植物識別APP輔助植物學實踐教學

肖昌龍，張海燕，王顏波，張航熙，余本鋒

植物識別APP輔助植物學實踐教學

肖昌龍，張海燕，王顏波，張航熙，余本鋒

（南昌工程學院 水利與生態工程學院，江西 南昌 330099）

植物學課程具有很強的理論性和實踐性，是高校新生最先接觸的專業基礎課程之一．隨著智能手機的普及與人工智能的高速發展，將植物識別類APP運用于植物學課程教學具有重要意義．選取了3款常用植物識別APP，形色、花伴侶和生命觀察進行比較，分析其在植物學實踐教學中的應用價值，并對其存在的問題進行探討．合理運用植物識別APP輔助植物學實踐教學，不僅可以提升學生的學習興趣和積極性，還可以豐富教學內容與資源，并實現教學效果最優化．

植物識別APPs；植物學；實踐教學

植物學是高等院校生物學、林學、生態學、生物多樣性保護等專業開設的專業基礎課程，是高校新生最先接觸的專業核心課程之一．植物學課程不僅包含豐富的理論知識，還具有很強的實踐性．植物系統分類是植物學實踐教學的關鍵環節，植物識別與分類技能是后續課程（如園林樹木學、花卉學、生態學）的重要基礎[1]．利用分類檢索表可以根據植物外部形態將已知的50萬余種植物準確鑒定到種．然而，在植物學實踐教學中，學生掌握植物分類知識并熟練運用檢索表來鑒定植物十分耗時耗力，如何進行植物快速識別一直是植物學實踐教學面臨的難題[2-3]．

隨著數字化信息技術在各個領域的發展，特別是智能手機的普及，正不斷地改變著人們生活、娛樂和學習的方式．借助大數據和人工智能等技術，許多開發者相繼設計出可以識別植物的手機應用軟件（簡稱APP）[4]．在植物學野外實踐的過程中，引導學生利用這類APP對不熟悉的植物進行拍照記錄，并快速查詢該植物科屬種的相關信息，有利于學生快速提升識別植物的能力．本文選取下載量大且評分較高的3款植物識別APP（形色、花伴侶和生命觀察），綜合對比這3款APP的識別能力，并探討這類APP在植物學實踐教學中的應用價值和潛在問題．

1　植物識別APP介紹

植物識別APP的基本原理是基于圖像識別技術提取拍攝對象的葉、花、果實等器官的形態特征，與植物圖片數據庫進行對比尋找最接近的植物，以實現對植物的識別與鑒定．2012年基于IOS系統開發的一款名為Leafsnap[5]的葉片識別APP，盡管準確度不高，但依然為植物愛好者認識植物提供了便利．隨后，基于Android平臺的植物葉片識別APP被陸續開發出來．王偉[6]等以SVM作為分類器的APP對毛山荊子、海桐等13種植物的識別正確率達到90%以上．至今國內植物識別APP有10余款，如百度識圖、形色、微軟識花、花伴侶、生命觀察、花幫主等，這些APP識別的準確度隨著深度學習的不斷完善，識別率越來越高．

形色APP由杭州睿琪軟件有限公司與中國自然標本館（CFH）合作開發，是2015年上線的一款識別花卉、分享附近花卉的APP應用，可識別4 000種以上植物．其識別結果包括植物學名、花卉趣事、花語、植物價值、植物養護等信息，還有鑒定求助和一鍵生成美圖等功能，為用戶搭建了豐富的社交平臺．

花伴侶APP由魯朗軟件有限公司與中國科學院植物研究所合作研發，是2016年推出的一款基礎大數據和深度學習算法的植物識別APP．該軟件以中國植物圖像庫的海量植物圖片為基礎，可識別5 000種以上的常見植物．除了智能識別的功能以外，還提供了附近地區物種的大數據，通過照片數量可以判斷哪些植物更易受到公眾關注[7]．

生命觀察APP是由中國科學院昆明植物研究所于2016年開發的一款自然觀察類公共科學應用軟件，該軟件旨在建立一個由公眾、科學志愿者、生物學家支持的在線共享網絡，并通過自然觀察記錄的方式，完成全球生物多樣性地圖的繪制．該軟件不僅具備植物識別的功能，還針對野外植被調查和標本采集記錄進行了大量優化，方便科研工作者進行大范圍野外調查．

2　3款植物識別APP準確度比較與分析

為了測試形色、花伴侶和生命觀察3款軟件的準確率，在南昌工程學院瑤湖校區隨機選取了52種植物進行拍照識別．因軟件識別結果并不具唯一性，會有多個備選結果，因此選擇識別率最高的作為識別結果，記錄拉丁名、中文名、科名和屬名．參考許展慧[8]等的方法，按照生物分類階元的難易程度對識別結果賦予分值：識別結果精確到種，計4分；精確到屬，計2分；精確到科，計1分；識別錯誤，計0分．

從總體識別與得分結果來看，形色得分最高，為163分，其次是生命觀察，為155分，花伴侶得分略低，為137分．3款APP對植物科屬種識別的準確率見圖1．由圖1可見，總體上準確率由高至低依次為科＞屬＞種．3款APP對科的識別準確率比較接近，均在85%左右，其中以花伴侶準確率最高，其次是形色，最后是生命觀察；對屬的識別準確率均高于70%，形色和生命觀察準確率相差不大，分別為79%，77%，花伴侶為71%；在種的識別中，形色和生命觀察準確率均達到67%，而花伴侶的準確率稍低，為48%．本次對比測試中，形色和生命觀察2款APP總體表現較好，而花伴侶則稍遜一籌，推測部分植物缺少花和果實的照片可能是本次測試中花伴侶識別準確率較低的原因．

圖1　3款植物識別APP對科屬種識別的準確率

除了植物科屬種的識別，3款植物識別APP在功能上各有特色（見表1）．形色APP首頁有每日一花、趣味植物、花藝生活等多個板塊，識別結果在植物文化知識方面內容較多，更加注重科普的趣味性，更適合學生和植物愛好者．花伴侶APP更注重科學性，其識別結果中對植物的形態特征描述詳細，首頁的附近板塊可在地圖上查看周圍植物，更適合于有一定基礎的植物科研人員．生命觀察的識別結果中對植物的介紹內容來自于百度百科，在知識的準確度上不如另2款APP，但其最大的特色是可以建立團隊項目，多個成員共同參與協作，并自動完成項目數據的匯總和統計，還可記錄植物照片的經緯度并在地圖上顯示出來，方便區域內的植被調查工作．另外，與傳統JPG格式的照片相比，HEIF格式體積減小了50%，但顏色卻更豐富，各大手機廠商（如蘋果、華為、小米等）均在大力推廣HEIF格式照片，目前形色和生命觀察2款APP均已支持HEIF格式照片，而花伴侶還不支持，有待改進．

表1　3款植物識別APP功能比較

3　植物識別APP在植物學野外實踐的應用

3.1　幫助學生認識植物，提高學習效率

植物學是南昌工程學院園林本科專業的學科基礎課，安排在大一上學期，共40個學時（理論24學時，實踐16學時）．植物分類知識基礎是否扎實直接影響到后續課程（如園林樹木學、園林花卉學）的學習效果．在學習植物學課程時，學生需在短時間內掌握大量植物分類基本知識及常見植物識別要領，在野外實踐過程中運用這些理論知識進行植物識別和鑒定更是困難．并且，在野外實踐過程中往往生師比例很高[9]，使教師無法對每個學生進行及時指導，學生在面對諸多陌生植物時往往不知所措，甚至產生放棄的念頭．對此，教師在講解植物分類知識的同時可引導學生運用這類APP對植物進行拍照記錄，熟悉植物學名及科屬名，有利于學生初步建立植物分類知識的基本認知，讓學生能夠將教師講解的知識點與現場觀察的植物特征聯系起來，達到強化記憶的效果，從而提高學生進行植物識別與鑒定的能力．

3.2　豐富植物學實踐教學知識內容

植物識別APP除了可以識別植物的科屬種名以外，還可以擴展出與植物相關的文化知識．如形色APP在識別結果里集合了詩詞賞花、趣說花草、花語、藥用價值、養護技巧等一系列知識，增加了學習的趣味性，可激發學生的好奇心與興趣，使學生對植物學名的記憶更加深刻．花伴侶更加注重科學性，識別結果中對植物的表形特征、分布地區、開花時節、名稱來歷等介紹較為詳細，更適合有一定分類基礎的植物愛好者和科研工作者使用．

3.3　擴展植物學實踐教學資源

生命觀察APP注重學科性和社交性，可準確記錄植物照片的經緯度、海拔等信息，利用其強大的團隊項目功能，為集體進行植物調查與實踐提供了極大便利．如通過創建南昌工程學院校園植物調查的團隊項目，讓每名學生加入到該項目中，并可以自由上傳植物照片，實現照片全員共享的功能．目前，本項目已有623條記錄1 240張照片素材，通過精選優秀照片，建立了南昌工程學院校園植物電子資源圖冊，該資源圖冊既有利于本屆學生復習，又可作為下一屆學生的預習材料，也為校園植物科學普及提供了便捷．另外，通過高質量植物照片的精選，學生對植物形態的理解也更加深刻，同時還提升了植物解剖學、植物攝影等多方面的知識與技能．

3.4　加強植物保護生態意識

在野外實踐的過程中，學生一般會對不認識的植物進行采集，在返回途中，每名學生往往都采集了一大袋植物樣本，可能會在不經意間對珍惜保護植物造成破壞．因此，在采集之前先用植物識別軟件進行拍照識別，這樣既可以避免類似的情況發生，又鍛煉了學生識別保護植物的能力，加強了學生植物保護的生態意識，有利于學生樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念．

4　結語

對植物進行快速識別是植物識別APP最大的優點，在植物學實踐教學中具有極大的應用價值．積極引導學生對植物的形態特征進行拍照記錄，在實踐教學中引入植物趣事等相關文化，不僅可以加深學生對植物分類知識的理解與掌握，還能鍛煉學生進行自主學習和探索的能力．同時，利用生命觀察中的團隊項目讓每名學生參與植物電子資源圖冊的建設，在提高學生積極性的同時還為植物科普提供了便捷．然而，植物識別類APP應用于植物學實踐教學不可避免地會存一些弊端[10-11]．如學生在實習過程中過度依賴APP會導致其植物分類知識根基不穩，造成使用植物檢索工具書的能力下降甚至丟失，一旦離開此類APP則無法進行植物識別與分類．另外，植物識別APP的準確度不是百分之百的，依然需要使用者根據分類知識與經驗對結果進行甄別，篩選出正確的結果．對于植物分類知識根基尚淺的學生來說，這樣會造成植物識別率有相當大的誤差，甚至給學生形成錯誤的認知，不利于植物分類知識的系統建立．因此，在植物學實踐教學過程中，教師應以傳統的植物分類教材和工具書為主，將植物分類基礎知識傳授給學生，再以植物識別APP輔助實踐教學，利用其優點彌補傳統教學方法的不足，以實現教學效果最優化．

[1] 陳模舜，李鈞敏．植物學野外實習教學改革實踐與探討[J]．生物學雜志，2003（3）：43-45．

[2] 胡德昌，張萍，王仲禮等．高校植物學實驗課程教學過程中的問題及對策[J]．高校生物學教學研究（電子版），2017，7（1）：54-57．

[3] 馮虎元，牛炳韜，張立勛，等．生物學野外實習中學生綜合素質培養的探索與實踐：以蘭州大學生物學野外實習為例[J]．高等理科教育，2013（3）：95-98．

[4] 丁常宏，楊月瑩，栗明，等．數字圖像模式識別技術在植物葉片識別中的應用[J]．世界林業研究，2016，29（5）：17-21．

[5] Neeraj Kumar，Peter N Belhumeur，Arijit Biswas，et al．Leafsnap：A computer vision system for automatic plant species identification[C]//European conference on computer vision Springer，Berlin：Heidelberg，2012：502-516．

[6] 王偉，王秀蘭，馮仲科，等．基于Android手機的樹木葉片識別系統[J]．廣東農業科學，2014，41（18）：164-167．

[7] 李敏．“花伴侶”：人工智能時代知識服務的新媒介[J]．出版參考，2018（8）：23-24．

[8] 許展慧，劉詩堯，趙瑩，等．國內8款常用植物識別軟件的識別能力評價[J]．生物多樣性，2020，28（4）：524-533．

[9] 張海軍，張淑蘭，許龍，等．生物科學專業植物學野外實習教學模式體系構建[J]．實驗技術與管理，2010，27（12）：187-190，193．

[10] 張海娜，魯向暉，劉佳麗．植物識別APP在“植物學”課程教學中的應用[J]．中國林業教育，2018，36（4）：76-78．

[11] 胡剛，陸蘭甜，徐超昊，等．手機APP在輔助高校植物學和生態學教學中的應用[J]．高師理科學刊，2022，42（9）：105-110．

Plant identification APPs applying in botany practice teaching

XIAO Changlong，ZHANG Haiyan，WANG Yanbo，ZHANG Hangxi，YU Benfeng

（School of Hydraulic and Ecological Engineering，Nanchang Institute of Technology，Nanchang 330099，China）

Botany is the professional basic course with strong theorization and practicality for the first-year studenst in university．The plant identification APP is of great importance in applying botany practice teaching along with the spread of smartphones and fast development of AI．Selects 3 plant identification APPs to compare and analyze the application values in botany practice teaching，and also the problem will be discussed simultaneously．The proper use of plant identification APPs not only can help the students to increase interests and positivity but also help the teachers to enrich teaching contents and resources，thus to achieve the best effect of teaching．

plant identifications APPs；botany；practice teaching

1007-9831（2023）01-0103-04

Q94∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2023.01.023

2022-09-08

南昌工程學院教學改革研究課題（2019JG038）

肖昌龍（1988-），男，湖北咸寧人，講師，博士，從事園林植物研究．E-mail：clxiao@nit.edu.cn

余本鋒（1978-），男，江西南豐人，教授，碩士，從事風景園林規劃設計研究．E-mail：yubenfeng@nit.edu.cn