学术留学路漫漫，普林斯顿大神教你做科研
大家好，我是来自于美国普林斯顿大学的博士Henry，也是和创大家庭的一员，非常高兴今天有机会可以和大家分享一下我这么多年积累的一些对于科研方面的感悟。
我目前的研究主要是数学建模和统计学分析，主要是针对灾害做风险评估和管理。但是本科的研究却以实验为主，就读于香港大学，我大二就开始积极参与到教授的很多研究项目中，本科期间有在加州大学伯克利分校、英国帝国理工学院开展科研项目。
Henry（左）和诺贝尔经济奖得主安格斯·迪顿
在两个学校做的项目迥然不同，在伯克利的项目主要是针对两种绿色环保可持续路面——海绵城市透水路面和凉爽路面——的设计方法；在帝国理工的项目主要是做结构健康检测，尤其是大尺度桥梁结构的结构损伤检测问题。无独有偶，两个项目均采用了实验研究为主、理论建模为辅助的研究形式。
1、建模研究（Simulation or Modeling）和实验研究的区别是什么？
建模主要是对于数学和编程的要求比较高，建模或者模拟，说白了，也就是用一种数学模型语言来描述系统之间的相互关系，尤其是定量化的关系，通过我们对于系统的机理的理解分析，来构建这种定量关系。基本的建模基本都是需要应用编程语言来实现的，比如常见的有Matlab、 C++，做数值模拟的有比如Fortran等。用建模来解决科研中的问题可以极大地节省研究成本，比如如果我们的模型能够比较准确地capture到现实中的规律，那么我们就无需通过大量的实验来实现我们的目的。举一个例子，有一种很常见的模拟方法叫做Monte Carlo Simulation①，这种方法在风险分析和评估中是非常高效和有用的。利用这种方法，我们可以很轻易地实现几千次甚至上万次模拟，可能仅仅需要不到一分钟的时间；这样很多过程中的不确定性都可以很好地展现出来。但是我们是不可能通过实验研究做上千次实验来实现我们风险评估的目的的。同时实验中由于人为操作而产生的不确定性也通常是很难量化的。
对历史数据的长时间数值模拟，白云代表湿度，色点代表降水，反应全球湿度与降水的演化
尽管说了这么多建模或数值模拟的好处，实验研究也有它非常重要的价值，尤其在与很多特定的领域，比如在化学，材料，生物等领域，价值是非常大的。这些领域的很多问题的机理是非常复杂的，运用现有的理论无法解释和很好地理解很多现象，还有很多变量我们甚至是不清楚也没有考虑进去的，这样我们的建模其实很难准确地把握变量之间的关系。这种情况下，实验就非常重要，通过精心的设计，在高度控制的条件下，可以改变某些特定的因素，研究几个变量之间的关系。
诺贝尔化学奖得主屠呦呦20岁时做实验的照片
2、这两种不同形式的研究分别适合什么样的人呢？
建模需要数理基础好、编程熟练。这种科研一般上手会比较慢，但是一旦掌握，后面的科研进展会非常快，尤其对于基础比较好的同学来说，是比较容易出成果的。而实验性的研究，需要同学们非常细心并且耐得住寂寞，因为长期泡在实验室里面是非常枯燥的事情，我当年在伯克利期间还要熬夜做实验，对于身体也是一个不小的考验。
实验研究对于科学仪器的要求比较高，换句话说，高尖端的仪器+勤奋的科研人员≈好的实验结果+高水平的论文。因此，对于想要从事实验研究的同学来说，选择好学校往往非常重要，因为只有好的大学才有足够的科研资金购入高尖端的实验器材。另外，有钱的教授也是比较重要的。对于想要读PhD或者研究型硕士的同学，我建议一定要想好自己的优势是什么？兴趣点在哪里？希望未来从事模拟方面还是实验方面的研究？从就业的角度来说，从事建模模拟类科研工作的同学比较容易找到相对理想的工作，而从事实验研究型科研工作的同学找工作往往会稍微难一点。
历时5年、耗资6.4亿元的北京正负电子对撞机
3、科研中什么最重要，我们怎么样可以快速地上手去做科研？
就我个人的经验来讲，科研对于很多素质是有要求的。按照重要性排序，首先科研对于人的创新思维要求非常高，即通常我们说的是否有新的idea。好的科研工作者一定是善于观察、善于发现热点问题的人，同时可以形成自己独特的科研思路，并且把idea变成现实。资深、年长的教授往往经验丰富，他们的科研想法是可实现的，那么年轻的教授可能有很多的科研想法，但是未必都是可行的。
普林斯顿大学的教堂
4、作为学生怎样形成自己的研究思路呢？
我有一个普林斯顿大学的学姐，跟着一个比较年轻的教授做科研，前3年没有任何成果，主要原因就是教授之前想的课题基本是走不通的，白白浪费了很多时间。
批判性思维
那么，我们作为学生怎样形成自己的研究思路呢？ 一个非常重要的途径就是阅读大量的文献，从别人已经做过的科研中汲取养分，然后加以分析理解，产生出针对该问题的新想法，这就要求我们要有批判性思维。别人已经发表的论文也不是完美的，甚至是有错误的，我们在借鉴他人成果的同时，也要思考我们可以做哪些改进？还有哪些角度他们没有考虑到？是不是补充一些这方面的研究会对该领域有一定提升？ 带着这些问题和批判性思考来进行文献阅读和调研，我们往往会发现自己的思路一直在随着文献来走，很多想法就会自然而然地迸发出来。
5、如何去实现科研思路？
①扎实的基础知识和基本技能
除了科研的思路以外，如何去实现科研思路也是很重要的。这就需要我们对这个领域的基本知识和基本技能（比如数据分析能力、编程能力、实验研究中的设计实验的能力）掌握扎实，这样可以比较容易地实现我们的科研愿景。 此时，平时的积累和有针对性的学习就显得非常重要了，课堂上教授的是基础性知识，对于理论体系构建是比较有帮助的。 其他更相关的知识和技能一定是需要我们具备一定的自学能力的，通过自己对于教科书、文献、方法性教材的阅读得到进一步的补充。
②良好的沟通能力
科研过程对于人的沟通能力要求也是非常高的，不论是日常同自己的教授或者其他研究学者讨论学术问题，还是向自己同组的师兄师姐请教问题，良好的沟通能力都会让我们事半功倍。 那么怎么样去和这些不同的人沟通呢？
沟通能力
和教授的沟通，我想主要分为资深的教授和年轻的教授来谈。 因为资深的教授见得问题很多了，科研水平大多数非常高，但是他们需要的是可以把他们的研究思路快速实现的学生。所以在和他们沟通的时候，一定要展现出来比较好的领悟能力，然后可以比较快速地把他们的想法实现出来。我之前在和一个比较年长的卡内基梅隆大学的教授合作的时候就是这样，我们下午刚刚一起讨论了一个问题，我晚上就把结果做出来发给他，让他感觉我很高效。 那么在同年轻的教授讨论问题时，你要积极地去贡献自己的想法，很多时候年轻教授提供的思路也不一定完全可以实现出来，如果你有不同的意见一定要表达出来，因为大多数年轻的教授是非常openminded的。
在与学长学姐沟通和相处的时候，不要仅仅把他们当作同事，也要把他们看作是自己的同学&好朋友，不仅仅在学术层面可以交流，在生活中其他方面也要多多交流，这样才能最大化地从他们身上学到长处。反过来，这样可以让他们在学术层面上更愿意帮助我们，把自己知道的都告诉我们。 这些基本的沟通技巧和情商其实也决定了我们未来（哪怕是博士毕业之后）的道路走得是不是顺利。
智商悦己，情商悦人，高手必定双修
6、如何获得科研机会？
我们都知道美国的研究生院越来越看重学术的能力，而且很多能力也不是仅仅通过标准化成绩就可以反映出来的。所以对于很多准备申请、现在在国内就读本科的同学而言，你们非常关心的一个问题就是怎么样去找寻这样的科研机会。在和我沟通的很多学生中，很多是非常向往海外科研机会的，尤其一张嘴就和我说希望去哪哪名校做做科研。其实我倒是觉得，与其好高骛远，不如把握当下；与其仰望星空，不如脚踏实地。怎么讲呢？ 我们应该很好地利用自己所在大学的科研机会，其实如果我们连自己在大学的科研机会都没有，为什么海外的名校教授会把我们招过去做短期科研呢？ 对于很多同学而言，即使获得了海外科研机，也并不一定可以把握得很好。
在我的课题组，每年都会有1-2个清华北大的优秀学生过来做短期科研交流，教授采取的方式大多数是放羊式的，除非特别优秀的学生，教授会每周见一次，讨论一下。那么试问如果以这种方式把你放到海外做科研，你知道如何下手去做，你能做出比较满意的成果吗？ 所以倒不如着眼于国内的科研机会，如果你明确了未来要申请国外大学，应该尽早进入实验室，努力工作，积累实实在在的科研水平，争取发表论文，这样未来会有机会争取海外的科研机会，在海外交流过程中表现优异，很可能直接拿到offer。这应该是对于目前很优秀的学生的一条比较切实的道路，也是好的科研能带给你的最为直接的回报。