ISEF国际科学工程大赛现代生物学、行为学赛道获奖作品分析

实验学科可以更好展现学生的学科知识储备和学术研究能力,现代生物学、行为学也逐渐成为ISEF的热门参赛学科,而参加过ISEF的申请者更是被TOP美本招生官青睐有加。

然而实验学科会受到现实因素的限制,比如时间、地域、疫情等,现在想要进入实验室做科研比较困难。做不了实验,不就与实验学科失之交臂了吗?

其实不然!现代生物学、行为学就是破解这一难题的最佳手段!

01、ISEF赛事解析 

1、什么是ISEF?

国际科学工程大赛(Internationa Science and Egineering Fair,ISEF)由美国Society for Science在1950年首次举办,被誉为青少年科创“世界杯”,从首届创办以来,ISEF为全球知名大学、名企输送了大量顶尖科技人才。

ISEF在全球范围内知名度高、影响力广,今年刚结束的ISEF大赛吸引了来自美国49个州以及全球63个国家以及地区,共计1750位参赛者参加。

2、ISEF的项目组成

一个好的ISEF研究课题离不开完整严谨的研究步骤。我将ISEF课题的组成分为了一下四步:

  • 发现并提出问题:利用前人的成果,用公开数据进行比较分析
  • 分析并解决问题:利用大数据分析、理论模型构造、实验讨论验证等手段进行分析
  • 得到结论:模拟仿真编程,总结提炼关键性要点
  • 结果展示:利用高阶可视化手段将研究成果展示给评委

ISEF共设置了21条赛道,学科范围广泛,几乎包含所有高中生可以接触到的领域;在学科特点上,ISEF也涵盖了理论研究和实验研究。在这其中,实验学科根据学科诞生时间以及分析手段,可以分为有传统实验科学和现代生物学

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在结束了对传统实验学科的分析之后,本周我们将视角转向现代生物学、行为学,从具体案例中总结归纳其获奖趋势,总结备赛方法。

02、ISEF历年获奖作品分析

1、计算生物学与生物信息学

机构H老师

为了让大家更加直观地感受计算生物学与生物信息学赛道的评委偏好,我将用该赛道的两个项目为大家进行对比分析。

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课题:大脑中恶性肿瘤相关的预后不良现象研究

课题构想:该项目利用RNA测序技术产生数据,使用基础的机器学习方法分析多形性胶质母细胞瘤中蛋白表达样本的基因关系,从而发现了3种基因最有可能是GBM的主要调节因子,也是最有希望的药物靶点。

 机构评析

项目缺陷:项目使用的机器学习算法较为基础。且缺少最后的验证环节,仅停留在得出结论这一步骤,研究完整性有欠缺

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课题方向:药物不良反应的相关研究

课题构想:该项目开发了一个由随机森林分类器和支持向量机组成的分层模型,使用药物的化学指纹来预测靶点、酶和转运蛋白谱,最后将其用于预测ADR,最终稿提出一种可以预测ADR并阐述其病理机制的新模型。

 机构评析

项目优势:该项目采用随机森林和支持向量等高级的算法进行数据处理,得出的结论更加可靠。且在项目展示中体现了自己项目的准确率(91%),进一步体现研究的严谨。

2、生物医学与健康科学

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课题方向:前列腺癌相关的免疫疗法

课题构想:该项目表征了前列腺癌种免疫浸润的细胞组成,研究了肿瘤免疫景观是否时患者预后的预测因素。基于来自癌症基因组图谱计划的大量mRNA测序数据,使用QuanTIseq和FPIC软件进行分析,确定了六种免疫亚型,以及肿瘤的免疫浸润成分差异,指明了免疫浸润可能是前列腺癌的预后指标,确定了一个了解前列腺癌的肿瘤免疫微环境的概念框架。

 机构评析

项目优势:利用了癌症基因组图谱中的数据,数据庞大且有价值。采用了两种不同的数据分析软件进行分析,并且得出了多项研究成果,充分体现了项目的研究深度和工作量之大

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课题方向:乳腺癌的新型靶向治疗方法

课题构想:该项目利用癌症大数据比较分析了几个不同类型癌症的基因转录组特征。发现了该类型的分子特征更接近于三阴性乳腺癌,有较高的炎症相关基因的表达。再利用实验室生物技术敲除ER基因,进一步验证了ER-/PR+乳腺癌细胞的表达谱特征。最后通过实验研究了这类癌细胞对抗炎症药物的敏感性。

 机构评析

项目优势:该项目时间跨度长,研究内容十分丰富研究思路清晰,体现了学生的投入度和专注度,研究技术先进,且研究成果很有实际应用价值

机构H老师

从以上几个案例中不难看出,线下实验并不是现代生物学所必须的步骤,学生完全可以通过在线上利用计算机技术完成整个项目,如有必要可以通过线下实验进一步验证自己的研究结果。这就是现代生物学的一个特有优势。

3、生物医学工程

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课题方向:便携式检测口腔癌的设备

课题构想:该项目设计了一种无需专业干预即可扫描整个口腔寻找潜在癌变的设备。在硬件部分,学生利用荧光激发正常粘膜使癌组织颜色变深。软件部分学生利用影像分析技术,将处理后的图像发送到自己训练的机器学习模型中,以检测潜在的恶性病变和鳞状细胞癌形式的癌组织。

 机构评析

项目优势:该项目从学生所在地的实际问题出发,有强烈的地方特色。项目的成果具有高度的应用价值。

4、社会行为学

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课题方向:人参、银杏、长叶参和长春西汀的对小鼠记忆、学习能力的不同功效

课题构想:该项目通过实际实验,让小鼠让小鼠连续口服药物 21 天,然后在莫里斯水迷宫上进行空间学习和记忆评估,并进一步基于这些发现根据与年龄相关的记忆变化和记忆障碍过程进行了讨论。

 机构评析

项目优势:该实验属于证否研究,应用了多组的小鼠数据,研究过程完整且严谨,研究思路清晰。

5、社会以及行为科学

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课题方向:COVID-19 期间的新型数字自闭及其症诊断

课题构想:该项目设计了一种通过使用计算机视觉运动跟踪技术来评估自闭症儿童在 ADOS 期间与父母和考官的平均距离,并使用发声记录器来分析儿童的语言能力。这项研究为通过可集成到智能手机应用程序中的数字表型自动诊断自闭症提供了基础。

 机构评析

项目优势:该研究发现了研究领域目前存在的问题,研究所设计的简单便携的方法可以在自然环境中提供实时数据,并彻底改变自闭症诊断,解决了该领域原本存在的缺陷。 

03、ISEF获奖规律总结

机构通过整理超过9000份ISEF Finalist摘要,与超过50位ISEF、丘奖评委导师进行学术探讨,总结了ISEF获奖作品的一些规律:

  1. 对当前科学或者项目中的问题能够清晰地、完整地阐述
  2. 青年科学家们选择了合适的研究方案对于项目进行深入的研究;
  3. 项目创新点往往是将前沿方法应用于所研究的问题或者对于已机构法进行改进
  4. 结论部分会介绍项目的应用价值

04、ISEF问题解答

我们搜集了大家对于ISEF、对现代生物学科存在的一些疑问,由老师现场给出了解答👇

家长A:几年级开始准备参加ISEF的项目比较合适?一个课题需要准备多久?

机构H老师

建议从九年级开始,此时学生已经基本具备了生物学的基础知识,也有足够的时间去深入挖掘和完善项目。

家长B:学生对于计算机和生物学都很感兴趣,如何将两者有机结合呢?

机构H老师

我们以计算生物学与生物信息学为例,学生可以应用计算机技术来解决生物领域存在的问题。对于学生最终在计算机赛道还是在生物赛道参赛的问题,可以考虑学生的计算机和生物研究水平以及学生未来的申请方向进行综合考虑。

家长C:生物专业未来的发展前景如何?

机构H老师

从我的主观角度来讲,我相信“21世纪是生物的世纪”,生物科研的地位和重要性在现今社会中是在不断提高的,也逐渐渗透到了物理仿生、化学制药等其他领域。所以我相信生物专业的发展前景是非常乐观的。

感谢H老师的精彩分享!基于学生的兴趣,引导他们走上学术研究之路,开启人生的另一种可能,这是机构一直以来的初心。ISEF 2023赛季已经开启,想参赛的小伙伴要抓紧时间开始备赛啦!

作为专注青少年科创赛事,机构在近三年内培养了20+ISEF决赛晋级学员,今年更是再次刷新历史记录,在预选赛、决赛阶段包揽62枚奖项,总决赛奖项8枚,不仅如此,我们还历史性的摘下了小行星命名权大奖

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