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玩转科学的追光少年

海内青年网 https://www.hainei8.cn 2021-12-20 21:36 出处:网络 编辑:@海内青年网
  视觉中国供图   将两颗葡萄放进微波炉里加热,会引发爆炸?一条科普短视频引起了南京金陵中学胡馨元、余星瑶、陈昭融三名高中同学的兴趣。

玩转科学的追光少年

  视觉中国供图

  将两颗葡萄放进微波炉里加热,会引发爆炸?一条科普短视频引起了南京金陵中学胡馨元、余星瑶、陈昭融三名高中同学的兴趣。

  “我们一开始并不相信。但老师告诉我们,这是一种物理现象,(实验)成功的话就会出现炫酷的等离子火花。”余星瑶说。

  于是,这个由葡萄引发的科学现象,成了三名同学的研究课题。经过实验研究、理论分析,他们交出了一份关于“葡萄的等离子现象”的科学论文,在刚刚落下帷幕的第十四届丘成桐中学科学奖比赛(以下简称“比赛”)中斩获物理金奖。

  长期以来,人们印象里的中学生总是背着大书包,在学校和家的两点一线中穿梭,似乎只知道埋头学习。如今,一些中学生在生活中思考科学问题,迈出了探索未知世界的步伐,在晦涩的学术世界中,他们正在用自己的观察和思考点亮一个又一个火花。

      玩转“小生活”背后的“大科学”

  “两颗葡萄引发的科学问题”并没有那么简单。在确立这一研究目标后,三名“科研工作者”经历了无数次的失败。

  “一开始,我们买了台微波炉,买了一些葡萄就准备做实验了。结果发现总是不成功,因为我们不知道微波炉要调到什么样的温度,也不知道葡萄之间要间隔多远。”胡馨元说。

  要达到实验的效果,就连葡萄的选择也有门道,甚至盛放葡萄的器皿,两个葡萄之间的距离都需要精确计算。在物理老师的指导下,三名同学的“科研路”距离成功越来越近。

  终于有一天,理想中的等离子火花出现了,三个人激动得大叫起来。胡馨元回忆道,“从开始到实验成功,我们用了几个月的时间。实验和探索的过程非常有趣,经常是切葡萄、量尺寸、调微波炉、录视频、观察现象,不知不觉就是一整天。”

  实验成功并不代表课题的完成,在这之后,同学们又开始紧锣密鼓地查资料、写论文。最终,三名同学的成果从比赛中脱颖而出。

  在日常生活中,旧衣物无处不在,这引起了北京二中国际部高三学生刘翼鹤的注意。

  从初中开始,他就留意生活用品回收的问题。“我观察到,一般的小区可能会有回收废品的地方,但是很少有回收旧衣物的地方。这些旧衣物怎么才能再利用呢?我查阅了很多资料,向很多相关老师咨询,后来想到用一种化学方法将废旧衣物进行循环利用,让它们变为‘新衣服’。”刘翼鹤说。

  研究的过程需要大量的实验和理论学习,从高二开始,刘翼鹤把自己所有的课余时间都用在了这一课题上。“甚至没有了刷手机的时间。”他笑着说。

  最终,这项名为“通过化学方法回收废旧涤纶织物”的研究夺得了比赛化学银奖。刘翼鹤表示,目前获奖的只是其阶段性成果,他的下一步目标是申请专利并争取量产,“未来,我也希望自己可以在化学或生物的道路上继续学习。”

      在社会问题中交出“中学生方案”

  在社会问题中,一些中学生不仅善于发现问题,还试着用自己学到的知识解决问题。

  来自北京师范大学实验中学的曾韵霏是一个自带“国际范儿”的女孩。从初中起,她就参与学校里的“模拟联合国”,关注全球气候变化问题。最近,她更是将研究角度聚焦到当下热门的电动车领域。

  “上了高中后,我开始和老师学习一些有关绿色经济的问题,后来我们家正好要买车,我了解到了关于电动车的有关政策。一些电动车价格便宜是因为有政府补贴。但我认为这不是一个长久之计,未来应该用别的方式帮助电动车适应市场,真正推动环境保护和绿色发展。”曾韵霏说。

  于是,曾韵霏开始学习相关政策背景、数学和经济学理论等多方面的知识,历时几个月,最终完成了一篇名为《税收政策和碳排放额度:传统内燃机车管制理论》的论文,并夺得了比赛经济金融建模金奖。

  这两年,新冠肺炎疫情打乱了很多人的生活节奏,来自山东省实验中学的解天佑深有体会。

  “我的妈妈在齐鲁医院工作。疫情发生时,他们医院有很多医生去武汉支援。我在聊天中发现了一个问题,医院和隔离区需要大量的消杀工作。这项工作,机器人作业总是比人工作业要安全一些。”解天佑说。

  那么,如何实现机器人代替人工进行消杀呢?

  解天佑发现,目前很多机器人的硬件是比较完善的,但软件系统还有提升的空间。机器人在进行消杀工作时,应该去哪些房间,如何进行路线规划,都需要一个高效的软件进行调度安排。

  “这里面有两个问题,一个是优化调度问题,一个是路径规划问题。”解天佑说。

  说干就干,解天佑和同学刘至理一起,利用自己学习的计算机知识,为这些机器人设计模拟路线软件。

  这并没有那么容易。刘至理发现,自己曾经学过的编程软件并不能满足设计需求。

  “我们在学校学的是Java,但能实现我们想法的是Python,因此我们需要重新学习。我们一边问老师同学,一边在网上学习教学视频,终于把这个软件做出来了。”刘至理说。

  最终,两人合作完成的《隔离病区多消杀机器人作业优化调度与路径规划》获得了比赛计算机类银奖。两名同学表示,在抗击疫情的过程中,每个人都在贡献自己的力量,作为学生,他们同样希望可以用自己学到的知识,为抗疫作出一些贡献。

      在科学世界里熠熠发光

  谈及自己的研究项目,来自华南师范大学附属中学的刘子灏说出的内容让人“不明觉厉”:“我提出了素数定理一个新的证明方法。利用在积分下取微分的方式来处理logζ(s)在s=1处的留数积分,这是一个更加直接的素数定理解析证明。”

  这篇论文从提出问题到完成只花了一个星期的时间,但在这之前,刘子灏在解析数论领域已有一年多的学习、探索和积累。从去年6月起,他就先后阅读了不少国际知名数学家的著作。

  “在学习过程中,我发现前人对素数定理的证明都使用切比雪夫函数作为工具。好奇心驱使我寻找其他方法。”刘子灏说。

  在某内容平台上,刘子灏将自己整理的《读懂黎曼猜想》系列文章陆续发表出来,他本人也成为该平台“大V”,拥有3万粉丝。

  今年4月的一个晚上,刘子灏在教室做数学推导,突然灵感闪现,找到了这个证明素数定理的新方法。他在网上初步搜索,发现此前尚未有人使用过这一方法,紧接着他又进行了更大规模的文献检索,最终确定这是一种新方法。

  “于是我用一周时间写成了论文,之后请一位解析数论教授审阅,获得认可。知网查重的结果是0重复率,这也让我对工作的原创性充满信心。我还把论文投给了2021年国际数学与应用数学国际会议期刊,并被录用。”刘子灏说。

  总决赛时,刘子灏的方法引起了清华大学数学科学中心主任丘成桐院士的注意。

  “丘先生问我,对黎曼猜想研究中的数值方法是否了解?一年以来我在解析数论领域里阅读了诸多文献,我感觉自己回答得很好。”刘子灏说。

  获奖后,这些熠熠发光的“科学少年”并没有停下自己前进的脚步。

  刘至理说:“一开始,我最感兴趣的是数学,解天佑最感兴趣的是物理。高中以后,我们发现,无论什么学科,计算机都是一个非常棒的工具。未来,我们都会往计算机方向继续深造。”

  曾韵霏表示,这次的研究只是一个阶段性成果,她也将就这一研究深化下去,完善变量和函数。未来,曾韵霏打算出国深造,她的目标是美国斯坦福大学。

  “我非常关心气候变化、低碳经济与绿色发展。此次获奖向我们传递了科学家对全球气候变化的高度重视。希望越来越多的中学生关心环境保护,学习相关知识,为社会作出贡献。”曾韵霏说。

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