校園植物信息系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用

沈廣爽，劉 姣，李 雙，李晶晶，阮維斌

（南開(kāi)大學(xué) 生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，天津 300071）

隨著高等教育的發(fā)展，高校校園信息化已取得顯著成效，并在促進(jìn)高等教育發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用[1]。高校校園信息化不僅有利于營(yíng)造大學(xué)生成長(zhǎng)成才環(huán)境，有助于提高大學(xué)生的自我教育能力，更能促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。教育信息化是教育發(fā)展的必然趨勢(shì)[2-3]。各大高校都在建設(shè)屬于自己的數(shù)字校園系統(tǒng)，是否擁有自己的數(shù)字校園系統(tǒng)已經(jīng)成為衡量一個(gè)學(xué)校信息化是否完善的重要標(biāo)準(zhǔn)之一[4-7]。教育信息化不僅是一種信息技術(shù)的教育應(yīng)用過(guò)程，更是一種教育思想、教育觀念變化的過(guò)程，是一種基于創(chuàng)新教育有效地使用信息技術(shù)以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的過(guò)程[8]。

就生命科學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生而言，植物學(xué)是專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，也是受到廣大動(dòng)植物愛(ài)好者喜愛(ài)的一門(mén)課程。但目前植物學(xué)習(xí)的相關(guān)資料相對(duì)有限，人們只能通過(guò)一些圖鑒和識(shí)別手冊(cè)了解植物信息。這些材料往往比較陳舊，種類(lèi)匱乏，單調(diào)乏味，缺少針對(duì)校園常見(jiàn)植物的更加開(kāi)放和準(zhǔn)確高效的鑒別和學(xué)習(xí)途徑。

為此，針對(duì)南開(kāi)大學(xué)校園植物制作標(biāo)本庫(kù)，建立了信息化數(shù)據(jù)庫(kù)，以主動(dòng)適應(yīng)教育信息化的要求，方便學(xué)生和廣大群眾對(duì)校園植物定向檢索和查閱。植物標(biāo)本信息化是線下制作紙質(zhì)版植物識(shí)別手冊(cè)，再經(jīng)過(guò)信息化手段處理數(shù)據(jù)，借助網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和手機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查閱和瀏覽校園植物信息的過(guò)程。植物信息化能夠?qū)崿F(xiàn)線上與線下無(wú)縫銜接，全面而系統(tǒng)地為校園植物的識(shí)別搭建平臺(tái)。通過(guò)信息化手段實(shí)現(xiàn)教育的目的，不僅能顯著提高教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)也為廣大植物愛(ài)好者提供豐富的學(xué)習(xí)資源和便捷的檢索途徑[9]。

1 標(biāo)本制作和數(shù)據(jù)采集

校園植物通常種類(lèi)繁多，不同植物的植物物候特征不同。對(duì)于裸子植物和被子植物，花期和果期是識(shí)別植物最佳的時(shí)期，如開(kāi)花較早但花期短暫的連翹需要及時(shí)采集標(biāo)本并記錄影像數(shù)據(jù)，而凌霄的花期較長(zhǎng)，記錄數(shù)據(jù)時(shí)間相對(duì)靈活等。因此熟知每種植物的生長(zhǎng)周期，合理設(shè)計(jì)和規(guī)劃采集標(biāo)本的時(shí)間對(duì)于校園植物標(biāo)本的系統(tǒng)性收集和整理至關(guān)重要。

植物的標(biāo)本制作采用傳統(tǒng)的臘葉標(biāo)本制作方法[10-11]，即將新鮮的植物材料修整姿態(tài)并用吸水紙壓制干燥，隨后上臺(tái)紙裝訂制成標(biāo)本。較小的草本植物需全株采集，木本植物主要采集葉、花和果，寄生植物需將寄主的部分結(jié)構(gòu)同時(shí)采集。而對(duì)于高大的蔓生植物，則只能采集其一部分，并記錄植株的高度與長(zhǎng)度。為了便于植物標(biāo)本的查閱和保存，對(duì)標(biāo)本進(jìn)行塑封處理,使植物標(biāo)本更耐氧化、耐腐蝕。塑封之前在標(biāo)本左上角放置6 cm÷9 cm 的植物照片，右下角添加植物標(biāo)簽，包括植物名稱(chēng)、拉丁名和科名。迄今為止，塑封標(biāo)本已累計(jì)96 科，200 種植物，共計(jì)420 份標(biāo)本。植物標(biāo)本保存于我校生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心并進(jìn)行了編號(hào)（見(jiàn)圖1），學(xué)生可以隨時(shí)借閱。

圖1 南開(kāi)大學(xué)標(biāo)本

由于標(biāo)本份數(shù)有限，尚不能滿足廣大師生的植物學(xué)習(xí)需求，因此還需要建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)。建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)需要龐大且詳盡的校園植物數(shù)據(jù)資料。根據(jù)我校校園情況，按照地標(biāo)典型建筑物進(jìn)行了28 個(gè)區(qū)域的劃分，在每個(gè)區(qū)域根據(jù)所分布植物的花期和果期及生長(zhǎng)的地理位置進(jìn)行詳細(xì)記錄和定位。采集過(guò)程中注意拍攝技巧和識(shí)別特征、植物選景應(yīng)全貌和近景分配得當(dāng)，影像需要突出植物重要結(jié)構(gòu)特征，如水杉的偶數(shù)羽狀復(fù)葉、臭椿的腺點(diǎn)等特征。除此之外，還應(yīng)注意以區(qū)域內(nèi)重要建筑為背景，以便使用者能夠直觀地判斷出該植物所處的具體方位，方便后期辨識(shí)。經(jīng)過(guò)5 年多的跟蹤統(tǒng)計(jì)和圖像信息采集，植物特征的數(shù)據(jù)信息搜集已基本完備，物種數(shù)量覆蓋校園95%以上。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，已記錄我校典型植物104 科共計(jì)300 種。

通過(guò)標(biāo)本制作使師生在植物識(shí)別最佳期過(guò)后仍有較好的學(xué)習(xí)參考資料，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)的前期搜集和篩選為后期影像數(shù)據(jù)庫(kù)的建立提供了豐富素材。

2 構(gòu)建影像數(shù)據(jù)、創(chuàng)建NKplant 公眾號(hào)

2.1 創(chuàng)建中國(guó)自然標(biāo)本館南開(kāi)大學(xué)分站賬戶

中國(guó)自然標(biāo)本館中植物種類(lèi)繁多，但對(duì)學(xué)生瀏覽學(xué)習(xí)沒(méi)有針對(duì)性，往往存在瀏覽過(guò)后沒(méi)有印象的情況。因此創(chuàng)建了自然標(biāo)本館賬戶，申請(qǐng)了南開(kāi)大學(xué)分站（http://www.cfh.ac.cn/subsite/default.aspx?siteid=nank aisjjx），上傳并共享校園植物影像數(shù)據(jù)，錄入植物照片并附植物名稱(chēng)、拉丁名、俗名、分類(lèi)地位、校園分布地點(diǎn)及特征描述（見(jiàn)圖2）。其中，自然標(biāo)本館網(wǎng)站可進(jìn)行電子數(shù)據(jù)的分類(lèi)、存儲(chǔ)與查閱。該網(wǎng)站作為專(zhuān)業(yè)的植物分類(lèi)學(xué)網(wǎng)站，框架設(shè)計(jì)合理，易于操作，同種植物不限上傳照片數(shù)量和照片文件大小，圖像像素高，便于通過(guò)不同角度照片觀察植物的局部特征。若上傳的植物照片清晰度不足或者角度受限，用戶可以訪問(wèn)網(wǎng)站上其他用戶上傳的植物照片，方便學(xué)習(xí)。

截至目前，自然標(biāo)本館賬戶已有照片數(shù)量3262張，涉及物種473 種，為校園植物檢索平臺(tái)提供了豐富的植物素材，用戶可以按種名檢索，也可以按科檢索，每種植物包含多張不同角度的照片，便于學(xué)生識(shí)別記憶。

圖2 中國(guó)自然標(biāo)本館南開(kāi)大學(xué)分站

2.2 創(chuàng)建NKplant 校園植物微信公眾號(hào)

基于目前微信的廣泛使用和傳播優(yōu)勢(shì)，為了更好地科普植物識(shí)別知識(shí)，創(chuàng)建了NKplant 微信公眾號(hào)（見(jiàn)圖3）。該公眾號(hào)后臺(tái)管理者可主動(dòng)向用戶推送校園植物科普文章，同時(shí)為增強(qiáng)公眾號(hào)與用戶之間的互動(dòng)性，特添加關(guān)鍵字自動(dòng)回復(fù)功能。用戶可根據(jù)指定關(guān)鍵字，主動(dòng)向后臺(tái)管理者提取關(guān)鍵字關(guān)聯(lián)的常規(guī)消息，用戶向后臺(tái)發(fā)送任意南開(kāi)大學(xué)校園植物名稱(chēng)，即可獲取關(guān)聯(lián)到該植物關(guān)鍵字的詳細(xì)信息和植物所在校園分布位置等重要信息。除此之外，用戶可通過(guò)公眾號(hào)下拉菜單獲取校園植物常規(guī)知識(shí)，包括推薦植物科普網(wǎng)站、獲取《南開(kāi)大學(xué)校園植物識(shí)別手冊(cè)》及植物識(shí)別技巧等信息。另外，微信用戶如果在校園內(nèi)或者校園外看

到不認(rèn)識(shí)的植物，可以將植物照片發(fā)送至后臺(tái)，經(jīng)后臺(tái)專(zhuān)業(yè)人士鑒定后將鑒定結(jié)果及植物信息推文及時(shí)發(fā)送回用戶，實(shí)現(xiàn)一對(duì)一交流互動(dòng)。

圖3 NKplant 校園植物微信公眾號(hào)

中國(guó)自然標(biāo)本館南開(kāi)大學(xué)分站賬戶豐富了我國(guó)自然標(biāo)本館資源。在這個(gè)信息發(fā)達(dá)的時(shí)代，NKplant 公眾號(hào)的創(chuàng)建為我校師生和廣大參觀我校校園的植物愛(ài)好者提供了一個(gè)更好的學(xué)習(xí)平臺(tái)。

3 智能化、便捷化校園植物檢索平臺(tái)

為了便于學(xué)習(xí)植物和快捷檢索，基于地圖軟件建立了區(qū)域檢索、性狀檢索和名稱(chēng)檢索，構(gòu)建了南開(kāi)大學(xué)校園植物檢索平臺(tái)（見(jiàn)圖4）。該平臺(tái)（http://39.108.136.105:96）可以通過(guò)PC 端查看。

為更好地適應(yīng)用戶使用習(xí)慣，提供更佳的用戶體驗(yàn)效果，在網(wǎng)頁(yè)版平臺(tái)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了植物檢索手機(jī)版，其內(nèi)容與網(wǎng)頁(yè)版相同，新增實(shí)時(shí)定位和智能識(shí)別功能，并有多種檢索方式。

3.1 區(qū)域檢索

以主要建筑群為劃分依據(jù)，借助百度地圖平臺(tái)，將校園劃分為28 個(gè)主要功能區(qū)域，統(tǒng)計(jì)分布在每個(gè)區(qū)域的植物種類(lèi)，并將該區(qū)域植物的信息素材關(guān)聯(lián)到對(duì)應(yīng)區(qū)域（見(jiàn)圖5），用戶點(diǎn)擊網(wǎng)站中校園具體分區(qū)即可獲取分布在該區(qū)域的所有植物種類(lèi)名稱(chēng)。點(diǎn)擊相應(yīng)植物名稱(chēng)即可彈出該植物的實(shí)地照片、拉丁名、分類(lèi)地位、特征描述等詳細(xì)信息的窗口。如在手機(jī)上使用該功能，網(wǎng)頁(yè)會(huì)顯示用戶所處具體位置，根據(jù)位置用戶可以更準(zhǔn)確地選擇需要查看的區(qū)域，點(diǎn)擊之后會(huì)出現(xiàn)該區(qū)域包含的喬木和灌木。若種類(lèi)較多難以辨識(shí)，可以繼續(xù)使用“性狀檢索”功能，進(jìn)而確定植物種類(lèi)。該網(wǎng)站涉及植物種類(lèi)300 余種，植物照片600 余張。

圖4 南開(kāi)大學(xué)校園植物檢索平臺(tái)

3.2 性狀檢索

本平臺(tái)開(kāi)發(fā)了“性狀檢索”功能，以實(shí)現(xiàn)用戶點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的植物特征檢索，從定位檢索具體植物。為滿足不同知識(shí)背景的用戶人群使用，植物的每個(gè)性狀都配有相應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)，方便用戶進(jìn)行性狀選擇。用戶通過(guò)觀察植物表型選擇某些具體典型的植物特征，從而方便、快速、智能地獲得符合檢索要求的植物范圍，高效鎖定想要檢索的植物種類(lèi)，如植物類(lèi)型（喬木、灌木、草木、藤本等）；葉的類(lèi)型（單葉、偶數(shù)羽狀復(fù)葉、奇數(shù)羽狀復(fù)葉等）；葉序（交互互生、交互對(duì)生、簇生、輪生等）；葉型（倒卵形、倒心形、戟形等）；葉緣（波狀、睫毛狀、鋸齒等）；葉尖（凹缺、漸尖等）；葉基（抱莖、戟形、箭形等）；葉著生（無(wú)柄、下延葉、葉鞘等）；花序（聚傘花序、柔荑花序、傘房花序、頭狀花序等）；花冠（唇形、蝶形、十字形、筒形等）；果實(shí)類(lèi)型（翅果、蓇葖果、莢果等）；子房位置（上位子房、下位子房、周位子房等）；雄蕊花藥類(lèi)型（瓣裂、單體雄蕊、二強(qiáng)雄蕊等）等。用戶在使用時(shí)，根據(jù)具體植物的生長(zhǎng)狀態(tài)選擇最明顯、最準(zhǔn)確的植物性狀進(jìn)行檢索，逐級(jí)選擇，縮小范圍，進(jìn)而確定植物種類(lèi)。

圖5 校園平面區(qū)域劃分圖

3.3 名稱(chēng)檢索和智能檢索

如果想通過(guò)植物名稱(chēng)了解更多植物信息，可以通過(guò)植物名稱(chēng)進(jìn)行檢索。操作方法是點(diǎn)擊首頁(yè)的“全部植物”會(huì)出現(xiàn)所有植物名錄，用戶可以翻閱查看所要了解的植物，也可以直接輸入植物名稱(chēng)進(jìn)行檢索，點(diǎn)擊查看植物照片和植物描述。“智能檢索”則是點(diǎn)擊屏幕右上方“智能資源”，選擇圖片上傳，可選擇拍照或使用照片圖庫(kù)，在確定使用照片后，點(diǎn)擊“圖像識(shí)別”，系統(tǒng)可根據(jù)用戶提供的照片，按相似度從高到低的順序給出相符的所有植物的名稱(chēng)、拉丁名、別名、科名、屬名以及相似度指數(shù)，簡(jiǎn)單快速，且不要求專(zhuān)業(yè)的知識(shí)背景，但不可避免存在對(duì)部分植物識(shí)別的準(zhǔn)確性不高的情況。

通過(guò)搭建植物檢索平臺(tái)，能夠根據(jù)植物名稱(chēng)直接進(jìn)行檢索，查閱植物的實(shí)景照片和詳細(xì)特征描述；能夠進(jìn)行性狀檢索，提供植物不同部位的特征表型，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的定位和檢索；能夠選擇區(qū)域檢索，對(duì)該區(qū)域生長(zhǎng)的植物進(jìn)行初步探索，了解校園分區(qū)植物的生長(zhǎng)遍布情況。

4 教學(xué)實(shí)踐

“植物學(xué)”和“植物學(xué)實(shí)驗(yàn)”是生命科學(xué)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課，我校生命科學(xué)學(xué)院在大一下學(xué)期（春季學(xué)期）開(kāi)設(shè)，此刻正值春暖花開(kāi)，學(xué)生對(duì)校園植物開(kāi)花植物會(huì)自然產(chǎn)生好奇心。而所建立的網(wǎng)站、鑒定軟件以及微信公眾號(hào)，可以為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供強(qiáng)有力的幫助。為了夯實(shí)學(xué)生對(duì)植物學(xué)課堂學(xué)習(xí)的理論基礎(chǔ)，教師要求學(xué)生完成校園植物拍照記錄任務(wù)，包括不同角度不同時(shí)期的植物照片， 并對(duì)植物的重要特征進(jìn)行專(zhuān)業(yè)描述。學(xué)生一方面可通過(guò)微信公眾號(hào)輸入植物名稱(chēng)，系統(tǒng)自動(dòng)回復(fù)植物特征、植物照片和植物所在校園位置；另一方面，還可以利用校園植物檢索平臺(tái)，根據(jù)提供的位置，利用區(qū)域檢索和性狀檢索查找自己所拍攝的植物。這一過(guò)程將信息化技術(shù)巧妙地引入原本枯燥的植物分類(lèi)教學(xué)實(shí)踐中，不僅提高了教學(xué)過(guò)程的趣味性、設(shè)計(jì)性和延展性，更增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。

為了讓更多的學(xué)生接觸植物學(xué)，認(rèn)識(shí)并了解身邊的植物，我院為全校學(xué)生開(kāi)設(shè)“基礎(chǔ)生命科學(xué)導(dǎo)論實(shí)驗(yàn)”課程，校園植物鑒定作為其中一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不僅得到廣大選課學(xué)生的認(rèn)可和好評(píng)，而且也吸引了不少植物學(xué)愛(ài)好者以及校外來(lái)訪參觀者一同學(xué)習(xí)。課程組在全校范圍內(nèi)開(kāi)展的校園植物信息系統(tǒng)推廣活動(dòng)反響熱烈，使更多的植物愛(ài)好者了解并熱愛(ài)身邊的植物，愛(ài)護(hù)環(huán)境，大大提高了該信息系統(tǒng)的示范輻射作用[12-13]。

5 結(jié)語(yǔ)

課程組針對(duì)我校校園植物開(kāi)展了多年研究，制作了植物標(biāo)本，構(gòu)建了植物數(shù)據(jù)網(wǎng)站，即自然標(biāo)本館網(wǎng)和南開(kāi)大學(xué)校園植物檢索平臺(tái)（網(wǎng)頁(yè)版/手機(jī)版）、NKplant 微信公眾號(hào)，搭建了線上網(wǎng)絡(luò)信息交流和共享平臺(tái)，進(jìn)一步完善了植物信息查詢系統(tǒng)，最大限度地滿足了用戶對(duì)植物檢索和植物科普的需求。這種創(chuàng)新又極具發(fā)展?jié)摿Φ男畔⒒瘜W(xué)習(xí)手段，為學(xué)生隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)植物知識(shí)提供了便捷途徑，也方便了廣大生物愛(ài)好者學(xué)習(xí)和交流，是開(kāi)展校園生態(tài)文明建設(shè)的新途徑，也為今后更大范圍地普及植物知識(shí)，推廣生態(tài)環(huán)保主題教育提供可靠經(jīng)驗(yàn)。