大數據在線識別技術在植物生物學實習教學中的運用

夏立群　李倩茹　劉慧玲　魯義善

[摘要]植物生物學實習是生物科學本科專業的基礎課，是鞏固植物生物學理論知識的重要實踐環節。隨著植物圖像庫等大數據的發展和智能比對技術的應用，基于大數據的植物在線識別技術方興未艾。該研究將大數據在線識別技術運用于植物生物學實習教學，實現了實習教學的開放性、實時性、交互性、主動性和多樣性，構建了新的教學模式，取得了理想的教學效果。

[關鍵詞]大數據;在線識別;植物生物學;實習;教學模式

[中圖分類號]G642[文獻標識碼]A[文章編號]2095-3437（2019）11-0057-03

大學生作為高校教育的主體，能夠快速接受新技術新產品，而傳統的植物生物學實習教學模式已不能完全滿足大數據時代下學生學習的需要。比如目前植物生物學實習的主要授課方式仍然是由教師帶隊講解、學生跟隊參觀、在有限的課時中灌輸大量知識，這種方式忽視了學生的主觀能動性，導致學生容易出現學習疲倦、離隊開小差、實習效果不佳等問題。因此，植物生物學實習的教學改革迫在眉睫。筆者嘗試將新興的大數據在線識別技術運用于植物生物學實習教學中，以構建新的教學模式。

一、大數據時代的植物學大數據平臺

近幾年，隨著互聯網和云計算等新媒體技術的興起和發展，尤其是智能手機、iPad、平板電腦等便攜式智能終端的普遍應用，世界已進人大數據時代。就知識傳播而言，大數據背景下知識無處不在，采用可視化方法在手機等智能終端便可獲取[l]。在植物生物學方面，得益于海量圖片及信息存儲、智慧算法、分布式計算、云服務等技術的發展以及大數據解決方案的日漸成熟，國內外植物學大數據平臺得到不斷建設和完善[2]。據不完全統計，國外有較大影響力的植物學大數據平臺有全球植物（Global Plants）、國際植物名錄（The International PlantNames Index）、電子植物志（eFloras org）、美國農業部植物數據庫（USDA PLANTS）、網絡生命大百科全書（Ency-clopedia of Life）等，而中國有較大影響力的植物學大數據平臺有中國植物物種信息數據庫、中國植物圖像庫、中國植物志、中國數字植物標本館、iFlora智能植物志、中國數字植物園、中國西南野生生物種質資源庫、中國植物主題數據庫、民族植物學等。這些數據庫的存在為在線植物識別技術的發展奠定了學術基礎。

二、基于大數據的植物在線識別技術

隨著植物圖像庫等數據庫的發展和智能比對技術的應用，一批可以通過拍照辨識植物的APP相繼開發出來，而且可以很方便地下載到智能手機中進行應用。目前常見的植物在線識別APP包括形色、花伴侶、花幫主、拍照識花、識花、朝花夕拾、植物達人、Plant、Garden An-swers等等。這些APP各有特色，比如形色APP為用戶搭建了一個強大的持續性社交平臺，用戶不但可以通過大數據在線識別比對植物圖片，APP內部也有識花大師幫忙鑒定軟件不能識別的植物，還能將用戶上傳的植物景點對應到地圖上。花伴侶能記錄識別歷史，查看所在地附近他人上傳的植物圖片，更可以進入植物百科查看植物詳細的“表型特征”。除了植物在線識別APP，最近QQ瀏覽器更是推出了“掃一掃，探索身邊植物的神奇”的新功能，不需要另外打開APP就能夠方便快捷地在瀏覽器界面中通過拍照、選擇手機中的圖片對植物進行識別。

植物在線識別技術雖然基于復雜的信息交叉驗證以形成對植物的鑒定識別，但用戶只需通過簡單的操作就能方便及時地獲取反饋信息，并開展在線互動。而各類植物在線識別APP，可以為學生實時提供豐富翔實的植物學信息，諸如中文名、拉丁學名、別名、分類地位、分布區域、形態特征、價值用途、養護方法等等，方便學生隨時隨地認識和學習植物。因此，將大數據在線識別技術運用于植物生物學實習教學中，有利于實現實習教學的開放性、實時性、主動性、交互性和多樣性。

三、傳統植物生物學實習教學模式存在的不足

筆者在進行植物生物學實習指導的過程中發現傳統的植物生物學實習教學模式存在一些不足之處，主要有以下幾方面：（1）由于師資力量有限，l位教師通常要負責指導三四十名學生的植物學實習，教師既要負責組織帶隊、講解示范又要時刻注意安全問題，教學效率低且無法兼顧到每個學生;而學生中相當一部分會聽不清老師講解、看不到老師示范、感覺沒學到知識，還會有一部分學生離隊“旅游”、走馬觀花，這些都會嚴重影響實習效果。（2）傳統的植物生物學實習教學模式下，學生需要在野外采集大量的植物標本，以便帶回實驗室進行檢索、鑒定。這種“一路走一路采”的破壞式實習既違背了“認識植物、保護植物、保護生態環境”的初衷，又會引起植物生物學實習基地的反感。（3）傳統的植物標本在經過壓制、干燥、固定等一系列處理后，很多生物學特征、信息已經丟失，因而通常價值不大且難以長時間保存，這就造成了浪費。（4）傳統的植物生物學實習的教學考核不夠完善，通常是教師根據學生的實習表現、考勤、實習報告來進行打分，不夠全面客觀。相關領域的教育工作者也認識到傳統植物生物學實習教學模式存在類似弊端，并開展了相關教育教學改革，探索新的植物生物學實習教學模式[3-5]。

四、植物在線識別技術在植物生物學實習教學中的探索應用

筆者針對傳統的植物生物學實習教學模式存在的不足之處，面向廣東海洋大學海洋生物系2016級、2017級生物科學專業的140名本科生，首次開展了植物在線識別技術在植物生物學實習教學中的探索應用，以期建立植物生物學實習的新型教學模式并提升教學效果。其具體實施辦法如下。

（一）植物在線識別APP的試用與篩選

植物生物學實習動員時，教師一方面要向學生推薦幾種效果較好的植物在線識別APP，讓學生下載到手機中進行試用;另一方面也要鼓勵學生探索試用其他新的植物在線識別APP。讓學生在校園實習階段，結合實習體驗和植物生物學專業知識，對候選的植物在線識別APP進行比較篩選。

（二）植物在線識別APP在植物生物學實習教學中的應用

經篩選后選定五六種植物在線識別APP，讓學生統一下載到手機中，并在隨后的植物生物學校外實習中進行應用。五六名學生分為1個小組，實行組長負責制，并進行組內分工：按拍照識別、在線驗證、植物信息記錄、植物電子標本照片采集、植物實物標本采集整理等幾個工作內容，讓小組成員自我組織并分工合作。學生在進行植物生物學野外實習時，遇到不認識的植物先自行拍攝其照片，然后分別使用選定的那幾種植物在線識別APP進行識別，通過初步鑒定出植物種名后，通過植物名在線查詢該植物的生物學特征描述，現場與植物的特征一一比對，確認植物在線識別APP的識別準確性，不能確認的可以向老師咨詢。經確認無誤后，填寫植物記錄。整個實習過程只讓每個小組采集制作60種植物實物標本，并將實習中記錄到的植物全部整理到“植物實習報告”的植物名錄列表中，每位學生再從中選擇20種不同科的植物來制作植物電子標本。這樣將植物在線識別APP運用在植物生物學實習教學中，初步實現了具有開放性、實時性、交互性、主動性和多樣性的實習教學模式構建，就像每位學生隨時跟著一位老師一樣。

（三）對各種植物在線識別APP的評價

實習結束后，讓學生根據自己的實習需求、使用感受對不同的植物在線識別APP進行評價，根據各個APP的鑒定準確度、在線識別速度、植物學信息量、信息科學性、易操作性、智能終端兼容性等方面進行打分和綜合評價，總結現有APP的優缺點，確立更為專業的植物在線識別APP的改進方向。各種植物在線識別APP評價統計結果見表l。

總體而言，形色是最受學生歡迎的植物在線識別APP，選擇率達100%;其次是花伴侶，實習過程中有50%的學生堅持使用;而其他APP則很快被學生們放棄使用。在植物在線識別APP的選擇過程中，學生最關注的是其鑒定準確度和在線識別速度，如果這兩項有一項沒做好，學生們就會棄之不用。針對形色，學生們提出的改進意見主要集中于以下方面：增加植物的信息量，鑒定結果顯示可信度的百分比，更節約流量，識別歷史要能快速查找，增加互動趣味性，提高識別準確度，植物分類信息要完整，增加拍葉時植物鑒定的準確性，不要保存識別失敗的記錄。針對花伴侶，學生們提出的改進意見主要集中于以下方面：信息庫數據要充實，加快加載速度，提高在線識別的速度，優化識別功能，提高識別準確度，增加地圖定位。形色的識別速度快于花伴侶，而花伴侶顯示的植物分類信息比形色更全面。值得注意的是，植物在線識別APP的淘汰率相當高，2017年還可以使用的一些APP，如形色識花、景觀植物手冊、微軟識花、花滿城、盆友、好多肉、Leaf Snap等，到2018年就已經消失了。

（四）增加對學生錄制植物講解微視頻的考核

植物生物學實習考核內容，除了實習表現、考勤、實習報告，還增加了實習日志、錄制植物講解微視頻。鼓勵學生自己拍攝校園植物講解小視頻，提高了學生的參與度，同時彌補了植物在線識別APP過度依賴平面照片、信息量不足的缺點。在使用植物在線識別APP認識學習不同種類植物的基礎上，將廣東海洋大學的校園植物分配給學生們，讓每位學生負責錄制3種校園植物的講解微視頻（一兩分鐘）并將其作為考核內容。目前已收集了約400條合格的校園植物微視頻，今后將對其進行后期制作并作為廣東海洋大學校園植物多樣性數據庫的素材。

五、小結

為了解決傳統植物生物學實習教學模式存在的主要問題，我們首次將植物在線識別技術運用到植物生物學實習教學中，對現有的植物在線識別APP進行了篩選與評價，初步明確形色和花伴侶這兩種植物在線識別APP較受學生歡迎，可用于植物生物學實習教學。本研究采用了具有開放性、實時性、交互性、主動性和多樣性等特點的植物生物學實習教學新模式，在實習教學過程中注重激發學生主動學習、自主識別植物的積極性，做到了“授之以漁”，有助于學生今后繼續進行植物學的探索。

[參考文獻]

[1] 陳火英，葛海燕，吳娟，等.大數據背景下植物種質創新系列課程實踐教育探索[J]實驗室研究與探索，2016（7）：179-182+189.

[2]王亞楠，莊會富，王雨華.支持植物學大數據整合與公眾服務的iFlora云平臺建設[J].大數據，2016（6）：34-42.

[3] 胡剛，張忠華，呂春燕.以創新能力培養為導向的植物學野外實習教學模式構建[J].大學教育，2018 （1）：162-164.

[4]鄭敬剛，解丹丹.研究型植物學野外實習及其教學效果評價[J].現代農業科技，2014（14）：315-316.

[5]馮富娟，陶雷，穆立薔，等.植物學創新式野外實習教學的實踐與成效[J].實驗室研究與探索，2014（7）：198-200+209.

[責任編輯：龐丹丹]