科学研究和科学竞赛在美本申请中的作用分析

今天我们讲一讲科学研究和科学竞赛,还有实习在美国大学申请当中的作用,以及把他们打开的正确的方式。

我本人职业生涯的大部分时间是做科研的,是一个地地道道的科学家。

二十几年之前,我在国内重点大学担任教研室主任,并且指导博士生。来美国以后,在政府研究部门和工业界工作多年,我的研究论文被诺贝尔奖获得者多次引用。

目前市场上治疗妇女更年期骨质疏松的药的公认品牌,中文叫福赛美,原料药有一版的工业界的通用方法是我做的。

我目前担任美国化学化工学会 (American Chemical Society, ACS) 特拉华分会的候任主席。根据美国化学会的章程,我明年要接任正式主席。我目前也是全球最大的高中生科学竞赛 Regeneron ISEF的评委组长。

上个星期四我刚刚到亚特兰大去参加今年的ISEF的评审,星期五回来的。明天又要到亚特兰大去参加美国化学会的新的leadership的conference。

有些朋友对我做大学申请顾问不太理解。有一次我作微信群讲座,一个家长在群里连写两个“大材小用”,也有直接问我这样的问题,为什么我要做这个事情?

我想告诉大家,做科研固然很有趣,但是我现在的工作可能意义更大。

在科学研究领域,我再继续做下去,在目前的基础出几个1+1不是问题,而帮助学生在人生的关键路口进入快车道,就是他们帮助他们的人生,从0到1的飞跃。

我前一阵在和北京的一个申请顾问聊天的时候也聊到这个问题。他是中国科技大学化学系80年代本科毕业的,清华大学的硕士。他说杨老师啊,有的申请顾问就是从大学的英语系或者教育系毕业就去做申请顾问,就相当于从驾校一出门就去当教练, 一辈子他的职业就在这上面。

我们呢,其实开车开了很多年,是老司机,在各种堵车的城市、长途高速上经受过磨炼,在狂风暴雨里走过,也在逆行线上吃过罚单,这样一步一步锻炼出来了。杨老师你是一个周游世界的顶级高手,走过了我们走的这些路,而且在北极的冰天雪地里开过,在泥泞沼泽地里开过,也在左行道和右行道不同交通体系里开过。最重要的是,每次你碰到复杂的情况,心中马上就有预案,并且在出手之前就能准确判断出事情的结果。

我说:你说的是申请学校吧?事实上我真的开车也有这样的经历。以前我们开车的时候开长途要看地图,现在用GPS。每次开车之前,我还是要把路线看一看, 这样开车的时候,所有开车的路线就在我脑袋里延伸。

在美国大学申请中,科研、竞赛、实习,是让申请人脱颖而出的重要因素。

我们曾经把美国大学申请的各项因素比作做披萨,其中高中GPA和标准化考试成绩, 还有推荐信、文书的基本内容相当于底部的大饼, 高中挑战性课程(AP, IB等) 、竞赛获奖、课外活动、社会服务、体育、艺术特长等相当于披萨的Topping。

科研、竞赛、实习,是学术方面最亮眼的Topping。它们能够考察学生除了学校课程学习之外的学习能力,以及对将来有可能学习的学科和职业的兴趣和了解。而学生本人也能通过参加这些活动在高水平上提升自己对这些学科的认知。有了这些高级的Topping,才能做出美味可口,让人垂涎欲滴的顶级披萨。

竞赛、科研、实习这三个项目不一样,但是相互之间又有联系。

先说说竞赛。

竞赛,可以分为学科类竞赛和科研类竞赛。学科竞赛,又可以称为做题类或者考试类竞赛。最有名的就是奥数。美国的主流数学竞赛,从初中开始,有MathCounts, Math League, ARML, AMC8等等。高中阶段,有AMC10, AMC12,晋级之后参加AIME,然后进入USJMO,USAMO。最后胜出的学生进入Camp后,组成美国国家队参加国际奥林匹克数学竞赛。

每个国家都有自己的奥林匹克竞赛体系,但是有些比赛是可以跨国报名的。在中国可以报名参加美国、英国、加拿大、澳大利亚的比赛,也就是参加前期的预赛阶段,等到你真正要进入国家队,需要这个国家的身份。

其他学科,物理、化学、生物、计算机也都有类似的竞赛体系。但是他们的含金量比不上数学。参加AMC8的学生为50万人,参加AMC10和AMC12的有10多万人。而参加物理竞赛F=ma的学生有4000到6000人,化学20000-30000人,生物6000到7000人。

从获奖的难度来看,参加奥林匹克数学竞赛,相当于国际奥林匹克运动会中的田径100米或者是游泳100米自由泳,是万众瞩目的顶尖明星。100米跑得最快,就是世界飞人。100米自由泳时间最短,是游得最快的。

物理、化学、生物的奥赛,可以类比于奥运会当中的乒乓球、羽毛球,还有举重、体操,射击这些金牌。虽然含金量比不上100米短跑或者100米自由泳的金牌,但是远远高于那些拿不到奖牌的田径和游泳选手。

竞赛的另外一类,就是所谓科研类竞赛,最有名的是叫再生元科学天才奖(Regeneron Science Talent Search,STS) 和再生元国际科学与工程比赛 (Regeneron International Science and Engineering Fair, ISEF, 以前叫英特尔科学竞赛),其他还有如Google Science Fair, National Science Olympiad, National Science Bowl等等。这些竞赛主要考查学生的科学创新能力。同时,作为竞赛,学生的科学表达能力占了很大比重。

STS大奖的最高奖金为25万美元,号称小诺贝尔奖。近几年,我担任ISEF比赛化学组的评委。有些家长问我,怎么能找到保证能让学生获奖的教练?我说,我不知道到哪里找保证让学生获奖的教练,但是我知道到哪里去找那些不能获奖的教练,就是上年度指导学生获奖的那些教练。在ISEF评奖历史上,很少有教练能够蝉联获奖的。

我是leader Judge,每年也会帮助同学review一下,你这个项目合不合理,按照评分标准有没有什么可以改进的地方。

刚才是讲的竞赛,现在我们讲一讲高中生科研,这是这几年被热炒的项目。但是,怎样才能做到真正有效的高水平科研?里面是有很大讲究的。

我们这几年注意的这个词叫STEM,大家都注意到,实际上就是math 、science、technology和Engineering,这几个东西到底是怎么回事呢?我们有的家长background很厉害,没什么问题。有些家长可能不是很清楚,我以我自己的经历给大家做一个解释。

物理化学这个专业,顾名思义,就是用物理的方法来研究化学的问题。

在我的职业生涯当中有几个重要的研究成果。我先举一个例子。这是90年代初我在中国科学院南京土壤研究所,跟着朱兆良院士做一个研究项目。

化合物有的是亲水的,有的是亲油的。表面活性剂是一头亲水,一头亲油,就是两边都能够融合。洗衣粉是最典型的表面活性剂。把表面活性剂加到水稻田的水面上面,形成一层表面膜。水稻田里的肥料施肥之后,氮肥常常会变成氨气跑掉。水表面有了这一层膜之后,就能够降低氨挥发的速率,保持氮肥在水稻田里有效的利用,就可以提高产量。

当时我们课题开会总结的时候,我跟南京大学的前校长陈骏,那时他还比较年轻,跟我坐在一起。再隔壁是当时的中国科学院副院长孙鸿烈。

我跟陈骏讲这个课题,我说把“洗衣粉”利用起来,他是学地球化学的,他能够理解,就是加到水里头,然后陈骏说:你这个洗衣粉可以发泡哎。当时还没听说可以提高粮食产量。

孙鸿烈副院长说:我们以前70年代有粮食膨大剂。你是把这个“洗衣粉”放到整个水稻田里头去做粮食膨大剂。以前70年代,大家吃过爆米花的人都知道这个粮食膨大剂是什么东西。我们做的这个研究,到最后水稻每亩可以提高10公斤到60公斤之间。

另外一个研究,就是袁隆平他们做的提高水稻田水稻的产量,杂交水稻提高的比例比我们这个大多了,成倍成倍增长的。

我们这个成果虽然后来也拿了中国科学院的奖,获得了专利。假如推广的话,在全国也会有上亿的经济效益。但是有句话叫做:内因是决定的因素。比起他们没有那么成功,所以我们这个项目仅仅在科研阶段,做了一些小试。当时我的研究论文在90年代还写了一篇,准备送到”Nature”杂志上去。后来我们要在进一步推广之前,在不同的土质里进行实验,慢慢的就认为这个推广的意义不是那么大。这个项目就停了。

我的另外一个研究成果,是把废塑料转化成汽油。这个研究从科学层面上来说挺有意义的。我们最初的研究,是用石油化工公司生产的纯塑料,做出来的汽油非常非常好。

这里头有个故事。当时我在南京。北京有一家公司想推广我们的项目,要把我们做的汽油,从飞机上带回北京去做检测。他就用一个雪碧瓶装了汽油。机场有安检,他告诉机场这是雪碧,要当着机场安检的人喝一口,他就喝了一口这个汽油。

但是,我们炼汽油的塑料,分拣和清洗都是问题。

第一,不是所有的废塑料都能够转化成汽油,只有一部分聚烯烃类的,学过高分子化学化工的人有这个概念,聚烯烃类的塑料才能够做成汽油。

我们现在的塑料制品,大家要注意,上面有个再循环的标志上面写了数字123456,这个数字代表了不同类别的塑料。你一定要知道是哪些类别才能用。

废塑料是从垃圾里捡出来,捡了之后要洗,洗了之后又造成很多废水,就有可能又造成水污染。那么到底它的成本有多高,这一方面就是技术方面的问题。

到工厂去真正做油的时候,弄来的塑料很多是发泡的,比重很轻,体积很大。到了反应器里头,一加热就变得很小,加热也不均匀,这就是一个工程问题。

所以,从科学到技术到工程,是有一系列要解决的问题的。

来到美国之后,我在制药公司工作过。

我做的其中一个研究项目,就是药物中杂质的分析方法的研发。普通的药里的杂质,控制在万分之五,就是0.05%,测出来控制下来就行了。但是有一类杂质,是有可能致癌、致畸变的杂质,这个量就要控制在千万分之一,甚至亿分之一。这个浓度是什么概念呢?就相当于把一个乒乓球或者一个篮球打碎了,很均匀的掺到地球里,要把它找出来。这是分析方面的难度。

在制药工艺的反应里头,它的难度在什么地方呢?有的时候我们做合成的时候,做小试,产品非常好,程度很高。到了化工放大的时候,反应釜内加热的时候要是不均匀,有可能产生杂质。

我们今天主要是讲高中生的科研。高中生的科研,主要的着眼点在科学研究的基本原理,有探索性就行了。在技术和工程放大的问题上面,一般很少有高中生参加的。

有家长刚刚告诉主持人,我刚才讲的那些东西太深奥了,他们听不懂。但是,以前也有些高中生家长来找我,希望找到世界前十名大学的教授带他们的孩子,还要发表论文。假如刚才我讲的东西你都听不懂,你觉得高中生能够做出世界前十名大学发表的论文吗?

科学研究选题,是一个很重要的问题。但是有的时候很难的问题,可以用很简单的方法来找到解决问题的途径。

现在大家都对温室效应有概念。温室效应就是二氧化碳气体进入了大气层之后全球会变暖。但是,另外还有一个气体是甲烷,大家知道不知道?就是沼气。那个东西产生对全球变暖的贡献,每一个分子的贡献是二氧化碳分子的200倍,但是这个气体在大气里的总含量比较低。

当初刚刚有人发现甲烷可以产生温室效应贡献的时候,当时有个科学家敏锐地捕捉到这一点,就种了几盆水稻,来测试水稻里产生的甲烷有多少。那篇文章马上就发表在国际最顶尖的杂志《Nature》上面。

我们现在讲到高中生的科研。

高中生的科研项目从进行的方式来说,大概有这么几种:

第一类,大学有专门的帮助高中生的科研项目。

美国很多大学都有接受高中生做科研的传统,有的还作为实习项目,给高中生一定的经济津贴。这个方面,尤其是每个州的州立大学,支持本地的高中的科研的。私立大学是各个学校自己定的。中国也有一些大学有和高中的合作项目。

第二类,有些导师自己个人愿意指导高中生进行科研。这些项目有的是免费的,有的是收费的。

第三类,是那些顶尖的夏校,本身就是科研项目。比方说MIT,最有名的理工科的研究夏校RSI,SSP,Clarks。这一类的夏校往往要经过激烈竞争,才能获得入选资格。

第四类,是把科研项目作为一个竞赛来参加,最有名的就是我刚才开始提到的STS和ISEF。

高中生科研选题要结合高中生的特点。高中生的科研项目,有的是在导师的指导之下,高中生独立完成的。有的是参加同一个课题组。导师底下还有博士后、博士生,还有本科生,一起参加科研。高中生作为他们的助手参加更容易的,或者也有的自己比较厉害,参加其中的一部分。

从形式来说,有实验室研究,野外研究,还有线上研究。

从学科类型来说,比较适合高中生进行的科研项目要与高中的学习内容相衔接,比较直观,容易理解。高中课程和进行的科研项目之间往往有一个gap。在高中生进行科研的一开始的阶段要把这个gap补上,先对他们进行培训。

在理工学科当中,生物学的观测项目,化学学科中的分析、测定、表征项目、环境科学当中的小发明、计算机科学中的应用项目、应用统计,还有那些与日常生活相关的数据分析等等,是高中生比较容易上手的,也比较容易出成果的方向。

去年申请季结束后,一个家长告诉我,某学生在一个大学化学系老师实验室做了一个暑假,发表了两篇论文,录取到哈佛大学。我马上就问他,是不是与分析测试表征相关的工作?那个家长反问我,你怎么知道的?我说我做了这么多年,我当然知道什么东西高中生容易做出来了。

另一类比较容易出成果的课题,是把在一个研究方向已经证明有效的研究方法搬到另外一个领域。当然这种山寨的要有前瞻性,很有可能要踩空。

我刚才举到的那个例子,就是测水稻里产生的甲烷对温室效应的贡献,这个就是他的敏锐度。实际上测甲烷气体本身来说,是大学里一个基础实验,是非常简单的。

我在90年代的研究成果,曾经被两名诺贝尔奖获得者引用了多次,也是因为我的研究拓宽了他们对生物源产生的含硫气体的环境影响的探索。后来,我被两名获诺贝尔奖的科学家邀请一起工作。

爱因斯坦说过,我最讨厌一些科学家,喜欢在薄薄的木板上钻很多小洞。而南大物理系的冯端院士说,要在木板上钻大洞的方法之一,就是要先钻很多小洞,然后把它们连起来,就有机会钻大洞了。

对于一个高中生来说,能够钻出在科学意义上任何一点小的洞,都是非常了不起的事情。这不仅在大学申请当中能够脱颖而出,对他的人生,将来的职业导向都有重要的意义。

1993年,我在日本筑波科学城做客座科学家,和后来担任中国农学会理事长、中国农业大学副校长的李里特教授是邻居。他的专业是农业工程。我们聊到中国科学家的科研情况的时候,他说,我们的科学家研究牛耕田的犁,一直就是在想办法把这个犁怎么样改进,做的形状更好,耕田效益更高。

但是从来没有想到过,哪一天我们不用牛拉犁,用拖拉机,或者换一个更高级的合金材料来做这个犁。他的这番话是对该领域的顶尖科学家的要求。而对于一个高中生来说,他如果能够把这个犁的形状用数学模型计算出来怎么样是最高效的,并且能够找出耕田最有效的合金材料,那么在他人生道路上必定是一个很重要的成果。

他这样的科研成果在申请农业工程、机械工程、计算机科学、化学、冶金工程等专业时,都会成为重量级的助推器。他将来很有可能,就能成为抛弃牛拉犁,去发现拖拉机的那一位科学家。

刚才我说了,高中课程的学习与科研需要的知识有一个gap,需要再学习一部分知识。这些科研前端的知识往往要现学现用,用于研究。

高中生科研的发表方式,可以有这么几种:研究报告,会议墙展,会议分组报告,会议大会报告,网上刊物发表,同行评议期刊发表,科学竞赛参赛。究竟以何种方式发表与研究项目的内容和研究成果有关。

有的家长问,你的科研项目论文能包发表吗?还有参加竞赛能不能包获奖?我说爱因斯坦的投稿也有被退稿的。其实我首先要问的这些家长,你的这个同学能不能通过科研导师的面试,有没有机会参加这个科研,还是第一步。所以,你先把自己基础打好,达到能够参加这个科研的机会是最重要的。可以这么说,如果能够在还没有开始之前就给你下保证的话,这个项目的含金量也就可想而知了。

当然,有些研究,比方说分析测定,是会一定有结果的。但是是什么样的结果,也只能做出来才知道。现在斯坦福大学化工系主任鲍哲南,当年在南大的大三的时候,就是去做高分子材料表征测试的。

有些同学参加科研的内容是阶段性结果,这些结果往往以研究报告的形式写出来。有些内容,由于项目的要求不能公开发表。比如说,我们去年有一个同学参加了加州理工和NASA联合实验室的计算卫星轨道的项目。

参加已有的研究项目的研究,如果是在项目进行的早期,对项目的贡献很重要,当时不容易发表,可能要等到学生申请大学之后才能够发表。如果学生参加的时候正好结果快要出来了,赶上了临门一角,就很容易就发表。所以这个东西有的时候有运气的成分。

高中生科研导师的选择,不一定要选择那些最大牌的名校教授。老实说,有一些大牌教授,自己指导的博士生,平时都是靠他们自己努力的,只有在关键的时刻,关键的节点,和导师去讨论受到点拨。本科生往往都很难理解这些教授的专业,更不要说高中生了。

以前听过华人诺贝尔奖获得者李远哲的演讲。他说他之所以后来的科研有突破性的进展,就是因为他的博士导师很少管他, 逼着自己独立思考。但是,对一个高中生来说,这显然是不合适的。

真正有能力指导高中生科研的导师,高中生的科研导师应该一定要能够进行科学普及, 用最通俗易懂的语言,把复杂的科学问题给高中生讲清楚, 让已经具备了一定学术基础的优秀高中生快速捕捉到学术关键点,并进入角色。还有的科研项目周期很长,往往要两三年甚至更长,如果高中高年级才开始参加就不太适合。

还有,高中生的科研有机会的话是可以拼爹的。有些大学教授带着自己的小孩做科研,但是这种赤裸裸的赤膊上阵的拼爹是不合适的。大学一看你小孩是在你实验室,在你指导之下,他就觉得你的这个水平有了水分。所以,这个地方是要讲究一点方式方法的。

再说一下实习。

有些大学的高中生的科研项目,就是实习项目。还有一些公司也有高中生的实习项目,这些实习有的是科研项目,有的不一定是科研项目,而是让参加实习的同学对这个行业有一定的了解,从而有助于选择正确的大学专业和将来的职业目标。这些项目也让大学知道了,你对所申请的专业已经有了一定的了解,从而增加你的录取机会。

高中生在申请大学过程当中,首先你要练好内功,不管是学习科研,各个方面都优秀,当然大学会抢着要你的。但是不可能每个人都那么优秀,有些方面挺好,有些方面不那么强,那么你就要考虑策略问题,像田忌赛马这种策略你也只能用一次。再后面人家知道了,就不那么灵光了。

另外一个,就是科研和竞赛,我们有个比较。

竞赛其实有点相当于割草。你参加竞赛,总归多多少少能够往前走一点。科研有点相当于捞鱼。或者也可以说竞赛是固定靶,科研就是活动靶,科研的机会大,但是未知数也大。

科研项目竞赛中,实际上有些同学不怎么lucky,在初赛阶段水平很高,但是没有遇到伯乐,往往容易被淘汰掉,这个情况你是要有思想准备的。

我前面讲的这些竞赛都是理工科的,文科也有一些竞赛,就像知名度比较高的scholastic writing跟art竞赛,还有像national history、young art,还有new times。

我们总结了一下各种的竞赛和活动,对于申请大学的帮助,我们从一分到十分有个大概的总结,大家可以看一看,但是不是绝对的。

再一个,这些高中生科研的正确的打开方式,你在进入高中之前,就要培养科学概念,对每一个学科有一定的了解。

进入高中之后,一般的来说,你初中参加数学竞赛,这是最基本的,然后你测试一下自己在数学方面能走多远。

数学竞赛因为含金量最高,能尽量走远,要是走不了的话,你可以换赛道走别的方面,就是物理、化学、生物、计算机,还有天体物理。

这一方面就是我刚才说了,你能够走多远就尽量走多远,你拿不到田径一百米的金牌,你拿乒乓球、羽毛球、举重、体操都可以。

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