eso indica que en ambos casos el estudiante considera que usualmente o casi siempre cubrió el objetivo de la etapa considerada dentro del 4MAT, lo que se ve reflejado en las evaluaciones a través de exámenes aplicados en el curso, tanto en los estudiantes que atendieron el curso virtual como los que asistieron al curso presencial. A lo largo del recorrido del ciclo de aprendizaje se tuvo una percepción mayor de logro en el curso virtual que en el presencial, sin embargo, en el resto de los pasos de la 4MAT no siempre hubo una diferencia significativa entre ambos grupos.

Con respecto al desempeño en los cuadrantes, en el primero y el último se observó una percepción de logro menor en el grupo que tomó el curso presencial con respecto al virtual, ya que hubo una menor manifestación por parte de los estudiantes en la forma como ellos percibían, procesaban y comunicaban la información con relación al curso que se impartió de forma virtual, por lo que, de acuerdo a lo señalado por ^{Thitiporn, Punsrigate, y Srikoon (2023)}, el sistema 4MAT se integró de mejor manera al ciclo de aprendizaje en la modalidad virtual, aunque también alcanzó un buen nivel en la forma presencial. En las preguntas 1 y 2, que se refieren a reflexionar sobre experiencias con un sentido personal, fue mayor el valor obtenido en el curso virtual que en el curso presencial, esto se debió a que el estudiante pudo conectarse a internet y examinar el tema para complementar la discusión usando las herramientas digitales disponibles en las computadoras. Este resultado coincide con lo señalado por ^{Tirado y Roque (2019)} y por ^{Graells (2013)}, al señalar que las TIC que se emplean en la educación en formato virtual representan un canal de comunicación para la colaboración y el intercambio de la información, lo que permite llevar a cabo las distintas etapas de metodologías empleadas en el proceso de enseñanza y aprendizaje. La pregunta 7 está asociada al cuarto cuadrante, donde se busca integrar el nuevo conocimiento a las herramientas útiles del estudiante para resolver problemas, y se observó que en las clases virtuales se tuvo una percepción de logro mayor con respecto a las clases presenciales, en las que los alumnos también se motivaron a integrar, aplicar nuevos temas y elaborar propuestas más complejas de lo solicitado, esto debido a la posibilidad de observar de forma simultánea el desarrollo, la evolución y la entrega de los proyectos de cada uno de los alumnos de forma grupal. Esto se pudo gracias a las herramientas como Microsoft Teams, que permiten reuniones síncronas, además de compartir las pantallas de cada uno de los estudiantes y observar todo lo que hacen los demás. Estos resultados que se obtuvieron apoyan una de las características de la metodología 4MAT, referente a que conduce al estudiante a un aprendizaje significativo, de acuerdo con la definición revisada por ^{Moreira (2012)}.

Aunque a lo largo del recorrido del ciclo de aprendizaje, en el curso virtual se tuvo una percepción mayor de logro que en el presencial, en el resto de los pasos de la 4MAT no hubo una diferencia significativa entre ambos grupos; las calificaciones del curso virtual fueron ligeramente menores que en el presencial, pero se observó menos deserción.

Conclusiones

El estudio piloto permitió evaluar la factibilidad de continuar con la educación en línea en la signatura de “Programación de sistemas inmersos” que se imparte en una de las Unidades Académicas del IPN, para lo cual es fundamental que el profesor elabore el plan de sus clases acorde a la metodología 4MAT, incluyendo actividades, problemas y ejercicios afines a la carrera del estudiante. También se requiere que la plataforma digital donde se impartirán las clases cuente con componentes como un pizarrón virtual para que pueda hacer anotaciones, el poder dividir a los alumnos en grupos pequeños y asignarlos a distintas salas a cada equipo, micrófono y cámara de la sesión para la participación de los estudiantes, alojar material y recursos digitales como apuntes, diapositivas, etc.

Se encontró que se logró promover la asimilación de conocimientos por parte de los estudiantes, basada en la metodología 4MAT, por medio del diseño del curso, donde se observa que los resultados en un grupo de estudiantes a través de la educación en línea y en un grupo control de forma presencial, fueron similares y que en algunos aspectos como el de conectar, examinar e integrar fueron mayores en el curso virtual que en el presencial. Este trabajo pretende ser una reflexión crítica de opciones de diseño de los cursos en línea como una posible respuesta a las necesidades actuales de acceso universal a la educación. El uso de los recursos TIC, combinados con los LMS, y un diseño basado en 4MAT, permiten mantener la calidad de los cursos, manteniendo la motivación como un factor relevante en el apego del estudiante al curso de asignaturas que usualmente se imparten presencialmente.