近期，我们在丘成桐中学科学奖的直播中，有幸邀请到了一位来自清华大学的资深科研导师，这位导师近五年来指导了100余名高中生完成科研项目，其中2024年指导的学生更是成功入围丘成桐中国科学奖半决赛，并获得北方赛区二等奖的好成绩。
这场直播里，这位老师深入解析了往届3篇获奖论文的选题思路、实验设计和研究意义。不仅让同学们领略了科学探索的魅力，也为即将参赛的学员提供了宝贵的指导和灵感。
今天，我们将直播中的精彩内容整理成文，带大家重温那些令人惊叹的科学发现，同时深入了解丘成桐中学科学奖的独特魅力与价值。
奶茶与斑马鱼：探索饮品背后的科学
这篇文章的题目是《奶茶中主要成分对斑马鱼神经行为的影响及机制研究》，那么这里它所研究的斑马鱼也是一种非常见的模式动物。斑马鱼作为一种常见的模式动物，被广泛用于科学研究，除了斑马鱼的话，其他常见的模式动物还包括小鼠、大鼠，以及一些实验室中用于研究的灵长类动物，如猴类。
图1.1
首先老师带着大家简单的看了这篇论文的摘要（图1.1）。
文章的摘要部分详细介绍了研究内容和方法。研究通过斑马鱼动物实验，探讨了奶茶中的主要成分（如果糖、咖啡因和茶碱）对神经行为的影响。
具体的做法是，实验设置了空白对照组、果糖组、咖啡因组、茶碱组以及果糖、咖啡因和茶碱的混合组。然后对成年斑马鱼进行了新型潜水实验和黑白箱实验等神经行为实验，并检测了斑马鱼大脑中的神经递质含量。
作者在这里把它做了什么很详细的写了出来，研究结果显示，长期摄入奶茶中的主要成分（果糖、茶碱和咖啡因）并不会诱发斑马鱼的成瘾行为，但会对神经行为产生一些负面影响，这一现象也通过斑马鱼大脑神经递质含量的变化得到了证实。在这里，作者提到实验结果表明奶茶中的主要成分可能不会诱发斑马鱼的成瘾行为。
这可能与实验前的假设不同，因为实验前可能推测这些成分会导致成瘾。然而，科学研究的魅力在于，实验结果并不总是与最初的假设完全一致。我们不能仅仅依赖于预先的猜想，而应以实际的实验结果为基础来修正和调整我们的观点。如果所有的实验结果都与预想完全一致，那么实验本身也就失去了探索未知的意义。
再往后看，实验结果表明，低频次的奶茶摄入可能有助于缓解紧张和低落的情绪，但长期大量摄入奶茶可能会导致类似焦虑和抑郁的行为。
因此，文章建议青少年在饮用奶茶时应适量，首次饮用以少量为宜。相当于作者最后给出了一个结论以及结合到现在比较热的大家都爱喝奶茶这样的一些实际应用。
图1.2
接下来，老师在直播中继续探讨了实验的具体内容：文章中详细列出了实验所用的仪器和具体方法，例如在图1.2的3.3节中对给药剂量的计算。
实验中还涉及了一些行为学实验，比如新型潜水实验和黑白箱实验。这两个实验的核心在于使用视频软件跟踪斑马鱼的运动轨迹。即使没有视频软件，也可以手动绘制其运动轨迹。这一部分的实验难度并不高，但需要仔细观察和记录。
实验设计中，成年斑马鱼被分为果糖组、咖啡因组、茶碱组、空白对照组和混合组，每组包含五条雄性斑马鱼，文章的左侧也列出了一些实验中使用的仪器和给药量的计算细节。尽管实验已经涵盖了多种情况，但仍有拓展空间。
例如，所有组的给药剂量均为每500毫升1.5克，未来可以考虑进行剂量梯度实验，以观察不同剂量下的效果。此外，实验目前是单次给药，未来可以探索不同给药频率的影响。
实验仅涉及雄性斑马鱼，未来也可以研究雌性斑马鱼，甚至不同年龄段的斑马鱼（如幼鱼、成鱼和老年鱼），以观察是否存在差异。这些想法和思考为实验设计提供了更多的可能性。
图1.3
除了行为学实验，研究还涉及一些基础的分子层面分析，例如对实验组斑马鱼脑部的多巴胺、五羟色胺、谷氨酰胺、去甲肾上腺素、γ-氨基丁酸和皮质醇等神经递质的含量进行测定。
这些分析虽然基础，但操作起来需要一定的精确度，尤其是斑马鱼头部称重这一环节，因为斑马鱼体型较小，操作稍有不慎就可能破坏样本。类似的问题也出现在小鼠实验中，小鼠的脑组织非常柔软，取脑过程中很容易导致组织损坏或碎裂。
在实验结果方面，作者主要关注了不同实验组的行为变化。例如，空白对照组的斑马鱼在实验缸的上部活动时间较长，而咖啡因组的斑马鱼则更多地集中在缸的下半部分。通过分析斑马鱼在缸体上下部分的停留时间，作者可以评估它们的焦虑水平。这种评估方法在斑马鱼和小鼠实验中都很常见，通过对动物在特定区域的活动情况进行观察，可以推断其情绪状态。
图1.4
在图1.4里，尽管每个部分的文字描述可能并不长，但从时间成本和工作量来看，实验的复杂性不言而喻。
比如，虽然这里可能只展示了一张轨迹图，但实际实验中每组有五条鱼，而且按照科学实验的标准流程，至少需要进行三次实验来取平均值。这意味着，仅仅是这一部分，就需要对15条鱼的数据进行分析和统计。再加上实验涉及多个分组，这无疑增加了实验的复杂性和工作量。
在整个实验过程中，研究人员还需要详细记录实验过程中的各种数据和观察结果，这些文字记录和数据整理工作也是实验不可或缺的一部分。总的来说，这就是实验工作量的一个大致情况。
图1.5
从图1.5的内容中可以看到：左边部分展示了七天内连续混合给药的实验结果，而右边则是之前提到的另一部分实验——对七个实验组斑马鱼体内神经递质含量的检测分析。实验中不同的分组用不同颜色标注，通过这样的表示方式，结果呈现简洁明了。
尽管这个实验的难度并不算高，但它从多个层次丰富了整个课题的研究内容。为了获得可靠的结果，实验需要对大量斑马鱼进行操作，并计算平均值，通过这些实验步骤，研究人员最终得出了结论。如果我们要开展类似的课题研究，提前学习相关知识是必不可少的。例如，神经生物学是一个涉及众多领域的学科。
我们需要通过查阅文献和相关书籍来了解神经生物学的关键基础内容，这些知识将有助于我们更好地理解实验结果。
👉总体来看，本论文的工作量较大，主要体现在实验设计、斑马鱼的饲养与观察、神经递质含量的测定，以及大量的数据分析和统计工作。实验过程中还需要整理和总结大量的照片和视频文件。
此外，实验还包括了神经递质的测量，虽然难度不算高，但需要对斑马鱼头部进行精确称重，这在操作时需要格外小心，以免破坏组织。实验结果部分展示了不同实验组的轨迹图和热图，通过分析斑马鱼在缸体上下部分的停留时间，评估其焦虑情况。结果表明，不同组别的斑马鱼在行为上存在显著差异。文章还对比了不同实验组的神经递质含量，进一步支持了实验结论。
该论文的创新之处在于将大众熟悉的奶茶与神经科学相结合，通过斑马鱼的行为变化揭示了奶茶成分的潜在影响。实验设计严谨，数据详实，为未来研究提供了更多可能性，例如不同剂量、性别和年龄段的斑马鱼实验。
蚯蚓与微塑料：环境科学的创新尝试
紧接着，老师选取了这篇以动物为例的论文，探讨了一个非常热门的话题——土壤降解。从论文摘要指出，尽管塑料制品为生活带来了极大的便利，但它们对环境造成了巨大的危害。这些塑料制品可以在环境中留存数百年，即使部分塑料得以处理，但降解后遗留的微塑料依然具有巨大的危害性。
图2.1
由图2.1可知，生物降解被认为是一种在不损害环境的情况下，降解不同类型塑料的有效方法。土壤在自然界中对有机物的降解起着重要作用，其中的生物和丰富的微生物是降解的关键。本实验选择蚯蚓这一具有重要生态调节作用的物种参与降解过程。在实验中，分别向蚯蚓所在的土壤中加入微聚苯乙烯和微乳酸，并设立对照组。经过一段时间的培养后，对土壤和蚯蚓肠道中的微生物进行测序。
测序通常有两种方案：一种是学习生物信息学并自行分析；另一种是将样本送到专业的生物公司进行测序，因为并非每个实验室都能完成实验的每一个部分。此外，还可能利用扫描电子显微镜和傅里叶变换红外吸收光谱仪来观察微塑料表面的特征和官能团。
实验结果显示，蚯蚓的参与对聚乳酸（PLA）的降解具有显著的促进作用，但对聚苯乙烯（PS）的影响并不显著。蚯蚓对土壤中微塑料的降解表现出一定的选择性，对含有杂原子的乳酸等微塑料的降解具有一定的积极影响。
图2.2
接下来，老师带着大家分析了这篇论文的目录（图2.2），我们知道引言部分通常涵盖研究的背景及意义、研究目的以及研究方法这三个方面。而文献综述部分，尽管它可能与实验操作本身没有直接关联，但却是每个课题在启动前不可或缺的环节。
在这个阶段，老师建议我们需要投入大量时间去研读国内外的相关文献，一方面可以学习他人的语言描述方式和风格，另一方面可以了解该领域内已经完成的研究、尚未涉及的空白以及存在的不足之处，这些信息对于我们的研究至关重要。
同时，通过文献调研，我们还需要确认自己的研究课题具有独特性，尚未被他人充分探讨。在大多数情况下，即使研究方向相同，也会存在细微的差异或分支，因此，只要我们的课题是基于自己的思考，完全与他人一致的可能性微乎其微。
对于文献综述的撰写不仅考验我们的写作能力，还考验我们整合信息的能力。需要我们将众多文献进行拆解、融合和整合，因为没有人会明确告诉我们这部分应该分为几个要点来写。同时，需要自己阅读大量文献，将其内容拆分并归纳出细分点，然后撰写出来。因此，文献综述部分是一个需要投入大量时间和精力来完成的部分。
相比之下，实验材料与方法、数据分析以及总结与展望这几个部分则相对直接，这些部分主要是将已经完成的实验过程和结果用文字表达出来。总结与展望部分通常包括结论、创新点、存在的问题以及未来可能进一步研究的方向。以斑马鱼实验为例，除了已经进行的分组实验外，还有许多其他类似的分组实验尚未开展，这些可以作为未来研究的方向。
图2.3
在图2.3中，这一部分是作者自己列出的图表目录，其实就是一个简单的清单。而在右侧的实验材料与方法部分，我们可以看到作者进行了非常细致的分组实验。
具体来说，第一组加入了微聚苯乙烯，第二组加入了微聚苯乙烯和蚯蚓，第三组加入了微聚乳酸，第四组则加入了微聚乳酸和蚯蚓。这些不同的分组设置为实验提供了丰富的对比和分析基础。
图2.4
老师对于图2.4的内容表示，这一部分涉及实验中使用的材料，以及包括对蚯蚓进行筛选的步骤。具体来说，需要在蚯蚓到货后检查其健康状态，并筛选出不合格的个体。此外，文章还附上了聚苯乙烯和聚乳酸的化学结构式，这些细节为实验提供了更全面的背景信息。
图2.5
在下一页图2.5中，文章还探讨了土壤的特定性质。由于研究不仅关注微生物的降解作用，还需要观察土壤的pH值、导电率、有机质含量以及含水率等指标的变化。此外，文章还详细列出了蚯蚓肠道土壤微生物的提取方法。
这一部分的工作非常精细，因为蚯蚓体型较小，其肠道的提取需要高度精确的操作。类似地，果蝇的肠道提取也是一个极具挑战性的任务，因为果蝇的肠道与人类肠道的相似度很高。
许多实验室在研究果蝇时，需要将果蝇幼虫的肠道解剖出来，这一过程需要多次练习，否则很容易导致肠道破裂，从而影响实验的进行。
图2.6
最后，老师讲解了下一页图2.6的内容，这一部分是文章的创新点。作者将自己所做的研究与前人的研究进行了对比，明确指出研究的独到之处。例如，在第三点中，作者提到与之前的研究相比，他们所使用的微塑料直径更小，仅为50微米，这体现了实验的精细程度。
文章的语言风格也很有特点，兼顾了数据呈现和学术性表达，对结果的图表解释较为详实。作者还尽量使用了专业术语和详细的实验操作描述，以确保语言的规范性。这种写作风格在类似的研究中很常见，值得参考其他文献中的相关表达。
👉总的来说，这篇论文的亮点在于将微塑料、土壤和生物降解结合，探讨了蚯蚓在环境修复中的潜力。除了蚯蚓之外，感兴趣的同学可以进一步研究其他相关方向，因为塑料降解是一个非常热门的问题。研究不仅包括了对照组和多个处理组，而且实验周期较长，涉及多种化学方法，这些方法的多样性和实验的复杂性都增加了研究的难度和工作量，体现了环境科学与生态学的交叉创新。
如果我们想要开展类似的研究课题，老师建议我们首先需要掌握一些技术，例如RNA测序和扫描电子显微镜，因为这些技术的使用方法比普通显微镜稍难，需要进行简单的学习。当然，光谱仪的使用可能需要更长的时间来熟悉。此外，在分析结果时，还需要对不同塑料的基本化学结构有一定的了解，因此需要一些化学基础知识。
爬山虎的攀爬奥秘：植物学的奇妙发现
与前两篇不一样的是，最后一篇论文，这次老师选择了一个偏向植物类的研究。这篇论文研究的是爬山虎的攀爬形态建成机制以及植物的向地性现象，其研究方向是植物学与形态学的结合，重点关注爬山虎的攀爬形态发育、附着机制以及向地性现象，同时也涉及了一些常见植物的形态结构。
图3.1
从图3.1中可以看出，文章的目录与前面的有所不同，它没有单独列出文献综述部分，而是将其内容与第一部分的研究背景进行了整合。在研究背景中，作者也提到了这些相关内容。
图3.2
在图3.2中，老师重给大家展示了文章的“材料与方法”部分。作者详细描述了实验过程中使用的方法和技术，包括爬山虎的获取与种植、光性研究、光谱测定、相机性研究，以及紧牙去除等实验步骤。这些实验方法涵盖了从基础的植物培养到较为复杂的光学和化学分析。
整个研究过程涉及对爬山虎进行长期的观察和拍照，以记录其生长和形态变化。这些工作不仅需要精确的实验操作，还需要持续的时间投入，以确保数据的准确性和完整性。
图3.3
下一页图3.3的内容涉及了其他一些实验操作，例如切片染色和显微镜观察。这些步骤实际上是整个实验流程中的一部分，按照先后顺序依次进行。
图3.4
而图3.4展示了一些实验过程中的照片细节，这些照片非常精细，并且对各个部分进行了标注。
图3.5
再下一页图3.5主要想给大家展示的是第18个图，这是作者自己绘制的关于生长机制的模式图，它以图形的形式呈现了研究的最终结果。
获奖文共同点
以上就是对这三篇文献的全部重点介绍。在直播的最后，老师带着同学们总结了以下这些文章的共同点，希望对阅读这篇文章你的有所启发：
选题贴近现实：研究选题均源于生活中的实际问题，具有现实意义和应用价值。
研究方法严谨：实验设计清晰，分组明确（包括对照组和实验组），确保结果可靠。
论文结构规范：从引言到结论，逻辑严谨，条理清晰，符合学术写作规范。
文献引用丰富：广泛参考专业文献，附有详细参考文献附录，体现学术严谨性。
数据分析技术含量高：采用精密监测和定量测量等技术手段，为研究提供科学依据。
团队合作与导师指导：分工协作和导师的专业指导是研究顺利进行的重要保障。
注重实际应用与前瞻性：研究不仅关注实际应用，还通过延伸和拓展为未来研究提供新思路和方向。
科学的魅力在于它能让平凡变得不凡，让未知变得可知。丘成桐中学科学奖正是这样一个舞台，让每一位怀揣科学梦想的中学生都能在这里绽放光彩。
无论是奶茶中的成分、土壤中的微塑料，还是爬山虎的攀爬机制，这些课题都源于生活，却通过科学的力量揭示了世界的深层规律。如果你对科学充满热情，渴望用创新的思维解决实际问题，丘成桐中学科学奖将是你不可错过的机会。
无论你是对生物、化学、物理还是计算机科学充满兴趣，都可以在这里找到属于自己的科研方向。让我们一起，用科学的眼光看待生活，用创新的思维改变世界！
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