藥用植物學資源數據庫的構建與實踐

吳 江 程博琳 朱宗成 王小娟 陳 希 王小剛

1.華中科技大學同濟藥學院，湖北武漢 430030；2.華中科技大學同濟基礎醫學院，湖北武漢 430030

藥用植物學是中藥學和藥學的專業基礎課程，是一門實踐性很強的學科[1-2]。與其他學科相比，藥用植物學教學內容多，信息量大，抽象的概念和形態學術語多，理論知識難于理解和難以記憶[3-4]。其大量的數據信息的查詢使用是一個棘手的問題，將現代的數據庫技術引入植物資源數據庫的管理無疑是一種很好的解決辦法，眾多的用戶通過網絡就可使用數據庫信息[5-6]。為滿足藥用植物學理論課、實驗課和野外實習的教學要求，有必要構建了一個藥用植物學資源數據庫，以圖像、地圖等形式表現教學內容，使學生獲得對藥用植物直觀感性的認識，從而更好地掌握專業知識。

1 藥用植物學資源數據庫的特點

國家級大型植物資源數據庫如“中國植物物種信息數據庫”，主要是為科研人員提供專業的植物信息檢索，而藥用植物學資源數據庫主要是為老師教學和學生學習提供輔助作用。兩者不同的定位決定了相對小型的藥用植物學資源數據庫有以下特點：

1.1 植物物種以涵蓋教學大綱要求掌握的植物為主

大型植物資源數據庫主要是提供專業的植物信息檢索，力圖涵蓋全國各地發現的植物，具有植物物種數量多而全的特點。而藥用植物學資源數據庫，一方面受老師和學生的能力、精力和時間等條件所限，主要是涵蓋校園和野外實習地區的植物；另一方面要求學生以掌握植物學學習和研究方法為主，因此其資源數據庫物種數量少，以教學大綱要求掌握的植物為主，輔以其他常見植物。

1.2 植物信息增加藥用功效的介紹

大型植物資源數據庫所展示的植物信息以植物形態、組織特征、分類鑒定為主。而藥用植物學資源數據庫所展示的植物信息不僅有植物形態，更包括藥用部位和藥用功效的介紹，形成自己的特色。

1.3 二次開發以直觀形象靈活的方式提高學生的學習興趣

大型植物資源數據庫因為主要是提供植物信息的專業檢索，注重基礎。而藥用植物學資源數據庫不僅注重基礎，還注重二次開發，通過野外實習專題、校園地圖等多種靈活方式提高學生的參與度以及興趣，直觀形象地引導學生掌握植物知識，以便更好地促進學生學習。

2 藥用植物資源數據庫的設計與實現

2.1 前期準備工作

在進行數據庫的構建之前需要對專業知識進行學習，包括植物形態解剖基礎理論知識和系統分類基礎理論知識。還需充分利用學校的植物資源，對其分布進行較為詳細的調查，將校園中的植物進行掛牌標識，同時采集植物分布的圖片，最后繪制植物資源分布草圖。此外，利用去廬山進行野外實習的機會，對廬山地區的植物資料進行搜集整理，在數據庫中設立廬山地區野外實習專題，充分展示廬山植物風貌，更利于標本精確地辨識，同時編寫了《廬山野外實習手冊》，極大地方便了野外實習的教學工作，提高了學生學習興趣和野外實習教學的效果。

2.2 開發平臺

目前，中小型網站的快速開發廣泛采用WAMP開發平臺[7-8]，即Windows+Apache+MySQL+PHP組合。Windows是操作系統；Apache是通用的網絡服務器；mySQL是帶有基于網絡管理附加工具的關系數據庫；PHP是流行的對象腳本語言。

WAMP平臺采用B/S三層體系結構，即表現層、應用層和數據層，其工作原理如圖1所示[9-10]。在實際運行過程中，用戶在表現層（客戶端）瀏覽器中以提交表單的方式向應用層提出請求，Web服務器（即Apache服務器）接到請求并通過服務器端PHP程序處理相關請求，若接到數據請求，則通過MySQL數據庫服務器在數據庫中查詢數據，并將查詢結果處理返回給客戶端瀏覽器。

圖1 B/S三層結構體系

2.3 數據模型的建立

現有的數據庫系統均是基于某種數據模型的。由于WAMP開發平臺采用MySQL數據庫，該數據庫采用的數據模型是關系模型。關系模型是將數據看成一張規范化的二維關系表，關系模型具有數據結構簡單、清晰，易于掌握等特點，成為目前重要的一種數據模型[11]。因此，藥用植物學資源數據庫采用關系模型作為數據模型。

2.4 數據結構的設計與實現

建立植物數據庫首先要分析植物有哪些信息應該被包含在數據庫中[12]，關系型數據記錄的是各類實體以及實體間的聯系。在植物學中，對植物有科學的等級分類，由大到小主要有：門、綱、目、科、屬、種[13]，具有明顯的層次關系。

在目前的植物信息系統中，一般將植物作為實體[14]。這種數據結構存在兩個問題，一是對于分類的層次關系表達不明確；二是數據存在潛在的不一致的隱患，每種植物都有它所屬門、綱、目、科、屬等分級信息的記錄，而有些植物的分類相同，那它們的分類信息必然相同，而這種數據的重復記錄就會帶來潛在的數據不一致，造成數據的不穩定。

在目前的植物信息系統中，還存在另外一種數據結構，就是將門、綱、目、科、屬、種等各個分類作為不同的實體[15]。這種數據結構解決了上面的層次關系表達不明確和數據重復記錄的兩個問題，但存在自身的缺點：一是代價增加，功能越強大所需的花銷也越大，網頁程序編寫量也大大增加，這與院系學生有限的精力、數據庫需求相沖突；二是數據結構太細致化，同時導致數據結構龐大，不靈活，而院系的實際教學過程中，考慮各方面情況，不需要諸如亞門、亞綱等分類，數據結構無需太細致。

綜合起來，為解決這些問題，在數據結構中，采用一種折中的方法，即設計兩種實體類型，將門、綱、目、科、屬、種等分類與物種相區別。分類的屬性主要有中文名和拉丁名；物種的屬性主要包括種的名稱信息（包括種的拉丁名、中文名和別名）、形態特征、藥用部位和藥用功效等。這些屬性在實際應用中還可以進行不同的取舍。

對于實體之間的層次關系，需要設計一個字段來記錄。改進后的植物信息數據結構最終實現見表1、2。

表1 植物分類信息

表2 植物物種信息

3 基于藥用植物資源數據庫的二次開發

建立藥用植物資源數據庫不是終極目的，而是為了促進教學。為了更大限度的利用資源，采用網絡的豐富形式調動學生興趣，以藥用植物資源為基礎，針對藥用植物學的教學實際以及校園植物資源的分布情況，通過二次開發，分別建立野外實習專題和以校園地圖直觀形式的校園植物檢索，與植物資源數據庫相連通，最終建立起藥用植物學資源數據庫，網址為www.tjflora.com。

網站有四個主功能，分別由“植物檢索”、“廬山實習”、“校園植物”和“課外實踐”四個欄目板塊實現。輔之以“首頁”和“我們”兩個欄目板塊，完成網站簡介及引導使用、團隊介紹和留言反饋等輔助功能。見圖2。

圖2 網站功能框架

網站6個板塊的具體功能如下所述：①“首頁”板塊主要是對網站和各個板塊的內容功能進行介紹，引導用戶使用網站。②“植物檢索”板塊提供三種檢索植物信息的方式，分別是字母檢索、系統檢索和文字搜索，不同需求的用戶可以根據自己的情況選擇合適的檢索方式，快速地檢索到植物信息。在該數據庫中，錄入了收集整理四百余種藥用植物，可以在線瀏覽藥用植物所屬植物系統分類、藥用部位、藥材名稱、中藥功效和校園分布等內容。③“廬山實習”板塊可以檢索關于廬山野外實習的植物，涵蓋藥用植物學野外實習所要求掌握的植物，適應野外實習的要求。針對野外實習，一方面加入學生實習活動照片和實習地區風光，另一方面添加野外實習安全、標本制作等方面的指導文章，還可以根據院校的特點加入學生的實習心得，形成野外實習專題，借助網頁技術營造實習的氣氛，讓學生在熟悉的實習氛圍中學習，提高學生的學習興趣。④“校園植物”板塊以三級地圖的形式形象地展示校園植物。首先，以3D的一級校園整體地圖對校園進行優美宏觀展示，用戶可以根據對校園位置的熟悉快速點擊想要查看的區域；之后，進入更細致的2D平面校園地圖進行更清晰的定位查找；進入具體的區域后，可以看到實物照片形成的地圖，用戶可以很直觀便捷地看到想要查看的植物；點擊植物后，鏈接到該藥用植物的信息網頁，每一種藥用植物的網頁中包括其形態特征的描述、產地分布的介紹、校園位置的標注以及藥用價值的說明，并附有多張該種藥用植物不同部位形態特征的數碼照片。以校園地圖的形式形象直觀地展示校園植物物種分布，幫助學生了解學校植物物種分布，并可以快速檢索植物，提高檢索和學習植物的效率。⑤“課外實踐”板塊可以查看文章，并可以下載附件，老師和學生可以發布活動情況或活動經驗，增加與學生的聯系，為學生提供更多的電子信息。⑥“我們”板塊分兩個二級欄目，分別是：“關于我們”欄目介紹了院系的相關情況；“留言”欄目主要是讓網站使用者發現數據存在問題時可以留言反饋，幫助提高數據的準確性。

4 結束語

結合院校的教學要求實際情況，運用植物學知識對藥用植物學資源數據庫的數據進行分析，明確數據庫的實用性和教學性等特點，使之更好地與數據相結合，從而建立起藥用植物學資源數據庫。應用校園藥用植物資源數據庫，實現了傳統分類資料的數字化、網絡化，極大地提高了植物信息查詢效率，并實現了數據資源的網絡共享。同時，以校園藥用植物資源數據庫為基礎進行拓展，利用現代網絡技術，建立野外實習專題頁面和以校園地圖形式等多種方式，提高學生的學習興趣，從而促進對植物學知識的掌握，給藥用植物學教學帶來積極推動作用。

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