2015年7月26日 星期日

高中科展(二):傳染病之數學模型與個體導向模擬

        學測考完之後,有差不多一個月的寒假,很早就有想做第二個科展的想法,因此就決定開始動工。一開始野心很大,報名了學校的物理科跟應用科學科,後來發現時間會不夠,而且物理挑的光學題目困難度比較高,牽涉到比較深的數學,因此就只做應用科學。在一期<科學人>雜誌中曾閱讀到一篇《虛擬城市:天花來了》,文中藉由科學模擬來進行流行病預測與防治,此外也閱讀到多篇流行病相關的文章,因此基於好奇與樂趣,想完成一個由建立在科學模擬與流行病模型的流行病研究。
        很久以前,郭青蘭老師曾介紹一個念台大公共衛生研究所的學長,而每次有學長姊回來分享,我也一定會問他們的研究領域,那時辜鉅璋學長有說他是做傳染病模擬研究。於是寒假做科展時,我便聯絡他,請求他的指導,而他人也很好,義不容辭答應我,真的很感謝他。有人指引進入某個專精領域的確是一件很美好的事,少去了盲目摸索的階段,比較知道該如何做。我把背景知識都讀過之後,原本卡在我從來沒做過模擬,但學長一步一步教導我,最關鍵的點突破後,剩下的就是靠我自己了。比較這件科展跟第一件科展差異,我這次很清楚知道自己要做甚麼,也知道該找誰幫忙,加上有了之前的經驗,我對研究模式也很清楚,整個科展進行的很順。
        科學上尋求學問方法總共有三種:實驗、數值模擬跟理論。實驗講求親自設計實驗器材、實驗方法及實作;數值模擬則以已知的條件、數學理論用電腦運算模擬真實實驗結果;理論則用數學進行推導得出結論。在這份研究中我藉由數學模型與數值模擬進行實驗找出傳染病若發生在學校的可能情況,我假設多種不同的情況,分別為只有大團體(學校),或是加上小團體(班級、社團),再利用個體為導向模擬(agent-based)改變各種因子,例如傳染力β、恢復力γ,看看發生甚麼事。
        而這份研究只進行到學測成績放榜,前後不到一個月,真正花時間大概也才十幾天,當我知道我要成為指考戰士,這份研究也到此為止。但那時我對自己的研究成果已經很滿意,認為做的比之前做的那件還好,而既然那件都可以拿特優,這件理所當然也可以。沒想到校內初審時我就被淘汰掉,知道消息當下真的很吃驚也很憤怒,跑去設備組抗議,才知道我的作品被分給生活科技老師評比,而不是資訊老師,設備組長也答應我從重新開會討論我的個案。於是我的第二件命運乖舛,好不容易過了初審,複審時又碰到勁敵,半年前就保送台大資工的同學也做了很厲害的作品,我們兩件作品性質完全不一樣,就像拿物理跟化學並不能比,但科展仍然會有勝負,評審可能比較欣賞他的作品,所以我只拿到了優等。而我常常也自嘲,說是評審希望我好好準備指考。
        不過跟我比較熟的資訊老師(也是評審)比賽後推薦我投去旺宏科學獎,但我的作品其實真的蠻陽春的,我跟老師說我沒時間再加東西了,那時準備指考早已焦頭爛額,老師說沒關係就原封不動投就好了,於是我之後花了一個下午改成旺宏的格式,抱著姑且一試的心送出去了。指考完後的暑假,我上網查看我有沒有得獎,一開始眼睛瞄很快,還跟我媽說果然沒得獎,回頭就繼續打電動,後來想到我的序號蠻前面的,於是從頭仔細看,竟然真的發現我的名字,真的很開心。第一件北市佳作的科展也有投旺宏,可是那時完全沒得獎,而這件校內只拿優等的科展,卻得到旺宏科學獎佳作。所以科展的評比真的很主觀,跟評審的喜好有大關係,朋友投國際科展只拿三等獎,可是在我看來他做的卻比一等獎好。
        這件科展很可惜,因為我要指考而只有非常基本的內容,其實還能加入更多變數進行模擬,接近更真實世界中的狀況。例如病人產生症狀可能會導致周圍的人比較不容易靠近,或著病人一旦產生症狀,假設有看病、戴口罩,傳染力會減少一定百分比。且此模擬建立在 SIR 模型下,並未考慮潛伏期、再次感染率等等情況,這些狀況都已經有完整的數學模型,都可以用個體導向去模擬看看。

        這件科展給我最大啟發是,我了解到我有做研究的能力,而且我也越來越熟練該如何做好一份研究。第一件花了一年多的時間才完成,而第二件前後不到一個月,但我認為第二件做的比第一件好。我也證明我可以勝任各種領域的研究,只要我有興趣,我就可以做好。其實做第二件科展時,最主要目的也只是想把寫程式的能力加強,就這方面來說我也達到我的目的,甚至獲得更多。

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