基于趣味性教学软件的生态学实习资源建设

王新伟+马骅+刘素转

[摘 要]鉴于生态学实习中枯燥的植物识别，基于“神经网络”技术，自主开发了趣味性教学软件及电子书等教学资源，建成了多样性、可视性、趣味性教学系统。经过实践，这一教学系统取得了良好的教学效果。

[关键词]趣味性软件；生态学实习；电子书；纪录片；网络课程

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）01-0040-04

加强实践教学建设，创新实践教学方法已经成为高校开展教学改革的重点。[1][2]野外实习是生态学教学中必不可少的内容，是培养学生专业技能的关键环节。[3]很多高校对生态学实习方式进行了研究，从实习基地建设[4]、组织与管理[5]、教学过程改革等方面进行了有益探索。[6][7][8]我校也提出了研究性野外实习的教学模式，包括营造研究性氛围、认知性与研究性实习内容并重、利用自拟项目驱动、采用研究性教学方法和网络课程互动等模式来进行综合能力的提升。[9]但总体上，实习实践教学改革多从实习教学与模式出发，忽略了实习过程中教学方法的趣味性。华南农业大学“生态学开心农场”种田实践教学模式是有益的尝试[10]，但主要是从教师的角度进行教学模式改革，学生的中心地位并未充分体现，应从学生的角度进行改革，这才是改革之本。

植物物种的识别是植物生态学、植物生物学及药学专业等野外实习的必备专业技能，但植物形态学及植物分类学基础知识较为枯燥，学生很难掌握，这是实习过程中的难点。有高校提出“室内实践要掌握半永久制片的制作流程；室外进行植物腊叶标本的制作”，以此培养学生的动手能力和对所学知识的运用能力及学生的协作精神，这种方式仍缺乏趣味性的探索。

植物电子图像、图鉴的发展为植物物种识别提供了最为直观的便捷途径。目前我国主要的电子植物图片网站有中国植物图像库（Plant Photo Bank of China，PPBC）、中国数字植物标本馆（Chinese Virtual Herbarium， CVH），中国植物主题数据库、中国数字植物园（Chinese Virtual Botanical Garden，CVBG）等，主要为中国植物标本及相关植物学信息的电子网络平台。2012年，美国哥伦比亚大学、马里兰大学及Smithsonian研究所共同完成了Leafsnap软件，该软件可从叶子的图像识别树种，软件内包含高分辨率的花、果实、叶柄、种子及树皮的图像。我国的植物图库网站多是部分地区植物种电子照片的汇集，物种量庞大，使用时需要进行植物名称的检索才能获得植物图像及植物学信息，还不能进行未知物种的识别；而Leafsnap软件的植物种类仅限美国纽约和华盛顿，对野外实习的指导作用非常有限。但Leafsnap软件的识别功能可为野外实习过程植物的快速鉴定提供新的思路。

本项目拟借鉴Leafsnap软件的识别功能，开发北京延庆“松山植物乐园”软件，该软件包括植物自动识别、植物可视化检索及植物欣赏三大模块，以期拓展实践教学的方法，为野外实习的知识学习增添乐趣。针对植物分类学背景知识缺乏的学生，这款软件可提高野外实习的工作效率，激发学生的学习兴趣，真正实现以学生为中心。

一、开发网络教学软件“松山植物乐园”，让植物识别充满乐趣

鉴于生态学实习中枯燥的植物识别，如何提高学生植物识别的积极性一直是实习的难点。受Leafsnap软件的启发，基于“神经网络”技术，我们开发完成了针对我校北京延庆松山实习基地的野外实习趣味性教学软件“松山植物乐园”。

“松山植物乐园”软件有三大功能：叶子识别、可视化检索及植物欣赏。软件利用Internet的无缝兼容性，将图片识别服务端转移到网络上，这样就能随时将手机或者其他摄像设备所获取的植物图像上传至该网站进行植物种类的识别。同时，软件还可以进行植物的相关信息浏览与检索。软件的开发，将传统的植物种类识别的书本查询方式改为网络查询，这大大降低了查询过程中所消耗的人力和物力，让查询者可方便快捷地去深入了解身边出现的植物。软件可为北京地区相关院校植物学、生态学及药学类学生实习服务，也可为社会大众服务。网站界面如图1所示。

二、软件的主要功能

（一）葉子识别系统

采用BP神经机器学习的技术，将树叶图形特征记录并学习，利用树叶外形之间的差异性，对植物进行区别，并赋予唯一ID，利用所查询植物图片ID与数据库ID的相似度来确定识别的质量。同时采用云平台的形式将服务架设在Internet上。

目前，国内已有的植物识别网站或软件多为植物花朵的识别，如中国植物研究院开发的“看图识花”网站及北京微软亚洲研究院推出的“微软识花”APP。这两个识别系统主要是通过花的性状来识别植物，用户可以在完全不了解花的性状的情况下进行植物识别。但植物花期短暂，大多数时间处于营养期，因此不适用于多数时间的植物鉴定。而植物叶子贯穿植物整个生长周期，且外形改变不大。因此，本识别系统以植物的叶子为检索对象，这样检索具有长期适用性。网络化的叶子识别系统，在如今数字化的时代更具有普适性和广泛性。

以南蛇藤（Celastrus orbiculatus Thunb.）为例，叶片识别界面如图2所示。

叶子识别过程是将植物叶子照片上传至识别系统，系统根据已有的数据库自动对植物进行识别，识别结果按相似度大小依次排列，这种识别操作简单，检索快速。

（二）可视化检索表

植物检索表是植物分类中识别和鉴定植物不可缺少的工具，对野外实习更是有效的参考，但很多特征的描写用的是非常专业的术语，这对于初学者或非专业人士来说，阅读难度很大。

在信息可视化研究背景下，可视化检索表将成为可能。目前，网上出现了个别地区个别科的植物检索表，如植物爱好者计云编写的北京地区堇菜科20种的可视化检索表、北京早春开花的蔷薇科常见木本植物的简易识别和可视化检索表。但尚无系统化的可视化检索表出现，也无正式出版的可视化植物检索表。endprint

基于此，本可视化检索系统进行了北京松山地区植物科的可视化检索表编制，按照《北京地区植物检索表》中的植物分类检索方法，对植物按科分类。每科植物按照不同的相对性状进行二歧法分类，并将这些性状配以图片，制作成一个可视化的植物检索表，其中包含了北京延庆松山地区的约800种植物。对于大科如豆科、菊科植物可视化检索表过大，因此按属进行了分类。

植物科检索表的浏览功能，以百合科为例，如图3所示。

可視化检索表图文并茂，特征明显，实现了专业与非专业的结合。

（三）植物欣赏系统

为了方便在网络上观赏北京常见植物，我们在“松山植物乐园”软件中建设了植物欣赏系统模块，该模块可进行植物信息查询和植物浏览欣赏，可根据关键字进行查询。植物查询功能包括植物科和植物种的查询，植物科的查询结果是显示整个科植物的可视化检索表，植物种的查询显示了植物各器官的图片以及该种植物的特征介绍。

目前植物欣赏系统共有北京松山312种植物照片，包括植株整体和特征部位，所有照片均为本校拍摄和松山管理处拍摄。以龙牙草（Agrimonia pilosa Ldb.）为例，在搜索栏输入“龙牙草”即显示龙牙草的叶和花的照片以及百科，如图4所示。

三、 软件的技术指标

（一）软件设计的目的

利用Internet的兼容性，将“松山植物乐园”软件转移到网络上，使人们能及时对所拍植物图像进行识别，同时了解该植物的相关信息。

该网站充分利用互联网技术，将用户、植物图鉴以互联网为载体有机地结合在一起，着重于利用互联网所突出的全方位覆盖的特性，使用户随时想查即可查。构建的树叶特征数据库，为植物数据的电子化存储和检索提供了一定的参考。

（二）设计思路

采用BP神经机器学习的技术，将树叶图形特征记录并学习，利用树叶外形之间的差异性对植物进行区别，并赋予唯一ID，利用所查询植物图片ID与数据库ID的相似度来确定识别的质量。同时采用云平台的形式将服务架设在Internet上，提高获取的便捷性。

（三）核心处理模块

根据植物叶片的形状特征来对不同种类的植物进行区分，采用BP神经网络对不同的特征进行整理和归类，当用户提交植物图片时，计算其所有的特征点，并与神经网络中的所有分类进行相似度匹配，从而预测出用户可能输入的图片种类，并输出。

（四）网站的技术特点

要构建植物检索平台，实现无线、有线设备的全平台覆盖，需要适应不同设备的前台UI设计，同时需要高性能的后台处理程序，此外还需要高检索率的数据库设计。在UI设计方面，使用Bootstrap作为多平台设计的底层UI框架，保证多平台适用性的提升。在后台处理程序方面，考虑到使用JSP来处理业务流程，选用语言为JAVA，采用包管理为maven，采用工程管理为spring，利用servlet对数据的传递和处理做保证，同时利用git进行版本控制。在高效率数据库设计方面，遵循数据库设计理念，并通过MySQL来实现，为保证高效率，数据库会在测试的过程中通过不断重构来保证查询的高效率。

在网页的构建方面，考虑到不同设备的同类型访问问题，我们利用优化的数据库持久化框架，保证网页在使用过程中的流畅体验，同时利用最新的UI库构建用户满意且体验良好的页面操作环境。

响应时间不多于20ms，并发数不少于1000，吞吐量即TPS，QPS依据所承载的服务器来决定。

北京松山自然保护区现有维管束植物109科413属783种及变种，其中蕨类植物14科18属26种；裸子植物3科4属5种；被子植物88科358属682种，占北京地区同类植物总数的49.8%，在北京地区植物种类中具有较强的代表性。“松山植物乐园”软件的开发，能实现植物识别和检索的数字化，弥补了网站式植物叶片识别的空白。其中，北京常见植物可视化检索表的建立，将弥补北京区县级植物检索表的空白。建立一种图文并茂的新型检索形式，把文字和图片结合制作成一种方便快捷生动形象的检索表，能服务于广大人民群众或参加实习的初学者们。

四、 开发“北京松山常见植物电子书”，让植物随身携带

从多媒体元素聚合的角度看，电子书明显优于PPT，在教学活动中有着更大的发挥余地。从网络热点、下载频率角度来看，电子书对读者的吸引程度不亚于其他的多媒体课件，其在调动视听感官参与学习的过程中发挥了积极的作用。

电子书制作软件iebook超级精灵是国内顶级互动电子杂志、互动电子画册及电子读物的制作软件，有即点即得的演示效果。该制作软件采用国际前沿的构件化设计理念，整合电子书的制作工序，将部分相似工序进行构件化设计，通过更改图文即可实现页面设计，能自由组合，可以呈现出良好的制作效果，使用者可重复使用、高效率合成标准化的电子图书，而且生成的书不需要任何阅读器或插件就可直接观看。

我们对北京松山及周边地区进行了多年的实地拍照，利用iebook软件，2009年-2015年完成制作“北京常见植物电子书”上、下两册，包括北京地区常见植物389种，包含植物花、花序、叶正反面、果、树干图片以及形态特征、野外识别方法、生境信息等，其中野外识别方法突出了野外识别植物时的重要特征，简单明了。

“北京常见植物电子书”按北京植物志进行了分科，植物科目录可进行链接浏览，电子书页面内照片可点击扩大，方便观察细微特征。“北京常见植物电子书”版面见图5。

五、小结

1. 国内已有的植物识别网站或软件多为植物花朵的识别，但是植物花期短暂，大多数时间均处于营养期，因此不适用无花期植物的鉴定。植物叶子识别系统以植物的叶子为检索对象，具有长期适用性，是国内首创。

2. 北京常见植物可视化检索表、“北京松山常见植物电子书”均具有开创性。北京地区常见植物识别系统的建立，能实现植物识别和检索的数字化，实现了专业与非专业的结合。

3. “北京松山常见植物电子书”已经在我校生态学实习过程中使用5年，每年都进行了更新和完善，在学生的实习预习、复习过程中起到了重要的作用，受到学生的欢迎。

4. 开发的网络教学软件“松山植物乐园”及“北京松山常见植物电子书”，正在申请入网过程，届时将免费对公众开放，这会让更多喜欢植物的人感受植物识别的乐趣。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 张宇，刘伟忠.研究性教学的深层次实施路径思考[J].中国高等教育，2009（12）：37-39.

[2] 沈显生，尹路明，李树美，等.研究型野外实习教学的设计与实践[J].教育与现代化，2002（3）： 22-25.

[3] 徐驰，刘茂松，杨雪姣，等.生态学野外实习的多样化教学模式探讨[J].实验室研究与探索，2012（5）：158-161.

[4] 刘建宏，杨丽英，熊忠平，等.生态学野外实习基地的数字化模型研究[J].中国科技信息，2010（17）： 213- 215.

[5] 邱清华，邓绍云，邹玲，等.生态学野外实习的组织与管理探讨[J].安徽农学通报，2011（19）：168-170.

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[7] 于水强. 林业院校生态学专业实践教学改革与探索[J]. 大学教育，2017（4）：85-87.

[8] 单家林，陈惠萍，黄瑾.城市高校植物学实践教学浅说[J].大学教育，2017（2）：61-63.

[9] 王新伟，马骅.研究性野外实习模式的探索与实践——以“生态学实习”为例[J].大学教育，2014（16）：56-58.

[10] 章家恩，骆世明，叶延琼，等.生态学专业实践教学的改革与实践——以华南农业大学生态学专业为例[J].大学教育，2012（11）：86-89.

[责任编辑：陈 明]endprint