一篇论文中最核心的部分（design）应该怎么写？为什么读了大量的文章却毫无收获？

今天我来讲一讲一篇论文中最核心的部分–design部分怎么写。当我介绍完写作的思路以后，大家就就会明白为什么你读了那么多文章却一无所获了。在介绍具体的写作思路之前，我们应该先了解一下我们写出来的论文尽力去满足哪些要求？

我认为，一篇论文之所以配得上“论文”这个称号，它应该应该能做到发现新的知识，并且传播新的知识。如果这个论文只是做到了发现新的知识，但是论文本身的写作极其晦涩难懂，那么这篇论文并不会把知识传播开。那么这种论文只是自娱自乐，并不能对人类科技的贡献起到作用。如果这个论文只是传播知识，而没有发现任何新的知识，那么这个论文充其量就是一个科普读物，称不上是论文。然而，想同时做到这两点是极其困难的。绝大部分的作者在写作的时候，也仅仅是在这两者中，各占了一部分而已并不能做到兼备。我认识一个老师，他的科研做的很好。但是他的论文基本都是别的合作者帮着写的。他自己开玩笑说是自己的英文水平不够，可是我们大家也都明白，这跟语言是无关的。而这个老师在现实生活中，并不是一个内向的人。相反，他讲的课学生们都很喜欢。可是到底是什么导致一个“能说会道”的人无法写出一篇论文呢？

这个答案就是逻辑思维的不足。这个老师不懂什么是写作的逻辑，什么是做研究的逻辑。这两种逻辑是不一样的。这个老师在自己做研究的时候，逻辑很清晰。一旦让他开始写论文，他的思路就扭转不过来了。

写作的逻辑 VS 做科研的逻辑

咱们先看看什么是做科研的逻辑：做科研的逻辑是我们提出一个最初的idea，然后在实现这个idea的时候，遇到新的困难。然后我们会再提出一个新的idea来解决遇到的困难。这么不断迭代下去，直到把所有的问题都解决了为止。这样以来，原本一个小小的idea会逐渐壮大成为一个扎实的工作。

如果，我们把做科研的过程比喻成为一棵树成长的过程，那么提出一个idea就相当于我们种下一颗种子。之后，这颗种子先从发芽开始，一点点长大，直到参天大树。我们最初的idea就是一颗种子，经过我们的努力，最终它被不断地完善，直至我们得到了全部的设计。

那现在我们看看，什么是写作的逻辑？我们现在已经有了全部的设计，相当于我们已经有了一棵大树。我们在写作的时候，不需要描述这棵树是怎么被我们精心培养长大的，我们只需要告诉读者，“我们现在设计了一个东西，我们给它起个名字叫做树。那在接下来的文章中，我们将给大家介绍树的细节。”

可是，当我们在写作的时候，往往难以控制想要把自己一路科研的痛苦都表达出来的冲动。如果我们在介绍树的细节的时候，讲了太多如何种树的过程，这就相当于我们带着读者走了一遍我们自己从提出idea到完善所以设计的过程。这么介绍的话，如果读者能看得懂，说明读者拥有跟我们一样的背景知识。否则的话，读者就会看不懂这个论文，甚至被误导和曲解这一篇论文。

给大家举一个比较实际的例子：苹果手机发布会。当第一代iphone发布的时候，大家都被iphone的设计所震撼。乔布斯在介绍iphone的时候会先告诉大家iphone长什么样子，然后跟大家讲一下iphone包含的功能，最后分别介绍每一项功能的使用的细节。这时候，我刚才提到的描述种树的过程，就相当于乔布斯在跟大家讲他和苹果手机的员工是怎么通过控制天线的尺寸，布局，耦合，极化和增益等参数来给iphone设计天线的。如果观众不是制造一个手机的专家，他肯定听不懂这个故事。

然而，我们要知道一个残酷的事实：绝大多数的读者对你的研究方向根本不懂。哪怕是你的论文的审稿人，他们也很难跟你的研究方向完全相同。他们顶多是大的方向跟你是一致的。比如说，我是研究机器人的，我要给机器人设计一个能够抗干扰的通讯技术。这个时候，我的读者可能只是因为在谷歌学术里面搜了一下“机器人”这个关键字，就看到了我的论文。再比如说，正在读我这篇文章的你，可能是一个连科研是什么都不太清楚的本科生，也可能是一个身经百战的博士。在这种情况下，我们为了让绝大多数的读者都明白我们在干什么，我们就需要下很大的功夫在写作上面了。可惜，很多作者在写作的时候，态度都是很不负责的，他们往往只是自己觉得看得懂就可以了，并没有考虑别人怎么想的。于是乎就出现了，论文的档次越低，其可读性便会越低的现象。

铺垫了这么长，现在开始给大家介绍两种写作思路。这两种思路可以把你的design部分介绍得很清晰，很通俗易懂。

两种写作的思路

第一种思路： 先描述整体设计的结构，然后分别介绍每一个部分的具体设计。我们如果回到描述一棵树的例子里，现在我按照这种思路给大家介绍一下“树”的设计。首先，我会说，我们现在的整体的设计叫做“树”。树是由树根，树干，树枝，和树叶组成的。这四部分的功能分别是是吸收土壤中的养分，传递养分到树枝，传递养分到树叶，进行光合作用。接下来，我会详细描述这四个部分具体的设计。然后我们继续套用这个思路来描述具体每个结构，也就是每个design的细节了。

在刚才iphone那个例子里面，乔布斯在介绍iphone的时候会先告诉大家iphone长成下面这个样子：

然后跟大家讲一下iphone包含了触摸屏，home键，外壳，天线，电池等部件。其中触摸屏主要是为了人机交互设计的。home键为了返回主屏幕。外壳是为了保护手机，天线是为了打电话和上网。电池是为了维持手机正常运转。然后乔布斯会详细介绍每一项功能的细节。这其实就是沿用的这种种思路。

这个思路看起来好像很直接，但是也没那么容易做到。我来给大家举一个具体的例子吧。我们回到之前我介绍过的AirCloud那篇论文。如果没看过我之前介绍的请看我们的另一篇文章：通过一篇顶级会议的论文，给大家讲解一下一篇论文的insight和idea 。在这篇文章中，我给大家介绍了一个论文叫AirCloud。Aircloud是一个能够精确计算出任意位置PM2.5的一个系统。也就是说，我输入我当前位置的GPS坐标，aircloud就能告诉我，我这个位置的PM2.5。相比于AirCloud，现有的PM2.5监测系统只能告诉我PM2.5监测站附近的PM2.5的数值。如果我的位置离PM2.5监测站比较远的话，PM2.5监测站的数值就无法反映出我的位置到底有多少PM2.5了。AirCloud的design部分就是采用的这种写作思路。作者首先在第三章中展示了AirCloud的框架，也就是下面这张图：

然后在这篇在论文的4，5，6章中分别介绍了这个系统中三个design：1，利用廉价的低精度的PM2.5传感器制造了一个PM2.5监测仪，2，为了提高这个PM2.5监测仪的精度，作者提出了一些校准的方法。3，将校准后的检测仪部署在城市中，将所产生的数据上传到云端，然后在云端对任意位置的PM2.5进行推算。

这种思路是比较直接的，也是常见的一个思路。比如aircloud就是这样的。这种思路的好处是很容易上手写。一般来说，一个学生开始写论文的时候，第一稿可以按照这种思路来写。

这种思路的一个问题是，如果系统比较复杂，里面的模块很多，当你介绍到第三个模块的时候，读者已经忘了第一个模块是什么了，读者容易在阅读的时候迷失自己。为了避免这种情况的发生，作者需要保持一个原则：不断提醒读者自己阅读的部分在整体的框架中所站的位置和作用。具体地说，作者可以通过以下两个方式来满足这个原则：1，在介绍整体框架的时候，一定要先粗略地说一下各个部分的功能。这样读者对于各个部分就有了一个初步的认识。接下来读者在理解每一部分具体设计的时候，也就不会感觉有思维上的跳跃了。在AirCloud这篇文章中，作者用了整整一页的篇幅（第3章）来介绍各个部分的功能。2，在每个模块间增加适当的过渡。在过渡的段落中再次提醒读者上下文的联系，以及接下来要介绍的部分在整个框架中的作用和位置。这样一来，通过这两个小技巧，模块间的关系可以被体现出来，读者在阅读的时候就不会有突兀感。

当然了，如果要深究的话，我们之所以要用这两个技巧，主要的目的是为了让读者的思维在阅读的时候能够连续地顺利地在各个章节间过度。那么我们做到这一点，我们真正需要保证的一个原则是：一次只给读者提供一个新的信息，在两个信息之间要有过度。而不是一次性怼给读者一大堆新的信息。因为一个读者一次性接触到了太多新的信息的时候，他就会不知所措。

那么，为了保障我们可以一次只给读者提供一个新的信息，第二种比较有意思的写作思路是这样的：从论文研究的目标入手，往前一步步推导。 比如在介绍树的时候，我要是沿用这种写作思路的话，我的描述应该是这样的：我的目标是设计一种可以一年吸收100千克二氧化碳的植物。为了达到这个目的，这种植物应该有非常多的叶子才可以，因为叶子是可以通过光合作用吸收二氧化碳的。我们需要在这个植物上安排很多的叶子，同时每一片叶子的尺寸也需要单独的设计。于是我们有了这篇论文的第一个设计。然而，我们光有叶子还是不够的，我们发现为了维持这么多的叶子光合作用，我们需要给它们输送大量的养分，这就牵扯出论文的的第二个设计：大量的树枝和树干。最后给树叶提供的养分是从哪里来的呢？答案是树根。为了满足这么多的树叶的养分，我们需要设计一个非常庞大的根系。具体的看我们论文中第三部分的设计。

刚才我这一段描述，大家应该明白这个写作的思路了吧。这个思路就是一次只给读者一个新的信息。后面的设计应该是为了解决前面设计中的一些不足而提出的。这样前后两个设计间的逻辑关系是非常通顺的。读者读起来每次都带着一丝疑问，然后在往下看一段的时候，就发现疑问在下一段就被解决了。读者阅读的时候会有一种畅快感。

按照这个思路，如果我是AirCloud这篇论文的作者，我应该会这么写：为了推算每个位置的PM2.5,我们的第一个设计就是利用大数据进行预测。而这个大数据模型的具体设计就是AirCloud这篇论文的第6章。然而一个大数据预测模型的精度是收到其采集的数据的精度的影响的。为了让我们这个PM2.5预测模型的精度变得高一些，我们需要对于提高采集的数据的精度。于是就引出了本文的第二个设计：进行数据的校准（AirCloud的第5章）。当然了，我们的数据是由各个传感器采集而来的。AirCloud在一个城市中部署了大量的传感器，于是我们需要设计一款十分廉价的PM2.5传感器。因此我们有了本文的第三个设计（AirCloud的第4章）。

其实大家能看出来，第二种写作思路明显比第一种写作思路对于作者的要求更高。这是因为，如果作者想要在论文的写作在运用第二种思路，作者需要把各个设计间的逻辑关系捋顺。相比于第二种写作思路，第一种写作思路中的几个设计之间是并列的关系。设计与设计之间主要靠这过度的段落来维持联系。而第二种思路中，各个设计之间的关系是递进的。因此，一般来说，新手都是先按照第一种思路先写完一个初稿。如果时间允许的话，有可能会跟导师把论文改成第二种思路的风格。

当然了，AirCloud之所以写成那个风格，还有一个原因：AirCloud是PM2.5空间分布预测的开山之作。可是，现在的论文都很复杂。现在的论文，往往都依赖于前人的工作。很少见到像aircloud这样的开山之作了。那么，当我们的idea和design是依赖前人的工作的时候，我们还可以有下面这一种写作的思路。

进阶版：第三种思路

思路3：先介绍前人的工作，再指出你的设计里面跟前人工作相比的改进的地方，最后告诉读者我们的改进是有一定道理的，而且效果是很好的。

一般来说，这种写作思路的论文会把前人的工作单独列成一个小章节，叫做primer或者preliminary。比如下面这个就是：

我们在介绍前人的工作的时候，一定要简洁！因为前人的工作不是我们的贡献，我们不可以占用大量的篇幅去介绍已经发表的工作。这个就要求我们对于前人工作的idea有一个非常直观地理解，并且能够表达出来。具体的表达方式可以参考刚才介绍过的两种写作思路。等介绍完了前人的工作以后，我们告诉读者，如果直接在我们这篇论文的场景中使用前人的方法，会有以下几个问题。介绍完了这些问题以后，我们就需要介绍我们的设计中最直观的那个idea，也就是我们的工作其实就在前人的工作上做了XXX的改动而已。当我们介绍完了我们的改动以后，我们需要给读者展示一个例子：改动前的实验结果和改动后的实验结果的对比。这样读者可以有一个非常直观的印象，那就是我们的idea是有效的。然后我们可以通过理论分析来严格地证明我们的改进是有效的合理的，是可以达到这篇论文的目标的。

如果我们的改进在实际场景中还会遇到一些实际的困难和挑战，那么我们可以按照之前的两种写作思路来介绍我们的下一个设计：提出一个什么样的设计来把这个实际困难给解决的。如果这个困难解决了以后，又冒出一个新的困难，我们就以此类推。

给大家再举个例子。比如我们还是在介绍一个树的设计过程。我们可以说，我们现在给大家介绍一下我们的设计：树。我们的设计其实是受到草的启发，所以在介绍我们的设计之前，我们先简单的给大家介绍一下草。草是由草根和叶子组成的。。。。。。。当然们介绍完了草以后，我们说，如果我们需要设计一种植物让它每年都吸收100公斤二氧化碳的话，草的设计是不够的，因为它太小了。所以我们需要把草的体积变大。于是在本文，我们设计，也就是“树”，的尺寸是“草”的一百倍。这么一来，确实我们可以完成100kg二氧化碳的目标了。但是，这么大的体积，我们的支撑部位如果还是草里面的叶子的话，就无法支撑这么重的结构了，因此我们需要设计树干和树枝。最后，为了满足这些树干，树枝和树叶的消耗，我们需要一个庞大的根系来维持整个系统的运转。

好啦，到此为止，我把我的一些关于一篇论文中最核心的部分（design）的写作思路给大家介绍完毕啦！其实一篇论文的写作并没有固定的套路。如果大家对于自己的写作没有信心的话，最好的办法就是把你写完的论文给同学和导师看一看。让周围的人多给你提提意见，看看他们都有哪些看不懂的地方。

为什么我们花了大量时间去读论文，

但是并没有学到多少知识呢？

最后的最后，我想说一下，大家应该看出来了，无论一篇论文使用了以上三种思路的哪一种，这篇论文写作的逻辑都完全不同于做科研的逻辑。我之前跟大家讲过，读论文的核心目的是学习论文中的idea 和insight。而刚才这三种写作的逻辑恰恰不是呈现insight最好的逻辑。想要呈现一篇论文的全部insights，最好是按照做科研的顺序来写。因为只有跟你研究方向一样的同学们才会想要学习这篇论文的insight。或者是这个方向的新人，想通过阅读这篇论文来掌握论文中的方法。这个时候，我在本文开头说的，读者的背景知识应该和作者差不多了。这个时候我们最好的逻辑其实不是刚才讲的三种逻辑，而是我们做科研的逻辑。

可惜，论文写作的逻辑偏偏不是做科研的逻辑。我估计大家应该猜到我想要说什么了。我们在阅读别人的论文，学习别人的方法的这个过程，其实是从作者的写作逻辑中还原出作者做科研的逻辑！这个还原过程是很艰辛的！如果我们阅读的论文是按照我说的第三种思路来写的话，我们还得再去把前人的工作也读一遍才行。因此，大家一定要记住了，想要掌握一篇论文的idea和insight，我们没有捷径可以走。一定要认真思考，尽力去还原作者在做科研的逻辑，这样我们就有可能理解作者为什么这么设计，作者当初设计成这样的苦衷。这样我们就可以避免自己提出一个没有意义或者做不出来的idea了。

看完我写的这些，我想大家应该明白了，为什么我们花了大量时间去读论文，但是并没有学到多少知识呢？答案就是，我们没有把作者的写作逻辑转换成科研的逻辑，所以我们没能理解论文的insights和idea。所以，科研的道路捷径，大家努力吧！

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