王新偉+馬驊+劉素轉(zhuǎn)

[摘 要]鑒于生態(tài)學(xué)實(shí)習(xí)中枯燥的植物識別，基于“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”技術(shù)，自主開發(fā)了趣味性教學(xué)軟件及電子書等教學(xué)資源，建成了多樣性、可視性、趣味性教學(xué)系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)踐，這一教學(xué)系統(tǒng)取得了良好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]趣味性軟件；生態(tài)學(xué)實(shí)習(xí)；電子書；紀(jì)錄片；網(wǎng)絡(luò)課程

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）01-0040-04

加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)建設(shè)，創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)方法已經(jīng)成為高校開展教學(xué)改革的重點(diǎn)。[1][2]野外實(shí)習(xí)是生態(tài)學(xué)教學(xué)中必不可少的內(nèi)容，是培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)技能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。[3]很多高校對生態(tài)學(xué)實(shí)習(xí)方式進(jìn)行了研究，從實(shí)習(xí)基地建設(shè)[4]、組織與管理[5]、教學(xué)過程改革等方面進(jìn)行了有益探索。[6][7][8]我校也提出了研究性野外實(shí)習(xí)的教學(xué)模式，包括營造研究性氛圍、認(rèn)知性與研究性實(shí)習(xí)內(nèi)容并重、利用自擬項目驅(qū)動、采用研究性教學(xué)方法和網(wǎng)絡(luò)課程互動等模式來進(jìn)行綜合能力的提升。[9]但總體上，實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)改革多從實(shí)習(xí)教學(xué)與模式出發(fā)，忽略了實(shí)習(xí)過程中教學(xué)方法的趣味性。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)“生態(tài)學(xué)開心農(nóng)場”種田實(shí)踐教學(xué)模式是有益的嘗試[10]，但主要是從教師的角度進(jìn)行教學(xué)模式改革，學(xué)生的中心地位并未充分體現(xiàn)，應(yīng)從學(xué)生的角度進(jìn)行改革，這才是改革之本。

植物物種的識別是植物生態(tài)學(xué)、植物生物學(xué)及藥學(xué)專業(yè)等野外實(shí)習(xí)的必備專業(yè)技能，但植物形態(tài)學(xué)及植物分類學(xué)基礎(chǔ)知識較為枯燥，學(xué)生很難掌握，這是實(shí)習(xí)過程中的難點(diǎn)。有高校提出“室內(nèi)實(shí)踐要掌握半永久制片的制作流程；室外進(jìn)行植物臘葉標(biāo)本的制作”，以此培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和對所學(xué)知識的運(yùn)用能力及學(xué)生的協(xié)作精神，這種方式仍缺乏趣味性的探索。

植物電子圖像、圖鑒的發(fā)展為植物物種識別提供了最為直觀的便捷途徑。目前我國主要的電子植物圖片網(wǎng)站有中國植物圖像庫（Plant Photo Bank of China，PPBC）、中國數(shù)字植物標(biāo)本館（Chinese Virtual Herbarium， CVH），中國植物主題數(shù)據(jù)庫、中國數(shù)字植物園（Chinese Virtual Botanical Garden，CVBG）等，主要為中國植物標(biāo)本及相關(guān)植物學(xué)信息的電子網(wǎng)絡(luò)平臺。2012年，美國哥倫比亞大學(xué)、馬里蘭大學(xué)及Smithsonian研究所共同完成了Leafsnap軟件，該軟件可從葉子的圖像識別樹種，軟件內(nèi)包含高分辨率的花、果實(shí)、葉柄、種子及樹皮的圖像。我國的植物圖庫網(wǎng)站多是部分地區(qū)植物種電子照片的匯集，物種量龐大，使用時需要進(jìn)行植物名稱的檢索才能獲得植物圖像及植物學(xué)信息，還不能進(jìn)行未知物種的識別；而Leafsnap軟件的植物種類僅限美國紐約和華盛頓，對野外實(shí)習(xí)的指導(dǎo)作用非常有限。但Leafsnap軟件的識別功能可為野外實(shí)習(xí)過程植物的快速鑒定提供新的思路。

本項目擬借鑒Leafsnap軟件的識別功能，開發(fā)北京延慶“松山植物樂園”軟件，該軟件包括植物自動識別、植物可視化檢索及植物欣賞三大模塊，以期拓展實(shí)踐教學(xué)的方法，為野外實(shí)習(xí)的知識學(xué)習(xí)增添樂趣。針對植物分類學(xué)背景知識缺乏的學(xué)生，這款軟件可提高野外實(shí)習(xí)的工作效率，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，真正實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心。

一、開發(fā)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)軟件“松山植物樂園”，讓植物識別充滿樂趣

鑒于生態(tài)學(xué)實(shí)習(xí)中枯燥的植物識別，如何提高學(xué)生植物識別的積極性一直是實(shí)習(xí)的難點(diǎn)。受Leafsnap軟件的啟發(fā)，基于“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”技術(shù)，我們開發(fā)完成了針對我校北京延慶松山實(shí)習(xí)基地的野外實(shí)習(xí)趣味性教學(xué)軟件“松山植物樂園”。

“松山植物樂園”軟件有三大功能：葉子識別、可視化檢索及植物欣賞。軟件利用Internet的無縫兼容性，將圖片識別服務(wù)端轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)上，這樣就能隨時將手機(jī)或者其他攝像設(shè)備所獲取的植物圖像上傳至該網(wǎng)站進(jìn)行植物種類的識別。同時，軟件還可以進(jìn)行植物的相關(guān)信息瀏覽與檢索。軟件的開發(fā)，將傳統(tǒng)的植物種類識別的書本查詢方式改為網(wǎng)絡(luò)查詢，這大大降低了查詢過程中所消耗的人力和物力，讓查詢者可方便快捷地去深入了解身邊出現(xiàn)的植物。軟件可為北京地區(qū)相關(guān)院校植物學(xué)、生態(tài)學(xué)及藥學(xué)類學(xué)生實(shí)習(xí)服務(wù)，也可為社會大眾服務(wù)。網(wǎng)站界面如圖1所示。

二、軟件的主要功能

（一）葉子識別系統(tǒng)

采用BP神經(jīng)機(jī)器學(xué)習(xí)的技術(shù)，將樹葉圖形特征記錄并學(xué)習(xí)，利用樹葉外形之間的差異性，對植物進(jìn)行區(qū)別，并賦予唯一ID，利用所查詢植物圖片ID與數(shù)據(jù)庫ID的相似度來確定識別的質(zhì)量。同時采用云平臺的形式將服務(wù)架設(shè)在Internet上。

目前，國內(nèi)已有的植物識別網(wǎng)站或軟件多為植物花朵的識別，如中國植物研究院開發(fā)的“看圖識花”網(wǎng)站及北京微軟亞洲研究院推出的“微軟識花”APP。這兩個識別系統(tǒng)主要是通過花的性狀來識別植物，用戶可以在完全不了解花的性狀的情況下進(jìn)行植物識別。但植物花期短暫，大多數(shù)時間處于營養(yǎng)期，因此不適用于多數(shù)時間的植物鑒定。而植物葉子貫穿植物整個生長周期，且外形改變不大。因此，本識別系統(tǒng)以植物的葉子為檢索對象，這樣檢索具有長期適用性。網(wǎng)絡(luò)化的葉子識別系統(tǒng)，在如今數(shù)字化的時代更具有普適性和廣泛性。

以南蛇藤（Celastrus orbiculatus Thunb.）為例，葉片識別界面如圖2所示。

葉子識別過程是將植物葉子照片上傳至識別系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)已有的數(shù)據(jù)庫自動對植物進(jìn)行識別，識別結(jié)果按相似度大小依次排列，這種識別操作簡單，檢索快速。

（二）可視化檢索表

植物檢索表是植物分類中識別和鑒定植物不可缺少的工具，對野外實(shí)習(xí)更是有效的參考，但很多特征的描寫用的是非常專業(yè)的術(shù)語，這對于初學(xué)者或非專業(yè)人士來說，閱讀難度很大。

在信息可視化研究背景下，可視化檢索表將成為可能。目前，網(wǎng)上出現(xiàn)了個別地區(qū)個別科的植物檢索表，如植物愛好者計云編寫的北京地區(qū)堇菜科20種的可視化檢索表、北京早春開花的薔薇科常見木本植物的簡易識別和可視化檢索表。但尚無系統(tǒng)化的可視化檢索表出現(xiàn)，也無正式出版的可視化植物檢索表。endprint

基于此，本可視化檢索系統(tǒng)進(jìn)行了北京松山地區(qū)植物科的可視化檢索表編制，按照《北京地區(qū)植物檢索表》中的植物分類檢索方法，對植物按科分類。每科植物按照不同的相對性狀進(jìn)行二歧法分類，并將這些性狀配以圖片，制作成一個可視化的植物檢索表，其中包含了北京延慶松山地區(qū)的約800種植物。對于大科如豆科、菊科植物可視化檢索表過大，因此按屬進(jìn)行了分類。

植物科檢索表的瀏覽功能，以百合科為例，如圖3所示。

可視化檢索表圖文并茂，特征明顯，實(shí)現(xiàn)了專業(yè)與非專業(yè)的結(jié)合。

（三）植物欣賞系統(tǒng)

為了方便在網(wǎng)絡(luò)上觀賞北京常見植物，我們在“松山植物樂園”軟件中建設(shè)了植物欣賞系統(tǒng)模塊，該模塊可進(jìn)行植物信息查詢和植物瀏覽欣賞，可根據(jù)關(guān)鍵字進(jìn)行查詢。植物查詢功能包括植物科和植物種的查詢，植物科的查詢結(jié)果是顯示整個科植物的可視化檢索表，植物種的查詢顯示了植物各器官的圖片以及該種植物的特征介紹。

目前植物欣賞系統(tǒng)共有北京松山312種植物照片，包括植株整體和特征部位，所有照片均為本校拍攝和松山管理處拍攝。以龍牙草（Agrimonia pilosa Ldb.）為例，在搜索欄輸入“龍牙草”即顯示龍牙草的葉和花的照片以及百科，如圖4所示。

三、 軟件的技術(shù)指標(biāo)

（一）軟件設(shè)計的目的

利用Internet的兼容性，將“松山植物樂園”軟件轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)上，使人們能及時對所拍植物圖像進(jìn)行識別，同時了解該植物的相關(guān)信息。

該網(wǎng)站充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將用戶、植物圖鑒以互聯(lián)網(wǎng)為載體有機(jī)地結(jié)合在一起，著重于利用互聯(lián)網(wǎng)所突出的全方位覆蓋的特性，使用戶隨時想查即可查。構(gòu)建的樹葉特征數(shù)據(jù)庫，為植物數(shù)據(jù)的電子化存儲和檢索提供了一定的參考。

（二）設(shè)計思路

采用BP神經(jīng)機(jī)器學(xué)習(xí)的技術(shù)，將樹葉圖形特征記錄并學(xué)習(xí)，利用樹葉外形之間的差異性對植物進(jìn)行區(qū)別，并賦予唯一ID，利用所查詢植物圖片ID與數(shù)據(jù)庫ID的相似度來確定識別的質(zhì)量。同時采用云平臺的形式將服務(wù)架設(shè)在Internet上，提高獲取的便捷性。

（三）核心處理模塊

根據(jù)植物葉片的形狀特征來對不同種類的植物進(jìn)行區(qū)分，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對不同的特征進(jìn)行整理和歸類，當(dāng)用戶提交植物圖片時，計算其所有的特征點(diǎn)，并與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的所有分類進(jìn)行相似度匹配，從而預(yù)測出用戶可能輸入的圖片種類，并輸出。

（四）網(wǎng)站的技術(shù)特點(diǎn)

要構(gòu)建植物檢索平臺，實(shí)現(xiàn)無線、有線設(shè)備的全平臺覆蓋，需要適應(yīng)不同設(shè)備的前臺UI設(shè)計，同時需要高性能的后臺處理程序，此外還需要高檢索率的數(shù)據(jù)庫設(shè)計。在UI設(shè)計方面，使用Bootstrap作為多平臺設(shè)計的底層UI框架，保證多平臺適用性的提升。在后臺處理程序方面，考慮到使用JSP來處理業(yè)務(wù)流程，選用語言為JAVA，采用包管理為maven，采用工程管理為spring，利用servlet對數(shù)據(jù)的傳遞和處理做保證，同時利用git進(jìn)行版本控制。在高效率數(shù)據(jù)庫設(shè)計方面，遵循數(shù)據(jù)庫設(shè)計理念，并通過MySQL來實(shí)現(xiàn)，為保證高效率，數(shù)據(jù)庫會在測試的過程中通過不斷重構(gòu)來保證查詢的高效率。

在網(wǎng)頁的構(gòu)建方面，考慮到不同設(shè)備的同類型訪問問題，我們利用優(yōu)化的數(shù)據(jù)庫持久化框架，保證網(wǎng)頁在使用過程中的流暢體驗(yàn)，同時利用最新的UI庫構(gòu)建用戶滿意且體驗(yàn)良好的頁面操作環(huán)境。

響應(yīng)時間不多于20ms，并發(fā)數(shù)不少于1000，吞吐量即TPS，QPS依據(jù)所承載的服務(wù)器來決定。

北京松山自然保護(hù)區(qū)現(xiàn)有維管束植物109科413屬783種及變種，其中蕨類植物14科18屬26種；裸子植物3科4屬5種；被子植物88科358屬682種，占北京地區(qū)同類植物總數(shù)的49.8%，在北京地區(qū)植物種類中具有較強(qiáng)的代表性?！八缮街参飿穲@”軟件的開發(fā)，能實(shí)現(xiàn)植物識別和檢索的數(shù)字化，彌補(bǔ)了網(wǎng)站式植物葉片識別的空白。其中，北京常見植物可視化檢索表的建立，將彌補(bǔ)北京區(qū)縣級植物檢索表的空白。建立一種圖文并茂的新型檢索形式，把文字和圖片結(jié)合制作成一種方便快捷生動形象的檢索表，能服務(wù)于廣大人民群眾或參加實(shí)習(xí)的初學(xué)者們。

四、 開發(fā)“北京松山常見植物電子書”，讓植物隨身攜帶

從多媒體元素聚合的角度看，電子書明顯優(yōu)于PPT，在教學(xué)活動中有著更大的發(fā)揮余地。從網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)、下載頻率角度來看，電子書對讀者的吸引程度不亞于其他的多媒體課件，其在調(diào)動視聽感官參與學(xué)習(xí)的過程中發(fā)揮了積極的作用。

電子書制作軟件iebook超級精靈是國內(nèi)頂級互動電子雜志、互動電子畫冊及電子讀物的制作軟件，有即點(diǎn)即得的演示效果。該制作軟件采用國際前沿的構(gòu)件化設(shè)計理念，整合電子書的制作工序，將部分相似工序進(jìn)行構(gòu)件化設(shè)計，通過更改圖文即可實(shí)現(xiàn)頁面設(shè)計，能自由組合，可以呈現(xiàn)出良好的制作效果，使用者可重復(fù)使用、高效率合成標(biāo)準(zhǔn)化的電子圖書，而且生成的書不需要任何閱讀器或插件就可直接觀看。

我們對北京松山及周邊地區(qū)進(jìn)行了多年的實(shí)地拍照，利用iebook軟件，2009年-2015年完成制作“北京常見植物電子書”上、下兩冊，包括北京地區(qū)常見植物389種，包含植物花、花序、葉正反面、果、樹干圖片以及形態(tài)特征、野外識別方法、生境信息等，其中野外識別方法突出了野外識別植物時的重要特征，簡單明了。

“北京常見植物電子書”按北京植物志進(jìn)行了分科，植物科目錄可進(jìn)行鏈接瀏覽，電子書頁面內(nèi)照片可點(diǎn)擊擴(kuò)大，方便觀察細(xì)微特征?！氨本┏Ｒ娭参镫娮訒卑婷嬉妶D5。

五、小結(jié)

1. 國內(nèi)已有的植物識別網(wǎng)站或軟件多為植物花朵的識別，但是植物花期短暫，大多數(shù)時間均處于營養(yǎng)期，因此不適用無花期植物的鑒定。植物葉子識別系統(tǒng)以植物的葉子為檢索對象，具有長期適用性，是國內(nèi)首創(chuàng)。

2. 北京常見植物可視化檢索表、“北京松山常見植物電子書”均具有開創(chuàng)性。北京地區(qū)常見植物識別系統(tǒng)的建立，能實(shí)現(xiàn)植物識別和檢索的數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)了專業(yè)與非專業(yè)的結(jié)合。

3. “北京松山常見植物電子書”已經(jīng)在我校生態(tài)學(xué)實(shí)習(xí)過程中使用5年，每年都進(jìn)行了更新和完善，在學(xué)生的實(shí)習(xí)預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)過程中起到了重要的作用，受到學(xué)生的歡迎。

4. 開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)軟件“松山植物樂園”及“北京松山常見植物電子書”，正在申請入網(wǎng)過程，屆時將免費(fèi)對公眾開放，這會讓更多喜歡植物的人感受植物識別的樂趣。

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[責(zé)任編輯：陳 明]endprint