【学生】(2020)第十二届北京师范大学实验科学锦标赛正式启动

来源:作者: 发布时间:2020-10-23 浏览次数:716

新冠疫情的阴霾逐渐散去,隔离良久的心灵需期待碰撞出火花。你想检测自己的动手能力吗?你想结识志同道合的老师和同学吗?你想一起体验科学研究的乐趣吗?机会来了,已连续成功进行11次的北京师范大学实验科学锦标赛没有被COVID-19所吓阻,它如期而至走到我们跟前。今年是不平凡的一年,我们的BNU实验科学锦标赛也与以往不同,北京师范大学系统科学学院史无前例的派出了强大的学生和老师的阵容,在这儿等待大家的加入。虽然和蔼可亲的BertrandRoehner教授因为疫情被困在法国巴黎,但他也一如既往的欢迎同学们通过email或skype和他探讨问题。

任何大专院校的本科生、研究生和教师都可以参加本次活动,4-6人一组,各小组根据成员个人兴趣商量确定选题,确定本组的指导教师(可以多个),也可以与导师商量提出自己的题目。活动结束后进行汇报交流,并进行评选。设定一等奖1组,二等奖预期4组(具体按实际立项25%的比例),三等奖6组(具体按实际立项40%的比例)。

请大家扫码入群


或者联系周锡饮老师了解更多情况,电话15321533259,zhouxiyin@bnu.edu.cn。


进度计划如下

竞赛开展时间初步设计为2020年10月22日~2021年1月11日。竞赛进度分为项目申请阶段、项目研究阶段和项目成果整理和汇报阶段。

1)项目申请阶段(2020.10.22-2020.11.10):

该阶段主要开展项目宣传、参赛成员分组、导师的选择及选题确定、申报书提交及申报书的审查。

2)项目研究阶段(2020.11.11-2021.1.7):

在项目初期开展为期两天的集中讨论,随后由各参赛小组成员自行根据研究计划开展研究。参赛成员需保持和指导教师的联系,有任何问题随时与指导教师联系开展交流。

3)项目汇报交流阶段(2021.1.8-2021.1.11):

各参赛小组基于研究成果,总结凝练撰写研究报告,研究报告必须以规范的working paper等方式表现,并鼓励投稿学术期刊。在最终的汇报交流环节,参赛学生需要制作PPT向其他人介绍研究成果。鼓励采用英语写作和口头汇报。

详细时间进度安排详见表1。

表1项目进度计划表

序号

事项

日期

备注

1

项目申请阶段

1022-1110

1.1

比赛宣传微信群建立

1022-111

1.2

参赛成员入群及分组

1022-118

1.3

指导教师及选题确定

1022-118

1.4

与指导教师讨论

1022-118

期间保证每周参赛成员与指导教师交流不少于3小时

1.5

计划书提交

119日前

1.6

计划书审核确定

1110日前

审核小组确定由王大辉老师负责,审核小组对分组情况和申报书进行审核。

2

项目研究阶段

1111日—17

2.1

集中讨论

1114日—1115

2.1

各小组各自开展项目研究及工作报告撰写工作

1111日—17


2.2

与指导教师讨论

1111日—17

期间保证每周参赛成员与指导教师交流不少于3小时

3

项目成果整理和汇报交流阶段

202118-2021111

3.1

提交撰写规范的研究报告

18

3.2

口头报告和最终评审

19日(周五)(18:00-23:00,科技楼B608

要求指导老师参加,欢迎其他老师参加;评审小组确定及优秀论文评选由王有贵老师负责

3.3

口头报告和最终评审

110日(周六)(18:00-23:00,科技楼B608

3.4

颁奖及推荐至年会的优秀报告确定

111日(周日)(18:00-20:00,科技楼B608


鼓励大家自行商议决定题目。法国巴黎第七大学的Bertrand教授提供了一些补充的题目如下,大家也可以选择。

1)证明地球自转的实验

傅科摆(1851)的实验是众所周知的。它提供了地球自转的实验证明。在同一个十年中,法国科学家提出了另外两种方法。(i) 1851Bravais使用了锥形摆(摆锤在圆上运动);(ii) 1859年的Perrot实验中只用了一个装满水的桶,桶的中心有一个小孔。

Perrot实验的实验原理很容易理解。为了简单起见,我们假设你在北极做实验。这个实验基于两点。

•         如果水桶完全稳定,放置在水桶壁附近的水中的浮动测试体将沿着一条直线向中心的孔漂移。

•         其次,你必须记得,由于地球自身的自转,水平移动的物体会向右偏斜。


Perrot实验原理。 观察者从与固定恒星相连的地方观看水桶,看到水与地球本身一起旋转。因此,看到一个漂浮的物体向右漂移并不会感到惊讶。位于地球上的观察者可以看到非常相似的漂移。

《法国科学院每周学报》对Perrot实验的描述:1859,Vol.49 p.637 - 638

请仔细阅读,其中有一些实用的建议。

我使用一个装满水的大圆形浴缸,并在牢固的支撑下固定好。我在底部和浴缸的薄壁上钻了一个圆形孔来引导水流。水微粒从边缘移动到中心,而不是沿着直线移动到右侧。如果我沿着其中一条射线在表面上散布了一条漂浮的灰尘,我会观察到最靠近中心的部分明显向右移动。当它们靠近孔时,它们呈螺旋状,从桶边缘看,它们的运动是逆时针方向。该偏差表明了地球自转。多次重复该实验,始终得出相似的结果。需注意的是,在打开孔之前,我等了一整天,并用小的漂浮体检查了水的稳定性。

为了清楚地观察到这种效果,我们首先在转盘上尝试一下。在中国,大多数餐馆都可以找到这种旋转台。在老师(例如,陈清华教授)的帮助下,你当然可以从校园的一家餐馆借用这样的桌子。

首先,你应该以相当快的旋转开始,然后逐步降低其速度。最后一步是使转盘稳定以进行实验,由此仅依靠地球的自转。

成功观察到“ Perrot效应后,便可以解决以下附加问题:

1可以使用矩形代替圆形水箱吗? 显然,矩形水箱很容易制造。

2原则上,将水箱的尺寸乘以23即可提高实验的准确性。这是真的吗?




2)一个坠落的物体能证明地球的自转吗?

如你所知,由于地球的自转,一个坠落物体的运动方向会产生偏移。然而,这种影响很难观察到。要获得几厘米的偏差,坠落距离必须超过100米高。在这样一个距离上有许多扰动因素(例如空气的运动),使得实验相当不确定。

在本项目中,我们提出了一种新的更精确的方法。它依赖于以下想法。

如你所知,地球自转的影响可以用科里奥利力的作用来表示:






实验原理:在以液滴形式释放之前,油可以通过一根细管(图中未显示)移动到实验试管底部。水滴到达表面的过程可以用摄像机(如手机)记录(图中未显示)。

这个结论引导我们尽可能地减缓下跌。在水里,重力可以被浮力抵消。这导致了图中描述的实验。在这里,我们用的不是下落的物体,而是向上浮的油滴。使用液滴而不是固体是因为液滴可能具有更好的圆对称性。

液滴会像预期的那样向右偏移吗?(由于我们处于北半球,在科里奥利力的作用下物体会向运动方向的右手边偏移。)

这就是我们要讨论的问题。




3)工业冲突

从单个案例(华为)引申到一系列类似的案例

你们大多数人可能听说过,中国电信巨头华为没有被允许在美国销售手机。与此类似的是,出于国家安全的考虑,苹果(或微软)在中国的销售将被禁止。

把注意力集中在这一个案例上是错误的,因为事实上还有许多其它类似的案例,即外国公司销售的产品,其销售受到美国政府、美国媒体宣传活动或(最常见的是)两者兼而有之的阻碍。下表列出了一系列的案例。


备注:

案例1可能是对美国统治地位最严重的挑战。1969年11月4日,康科德航空公司首次以2马赫的速度飞行。美国联邦航空管理局(FAA)于1970年(临时裁决)和1973年3月决定对美国上空超音速飞行的限制,直到2018年仍然有效。1973年12月生产了第一架商用协和飞机。奥迪是大众的奢侈品牌。

资料来源:

案例1:纽约时报(1978年1月11日)

案例3:纽约时报(1990年2月10日)

案例4:https://hbr.org/2011/02/toyotas-recall-crisis-full-of.





协和飞机挑战

在列表中的所有案例中,协和飞机公司可能是对美国技术统治地位最严重的挑战。为什么?

l  尽管这家公司很少被提及,但协和飞机正在与美国的一个超音速客机项目竞争。由波音公司领导的这个项目(简称波音2707)始于1966年,但在联邦补贴减少后于1971年停止。

l  协和飞机不仅是一个潜在的商业竞争对手,也是一个声望挑战。因此,这个项目不得不脱离轨道,但这必须在有关噪音和声爆的技术争论的掩护下完成。因此,美国媒体针对这些问题发起了一场广泛的运动。因此,当1973年3月"联邦航空管理局"(FAA)禁止民用超音速飞机在美国上空飞行时,没有人感到惊讶。在这个决定之后,大多数订购协和飞机的航空公司(大约有70个订单)取消了他们的订单。

值得注意的是,这是1973年11月石油危机爆发前6个月,由于埃及、叙利亚和以色列之间的"赎罪日战争"。此外,1985年的油价几乎回到了危机前的水平。因此,说协和飞机是被石油危机毁掉是不正确的,事实上,它是被联邦航空局毁掉的。

说实话,必须补充另一个存在的问题,技术维护的成本比预期的要高(美国航天飞机也是同样的问题)。然而,这个问题只是在一段时间后才出现,并不能解释早在1973年就取消订单的原因。

l  1973年后的30年里,这种情况再次发生,这次是关于空客A380(世界上最大的客机)。由于不可能通过一项具体规定禁止它进入美国,美国公司进行了默许的抵制。截至2018年5月交付的230架飞机,除了没有购买的美国航空公司之外,都卖给了世界各大航空公司。

研究的目的

主要目的是分析在这种情况下的作用机制。之前的案例表明,三种因素共同产生了这种作用机制。

1.看起来合理的技术原因。

2.美国媒体对超越理性的技术原因的放大。

3.美国政府的干预。

这些相关因素的权重和时间可能会改变,但它们几乎总是以一种或另一种形式出现。


4)战争时间美国人如何针对“异族

为了研究钟摆的周期,你应该观察偏离至少30度的大幅振荡,因为小振荡(比如左右两边只有5度的振荡)会被背景中各种类型的噪音严重影响。这个规则在观察社会现象时更为重要,因为背景噪音通常会更大,甚至更重要。与物理实验不同,它不会因改善实验条件而减小。

在这个项目中,我们希望研究社会和异族(aliens)之间的关系。这个词通常被使用来表示更为广义的外国人,包括宗教或政党外国人。作为’异族’的一个例子,可以用冷战期间印度的伊斯兰教信徒和美国的共产主义者。

然而在异族和其余人口中可能存在敌对行动,战时的敌对行动将被扩大,变得更频繁而且也可能更加严重。在和平时代一个人得等待10年才能见证20次严重的敌对行动,而在战时只需要6个月。自然地,这就使观测更加容易和更加精确。

在本项目中,我们要求考察美国五次战争期间关于’异族’的敌对行动。

1.         独立战争,1774-1783。’异族’是所谓的效忠者(’loyalists’),指的是那些拒绝独立希望继续效忠大不列颠皇室的美国人。

2.         内战,1861-1865。’异族’是那些认为北方的州没有权利把它们的意愿强加于南方的州的北方居民。

3.         第一次世界大战,1917-1918。’异族’是被疑为仍然效忠德的德国移民。

4.         第二次世界大战,1941-1945。’异族’是日本移民和日本裔居民。众所周知,那些居住在西海岸的人民都被限制在集中营里。

5.         冷战,1946-1970。’异族’是那些对共产主义和社会主义有同情心的美国人。

为什么此项目对焦于美国人?原因非常简单,通过北京师范大学图书馆你有获取美国最重要的报纸——纽约时报电子文档的途径。这些电子版覆盖了除一战外的所有资料,并且能够通过关键词进行搜索。换句话说,纽约时报是非常有用的信息来源。

此项目的目的是什么?我们不应该先入为主。首先,我们想要知道发生了什么;其次,你将能够见证在这些片段中是否有相似之处,是否出现一种模式。

这样的一种模式可能非常有用,不仅能帮我们更好地理解过去,而且也能够预测未来。



5)创建和修订维基百科文章

为了使该项目成功完成,我们希望限制团队组成,一个团队中至少有一名同学已经创建过维基百科文章,并了解整个过程。

该项目的目标为确定是否可能发布与美军历史上的官方说法相矛盾的维基百科文章。

我们建议进行以下两种测试。

● 第一篇是关于連合軍(盟军)最高司令部訓令(Supreme Commander for the Allied Powers Instructions,SCAPIN)的文章。可以在以下网站上发现了这样的SCAPIN标记的例子:

http://www.lpthe.jussieu.fr/~roehner/ocj2.pdf

为什么会对SCAPINs感兴趣呢?

美国占领日本的官方历史表明日本政府在其中扮演了非常积极的角色,但是这些SPAPINs表明实际上日本政府的作用仅限于将占领当局的指令翻译成日语并以成千上万的SCAPINs的形式出版。


根据美国对日本军事占领的官方描述(1945-1952年),日本人民和占领军之间几乎没有发生任何冲突事件,也就是意味着:没有向美国军人开枪,没有向军用火车投掷石块,没有对驻扎的美国或澳大利亚军队的军营进行纵火袭击。

以下网站列出的事件表明实际上有数百起上述的事件:

http://www.lpthe.jussieu.fr/~roehner/ocj1.pdf


如果维基百科描述上述事件的文章被接收的话,就将证明维基百科足够独立到可以以美国国务院可能不喜欢的方式描述事件。事实上,这对维基百科来说是个好事,因为它被证明是一个非常棒的百科全书。

另一方面,如果文章不能发布,这可能表明国务院有较强的影响力。为了更有说服力的测试,你可以对其他事件重复同样的实验。


此时,我们处于一个类似于物理学中的情况。你永远无法证明某种理论是正确的。通过多次测试,只能使其在更大可能性上是正确的。然而,只要有一个例子与这一理论不一致,就足以证明理论是错的,或者需要限制它的有效性范围。




6)将编程语言产生的错误信息翻译成中文

请注意,该项目面向那些熟悉Linux操作系统的学生,他们知道与Linux紧密相关的“bash”编程语言,也了解C语言、python或fortran等编程语言。下面给出的指南不适用于Windows-Microsoft操作系统。

为什么说让错误信息更友好很重要呢?

编程有两种可能的概念:

1、在狭义概念中,编程只由专业的程序员完成。

2、在更广泛的概念中,人们认识到编程是一种可以用于许多活动的工具。音乐家可能希望用Python编写一个脚本,这个脚本将生成一些特殊的声音序列。历史学家或许需要用Java来编写一个能够用来检索他所需资源的个人搜索引擎的程序。我们可以举出很多其他的例子。

举音乐上相似的例子可能有助于使这个区别更加清晰。在狭义的音乐概念中,只有专业的音乐家才懂音乐,而在广义的概念中,许多人学习演奏音乐是为了和朋友一起玩音乐,或者只是为了自己的快乐。

在美国,被采用的程序设计是一个广义的概念,而在欧洲则普遍流行狭义的概念。显而易见的结果是几十年后欧洲已经落后。如今,可以毫不夸张地说,欧洲使用的几乎所有软件工具都是在美国创建的。

中国希望走哪条道路?这是一个重要的问题,其答案还不清楚。如果中国希望走欧洲的道路,那么就不需要关心让错误信息更友好。相反,如果中国希望采用广义的概念,那么以一种和谐友好的方式呈现程序设计(更普遍地说是计算机科学的各个方面)是至关重要的。

大多数教授编程的教授都认为,理解编译器产生的错误信息对大多数学生来说是一个很大的障碍,这个障碍许多学生永远都无法克服。因此,他们会一生都记住编程是一种困难和晦涩难懂的东西。明确的结果是他们永远不会想在自己的项目活动中使用编程。相反,如果能使错误信息变得用户友好,即使是不打算成为专业程序员的学生也会记住编程就像音乐一样是有趣、好玩和有用的!每当有需要,他们都会毫不犹豫地花些时间学习一种可以帮到他们的编程语言。


如何使错误信息更加用户友好?

为了使错误信息更加用户友好,第一步当然是将它们从英语翻译成中文。你可能会反对几乎所有编程语言的代码都使用英语单词。但是代码和错误信息之间存在很大差异。代码仅使用有限数量的易于学习的单词,而在错误信息中则存在具有大量英语单词的英语句子。

更糟的是,错误信息使用的词语根本不是那些在英语课堂上学习的词汇。例如,思考以下错误信息:Unary operator expected。在这3个单词中,只有“expected”是标准英语。 “Operator”并不罕见,但这是一个在英语课上没有学过的数学术语。 “Unary””是一个非常罕见的词,甚至美国研究人员也不知道。

再次使用我们之前对音乐的类比,这意味着人们在开始演奏音乐之前,必须先学会说意大利语。毫无疑问,这会增加额外的困难。

翻译和解释

在这个项目中,我们希望将任何编程语言的错误信息的英文单词自动翻译成中文,并解释不易理解的单词。其中一项主要任务是构建一个字典,其中包含错误消息中使用的单词的翻译和解释。

如果您对这个项目感兴趣,请留意地将一个或两个不懂编程的人纳入到您的团队中。事实上,检验你的翻译和解释是否正确的唯一真正方法是看其他学生是否能理解。记住,并不是因为你理解自己写的解释,其他人也会理解它。

用bash编写的更详细的解释和代码可以在Roehner(2015)中找到。

参考文献

Roehner (B.)2015: Translation into any natural language of the error messages generated by any computer program。可在arXiv网页找到:http://arxiv.org/abs/1508.04936

如果有兴趣请给我发邮件ROEHNER@LPTHE.JUSSIEU.FR