基于趣味性教學軟件的生態學實習資源建設

王新偉+馬驊+劉素轉

[摘 要]鑒于生態學實習中枯燥的植物識別，基于“神經網絡”技術，自主開發了趣味性教學軟件及電子書等教學資源，建成了多樣性、可視性、趣味性教學系統。經過實踐，這一教學系統取得了良好的教學效果。

[關鍵詞]趣味性軟件；生態學實習；電子書；紀錄片；網絡課程

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）01-0040-04

加強實踐教學建設，創新實踐教學方法已經成為高校開展教學改革的重點。[1][2]野外實習是生態學教學中必不可少的內容，是培養學生專業技能的關鍵環節。[3]很多高校對生態學實習方式進行了研究，從實習基地建設[4]、組織與管理[5]、教學過程改革等方面進行了有益探索。[6][7][8]我校也提出了研究性野外實習的教學模式，包括營造研究性氛圍、認知性與研究性實習內容并重、利用自擬項目驅動、采用研究性教學方法和網絡課程互動等模式來進行綜合能力的提升。[9]但總體上，實習實踐教學改革多從實習教學與模式出發，忽略了實習過程中教學方法的趣味性。華南農業大學“生態學開心農場”種田實踐教學模式是有益的嘗試[10]，但主要是從教師的角度進行教學模式改革，學生的中心地位并未充分體現，應從學生的角度進行改革，這才是改革之本。

植物物種的識別是植物生態學、植物生物學及藥學專業等野外實習的必備專業技能，但植物形態學及植物分類學基礎知識較為枯燥，學生很難掌握，這是實習過程中的難點。有高校提出“室內實踐要掌握半永久制片的制作流程；室外進行植物臘葉標本的制作”，以此培養學生的動手能力和對所學知識的運用能力及學生的協作精神，這種方式仍缺乏趣味性的探索。

植物電子圖像、圖鑒的發展為植物物種識別提供了最為直觀的便捷途徑。目前我國主要的電子植物圖片網站有中國植物圖像庫（Plant Photo Bank of China，PPBC）、中國數字植物標本館（Chinese Virtual Herbarium， CVH），中國植物主題數據庫、中國數字植物園（Chinese Virtual Botanical Garden，CVBG）等，主要為中國植物標本及相關植物學信息的電子網絡平臺。2012年，美國哥倫比亞大學、馬里蘭大學及Smithsonian研究所共同完成了Leafsnap軟件，該軟件可從葉子的圖像識別樹種，軟件內包含高分辨率的花、果實、葉柄、種子及樹皮的圖像。我國的植物圖庫網站多是部分地區植物種電子照片的匯集，物種量龐大，使用時需要進行植物名稱的檢索才能獲得植物圖像及植物學信息，還不能進行未知物種的識別；而Leafsnap軟件的植物種類僅限美國紐約和華盛頓，對野外實習的指導作用非常有限。但Leafsnap軟件的識別功能可為野外實習過程植物的快速鑒定提供新的思路。

本項目擬借鑒Leafsnap軟件的識別功能，開發北京延慶“松山植物樂園”軟件，該軟件包括植物自動識別、植物可視化檢索及植物欣賞三大模塊，以期拓展實踐教學的方法，為野外實習的知識學習增添樂趣。針對植物分類學背景知識缺乏的學生，這款軟件可提高野外實習的工作效率，激發學生的學習興趣，真正實現以學生為中心。

一、開發網絡教學軟件“松山植物樂園”，讓植物識別充滿樂趣

鑒于生態學實習中枯燥的植物識別，如何提高學生植物識別的積極性一直是實習的難點。受Leafsnap軟件的啟發，基于“神經網絡”技術，我們開發完成了針對我校北京延慶松山實習基地的野外實習趣味性教學軟件“松山植物樂園”。

“松山植物樂園”軟件有三大功能：葉子識別、可視化檢索及植物欣賞。軟件利用Internet的無縫兼容性，將圖片識別服務端轉移到網絡上，這樣就能隨時將手機或者其他攝像設備所獲取的植物圖像上傳至該網站進行植物種類的識別。同時，軟件還可以進行植物的相關信息瀏覽與檢索。軟件的開發，將傳統的植物種類識別的書本查詢方式改為網絡查詢，這大大降低了查詢過程中所消耗的人力和物力，讓查詢者可方便快捷地去深入了解身邊出現的植物。軟件可為北京地區相關院校植物學、生態學及藥學類學生實習服務，也可為社會大眾服務。網站界面如圖1所示。

二、軟件的主要功能

（一）葉子識別系統

采用BP神經機器學習的技術，將樹葉圖形特征記錄并學習，利用樹葉外形之間的差異性，對植物進行區別，并賦予唯一ID，利用所查詢植物圖片ID與數據庫ID的相似度來確定識別的質量。同時采用云平臺的形式將服務架設在Internet上。

目前，國內已有的植物識別網站或軟件多為植物花朵的識別，如中國植物研究院開發的“看圖識花”網站及北京微軟亞洲研究院推出的“微軟識花”APP。這兩個識別系統主要是通過花的性狀來識別植物，用戶可以在完全不了解花的性狀的情況下進行植物識別。但植物花期短暫，大多數時間處于營養期，因此不適用于多數時間的植物鑒定。而植物葉子貫穿植物整個生長周期，且外形改變不大。因此，本識別系統以植物的葉子為檢索對象，這樣檢索具有長期適用性。網絡化的葉子識別系統，在如今數字化的時代更具有普適性和廣泛性。

以南蛇藤（Celastrus orbiculatus Thunb.）為例，葉片識別界面如圖2所示。

葉子識別過程是將植物葉子照片上傳至識別系統，系統根據已有的數據庫自動對植物進行識別，識別結果按相似度大小依次排列，這種識別操作簡單，檢索快速。

（二）可視化檢索表

植物檢索表是植物分類中識別和鑒定植物不可缺少的工具，對野外實習更是有效的參考，但很多特征的描寫用的是非常專業的術語，這對于初學者或非專業人士來說，閱讀難度很大。

在信息可視化研究背景下，可視化檢索表將成為可能。目前，網上出現了個別地區個別科的植物檢索表，如植物愛好者計云編寫的北京地區堇菜科20種的可視化檢索表、北京早春開花的薔薇科常見木本植物的簡易識別和可視化檢索表。但尚無系統化的可視化檢索表出現，也無正式出版的可視化植物檢索表。endprint

基于此，本可視化檢索系統進行了北京松山地區植物科的可視化檢索表編制，按照《北京地區植物檢索表》中的植物分類檢索方法，對植物按科分類。每科植物按照不同的相對性狀進行二歧法分類，并將這些性狀配以圖片，制作成一個可視化的植物檢索表，其中包含了北京延慶松山地區的約800種植物。對于大科如豆科、菊科植物可視化檢索表過大，因此按屬進行了分類。

植物科檢索表的瀏覽功能，以百合科為例，如圖3所示。

可視化檢索表圖文并茂，特征明顯，實現了專業與非專業的結合。

（三）植物欣賞系統

為了方便在網絡上觀賞北京常見植物，我們在“松山植物樂園”軟件中建設了植物欣賞系統模塊，該模塊可進行植物信息查詢和植物瀏覽欣賞，可根據關鍵字進行查詢。植物查詢功能包括植物科和植物種的查詢，植物科的查詢結果是顯示整個科植物的可視化檢索表，植物種的查詢顯示了植物各器官的圖片以及該種植物的特征介紹。

目前植物欣賞系統共有北京松山312種植物照片，包括植株整體和特征部位，所有照片均為本校拍攝和松山管理處拍攝。以龍牙草（Agrimonia pilosa Ldb.）為例，在搜索欄輸入“龍牙草”即顯示龍牙草的葉和花的照片以及百科，如圖4所示。

三、 軟件的技術指標

（一）軟件設計的目的

利用Internet的兼容性，將“松山植物樂園”軟件轉移到網絡上，使人們能及時對所拍植物圖像進行識別，同時了解該植物的相關信息。

該網站充分利用互聯網技術，將用戶、植物圖鑒以互聯網為載體有機地結合在一起，著重于利用互聯網所突出的全方位覆蓋的特性，使用戶隨時想查即可查。構建的樹葉特征數據庫，為植物數據的電子化存儲和檢索提供了一定的參考。

（二）設計思路

采用BP神經機器學習的技術，將樹葉圖形特征記錄并學習，利用樹葉外形之間的差異性對植物進行區別，并賦予唯一ID，利用所查詢植物圖片ID與數據庫ID的相似度來確定識別的質量。同時采用云平臺的形式將服務架設在Internet上，提高獲取的便捷性。

（三）核心處理模塊

根據植物葉片的形狀特征來對不同種類的植物進行區分，采用BP神經網絡對不同的特征進行整理和歸類，當用戶提交植物圖片時，計算其所有的特征點，并與神經網絡中的所有分類進行相似度匹配，從而預測出用戶可能輸入的圖片種類，并輸出。

（四）網站的技術特點

要構建植物檢索平臺，實現無線、有線設備的全平臺覆蓋，需要適應不同設備的前臺UI設計，同時需要高性能的后臺處理程序，此外還需要高檢索率的數據庫設計。在UI設計方面，使用Bootstrap作為多平臺設計的底層UI框架，保證多平臺適用性的提升。在后臺處理程序方面，考慮到使用JSP來處理業務流程，選用語言為JAVA，采用包管理為maven，采用工程管理為spring，利用servlet對數據的傳遞和處理做保證，同時利用git進行版本控制。在高效率數據庫設計方面，遵循數據庫設計理念，并通過MySQL來實現，為保證高效率，數據庫會在測試的過程中通過不斷重構來保證查詢的高效率。

在網頁的構建方面，考慮到不同設備的同類型訪問問題，我們利用優化的數據庫持久化框架，保證網頁在使用過程中的流暢體驗，同時利用最新的UI庫構建用戶滿意且體驗良好的頁面操作環境。

響應時間不多于20ms，并發數不少于1000，吞吐量即TPS，QPS依據所承載的服務器來決定。

北京松山自然保護區現有維管束植物109科413屬783種及變種，其中蕨類植物14科18屬26種；裸子植物3科4屬5種；被子植物88科358屬682種，占北京地區同類植物總數的49.8%，在北京地區植物種類中具有較強的代表性。“松山植物樂園”軟件的開發，能實現植物識別和檢索的數字化，彌補了網站式植物葉片識別的空白。其中，北京常見植物可視化檢索表的建立，將彌補北京區縣級植物檢索表的空白。建立一種圖文并茂的新型檢索形式，把文字和圖片結合制作成一種方便快捷生動形象的檢索表，能服務于廣大人民群眾或參加實習的初學者們。

四、 開發“北京松山常見植物電子書”，讓植物隨身攜帶

從多媒體元素聚合的角度看，電子書明顯優于PPT，在教學活動中有著更大的發揮余地。從網絡熱點、下載頻率角度來看，電子書對讀者的吸引程度不亞于其他的多媒體課件，其在調動視聽感官參與學習的過程中發揮了積極的作用。

電子書制作軟件iebook超級精靈是國內頂級互動電子雜志、互動電子畫冊及電子讀物的制作軟件，有即點即得的演示效果。該制作軟件采用國際前沿的構件化設計理念，整合電子書的制作工序，將部分相似工序進行構件化設計，通過更改圖文即可實現頁面設計，能自由組合，可以呈現出良好的制作效果，使用者可重復使用、高效率合成標準化的電子圖書，而且生成的書不需要任何閱讀器或插件就可直接觀看。

我們對北京松山及周邊地區進行了多年的實地拍照，利用iebook軟件，2009年-2015年完成制作“北京常見植物電子書”上、下兩冊，包括北京地區常見植物389種，包含植物花、花序、葉正反面、果、樹干圖片以及形態特征、野外識別方法、生境信息等，其中野外識別方法突出了野外識別植物時的重要特征，簡單明了。

“北京常見植物電子書”按北京植物志進行了分科，植物科目錄可進行鏈接瀏覽，電子書頁面內照片可點擊擴大，方便觀察細微特征。“北京常見植物電子書”版面見圖5。

五、小結

1. 國內已有的植物識別網站或軟件多為植物花朵的識別，但是植物花期短暫，大多數時間均處于營養期，因此不適用無花期植物的鑒定。植物葉子識別系統以植物的葉子為檢索對象，具有長期適用性，是國內首創。

2. 北京常見植物可視化檢索表、“北京松山常見植物電子書”均具有開創性。北京地區常見植物識別系統的建立，能實現植物識別和檢索的數字化，實現了專業與非專業的結合。

3. “北京松山常見植物電子書”已經在我校生態學實習過程中使用5年，每年都進行了更新和完善，在學生的實習預習、復習過程中起到了重要的作用，受到學生的歡迎。

4. 開發的網絡教學軟件“松山植物樂園”及“北京松山常見植物電子書”，正在申請入網過程，屆時將免費對公眾開放，這會讓更多喜歡植物的人感受植物識別的樂趣。

[ 參 考 文 獻 ]

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[責任編輯：陳 明]endprint