手機APP在輔助高校植物學和生態(tài)學教學中的應用

胡剛，陸蘭甜，徐超昊，張忠華，胡聰

手機APP在輔助高校植物學和生態(tài)學教學中的應用

胡剛，陸蘭甜，徐超昊，張忠華，胡聰

（南寧師范大學 環(huán)境與生命科學學院，廣西 南寧 530100）

手機APP在輔助高校植物學和生態(tài)學教學中具有重要的應用價值．通過對植物識別和查詢類、野外調查和記錄類、研究工具類共計16種手機APP的功能及其應用價值進行歸納總結，分析APP在輔助植物學和生態(tài)學教學中的優(yōu)勢和不足，以期提升高校植物學和生態(tài)學教學的效果，提高學生學習的積極性，為高校生物學教學模式的創(chuàng)新和實踐提供參考．

手機APP；植物識別；植物學；生態(tài)學

伴隨智能手機的普及，各類具有不同功能的應用軟件（application，簡稱APP）不斷涌現(xiàn)，并滲透到社會各個領域．花伴侶、形色、Biotracks、Canopeo等APP以智能手機為載體，為植物分類鑒定與資料查詢、科研數據測定與記錄等方面提供了新的解決途徑[1-2]．高校植物學和生態(tài)學課程教學中往往存在師資力量不夠、教學資源不足、實踐教學模式單一固化等問題[3]．運用智能手機APP輔助高校植物學和生態(tài)學教學具有多方面的價值．如在實驗和實習教學時，學生可通過手機便捷地識別植物種類，較大程度地減輕了野外實習帶隊教師的植物鑒別和指導壓力；使用APP進行資料查詢（如查詢中國植物志書和地方植物志），讓學生隨時隨地高效查詢植物形態(tài)性狀，解決學校紙質書籍不足的問題；還可以借助科研工具類APP建立科研小活動和小課題，可以便捷地進行課程內容拓展，為學生鞏固課堂知識以及進行科研訓練提供重要的幫助[4-5]．

為促進高校教師運用手機APP輔助植物學和生態(tài)學教學，提升學生學習的積極性和創(chuàng)新能力，歸納總結了植物識別和查詢類、野外調查和記錄類、研究工具類合計16種APP的功能及其應用價值，結合教學經驗和教學實例分析了這些APP在輔助植物學和生態(tài)學教學中的優(yōu)勢和不足．

1　手機APP的分類介紹

選取功能豐富且在國內外有較為廣泛使用的16種專業(yè)APP，將其分為植物識別和查詢、野外調查和記錄、研究工具3大類，重點介紹了這些APP的功能特點和應用價值（見表1）．

表1　16種手機APP的類別與功能

1.1　植物識別和查詢類APP

1.1.1植物詞典由中國國家標本資源共享平臺（NSII）發(fā)布的植物名稱查詢工具．用戶可進行拉丁名、中文名和異名等關鍵詞的模糊或精確搜索，并可在線訪問數據來源．該APP共收錄了8個數據庫的植物數據，包括Species 2000中國節(jié)點、Flora of China、中國植物志、The International Plant Names Index、The Plant List等，具有自動補全、收藏物種名稱、通過異名訪問接受名等實用功能．

1.1.2花伴侶由魯朗軟件（北京）有限公司基于中國科學院植物研究所分類圖庫和用戶共建圖庫，利用深度學習技術開發(fā)的植物識別軟件[6]．用戶可通過手機拍攝花、果、葉等特征部位即可對植物進行快速識別，鑒定出該植物的中文名、拉丁名，同時配以照片、形態(tài)特征等信息，用戶可以開啟定位標記植物所在位置、查看附近用戶拍到的植物或通過搜索位置查看附近的植物種類．該APP還具有發(fā)布動態(tài)、發(fā)起求助和分享朋友圈等功能．該APP能夠識別豐富的野生或栽培植物，對于常見種的識別準確率較高，可為物種多樣性調查、園林綠化建設等提供一定的幫助．

1.1.3植物智（花伴侶專業(yè)版）由中國科學院植物研究所開發(fā)的植物物種智能識別應用，是花伴侶APP的專業(yè)版，其能識別15 000種野生或栽培植物，用戶可以在手機端進行中國植物圖像庫檢索，《中國植物志》志書詞條內容檢索，標本識別和檢索等功能，可為植物分類學、資源調查、物種保護提供更為專業(yè)的服務．相較于花伴侶APP，其識別準確性更高，識別的植物種類和功能更為豐富．

1.1.4形色由杭州睿琪軟件有限公司基于深度卷積神經網絡技術開發(fā)的植物識別軟件．除了可以進行拍照識別植物的科、屬、種信息外，還有戶外賞花、每日一花、趣味植物、花藝生活等趣味性和生活化的欄目，且建有交流群，對常見植物的識別能力較強，受到廣大植物愛好者的喜愛．通過APP識別的植物可自動生成記錄，內容包括植物中文名和相關詩詞等，并可通過圖片的形式導出．

1.1.5標本伴侶由中國科學院植物研究所開發(fā)的植物標本資源信息管理工具，用戶可以進行標本檢索、標本條碼閱讀、標本信息收藏、標本圖像識別及標本采集記錄等[7]．該APP可在線檢索中國數字植物標本館（https://www.cvh.ac.cn/）中的700萬份標本，識別最常見的植物標本，科屬識別準確率較高，是標本采集工作、植物分類及資源考察的良好工具．

1.1.6曉草由中國科學院植物研究所與內蒙古草原生態(tài)環(huán)境（集團）股份有限公司合作開發(fā)的草原植物識別軟件，用戶可以對草原植物進行拍照或圖片識別，獲取植物科、屬、種名稱以及照片，還包括形態(tài)特征、產地、生境和物候等信息，可實現(xiàn)我國北方草地2 000種左右常見草本和木本植物的拍照識別．

1.2　野外調查和記錄類APP

1.2.1Biotracks由中國科學院昆明植物研究所開發(fā)的一款自然觀察類公眾科學應用[8]．用戶可以借助它進行各類自然觀察記錄，并能夠發(fā)布和組織自己的科學觀察項目，同時具備語音記錄、地理網格、在線地圖、離線地圖、軌跡記錄等地圖服務．快速記錄可以滿足隨走隨記，項目記錄可用于單任務的多人協(xié)同工作，記錄內容可以導出為Excel數據表，便于進一步的數據處理和利用．

1.2.2綠途由北京數字綠土科技有限公司和中國科學院植物研究所研發(fā)的用于植被信息數據采集服務的軟件[9]．該APP可以加載多源遙感地圖，并有等高線、1∶100萬植被圖、1∶50萬植被圖等圖層．用戶可以使用APP進行路線規(guī)劃軌跡記錄，地圖打點，面積計算和群落全景、優(yōu)勢種及其細節(jié)等照片的記錄和上傳等多種功能．

1.2.3奧維互動地圖由北京元生華網公司開發(fā)的地理信息記錄類應用，可實現(xiàn)地圖導航、地理規(guī)劃、位置記錄、行程位置分享、軌跡記錄、指南針、全球地圖離線下載等強大的設計功能與地理信息展現(xiàn)能力[10]．其整合多種地圖數據資源，用戶可以進行經緯度、海拔、坡度等判讀，可以進行路線的實時定位，隊員間共享位置，劃定調查區(qū)域，規(guī)劃調查路線，標簽定位功能可插入照片和錄音，這些功能均有助于提高野外調查設計的精度及工作效率．

1.2.4數圖由無錫維樂彩智科技有限公司開發(fā)的田野調查數據采集軟件．該APP除支持通過“數圖項目”采集并存儲在本地數據庫中的矢量數據外，還支持kml，geojson，EsriJson，GeoPackage等格式的矢量數據，提供包括坡度計、測高器、指南針等多種數據采集輔助工具，其調查數據采集內容高度可定制，適用于林業(yè)調查規(guī)劃、生態(tài)科學考察、動植物保護、資源調查、市場調研、戶外運動等多種場景．

1.3　研究工具類APP

1.3.1Canopeo由美國俄克拉荷馬州立大學（Oklahoma State University）開發(fā)的冠層覆蓋度測量軟件[11]．該APP采用Matlab編程語言開發(fā)，其基于紅綠比和藍綠比以及超綠指數（excess green index）來分析像素變化，是一種自動顏色閾值圖像分析工具．用戶可十分簡便、快速和準確地量化農作物、草坪或草地等植被的冠層覆蓋率，可用于監(jiān)控作物的生長進度，估算植被生物量以及評估冰凍、冰雹或除草劑對植被的損害等研究．

1.3.2Gap Light Analysis Mobile Application（簡稱GLAMA）由捷克共和國馬薩里克大學（Masaryk University）開發(fā)的森林冠層覆蓋度測量軟件．該APP可用于分析半球形、廣角和標準照片，其可以定義鏡頭類型、照片邊緣的最小天頂角以及整個半球的周長大小（以像素為單位）．GLAMA中多數參數只需設置一次，后續(xù)照片會自動沿用先前定義的參數，所以可以快速分析出結果．與傳統(tǒng)的林分冠層分析儀器相比，該APP可簡便、高效地在野外對森林冠層進行測量．

1.3.3Leafscan由卡洛斯·安德森（Carlos Anderson）博士開發(fā)的一款葉面積測量工具．用戶需要打印一張帶距離標識的白紙，然后將一片或多片葉子放置于白紙上，用手機拍攝即可獲得高精度葉片表面積數據．Leafscan可以自動校正拍攝角度，自定義測量單位，測量結果可以導出為csv格式文件．

1.3.4LeafByte由美國喬治·華盛頓大學（George Washington University）的博士后佐伊（Zoe）和軟件工程師阿比蓋爾（Abigail）共同制作的一款快速測量葉片面積以及蟲食特征的軟件[12]．用戶可以在白色背景紙上拍攝受損葉片的照片，即可快速獲得葉片被食部分的面積．該APP可自動計算出葉總面積以及被取食部分的占比，并且可以糾正照片的傾斜角度．

1.3.5Petiole Pro是由英國Petiole公司提供的用于植物表型測量的軟件，其基于深度學習算法可快速分析葉面積、冠層蓋度指數、葉綠素含量、種子以及花和果實的數量等指標．

1.3.6PocketLAI由意大利Cassandra Tech公司發(fā)布的用于估算葉面積指數（leaf area index）的軟件[13]．該APP使用分割算法對冠層圖像進行處理，從而獲取較為準確的葉面積指數，適用于作物、果園和自然植被的冠層葉面積指數測量．

2　使用APP輔助教學的價值

2.1　降低植物識別與查詢的時間成本

野外實習是高校植物學和生態(tài)學課程教學的重要環(huán)節(jié)．學生既需要觀察、調查和采集植物，又需要制作標本并進行鑒定和歸類，時間往往很有限．一般來說，通過植物學理論知識的學習和實驗的訓練，學生基本能夠識別常見植物的科名或屬名，而難以鑒定到種名．厚重的各類植物志、植物圖譜等書籍往往難以攜帶到野外，而使用花伴侶、形色、植物詞典等APP對植物進行識別或查詢就顯現(xiàn)出其小巧輕便、操作簡單便捷的優(yōu)勢．通過智能手機的拍照或使用相機拍照后上傳的方式進行植物識別，可以較為準確地鑒定常見植物的科、屬，甚至到種水平[14]524．教師可以組織學生進行趣味性的植物鑒定活動或比賽，如開展“識花大挑戰(zhàn)”“校園植物攝影大賽”“某公園的園林植物多樣性調查”等實踐活動課程，可顯著提高學生學習植物學的熱情．因此，利用植物識別和查詢類APP進行物種鑒定與傳統(tǒng)的書籍查詢方式相比，在便利性和效率上都具有絕對的優(yōu)勢．

2.2　提高植物數據測量、記錄與整理的工作效率

在植物學和生態(tài)學實驗或實習過程中，使用手機APP可以更為便捷和高效地進行科研數據的測定和記錄．教師可根據實驗或實習地點所在地植物分布情況，提出一些研究課題供學生選擇，也可由學生自主分組查詢資料，自主擬定課題．可提醒學生利用植物識別和查詢類、野外調查和記錄類、研究工具類APP進行課題研究，提高學生的科研能力，從而更易于掌握植物學和生態(tài)學野外科學研究方法．讓學生領悟科研的魅力，轉變學生“談科研色變”的現(xiàn)狀，提高實驗和實習教學質量．如可以使用Biotracks的“項目”功能，選擇自然觀察記錄或標本采集記錄2個模塊建立團隊項目并劃定項目區(qū)域．其中，自然記錄模塊有“通用生物觀察”“植物樣方記錄”“民族植物學調查”等16種模板可供選擇，標本采集記錄模塊有“地衣標本采集”“苔蘚標本采集”“寄生植物調查”等９種模板可以選擇．根據課題的特點選擇相應的模板建立項目，邀請學生加入項目即可多終端協(xié)作進行調查研究工作．

教師可以給學生布置一些課外作業(yè)幫助學生鞏固植物學和生態(tài)學知識．如利用Biotracks建立“南寧師范大學武鳴校區(qū)植物鑒賞”項目，學生６人為一組進行校園植物鑒定，其中３人選擇形色、花伴侶等識別類APP進行植物鑒定，３人使用Biotracks進行相關信息記錄．結合手機APP及教師的指導，學生僅花費２天時間即可完成“南寧師范大學武鳴校區(qū)維管植物名錄”的編寫．除此之外，教師可以引導學生利用手機植物識別APP開展校內或周邊植物學小課題研究，如“校園植物標本制作與數字化展示”“校園雜草組成與分布特征調查”“校園植物物候觀測”等課題．因此，相比于傳統(tǒng)的紙筆記錄和查詢書籍，利用這些APP可以明顯提高學生在實驗和實習過程中數據測量、記錄與整理的效率．

2.3　提升學生的專業(yè)能力和學習效果

利用APP輔助植物學和生態(tài)學教學，結合項目式學習的方式拓寬了知識獲得的路徑，使零散的知識系統(tǒng)化，能較大程度地提升學生的專業(yè)能力和學習效果．除了植物識別和查詢類APP以外，野外調查記錄類和研究工具類APP等都較大程度地影響和轉變教師的教學和科研方式，進而改變和促進學生學習方式的迭代以及科研方法的創(chuàng)新．通過對花伴侶和形色２款APP輔助教學的作用效果進行實驗探究，表明手機APP輔助植物學教學有助于提升學生的專業(yè)能力，提高學生的學習成效．

在常規(guī)的實驗教學中，一些實驗數據如植被蓋度、郁閉度、葉面積等的測量往往采用目測或儀器測定等傳統(tǒng)或常規(guī)方法，費時費力，而利用Canopeo，LeafByte，Leafscan等APP可以明顯提高實驗數據獲取的質量和效率．如在測定葉面積時，往往利用掃描儀掃描葉片，再利用Image J等軟件測算葉面積；在測定林分冠層葉面積指數時，需要架設冠層分析儀（如WinScanopy，LAI-2200等冠層分析儀）進行測定，再利用軟件解析數據，因而獲取實驗數據需要花費較長時間，并且這些儀器存在相對笨重、難以學會操作使用、價格昂貴等問題．雖然Leafscan，GLAMA等APP在冠層分析的數據準確性方面還不如專業(yè)的冠層分析儀，但其使用非常簡易，同樣獲取數據僅數秒即可，非常適合師生實驗或實習教學中使用．師生利用這些APP進行植物學和生態(tài)學實驗數據的測定，可在很大程度上提升學生的專業(yè)能力和教學效果．因此，這種由科技進步帶來的學習方式和科研方法的改變，有助于教學內容、教學手段的提升和優(yōu)化，同時助推高校教師在教學和科研方面的協(xié)同發(fā)展．

3　使用APP輔助教學中的潛在問題與應對措施

3.1　手機APP測定的數據無法保證準確性

植物識別類APP的識別原理是通過將植物照片與數據庫的圖片進行比對，從而匹配出形態(tài)相似植物的科、屬、種等相關信息．僅使用植物識別類APP對植物進行識別鑒定，并不能保證鑒定的準確性[4]117．一些不常見的野生植物種類、拍攝植物的不同部位等均會導致難以準確識別．為了提高識別的精確度，拍攝時要盡量拍清楚植物的莖、葉、花、果實及種子的特征，同時可以使用多款APP同時識別植物種類，從而提高準確性．花伴侶和形色是多款植物識別類APP中識別準確率較高的２款APP[14]530．在借助其進行初步識別后，對于難以鑒定的植物仍需要學生使用專業(yè)知識或書籍對識別結果做出進一步的判斷．因此，在熟練使用這些APP的同時，仍需引導學生加強理論知識的學習，并在日常生活中注意觀察和自主學習，豐富自身識別植物的經驗和植物知識的積累．識別植物不僅要觀察其特征，還要引導學生用鼻子聞、用手觸摸等方式，從視覺、嗅覺、觸覺等多方面掌握植物性狀特征，以達到準確鑒定植物種類的目的．此外，由于各APP的服務定位及功能各有側重，識別能力也有所差異，因此可在實習地點開展不同APP的植物識別能力評價，從而提高學生對各APP功能特性和使用技巧的掌握．

3.2　部分APP的運行對手機性能的要求較高

部分APP對手機性能的要求相對較高．如地圖下載、軌跡數據、照片等數據的存儲對手機的內存容量要求較高；開啟GPS定位或軌跡跟蹤功能，手機的耗電量較高；拍攝清晰照片要求手機攝像頭的像素較高以及變焦能力較強；一些APP的使用需要購買周邊配件，如魚眼鏡頭．此外，學生手機的系統(tǒng)各異，部分限定平臺的APP將無法安裝運行．因此，在分組時應充分考慮學生手機的性能和系統(tǒng)類型，并且需要提前安裝、調試并運行APP．在實驗或實習教學前，需要提醒學生提前清理手機內存，同時可通過外接儲存器的方式擴充內存，使用充電寶以保證手機的續(xù)航能力，魚眼鏡頭等手機周邊配件往往價格不高，可通過實驗和實習經費集中采購．

3.3　學生過度依賴APP

手機使用的便捷性可能導致學生過度依賴這些APP，從而導致學生對植物學和生態(tài)學基礎知識學習積極性的下降[4]117．有的學生甚至認為用手機就可以輕松獲取信息，學習植物分類知識無用的錯誤認識．因此，教師需要對學生進行思想認識的引導，讓學生認識到APP只是學習的輔助工具，其目的是幫助學生鞏固自身所學的理論知識、提升專業(yè)能力和輔助實驗研究．為避免學生過度依賴APP，教師可僅利用APP輔助部分實驗或實習教學活動．如在植物分類教學過程中，要求學生多利用植物志、植物圖譜類書籍進行植物分類檢索查詢；在進行植物葉面積指數、植物表型測定實驗時，可首選專業(yè)儀器進行數據采集，同時使用APP輔助采集數據，比較分析儀器與APP測定數據的差異及其原因，這樣可鞏固學生專業(yè)理論知識并理解實驗原理．

4　結語

文章總結了植物識別和查詢類、野外調查和記錄類、研究工具類共計16種APP的功能及其應用價值，其中部分功能實用的APP（如LeafByte，Leafscan等）在國內尚鮮有使用和報道．結合教學經驗和實例，較為詳細地分析了這些APP在輔助植物學和生態(tài)學教學中的優(yōu)勢和不足，可為高校生物學教學模式的創(chuàng)新和實踐提供參考．運用手機APP輔助高校植物學和生態(tài)學教學，對教師的教學和學生的學習都能起到較好的促進作用，其使用價值主要體現(xiàn)在能夠降低植物識別與查詢的時間成本，提高實驗數據測量、記錄與整理的工作效率，進而轉變教學模式，提升學生的專業(yè)能力和學習效果．然而，使用手機APP輔助教學存在測定數據的準確性難以保證、部分APP對手機性能的要求較高以及學生容易對APP產生依賴等潛在問題，教師可采取針對性的措施來解決這些問題．

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Application of mobile APP in botany and ecology teaching in the university

HU Gang，LU Lantian，XU Chaohao，ZHANG Zhonghua，HU Cong

（School of Environment and Life Sciences，Nanning Normal University，Nanning 530100，China）

Mobile APP have important application value in assisting the teaching of botany and ecology in the universities．The functions and application values of 16 mobile APPs，including category of plant identification and query，category of field investigation and records and category of research tools were assessed．The advantages and disadvantages of these APPs in assisting botany and ecology teaching are analyzed in order to assisting teachers to improve the effect of teaching and improving students′ learning enthusiasm，so as to further provide reference for the innovation and practice of biology teaching in the universities．

mobile APP；plant identification；botany；ecology

1007-9831（2022）09-0105-06

Q94∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.09.023

2022-06-01

廣西高等教育本科教學改革工程項目（2020JGB268，2021JGX025，2022JGB263）；廣西研究生教育創(chuàng)新計劃項目（JGY2022222）

胡剛（1981-），男，安徽廬江縣人，副教授，博士，從事植物學研究．E-mail：ahhugang@126.com

胡聰（1987-），女，廣西南丹人，講師，博士，從事生態(tài)學研究．E-mail：hucong820@163.com