3.01 Tesis doctorado

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Critical thinking development in higher education
(2023) López Rojas, Felipe Ignacio; Nussbaum Voehl, Miguel; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
The labour market is rapidly evolving due to technological advances, provoking the need of workers to prepare for this change. The "21st Century Skills" emerged as an answer to this context, proposing skills such as critical thinking, among others, that could help prepare workers for this new scenario. The development of critical thinking has been consistently studied in higher education. However, critical thinking has not been able to develop successfully in technical and vocational education and training since there is a focus on the acquisition of practical skills. In Chile, where technical and vocational education and training is a potential avenue for social mobility, it's crucial to develop critical thinking skills among students, considering the significant impact they will have on the future job market. This research contributes on how to develop critical thinking in higher education. Critical thinking was defined as a taxonomy of the sub-skills of interpretation, analysis, inference, evaluation, argumentation, and metacognition. From this definition, a procedure to develop critical thinking assessment instruments for specific cultures was developed by creating three different instruments which were validated in different higher education institutions from Chile and Taiwan. This allowed to create different assessment instruments, that were later used in a technical and vocational education and training institution in Chile to prove if a methodology to develop critical thinking was successful or not. Additionally, a study of the relation between peer assessment and self-assessment (widely recognized activities to develop critical thinking) was done in a higher education institution in Chile when developing critical thinking. The contributions of this thesis are: 1. Developed a procedure to create culture-dependent critical thinking assessment instruments, enhancing the accuracy of assessments across various cultural contexts. 2. Demonstrated that instruments created from this procedure are equivalent internally, enabling their use in pre- and post-test settings across different research contexts. 3. Designed a class methodology that effectively fosters critical thinking within technical and vocational education and training, with potential for application across various contexts in this type of education. 4. Identified discussion and real-world topics as key strategies for enhancing critical thinking development within technical and vocational education and training. 5. Validated empirically the positive impact of peer assessment and self-assessment on the development of critical thinking. 6. Validated empirically that peer assessment has a bigger impact than self-assessment on the development of critical thinking.
Development and assessment of collaborative problem-solving skills through technology
(2022) Rojas Miranda, Matías Ignacio; Nussbaum Voehl, Miguel; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
En los últimos años, la resolución colaborativa de problemas (CPS) ha llegado a ser considera esencial en casi todas las áreas de la vida. En consecuencia, han surgido diferentes marcos teóricos e instrumentos de evaluación para medir estas habilidades. Sin embargo, se requieren más estudios aplicados sobre su implementación y evaluación en entornos educativos reales. Además, todavía hay poca investigación sobre el desarrollo de habilidades CPS entre estudiantes de primaria. En este sentido, los diseños experimentales pre-post son fundamentales para identificar nuevos métodos para desarrollar habilidades CPS. En esta tesis se abordarán dos objetivos principales, por un lado, la evaluación de las habilidades CPS, y por otro lado, el desarrollo de las habilidades CPS de estudiantes a través de la tecnología. Para ello, se aporta evidencia cuantitativa y cualitativa de una serie de estudios de intervención y experimentos de campo. Al utilizar un enfoque de investigación basada en el diseño (DBR), nuestro equipo de investigación diseñó e implementó tecnologías para avanzar en el estudio de CPS en estudiantes primaria. Luego, se realizaron sucesivos estudios de pequeña y mediana escala (entre 69 y 719 estudiantes de entre 10 y 13 años por iteración). Por tanto, este trabajo incluye: (i) el diseño y validación de una herramienta de evaluación con dos versiones equivalentes basada en un marco propuesto por la OCDE y aplicado a la actividad colaborativa. (ii) el estudio y desarrollo de un sistema de retroalimentación que utiliza técnicas de planificación automatizada para evidenciar las habilidades de CPS de estudiantes en un juego colaborativo. (iii) el diseño y estudio de un juego colaborativo que integra guiones colaborativos y herramientas de conciencia grupal que apoyan las habilidades de regulación y emociones de estudiantes de primaria. En el primer estudio, participaron un total de 719 estudiantes. Los resultados mostraron que el instrumento propuesto mide efectivamente la dimensión de resolución de problemas de las habilidades CPS. Además, los resultados permiten concluir que los puntajes obtenidos en la evaluación fueron equivalentes para las dos formas creadas y para ambos géneros. Finalmente, no hubo diferencias significativas al evaluar CPS en grupos humano-humano versus grupos humano-agente usando el instrumento propuesto. Luego, en el segundo estudio, describimos un estudio experimental en el que participaron 69 estudiantes, en el que exploramos la efectividad de la retroalimentación que se brindó en un juego colaborativo. Demostramos que la retroalimentación permitió a los estudiantes desempeñarse mejor en el juego, aumentar el diálogo de los estudiantes y de esta forma generar más instancias para demostrar sus habilidades CPS. También describimos un enfoque novedoso para monitorear planes de orden parcial de múltiples agentes que es más eficiente que los enfoques anteriores y, por lo tanto, requiere menos recursos computacionales en el aula. Finalmente, en el tercer estudio se realizó una intervención con un grupo experimental y uno de control a una muestra de 223. Las actitudes de los estudiantes hacia la colaboración se evaluaron antes y después de la intervención con un juego colaborativo. Además, una semana después de la intervención se realizó un grupo focal a 32 estudiantes de ambos grupos. El análisis cuantitativo reveló que las actitudes hacia la colaboración mejoraron significativamente entre los estudiantes del grupo experimental. Esta diferencia se puede explicar por la intervención, las actitudes iniciales de los estudiantes y sus GPA. El análisis cualitativo proporcionó evidencia de los procesos de regulación y las emociones que surgen al combinar un guión colaborativo con la conciencia grupal durante las actividades CPS. Esta tesis contribuye a la literatura de muchas formas. Primero, se proporcionó evidencia empírica de la validez de versiones equivalentes de un instrumento basado en el marco de la OCDE. Esto nos permite explorar nuevas intervenciones que buscan desarrollar habilidades CPS, además, ampliamos el conocimiento de la medición de habilidades CPS en estudiantes de primaria y agregamos hallazgos a la discusión en torno al uso de agentes virtuales en evaluación. En segundo lugar, propusimos un algoritmo de seguimiento novedoso para planes de orden parcial que se adapta mejor a los entornos educativos y que funciona mejor que otros algoritmos presentados en la literatura. También demostramos que la retroalimentación extraída de un plan permite que las habilidades de CPS de los estudiantes se evidencien durante un juego colaborativo. Finalmente, este trabajo proporciona evidencia de cómo diseñar e implementar un juego colaborativo que andamia la conciencia del grupo utilizando un guión colaborativo para apoyar las habilidades de regulación y las emociones, promoviendo así el desarrollo de las habilidades de CPS. Esta tesis contó con el apoyo de FONDECYT/CONICYT [FONDECYT 1180024].
Development of cretivity along with school instruction
(2024) Guentulle Saavedra, Victoria Alejandra; Nussbaum Voehl, Miguel; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
The term "21st century skills" refers to the abilities that students need to have today, especially considering the advancements in new technologies. Among these skills is creativity, which is essential for posing new questions and gaining new perspectives to address current challenges. Creativity is understood from a cognitive perspective in terms of problem-solving. It is widely accepted that creativity involves the ability to generate appropriate and novel solutions. Despite the importance of creativity, even where government policies have been implemented to benefit this skill, they have not yet been able to be implemented effectively either in classrooms or in teacher training programs. Key factors for fostering creativity in the classroom include divergent thinking and the use of metaphors and analogies. Analogical transfer is a methodology aimed at fostering creativity, suggesting that by comparing objects, ideas, or concepts from one domain of knowledge to another, creativity can be developed. This study contributes to the development of creativity at the school level, designing a methodology based on analogical transfer. From this, three studies were developed. First, this methodology was taught to pre-service teachers to understand their perspective and how to improve the model. In the second study, the analogical transfer methodology was used with multiple representations to teach physics to Chilean secondary students. Finally, by observing different levels of creativity in the students, we analyzed how linguistic maturity impacted creativity. Based on the studies carried out, this thesis offers a series of findings. In the first study, there is evidence that pre-service teachers recognize that there are benefits to the analogical transfer methodology, but they need to model it during their teacher training to use it in the future. In the second study, by utilizing the methodology of analogical transfer and multiple representations with the assistance of a cyber-physical system, there is evidence that this approach had benefits both for students' creativity and their academic performance. Finally, the final study suggests that there is a relationship between linguistic skills and creativity, specifically with linguistic maturity measured from text production.
Development of transversal competencies in project-based remote teaching (PBL)
(2022) Cortázar Valdés, Catalina; Nussbaum Voehl, Miguel; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La integración de las competencias transversales en la enseñanza de Ingeniería es un tema relevante. La industria requiere que los ingenieros tengan competencias técnicas y que además sean capaces de pensar críticamente, trabajar en equipo, aprender durante toda la vida, ser creativos, entre otros. A pesar que las agencias acreditadores han puesto énfasis en el desarrollo de estas competencias, la industria todavía percibe una brecha entre lo que ellos esperan y las competencias que tienen los egresados. Esta investigación contribuye a la Educación en Ingeniería y a la promoción de competencias transversales. Se realizó un diagnóstico para entender qué competencias perciben los egresados como relevantes para su éxito laboral. Si consideran que poseen o no dichas competencias y en qué momento de su vida fueron desarrolladas (creencias de aprendizaje). Luego, se diseñó una intervención utilizando metodología de aprendizaje basado en proyecto con un andamiaje basado en la regulación socialmente compartida con el objetivo de promover el desarrollo de competencias transversales en una escuela de ingeniería. Por último, se implementó esta metodología y probó, empíricamente, su contribución al desarrollo del pensamiento crítico y el trabajo en equipo. Debido a COVID-19, su implementación fue de manera remota, lo que permite extender los resultados de esta experiencia al trabajo en línea. Las contribuciones de esta tesis son: 1- Reconoce una brecha entre la percepción de la industria y egresados en relación a la posesión de competencias transversales. 2- Destaca la importancia de posicionar estas competencias como aprendibles en el aula. 3- Demuestra que las metodologías basadas en proyecto, en línea, potencian el trabajo en equipo y el pensamiento crítico. 4- Determina que la entrega de retroalimentación, por parte del cuerpo docente, relacionados al pensamiento crítico influye en su desarrollo. 5- Revela que el andamiaje basado en la regulación socialmente compartida: a. Contribuye al desarrollo del pensamiento crítico. b. Promueve un clima de trabajo positivo y una contribución simétrica de cada integrante al trabajo. c. Permite que el equipo colabore y coopere fuera del aula obteniendo mejores resultados.
Interactive and explainable machine learning to improve efficiency in medical document screening
(2022) Carvallo de Ferari, Andrés Francisco; Parra Santander, Denis; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La revisión de documentos es fundamental en Medicina Basada en Evidencia (MBE) ya que busca validar evidencia científica para respaldar decisiones clínicas. Esta tesis propone una solución a la sobrecarga de información basada en active learning que busca reducir la cantidad de documentos que los médicos deben etiquetar para responder preguntas clínicas. Además, en el contexto de la pandemia COVID-19 la cantidad de artículos indexados creció exponencialmente, proponemos estrategias de sampleo de evidencia para hacer finetuning de un modelo con una pequeña proporción de toda la evidencia existente. Finalmente, mediante un estudio de usuario evaluamos si las atenciones aprendidas por un modelo basado en transformer son percibidas como útiles y si existe alguna forma mejor para visualizarlas. Con respecto a Active Learning los resultados indican que el muestro basado en incerteza combinado con representación BioBERT y un Random Forest supera a otros enfoques propuestos. Respecto a la clasificación de artículos de COVID-19, obtuvimos que el modelo XLNET supera a otros modelos del estado del arte y demostramos que podemos ahorrar más del 65% de la carga de trabajo de los expertos utilizando una estrategia de muestreo basado incerteza. Finalmente, los resultados del estudio de usuario indican que, en general, las atenciones no son percibidas como útiles para los usuarios como una forma de explicación. Sin embargo, observamos un efecto de interacción entre el encoding visual y el tipo de artículo con respecto a la percepción de utilidad de las atenciones. Además obtuvimos que los usuarios que visualizan las atenciones tienen una efectividad de un 5.27% mayor comparado a aquellos que no utilizan visualización.
Process perspective in medical education
(2022) Gálvez Yanjarí, Víctor Andrés; Sepúlveda Fernández, Marcos Ernesto; Muñoz Gama, Jorge; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Los cirujanos reciben entrenamiento en muchas habilidades. Una de ellas son las habilidades procedurales, las que permiten a los médicos realizar procedimientos quirúrgicos. Una parte importante de las competencias procedurales es la secuencia de pasos que describe el orden en que deben realizarse las acciones que involucran un procedimiento quirúrgico. Sin embargo, este aspecto suele no estar reforzado ni enfatizado en el entrenamiento de habilidades procedurales, y los instrumentos típicos para evaluar el aprendizaje de estas competencias no consideran la secuencia de pasos. Minería de Procesos es una disciplina proveniente de la gestión de procesos de negocios, cuyos algoritmos permiten realizar distintas tareas para apoyar los procesos que se ejecutan en las organizaciones a partir de los datos que estos dejan en los sistemas de información. Estos algoritmos permiten descubrir un modelo de proceso para así conocer la secuencia de pasos en que se está ejecutando, así como también comparar las ejecuciones del proceso con el modelo que describe la ejecución ideal del proceso. En la literatura se ha propuesto que un procedimiento quirúrgico puede entenderse como un proceso, lo que habilita el análisis de procedimientos quirúrgicos con algoritmos de minería de procesos. Se han realizado algunos estudios aplicando minería de procesos para entender el aprendizaje de procedimientos quirúrgicos, y se ha visto que existe una alta variabilidad en la secuencia de pasos que realizan los residentes durante su entrenamiento. Sin embargo, no está claro de qué manera debe incorporarse la secuencia de pasos como un objetivo a aprender durante el entrenamiento de residentes, por lo que no puede medirse su aprendizaje y se dificulta su enseñanza al no existir herramientas probadas para ello. Esta tesis busca aportar con herramientas para facilitar la tarea educativa de los instructores de habilidades procedurales, ayudándoles a incorporar como un objetivo de aprendizaje la secuencia de pasos. Se propone el enfoque POME (del inglés ProcessOriented Medical Education), el que está formado de artefactos POME desarrollados en la intersección entre medicina, educación e ingeniería. Este enfoque permite la enseñanza de la secuencia de pasos con soluciones que consideran la perspectiva de proceso de las habilidades procedurales, las que llamamos artefactos POME. Se usaron la instalación del catéter venoso central y la traqueostomía percutánea como casos de estudio. La tesis muestra cinco contribuciones: La primera contribución es la identificación de estudios que reportan explícitamente la incorporación de la secuencia de pasos en estrategias de enseñanza y evaluación de habilidades procedurales, a través de una revisión sistemática de la literatura. Los resultados muestran la necesidad de desarrollar artefactos POME para apoyar a los instructores, pues solo se encontraron nueve artículos. El uso de videos y la existencia de instrumentos no estandarizados para evaluar el aprendizaje de la secuencia de pasos son las estrategias encontradas más comunes. La segunda contribución es un método para el desarrollo de artefactos POME. Este método consiste en el desarrollo de un modelo de proceso que muestra el consenso de la comunidad experta sobre el procedimiento con respecto a la secuencia de pasos en queéste debe ejecutarse, la captura de datos a través del etiquetado de videos para obtener la secuencia de pasos realizada por cada médico grabado, y finalmente, el desarrollo del artefacto requerido para apoyar una tarea específica de la enseñanza de habilidades procedurales usando algoritmos de minería de procesos. La tercera contribución es un instrumento POME para identificar deficiencias en el aprendizaje de la secuencia de pasos. El instrumento entrega a los instructores información sobre las deficiencias cometidas después de una sesión de entrenamiento, lo que puede serútil para hacer cambios a la estrategia de enseñanza e identificar partes que necesitan ser reforzadas. Se clasificaron las actividades de la instalación del catéter venoso central, y basándose en esta clasificación se generó un instrumento para instructores. Ambos desarrollos se validaron con expertos (médicos con experiencia en la instrucción y ejecución de este procedimiento), quienes lo encontraron útil para sus tareas educativas. La cuarta contribución es una curva de aprendizaje de la secuencia de pasos. Con este artifacto, los instructores pueden conocer el desempeño de los residentes a largo del curso completo y tener una idea del progreso del aprendizaje a nivel de curso. Se ocupó una métrica de similaridad para comparar las ejecuciones del procedimiento realizadas por los residentes con el modelo de proceso que propone la secuencia ideal de pasos, para cada residente y para cada una de las sesiones del curso de entrenamiento. Se encontró que la curva alcanza una meseta a la quinta sesión (son siete en total), y al analizar cada etapa del procedimiento por separado se encontró que hay etapas que los residentes aprendieron bien y otras que necesitan reforzar al finalizar el curso. La quinta contribución corresponde a métricas POME para determinar el desempeño de sus residentes a lo largo del curso a bajo nivel (de manera más detallada). Ocupando datos provenientes del curso de traqueostomía percutánea, se determinó el número de omisiones, desviaciones y repeticiones de actividades, haciendo un análisis detallado por etapa y por actividad. También se validaron estas métricas confirmando las correlaciones esperadas con métricas clásicas de educación médica (tiempo y OSATS), obteniendo valores estadísticamente significativos. Como conclusión, luego de desarrollar artefactos POME y dar forma al enfoque POME, se pueden concluir tres afirmaciones. Primero, el enfoque POME provee artefactos útiles para enseñar la secuencia de pasos. Segundo, desarrollar artefactos POME requiere del conocimiento de procesos, pero también sentido médico. Tercero, los residentes no realizan las habilidades procedurales usadas como caso de estudio de la manera en que deberían, incluso al finalizar el curso. Como trabajo futuro, se propone construir y validar artefactos POME para las tareas de entrenamiento, evaluación y feedback, así como también demostrar su impacto en el aprendizaje.
Text-conditioned video action recognition under few shot and continual learning scenarios
(2023) Villa Ojeda, Andrés Felipe; Soto Arriaza, Álvaro Marcelo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Los seres humanos aprenden continuamente nuevas actividades con pocos ejemplos sin olvidar las aprendidas previamente, aprovechando la información multimodal (VisualLenguaje). Sin embargo, las redes neuronales modernas para el reconocimiento de acciones son entrenadas por completo en extensos conjuntos de datos etiquetados, ignorando las descripciones textuales que vienen naturalmente con los videos. En aplicaciones reales, los métodos basados en aprendizaje profundo rara vez involucran una sola etapa de entrenamiento debido a la disponibilidad de datos, las cuotas de almacenamiento, las regulaciones de privacidad y los costosos procesos de anotación. En su lugar, se les debe entrenar secuencialmente para manejar nuevos conjunto de acciones. Bajo estas condiciones, los métodos de aprendizaje profundo reducen significativamente el rendimiento en las acciones previamente aprendidas y requieren una gran cantidad de datos etiquetados. Estos problemas se abordan mediante aprendizaje continuo y Few-Shot learning, respectivamente. Few-Shot learning (FSL) y Aprendizaje continuo (CL) han sido poco explorados en el dominio de video. En esta tesis abordamos ambos problemas. Primero, proponemos TNT, una red condicionada por texto con inferencia transductiva que explota las descripciones textuales para adaptar el conocimiento general de la red para mejorar la discriminación de clases en un escenario de FSL. En segundo lugar, presentamos a vCLIMB, un novedoso banco de pruebas estandarizado para analizar el olvido catastrófico de los modelos en un escenario de aprendizaje continuo en video. Asimismo, nuestra tercera solución, PIVOT, es una estrategia novedosa para CL en el dominio de video que aprovecha el conocimiento multimodal amplio y general de CLIP a través de un enfoque basado en prompting y un clasificador multimodal. Los métodos propuestos superan los modelos del estado del arte más desafiantes por un amplio margen en ambos escenarios, lo que demuestra que la información multimodal (video-texto) es esencial para aprender sin olvidar con pocas muestras etiquetadas.

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