近日，ZJUI2017级电气工程及其自动化专业学生陆淏凡、喻意以共同第一作者身份在传热领域旗舰期刊International Journal of Heat and Mass Transfer（JCR/SCI一区，IF：5.584）上发表论文《 Deep learning techniques elucidate and modify the shape factor to extend the effective medium theory beyond its original formulation（使用深度学习拓展等效介质理论：对形状因子的阐明和修改 ）》，论文指导老师为ZJUI研究员、副教授Wee-liat Ong（王伟烈）。文章针对不同的粒子形状，提出了一种基于神经网络的普适优化方法，实现了对新粒子形状复合材料热导率的快速预测，扩大了原有热导率公式的应用范围。
▲ 论文整体方法论和工作流程
对复合材料热导率的预测，目前业界常用的方法主要有两种——基于物理分析的等效介质理论和基于有限元的模拟方法。等效介质理论计算速度快，但对于一种新的粒子形状需要重新推导；有限元计算则需要花费大量的计算资源和时间，两者各有优劣。对此，两位同学从基于神经网络的迁移学习获得灵感，利用已知的等效介质理论公式和少量的有限元模拟数据，用机器学习来修正了数学推导出的物理模型，扩大了原有热导率公式的应用范围，实现了对新粒子形状复合材料热导率的快速预测。
用两年的时间，踏实潜心一个科研项目
“这篇论文确实来之不易，我们从大二开始做这个项目，一直到今年五月底快毕业时，才决定将这一研究整理成论文。很高兴最终能被International Journal of Heat and Mass Transfer接收发表。”如陆淏凡所说，这篇论文相关成果是他们从无到有对复合材料热导率预测问题的研究推进所得，更是他们两年多始终如一的坚持体现。
该项目源自于大二时的一个大学生科研训练项目（SRTP）课题，王老师为初次接触科研实践的两位“小白”提供了一个模糊而充满启发性的方向——能否把神经网络应用到复合材料热导率的预测上？这个看似不经意的可能性激发了陆淏凡和喻意探索的兴趣和研究的积极性，他们利用暑期时间，从零开始，投入了大量精力去阅读相关论文和专著，夯实基础。从集中传统的机器学习模型和不同的特征组合，到神经网络模型，经过不断尝试，暑假结束时，他们的模型已经能达到非常高的准确性了。但此时，训练模型的数据集成为了他们新的瓶颈——网上没有现成的数据集，自己跑时间成本又太高，项目的进展日趋缓慢。大三学年，他们在分外忙碌的课业学习之余，还需着手准备春学期赴UIUC交流的事宜。尽管节奏减缓，但他们的项目研究不曾中断。即使在赴美交流期间，他们也仍然坚持每周投入一定时间在项目上，并保持着每周固定与王老师交流探讨的习惯。
谈及项目瓶颈时的感受，喻意说道，“尽管项目于当时的我们，有一点‘遥遥无期’，但我们俩都没有因为看不到头而懈怠或放弃，我们在意的从来不是一个什么样的结果，而是一步一步向前突破，在感兴趣的领域坚持走下去，体验一次比较完整的科研训练。”
大四学年，两位同学从UIUC交换回来后，对项目的理论知识掌握得更加牢固，机器学习等专业选修课程也加深了他们对神经网络的理解，项目随之迎来了转机。在大四伊始的一次组会上，王老师与两位同学探讨起了“迁移学习”。听到了新概念的两位同学，如获至宝，立刻开展相关调研，并确认了该方法用以解决他们课题的可行性。这一振奋人心的发现再次点燃了两位同学，他们随即又投入了一个多学期的课余时间，将这一方法最终实现，并得到了满意的结果。毕业前夕，他们决定将这一研究整理成论文发表，此后从撰稿，到听取指导老师意见，再到无数次的修改，最终于11月被接收。
▲原有公式计算结果与迁移算法后计算结果的比较
“我相信有价值的东西是需要经过时间的积累和打磨的。记得有人说过，做科研就像是在黑夜里开车，你每次都只能看到眼前的一小片被车灯照亮的路，但你仍相信这条路一定能够引导你到达目的地。科研是发现未知，创造价值的过程，其中必然伴随着不断的摸索、试错，而这些都是必须要投入的时间和精力成本。本科生做科研本来就是很困难的事，一个大二的学生连很多科研中的基础知识都没有掌握，从零学起的同时还要兼顾学业。”陆淏凡说，“我们对本科阶段能够发表论文也没有抱太大希望。过高的期待只会成为负担，有的人被期待压倒，走不了几步就停滞不前；有的人为了满足期待，急功近利，只在乎短期的成就，无法在漫长的人生中积累出价值。所以，我选择放下期待，专注当下，珍惜一点一滴的成长，享受每时每刻的进步，相信时间会给你最好的答案。”
和优秀的人一起工作，向他们学习、提升自己，这才是两位同学真正希望在本科阶段的科研经历中得到的东西，也是他们能坚持下来的理由。
师友相互支持，探索科学的奥秘
“我很高兴看到他们从大二的院级SRTP开始，坚持深挖这个课题，在没有其他硕士生、博士生、博士后带领的前提下，他们不断自我否定、探索、完善，最终成果得以在International Journal of Heat and Mass Transfer发表。这对于本科生来说，是非常罕见和难能可贵的。我也深信，在本科期间花两年时间做一个科研项目的这个宝贵经历，会对他们未来的科研或职业生涯大有裨益。”尽管指导本科生做科研需要花费更多的时间和精力，但王伟烈老师仍全心全意作学生的引路人，也为他们的成长和蜕变欣喜。
▲ 陆淏凡（左一）、Wee-liat Ong（左二）、喻意（左三）合影
陆淏凡和喻意都表示，此次论文得以发表，与王老师不厌其烦的教导与循循善诱的指引分不开。“王老师是一位有科研潜力，思想深刻而且热爱教学工作的老师，跟着他做科研，出不出成果先不说，我一定能够跟他学到做科研的方法，我认为这是更加重要的东西。”两年来，无论是暑假还是出国交流期间，王老师都坚持与同学们探讨科研进展。“他总是能一针见血地指出我们的问题，而后又细致讲解他如何看出漏洞的思路。跟着他做完这个项目，我真的觉得自己获得了很大的提升，尤其是科研思辨能力上。” 陆淏凡说，“当然，最重要的东西还是不懈的努力和坚持，一次次的组会，一次次的修改意见，无论是相隔13个时区的线上讨论，还是不断的要求我们补充实验证据以更充分，他的耐心和严谨，诠释了真正的‘言传身教’”。
有良师引导，更有益友支持，两位同学的科研实践路途，虽略显漫长，但却充满了温暖与力量。陆淏凡和喻意通过这个项目结识，如今成为挚友。利用课余时间做科研的这两年里，他们彼此欣赏，相互鼓励，发挥各自优势，坚持到了最后。即使在项目陷入停滞，毫无头绪的时候，他们也选择积极应对，一步一印，理清思路。
“就算在平时我们没有开会的时候，我们也常常会聊到项目相关的话题，并产生激烈的讨论。时间一长，项目仿佛已经成为了我们生活中重要的一部分。”喻意说。
在强大的师友支持下，坚持与耐心成为了他们的“团魂”。在这个项目组里，没有人急于求一个“快餐式”的科研成果，也没有人轻言放弃。欲茂其枝，必深其根，他们似乎都深谙其道。
从电气到机械，跨学科应对工程挑战
尽管该项目属于机械工程范畴的传热问题，但两位电气工程及其自动化专业的同学对此项目的热情显然没有丝毫缩减。他们用深度学习理论，来跨学科解决机械工程领域的问题。这也是ZJUI跨学科交叉培养理念的又一次例证。
问及跨学科去做科研，有没有感觉到压力，陆淏凡说，“做科研一定会遇到知识盲区，要用什么学什么，边学边用，学以致用，这是很正常的。”ZJUI的课程体系和培养模式一贯注重对学生自主学习能力和独立解决问题能力的培养，在本科学习和科研训练中，同学们逐步形成了自主学习、自主思辨的能力。
“现实世界中的很多工程问题都是复杂的、系统的，可能要求许多领域的工程师共同参与解决，这也是我们跨学科培养学生的现实意义所在。”王伟烈老师如是说，“传热问题原本是能源范畴的问题，但是如果利用计算机领域的新成果能为改善和突破传热问题带来新的可能，我们何乐而不为呢？”
两年来，两位同学利用课余时间，逐步学习和掌握了传热学、有限元、机器学习、神经网络、迁移学习等各种各样的新知识，并将其应用到了科研实践中。这种自主学习和科研思辨能力的积累，也为他们如今的研究生生活带来了很大帮助。
▲ 陆淏凡（左一）和喻意合影（左二）
正在加州大学洛杉矶分校（UCLA）攻读计算机科学的博士学位的陆淏凡，目前的研究方向是无线网络系统。尽管方向和之前的这段研究经历大相径庭，但他从这段经历中学到的科研方法在当前的研究中也非常适用。“比如，归纳数据作图分析的方法能够让我在组会上很好得将自己的工作成果展示给导师，分析和思辨能力的养成也能让我能够快速发现数据中的问题，并且进一步理解和发现问题产生的原因，这也令我目前的项目能够比较快速的推进。在科研训练中培养的跨学科学习能力，快速学习能力也让我更快接受新的知识，并将其应用到科研中。”陆淏凡说，“得益于ZJUI的课程体系，虽然我本科是电气工程及其自动化专业，但学到了不少的计算机工程知识，这都令我能够充分跟上UCLA计算机研究生课程的节奏。目前这一个学期下来，我能够很好得平衡研究生课程和科研的工作，已经在新的项目上取得一些进展。”
而在新加坡南洋理工大学攻读博士学位的喻意也表示，在体验过从开题到论文发表的完整经历后，对整个研究过程有了更为完整的认知，对博士期间的科研规划也有更好的参考的。他说，“比起发了一篇paper，更重要的是我们学到了很多作为一个researcher应该是怎么样的！这令我们对未来更有信心。在SRTP中锻炼的论文阅读能力也能够在科研前期的‘资本原始积累阶段’发挥作用”。
科研工作的魅力，在于对知识探索一往情深的追寻，更在于一次次试错后，仍不肯停歇的脚步。
如果说是迎接挑战的激情，令人开启科研，那么一定是契而不舍的坚持，令科研工作最终完成，令知识的边界不断拓宽，令人们的生活越变越好。
