Avance Científico. Diseño Experimental

Volumen N°1 Volumen1 1 N°1

JULIO 2014

AVANCE CIENTÍFICO

Diseño Experimental HISTORIA Y CARACTERÍSTICAS DEL DISEÑO EXPERIMENTAL

EL DISEÑO EXPERIMENTAL Y SUS APLICACIONES

Este artículo puede incluir 175-225 palabras.

El propósito del boletín es proporcionar información especializada

Contenido: El diseño experimental

4

Historia y característica

4-5

Etapas y fases del diseño

10 11

Ventajas, desventajas y limitaciones

8-9

Técnicas de recolección

6-8

Estudio de casos

12 13

LIMITACIONES DEL DISEÑO EXPERIMENTAL

Salvaguardar el medio ambiente‌ Es un componente esencial en la erradicación de la pobreza y uno de los cimientos de la paz.

Koni Annan Premio Nobel de la Paz 2001.

EDITORIAL Revista Digita, sobre Diseño de investigación experimental, dando cumplimiento a la Unidad Curricular Diseños Cuantitativos de Investigación, de la Maestría Ciencias Ambientales, mención Evaluación del Impacto ambiental.

Universidad Yacambú. Julio 2014.

Dayana Uzcategui Luis Soto Fanny Pérez

AVANCE CIENTÍFICO: DISEÑO EXPERIMENTAL

Diseño Experimental Un experimento diseñado es una prueba o serie de pruebas en las cuales se inducen cambios deliberados en las variables de entrada de un proceso o sistema, de manera que sea posible observar e identificar las causas de los cambios en la respuesta de salida Montgomery (1991). Actualmente los métodos de diseño experimental tienen una amplia aplicación en muchas disciplinas ejemplo agricultura, diseño técnico.

“Este aprendizaje se da a través de una serie de actividades en las cuales hacemos conjeturas sobre un proceso, realizamos experimentos para generar datos a partir del proceso.”

El diseño experimental puede ser considerado como parte del proceso científico y una de las formas en que aprendemos acerca de la forma en que funciona los sistemas o procesos.

Por lo general, este aprendizaje se da a través de una serie de actividades en las cuales hacemos conjeturas sobre un proceso, realizamos experimentos para generar datos a partir del proceso, y entonces usamos la información del experimento para establecer nuevas suposiciones, que llevan hacer nuevos experimento, y así sucesivamente, comportándose cíclicamente.

Algo de Historia del Diseño Experimental Sir Ronald Fisher fue el innovador del uso de los métodos estadísticos de experimentos, ya que utilizo por primera vez el análisis de variancia como herramienta primaria para el análisis estadísticos en el diseño experimental. a pesar de que fue el pionero muchos han contribuido de manera significativa entre ellos pueden encontrarse F. Yates, G.E.P. Box, R.C. Bose, O. Kempthorne y W. G Cochran. Muchas de las primeras aplicaciones de los métodos de este rubro se dieron en las áreas Sir Ronald Fisher

Disponible en: http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lii/granados_m_d/capitulo6.pdf Consultada: Julio 04, 2014

AVANCE CIENTÍFICO: DISEÑO EXPERIMENTAL de agricultura y ciencias biológicas. Sin embargo, las primeras aplicaciones se hicieron en 1930 aproximadamente, en el área textil.

Después de la segunda guerra mundial los métodos del diseño experimental se introdujeron en la industria química y de transformación de EEUU y Euro-

pa. En años recientes ha habido un renovado interés, en virtud de que varias industrias descubrieron que sus competidores han estado usando por muchos tiempo experimentos diseñado lo que ha sido un factor importante en su éxito. Por: Dayana Uzcategui

“Varias industrias descubrieron que sus competidores han estado usando por muchos tiempo experimentos diseñado lo que ha sido un factor importante en su éxito.”

Características del diseño Experimental Los diseños experimentales deben tener algunas características como: 1. Simplicidad. La selección de los tratamientos y la disposición experimental deberá hacerse de la forma más simple posible.

2. Grado de precisión. El experimento deberá tener la capa-

cidad de medir diferencias entre tratamientos con los grados de precisión que desee el investigador. Para cumplir con este propósito se deberá partir de un diseño y un número de repeticiones adecuados.

3. Ausencia de error sistemático. Se debe planear un experimento con el propósito de asegurar que las unidades experimentales que reciban un tratamiento no difieran sistemáticamente de aquellas que reciben otro tratamiento, procurando de esta manera obtener una estimación insesgada del efecto de tratamientos.

4. Rango de validez de las conclusiones. Este deberá ser tan amplio como sea posible.

Los experimentos que contribuyen a aumentar el rango de validez del experimento son los experimentos replicados y los

experimentos con estructuras factoriales.

Cálculo del grado de incertidumbre. En todo experimento existe algún grado de incertidumbre en cuanto a la validación de las conclusiones. El experimento deberá ser concebido de modo que sea posible calcular la probabilidad de obtener los resultados observados debido únicamente al azar.

Disponible en: http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lii/granados_m_d/capitulo6.pdf Consultada: Julio 04, 2014 Página 5

AVANCE CIENTÍFICO: DISEÑO EXPERIMENTAL Técnicas de Recolección de Datos en el Diseño Una investigación es científicamente válida al estar sustentada en información verificable, que responda lo que se pretende demostrar con la hipótesis formulada.

Para ello, es imprescindible realizar un proceso de recolección de datos en forma planificada y teniendo claros objetivos sobre el nivel y profundidad de la información a recolectar. Se

presenta en este artículo una serie de criterios a considerar para diseñar la herramienta de recolección de información, así como los métodos de recolección para lograr en una investigación resultados confiables.

Al momento de llevar a cabo una investigación para la veracidad y posible efectividad de la misma se requiere apli-

car distintos procedimientos que permitirán adquirir datos importantes para analizarlos y tener información fundamental para el completo desarrollo del estudio que se esta ejecutando. Dentro de las técnicas e instrumentos aplicables en una investigación se encuentra: la observación, encuesta, entrevista y cuestionario.

Fuentes de Información satisfacen las necesidades de conocimiento de una situación o problema presentado

Son todos aquellos medios de los cuales procede la información, que satisfacen las necesidades de conocimiento de una situación o problema presentado, que posteriormente será utilizado para lograr los objetivos esperados. De acuerdo a su origen se clasifican en:  Fuentes primarias.  Fuentes secundarias.

Las fuentes primarias son aquellas en las que los datos provienen directamente de la población o

muestra de la población, mientras que las fuentes secundarias son aquellas que parten de datos preelaborados, como pueden ser datos obtenidos de anuarios estadísticos, de Internet, de medios de comunicación.

A su vez las Fuentes primarias pueden subdividirse en:  Observación directa.  Observación indirecta.

Métodos de Recolección de Datos: Observación

La Observación

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Es la técnica que consiste en visualizar o captar mediante la vista, en forma sistemática, cualquier hecho, fenómeno o situación que se produzca en la naturaleza o en la sociedad, en unos objetivos de investigación preestablecidos.

Puede ser: Observación simple: donde el investigador no se involucra en el medio o realidad del estudio.

Observación participante: donde el investigador pasa a formar parte del medio donde desarrolla el estudio.

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METODOS DE RECOLECCION DE DATOS: ENCUESTA Constituye el término medio entre la observación y la experimentación. En ella se pueden registrar situaciones que pueden ser observadas y en ausencia de poder recrear un experimento se cuestiona a la persona participante sobre ello. Por ello, se dice que la encuesta es un método descriptivo con el que se pueden detectar ideas, necesidades, preferencias, hábitos de uso, etc.

Esta es definida por el Profesor García

Fernando como “una investigación realizada sobre una muestra de sujetos representativa de un colectivo más amplio, utilizando procedimientos estandarizados de interrogación con el fin de obtener mediciones cuantitativas de una gran variedad de características objetivas y subjetivas de la población”.

Aplicar una encuesta a una

La encuesta, método de recolección de datos escrito.

METODOS DE RECOLECCION DE DATOS: ENTREVISTA Entrevista: 1.Entrevista Personal: Es una conversión generalmente entre 2 personas, (uno el entrevistador y otro el entrevistado). Las preguntas pueden ir registradas en una boleta que se llama cuestionario o bien se puede auxiliar de una grabadora para registrar los datos obtenidos. Cuando la entrevista y el cuestionario son utilizados en forma personal se le denomina: Face to FACE (cara a cara). Cuando se posee una estructura fija de cuestionamientos o una secuencia de preguntas fijadas con anterioridad se conoce como entrevista dirigida. Cuando el entrevistador hace participar en un tema fijado anticipadamente, dejándole la iniciativa de la conversación y que toda su narración sea Página 7

espontánea se conoce como entrevista no dirigida.

La ventaja que tiene es que la gente generalmente responde cuando es confrontada en persona. El entrevistador puede notar reacciones específicas y eliminar malos entendidos sobre alguna pregunta hecha. Sus limitacione limitacionesa parte del costo, es el adietramiento que tenga el entrevistador. Este es el método más completo para adquirir información por estar en contacto directo con la fuente.

2.Entrevista por Teléfono: Presenta las mismas características que la anterior con la variante de que se hace por medio de un aparato telefónico. Tiene como desventaja que la persona a entrevistarse puede negarse fácilmente, mentir con más facilidad.

Además no todos los hogares tienen teléfono. Son más económicas que las entrevistas personales debido a la eliminación de

gastos de transporte. La duración de las mismas debe ser más corto pues las personas tienden a impacientarse por teléfono.

3.Cuestionario Autoaplicados o por Correo: Consiste en enviar la información con las preguntas necesarias por correo o algún otro medio. Este debe estar bien construido para facilitar la respuesta y la participación. Debe incluirse un sobre con el porte pagado para facilitar el retorno de la boleta. Se produce ahorro por no requerir entrevistadores, pero la tasa de respuesta baja. Tampoco se puede cerciorar que fue respondido por la persona a la que iba dirigido.

4.Observación Directa: Es usada cuando se requieren encuestas que no requieren mediciones en las personas.

Además no existe una participación directa en el área en donde se encuentra la información.

Disponible en: http://www.tec.url.edu.gt/boletin/ URL_03_BAS01.pdf Consultada Julio 06, 2014

La entrevista puede realizar en persona, por teléfono, por correo y hasta por video llamadas.

La entrevista

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METODOS DE RECOLECCION DE DATOS: CUESTIONARIO Investigación realizada sobre una muestra de sujetos representativa de un colectivo más amplio, utilizando procedimientos estandarizados de interrogación con el fin de obtener mediciones cuantitativas de una gran variedad de características objetivas y subjetivas de la población”

Es definido como la modalidad de encuestas que se realiza de forma escrita mediante un instrumento o formato en papel contentivo de una serie de preguntas. Se le denomina cuestionario auto administrado porque debe ser llenado por el encuestado sin la intervención del encuestador.

El cuestionario puede ser: Cuestionario de pregunta cerrada: donde se establecen previamente las opciones de respuestas que puede elegir el encuestado.

Cuestionario de preguntas abiertas: donde no se ofrecen opciones de respuesta, sino no que se le da la libertad al encuestado.

Cuestionario mixto: donde se combinan preguntas abiertas y cerradas. Por: Luis Soto.

Ventajas de la investigación experimental 1.

Se elimina el efecto de las variables perturbadoras o extrañas, mediante el efecto de la aleatorización.

2. El control y manipulación de las variables predictorias clarifican la dirección y naturaleza de la causa. a la estimación y cuantificación de fuentes de variabilidad en los resultados.

6. El número de pruebas requerido puede determinarse con certeza y a menudo puede reducirse.

Aprendizaje experimental

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7. La comparación de los efectos de los cambios es más precisa debido a la

3. Se requiere una estrecha colaboración entre los estadísticos y el investigador o científicos con las consiguientes ventajas en el análisis e interpretación de las etapas del programa.

y respecto a la preplaneación sistemática, permitiendo aun la ejecución por etapas y la producción única de datos útiles para el análisis en combinaciones posteriores.

4. Se enfatiza respecto a las alternativas anticipadas

5. Debe enfocarse la atención a las interrelaciones y

agrupación de resultados.

8. La exactitud de las conclusiones se conoce con una precisión matemáticamente definida.

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Desventajas de la investigación experimental 1. Tales diseños y sus análisis, usualmente están acompañados de enunciados basados en el lenguaje técnico del estadístico.

Sería significativos a la generalidad de la gente, además, el estadístico no debería subestimar el valor de presentarnos los resultados en forma gráfica. De

hecho, siempre debería considerar a la representación gráfica como un paso preliminar de un procedimiento más analítico.

2.

Muchos diseños estadísticos, especialmente cuando fueron formulados por primera vez, se han criticado como demasiado caros, complicados y que

requieren mucho tiempo. Tales críticas, cuando son válidas, deben aceptarse de buena fe y debe hacerse un intento honesto para mejorar la situación, siempre que no sea en detrimento de la solución del problema. Ver Quiroga, Mac, Víctor; Manual Práctico Para. El Análisis De Experimentos De Campo, Editorial Instituto Interamericano De Ciencias Agrícolas.

Diseño experimental

Limitaciones del diseño experimental Debido a que la realidad es cambiante y compleja, cuando la estudiamos nos encontramos con limitaciones y obstáculos propios de dicha realidad. Tales como: Limitaciones de tipo ambiental Son limitaciones propias del ambiente como, por ejemplo, las características propias de los sujetos o de los diferentes ambientes y que pueden

afectar al resultado de una investigación. Estas limitaciones ambientales cambian según sea los contextos, así la edad, sexo o nivel sociocultural cambian de unos a otros. Al ser variables múltiples hace que los resultados sean solo aplicados al ámbito de estudio y los resultados no puedan generalizarse a otras investigaciones.

Limitaciones en la medida Las características de los fenómenos humanos presentan dificultades en la observación y cuantificación. Esto quiere decir que es muy difícil valorar el mundo psíquico o interior de los sujetos ya que no es observable. Las técnicas de datos disponibles no son los suficientemente precisas y exactas por lo que se hace muy

difícil llegar a conocer la realidad. Para medir características psicológicas o internas se suelen aplicar medidas de carácter ordinal y juicios de estimación, sin embargo estas escalas de medida son cuestionables. Cuanto más válidos y fiables sean los instrumentos de medida de los que

seres humanos está limitada por condiciones de tipo moral que afectan a los sujetos que participan. Se refieren a aspectos que influyen perjudicialmente en las personas como en la personalidad, en el desarrollo físico y emocional, en la intimidad…

Limitaciones derivadas del objeto El problema que se plantea es si la investigación ha de tratar tanto los hechos observables y cuantificables como aquellos que no se pueden observar (intenciones, creencias…). Según el neopositivismo todo queda reducido a aquello que es verificable empíricamente (basado en la experiencia y en la percepción).

dispongamos, esta limitación disminuirá. Limitaciones de tipo moral La investigación con

Para que la investigación sea moralmente lícita debe respetar los derechos inalienables de la persona humana.

http://www.uam.es/personal_pdi/ stmaria/jmurillo/InvestigacionEE/ Presentaciones/Curso_10/ Experimental.pdf Página 9

Según el Neopositivismo, todo queda reducido a aquello que es verificable empíricamente (basado en la experiencia y en la percepción).

El Neopositivismo y la filosofía analítica.

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Etapas de la investigación experimental 1. Delimitar y definir el Objeto de “El Planteamiento de la hipótesis de trabajo en toda investigación, es quizás el punto más importante, que determinará lo extenso o concreto de dicho estudio”.

La realización del experimento, nos indicará la validez de la hipótesis.

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la investigación o problema: Determinar claramente los objetivos del experimento y las preguntas que haya que responder. Seguidamente señalar las variables independientes, las dependientes, los parámetros constantes y la precisión necesaria en la medición de las mismas. Se toma en cuenta la bibliografía existente, la región en que interesan los

resultados, el equipo disponible y su precisión, y el tiempo y dinero disponibles. 2. Plantear una hipótesis de trabajo: Para hacerlo se debe tener la certeza de qué tipo de trabajo se va a realizar: si se trata de verificar una hipótesis, una ley o un modelo, no hace falta plantear una hipótesis de trabajo; si el trabajo es complemento o extensión de otro, es posible que

se pueda usar la hipótesis del trabajo original o hacer alguna pequeña modificación; si el problema por investigar es nuevo, entonces sí es necesario plantear una hipótesis de trabajo. Toda investigación comienza con una suposición, un presentimiento o idea de cómo puede ocurrir el fenómeno. Estas ideas deben estar suficientemente claras para adelantar un resultado tenta-

tivo de cómo puede ocurrir dicho fenómeno: éste resultado tentativo es la hipótesis.

procedimiento y/o equipo utilizado. 4. Realizar el experimento: Una vez realizado el experimento de prueba y la interpretación tentativa de resultados, realizar el experimento final casi se reduce a llenar columnas, preparadas de antemano, con lecturas de las mediciones, a detectar cualquier anomalía que se presente durante el desarrollo del experimento y a trazar las gráficas per-

tinentes o calcular el o los valores que darán respuesta al problema.

5. Analizar los resul-

3.

Elaborar

el

diseño

experimental: Ya conocida la naturaleza del problema se debe analizar si la respuesta a nuestro problema va a ser la interpretación de una gráfica, un valor o una relación empírica; esto nos señalará el procedimiento experimental, es decir cómo

tados: El análisis o interpretación de resultados, ya sean valores, gráficas, tabulaciones, etc., debe contestar lo más claramente posible la o las preguntas planteadas por el problema. En términos generales el análisis comprende los siguien-

medir, en qué orden, y qué precauciones tomar al hacerlo. Una vez determinadas estas etapas se procede a diseñar el experimento mediante los siguientes pasos: Determinar todos y cada uno de los componentes del equipo, acoplar los componentes, realizar un experimento de prueba e interpretar tentativamente los resultados y comprobar la precisión, modificando, si es necesario, el tes aspectos: 1) Si el experimento busca confirmar una hipótesis, ley o modelo, los resultados deben poner de manifiesto si hay acuerdo o no entre teoría (la hipótesis, ley o modelo) y los resultados del experimento. Puede suceder que el acuerdo sea parcial; de ser así también se debe presentar en qué partes lo hay, y en cuáles no; 2) Si es un experimento que discrimine entre dos modelos, los resultados deben

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permitir hacer la discriminación en forma tajante y proporcionar los motivos. para aceptar uno y rechazar otro; 3) Silo que se busca es una relación empírica, ésta debe encontrarse al menos en forma gráfica; lo ideal es encontrar una expresión analítica para la gráfica, es decir encontrar la ecuación. A esta ecuación se le llama empírica porque se obtuvo a través de un experimento y como expresión analítica guientes criterios: 1) Rechaza una hipótesis, ley o modelo cuando comprueba experimentalmente que no se cumple. Basta que exista un solo fenómeno que no pueda explicar para desecharla; 2) Acepta como cierta —pero no como absolutamente cierta— una hipótesis, ley, teoría o modelo, mientras no se tenga la prueba de falla en la explicación de algún fenómeno; 3)Puede

de una gráfica. Se debe tomar en cuenta que en una gráfica cada punto experimental. tiene un margen de error y que en caso de duda —cuando la curva no esté bien determinada—, debe hacerse un mejor ajuste por medio de mínimos cuadrados. Se debe hacer notar que la curva más simple de analizar es la recta y que si no la obtuvimos al graficar nuestros puntos, debemos intentar obtenerla, ya sea suceder que la hipótesis o modelo concuerden sólo parcialmente con el experimento, entonces es necesario especular acerca de las posibles razones de la diferencia entre la teoría y el experimento, y tratar de hacer nuevas hipótesis o modificaciones a la ya existente, lo que conduce a un nuevo problema. En las conclusiones se responden con claridad las preguntas planteadas en el experi-

cambiando variables o graficando en papel semilogarítmico o log-log. 6. Obtener conclusiones: Ya logrados los resultados del experimento el investigador debe aplicar su criterio científico para aceptar o rechazar una hipótesis o una ley; también es posible que haga alguna conjetura acerca de un modelo, o proponga la creación de otro nuevo, lo que conduciría a un nuevo problema. Generalmente se aplican los simento, comprobar si es o no válida nuestra hipótesis de trabajo o el modelo propuesto. Si hay preguntas sin respuesta, establecer el porqué o si amerita, conjeturar acerca de la hipótesis o modelo que describa el fenómeno estudiado. .

7. Elaborar un informe por escrito: Sus partes serán: 1) la definición del problema, 2) El procedimiento experimental, 3) resultados, 4)conclusiones.

Diseño experimental

“Los resultados obtenidos en un desarrollo experimental, generan una conclusión, basándose en la hipótesis planteada, pero siempre guiada por el criterio del investigador”.

La elaboración del escrito bajo las convenciones de un informe de investigación. Por: Fanny Pérez.

Resultados experimentales

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ESTUDIO DE CASOS

Se presentan ejemplos hipotéticos del empleo de técnicas en la industria farmacéutica ”.

EL DISEÑO EXPERIMENTAL Y LOS MÉTODOS DE TAGUCHI: CONCEPTOS Y APLICACIONES EN LA INDUSTRIA FARMACÉUTICA Los orígenes del diseño experimental se remontan a las primeras décadas del siglo XX, cuando Ronald Fisher introdujo el concepto de aleatorización y el análisis de varianza. En estos últimos años, la teoría y aplicaciones del diseño de experimentos se consolidaron y expandieron y, en varias industrias, las contribuciones de Gen'ichi Taguchi, abrieron el camino de aplicaciones rutinarias. En este documento de trabajo y se presentan ejemplos hipotéticos del empleo de estas técnicas en la industria farmacéutica, tanto en situaciones de diseño como de manufactura y de servicios. El objetivo es motivar y consolidar el interés de los profesionales por estostemas, así como difundir las ideas de Taguchi sobre el diseño robusto y la función de pérdida cuadrática. El trabajo está organizado del siguiente modo. La sección I destaca el papel del diseño experimental en la mejora de los procesos y la importancia básica del análisis de varianza.

La sección II es una revisión del análisis de varianza que, a través de ejemplos numéricos, procura dar una perspectiva intuitiva de los conceptos. La sección III introduce los experimentos factoriales, con aplicaciones farmacéuticas de diseño y de servicio. El enfoque de Taguchi se esboza en la sección IV y se lo compara con los métodos tradicionales. La sección V brinda breves recomendaciones para el uso de estos métodos.

Disponible en: http://www.ucema.edu.ar/publicaciones/download/ documentos/258.pdf Consultada Julio 04, 2014 Página 12

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ESTUDIO DE CASOS ANÁLISIS Y DISEÑO DE EXPERIMENTOS APLICADOS A ESTUDIOS DE SIMULACIÓN Los estudios de simulación, empleados en diversas áreas de la investigación, son de gran utilidad para conocer el comportamiento de ciertos fenómenos bajo diferentes escenarios virtuales propiciados por el investigador a través de algún software especializado. En el campo de la estadística son muy comunes los estudios de robustez, muchos de ellos utilizados para observar el comportamiento de un estimador ante diferentes situaciones hipotéticas que pudieran presentarse en la realidad. Da-

Software de simulación industrial

da la semejanza entre los estudios de simulación y los estudios experimentales, el objetivo de este trabajo es proponer el uso de la metodología y del diseño y análisis de experimentos en los estudios de simulación. Se presenta como ejemplo el estudio de simulación “Robustez de un modelo de Markov de tres estados bajo distintas especificaciones distribucionales de los tiempos de transición” realizado bajo el enfoque del diseño experimental y utilizando el análisis de varianza y la regresión múltiple con el fin de probar el efecto del tamaño muestral, el máximo número de visitas y el tipo de distribución de los tiempos de transición sobre la estimación de los parámetros del modelo markoviano de tres estados.

“Dada la semejanza entre los estudios de simulación y los estudios experimentales, el objetivo de este trabajo es proponer el uso de la metodología y del diseño y análisis de experimentos en los estudios de simulación.

Disponible en: http://www.redalyc.org/pdf/496/49611945026.pdf Consultada Julio 06, 2014 Página 13

CONCLUSIONES Cada Investigación presenta características específicas, lo que hace que la aplicación sea única, por ende, el investigador, debe tener claridad y criterio, acerca de los principios y características de cada uno de los diseños.

Cabe destacar, que es de vital importancia, la eliminación de las variables exógenas, para alcanzar resultados confiables. Al momento de formalizar la investigación, el modelo escogido debe ir acorde a las posibilidades de la realización del experimento y a la hipótesis planteada.

Cuida el agua, el aire, los suelos, la flora y la fauna...No son nuestros, lo hemos tomado prestado a nuestros hijos.

Contactos: Tahireperez@gmail.com Ing.dayanauzcategui@gmail.com gonzalezsotolc@gmail.com

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