大数据在线识别技术在植物生物学实习教学中的运用
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作者:夏立群 李倩茹 刘慧玲 鲁义善
[摘要]植物生物学实习是生物科学本科专业的基础课，是巩固植物生物学理论知识的重要实践环节。随着植物图像库等大数据的发展和智能比对技术的应用，基于大数据的植物在线识别技术方兴未艾。该研究将大数据在线识别技术运用于植物生物学实习教学，实现了实习教学的开放性、实时性、交互性、主动性和多样性，构建了新的教学模式，取得了理想的教学效果。
[关键词]大数据;在线识别;植物生物学;实习;教学模式
[中图分类号]G642[文献标识码]A[文章编号]2095-3437（2019）11-0057-03
大学生作为高校教育的主体，能够快速接受新技术新产品，而传统的植物生物学实习教学模式已不能完全满足大数据时代下学生学习的需要。比如目前植物生物学实习的主要授课方式仍然是由教师带队讲解、学生跟队参观、在有限的课时中灌输大量知识，这种方式忽视了学生的主观能动性，导致学生容易出现学习疲倦、离队开小差、实习效果不佳等问题。因此，植物生物学实习的教学改革迫在眉睫。笔者尝试将新兴的大数据在线识别技术运用于植物生物学实习教学中，以构建新的教学模式。
一、大数据时代的植物学大数据平台
近几年，随着互联网和云计算等新媒体技术的兴起和发展，尤其是智能手机、iPad、平板电脑等便携式智能终端的普遍应用，世界已进人大数据时代。就知识传播而言，大数据背景下知识无处不在，采用可视化方法在手机等智能终端便可获取[l]。在植物生物学方面，得益于海量图片及信息存储、智慧算法、分布式计算、云服务等技术的发展以及大数据解决方案的日渐成熟，国内外植物学大数据平台得到不断建设和完善[2]。据不完全统计，国外有较大影响力的植物学大数据平台有全球植物（Global Plants）、国际植物名录（The International PlantNames Index）、电子植物志（eFloras org）、美国农业部植物数据库（USDA PLANTS）、网络生命大百科全书（Ency-clopedia of Life）等，而中国有较大影响力的植物学大数据平台有中国植物物种信息数据库、中国植物图像库、中国植物志、中国数字植物标本馆、iFlora智能植物志、中国数字植物园、中国西南野生生物种质资源库、中国植物主题数据库、民族植物学等。这些数据库的存在为在线植物识别技术的发展奠定了学术基础。
二、基于大数据的植物在线识别技术
随着植物图像库等数据库的发展和智能比对技术的应用，一批可以通过拍照辨识植物的APP相继开发出来，而且可以很方便地下载到智能手机中进行应用。目前常见的植物在线识别APP包括形色、花伴侣、花帮主、拍照识花、识花、朝花夕拾、植物达人、Plant、Garden An-swers等等。这些APP各有特色，比如形色APP为用户搭建了一个强大的持续性社交平台，用户不但可以通过大数据在线识别比对植物图片，APP内部也有识花大师帮忙鉴定软件不能识别的植物，还能将用户上传的植物景点对应到地图上。花伴侣能记录识别历史，查看所在地附近他人上传的植物图片，更可以进入植物百科查看植物详细的“表型特征”。除了植物在线识别APP，最近QQ浏览器更是推出了“扫一扫，探索身边植物的神奇”的新功能，不需要另外打开APP就能够方便快捷地在浏览器界面中通过拍照、选择手机中的图片对植物进行识别。
植物在线识别技术虽然基于复杂的信息交叉验证以形成对植物的鉴定识别，但用户只需通过简单的操作就能方便及时地获取反馈信息，并开展在线互动。而各类植物在线识别APP，可以为学生实时提供丰富翔实的植物学信息，诸如中文名、拉丁学名、别名、分类地位、分布区域、形态特征、价值用途、养护方法等等，方便学生随时随地认识和学习植物。因此，将大数据在线识别技术运用于植物生物学实习教学中，有利于实现实习教学的开放性、实时性、主动性、交互性和多样性。
三、传统植物生物学实习教学模式存在的不足
笔者在进行植物生物学实习指导的过程中发现传统的植物生物学实习教学模式存在一些不足之处，主要有以下几方面：（1）由于师资力量有限，l位教师通常要负责指导三四十名学生的植物学实习，教师既要负责组织带队、讲解示范又要时刻注意安全问题，教学效率低且无法兼顾到每个学生;而学生中相当一部分会听不清老师讲解、看不到老师示范、感觉没学到知识，还会有一部分学生离队“旅游”、走马观花，这些都会严重影响实习效果。（2）传统的植物生物学实习教学模式下，学生需要在野外采集大量的植物标本，以便带回实验室进行检索、鉴定。这种“一路走一路采”的破坏式实习既违背了“认识植物、保护植物、保护生态环境”的初衷，又会引起植物生物学实习基地的反感。（3）传统的植物标本在经过压制、干燥、固定等一系列处理后，很多生物学特征、信息已经丢失，因而通常價值不大且难以长时间保存，这就造成了浪费。（4）传统的植物生物学实习的教学考核不够完善，通常是教师根据学生的实习表现、考勤、实习报告来进行打分，不够全面客观。相关领域的教育工作者也认识到传统植物生物学实习教学模式存在类似弊端，并开展了相关教育教学改革，探索新的植物生物学实习教学模式[3-5]。
四、植物在线识别技术在植物生物学实习教学中的探索应用
笔者针对传统的植物生物学实习教学模式存在的不足之处，面向广东海洋大学海洋生物系2016级、2017级生物科学专业的140名本科生，首次开展了植物在线识别技术在植物生物学实习教学中的探索应用，以期建立植物生物学实习的新型教学模式并提升教学效果。其具体实施办法如下。
（一）植物在线识别APP的试用与筛选
植物生物学实习动员时，教师一方面要向学生推荐几种效果较好的植物在线识别APP，让学生下载到手机中进行试用;另一方面也要鼓励学生探索试用其他新的植物在线识别APP。让学生在校园实习阶段，结合实习体验和植物生物学专业知识，对候选的植物在线识别APP进行比较筛选。 （二）植物在线识别APP在植物生物学实习教学中的应用
经筛选后选定五六种植物在线识别APP，让学生统一下载到手机中，并在随后的植物生物学校外实习中进行应用。五六名学生分为1个小组，实行组长负责制，并进行组内分工：按拍照识别、在线验证、植物信息记录、植物电子标本照片采集、植物实物标本采集整理等几个工作内容，让小组成员自我组织并分工合作。学生在进行植物生物学野外实习时，遇到不认识的植物先自行拍摄其照片，然后分别使用选定的那几种植物在线识别APP进行识别，通过初步鉴定出植物种名后，通过植物名在线查询该植物的生物学特征描述，现场与植物的特征一一比对，确认植物在线识别APP的识别准确性，不能确认的可以向老师咨询。经确认无误后，填写植物记录。整个实习过程只让每个小组采集制作60种植物实物标本，并将实习中记录到的植物全部整理到“植物实习报告”的植物名录列表中，每位学生再从中选择20种不同科的植物来制作植物电子标本。这样将植物在线识别APP运用在植物生物学实习教学中，初步实现了具有开放性、实时性、交互性、主动性和多样性的实习教学模式构建，就像每位学生随时跟着一位老师一样。
（三）对各种植物在线识别APP的评价
实习结束后，让学生根据自己的实习需求、使用感受对不同的植物在线识别APP进行评价，根据各个APP的鉴定准确度、在线识别速度、植物学信息量、信息科学性、易操作性、智能终端兼容性等方面进行打分和综合评价，总结现有APP的优缺点，确立更为专业的植物在线识别APP的改进方向。各种植物在线识别APP评价统计结果见表l。
总体而言，形色是最受学生欢迎的植物在线识别APP，选择率达100%;其次是花伴侣，实习过程中有50%的学生坚持使用;而其他APP则很快被学生们放弃使用。在植物在线识别APP的选择过程中，学生最关注的是其鉴定准确度和在线识别速度，如果这两项有一项没做好，学生们就会弃之不用。针对形色，学生们提出的改进意见主要集中于以下方面：增加植物的信息量，鉴定结果显示可信度的百分比，更节约流量，识别历史要能快速查找，增加互动趣味性，提高识别准确度，植物分类信息要完整，增加拍叶时植物鉴定的准确性，不要保存识别失败的记录。针对花伴侣，学生们提出的改进意见主要集中于以下方面：信息库数据要充实，加快加载速度，提高在线识别的速度，优化识别功能，提高识别准确度，增加地图定位。形色的识别速度快于花伴侣，而花伴侣显示的植物分类信息比形色更全面。值得注意的是，植物在线识别APP的淘汰率相当高，2017年还可以使用的一些APP，如形色识花、景观植物手册、微软识花、花满城、盆友、好多肉、Leaf Snap等，到2018年就已经消失了。
（四）增加对学生录制植物讲解微视频的考核
植物生物学实习考核内容，除了实习表现、考勤、实习报告，还增加了实习日志、录制植物讲解微视频。鼓励学生自己拍摄校园植物讲解小视频，提高了学生的参与度，同时弥补了植物在线识别APP过度依赖平面照片、信息量不足的缺点。在使用植物在线识别APP认识学习不同种类植物的基础上，将广东海洋大学的校园植物分配给学生们，让每位学生负责录制3种校园植物的讲解微视频（一两分钟）并将其作为考核内容。目前已收集了约400条合格的校园植物微视频，今后将对其进行后期制作并作为广东海洋大学校园植物多样性数据库的素材。
五、小结
为了解决传统植物生物学实习教学模式存在的主要问题，我们首次将植物在线识别技术运用到植物生物学实习教学中，对现有的植物在线识别APP进行了筛选与评价，初步明确形色和花伴侣这两种植物在线识别APP较受学生欢迎，可用于植物生物学实习教学。本研究采用了具有开放性、实时性、交互性、主动性和多样性等特点的植物生物学实习教学新模式，在实习教学过程中注重激发学生主动学习、自主识别植物的积极性，做到了“授之以渔”，有助于学生今后继续进行植物学的探索。
[参考文献]
[1] 陈火英，葛海燕，吴娟，等.大数据背景下植物种质创新系列课程实践教育探索[J]实验室研究与探索，2016（7）：179-182+189.
[2]王亚楠，庄会富，王雨华.支持植物学大数据整合与公众服务的iFlora云平台建设[J].大数据，2016（6）：34-42.
[3] 胡刚，張忠华，吕春燕.以创新能力培养为导向的植物学野外实习教学模式构建[J].大学教育，2018 （1）：162-164.
[4]郑敬刚，解丹丹.研究型植物学野外实习及其教学效果评价[J].现代农业科技，2014（14）：315-316.
[5]冯富娟，陶雷，穆立蔷，等.植物学创新式野外实习教学的实践与成效[J].实验室研究与探索，2014（7）：198-200+209.
[责任编辑：庞丹丹]
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