基于典型特征和圖片識別的自主可持續(xù)性植物分類學(xué)習(xí)模式

陳發(fā)軍， 陳文年， 付偉麗

(1. 內(nèi)江師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，四川 內(nèi)江 641100；2. 四川省高等學(xué)校特色農(nóng)業(yè)資源研究與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 內(nèi)江 641100)

基于典型特征和圖片識別的自主可持續(xù)性植物分類學(xué)習(xí)模式

陳發(fā)軍1,2， 陳文年1,2， 付偉麗1

(1. 內(nèi)江師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，四川 內(nèi)江 641100；2. 四川省高等學(xué)校特色農(nóng)業(yè)資源研究與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 內(nèi)江 641100)

植物分類學(xué)習(xí)是生物相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)實(shí)踐環(huán)節(jié)，對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)踐能力的培養(yǎng)至關(guān)重要。在分析植物實(shí)習(xí)現(xiàn)狀和主要問題的基礎(chǔ)上，認(rèn)為可利用資源缺乏和學(xué)習(xí)方式局限是關(guān)鍵制約因素。提出了建立有針對性的電子資源學(xué)習(xí)平臺，選擇植物典型特征并通過圖片辨識鑒定活體植物種類，從而使學(xué)生能夠自主地、可持續(xù)地進(jìn)行植物分類學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率和教學(xué)質(zhì)量。

植物實(shí)習(xí)；圖片識別；實(shí)踐教學(xué)；自主學(xué)習(xí)

植物分類是植物學(xué)及其相關(guān)專業(yè)的基本內(nèi)容，是后續(xù)深入學(xué)習(xí)的保證和基礎(chǔ)。植物實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)作為重要的植物分類知識學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，對生物素養(yǎng)、實(shí)踐能力、科學(xué)興趣和人文素質(zhì)的培養(yǎng)意義重大[1-3]。在中國高校中，綜合、農(nóng)林和師范院校的許多專業(yè)都開設(shè)有植物實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，內(nèi)容多以植物分類鑒定、標(biāo)本制作等為主，且在不斷豐富[4-5]。但傳統(tǒng)的植物分類學(xué)習(xí)方式存在一定的局限性，同時面臨自然植被退化和實(shí)習(xí)時間緊張等難題，有必要借助現(xiàn)代工具開發(fā)高效而有針對性的學(xué)習(xí)模式，提高植物分類教學(xué)效果[5-6]。本文在總結(jié)高校植物實(shí)習(xí)現(xiàn)狀和分析現(xiàn)存問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前實(shí)踐教學(xué)要求和發(fā)展方向，構(gòu)建了聯(lián)系戶外活體植物和圖片資料，基于植物典型鑒定特征的自主可持續(xù)性植物分類學(xué)習(xí)模式，以期為高校生物學(xué)相關(guān)專業(yè)植物分類學(xué)習(xí)提供理念和方法上的參考。

1 植物分類實(shí)習(xí)現(xiàn)狀

針對生物相關(guān)專業(yè)學(xué)生植物分類基礎(chǔ)薄弱，而后續(xù)學(xué)習(xí)對專業(yè)綜合能力要求較高等特點(diǎn)，近年來，各大高校對實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)非常重視，國家也有專項(xiàng)基金支持相關(guān)實(shí)踐平臺建設(shè)[7]。針對傳統(tǒng)植物實(shí)踐過程中存在的問題，在教學(xué)資源、教學(xué)模式及學(xué)生能力培養(yǎng)等方面進(jìn)行了研究和改革。如西北農(nóng)林科技大學(xué)投入了大量人力物力進(jìn)行實(shí)習(xí)基地建設(shè)，充分利用秦嶺地區(qū)豐富的植物資源，同時使實(shí)習(xí)實(shí)踐環(huán)節(jié)更加穩(wěn)定有效[3]。一些大學(xué)在多個具代表性的地區(qū)建立了野外實(shí)習(xí)基地，且實(shí)習(xí)持續(xù)時間較長。部分高校重視對校園和周邊植物資源的利用，試行以校園、周邊地區(qū)和野外基地共同組成教學(xué)場所，擴(kuò)展了定點(diǎn)實(shí)習(xí)的模式[4]。浙江大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等高校已在天目山開展了聯(lián)合實(shí)習(xí)，強(qiáng)化實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師隊伍，增加相關(guān)資源和豐富實(shí)習(xí)內(nèi)容，取得了很好的效果[7]。

教學(xué)方式上，北方民族大學(xué)探索了以花期等關(guān)鍵特征為主線的植物分類學(xué)習(xí)，提高了實(shí)用性和學(xué)生興趣[8]。國外高校對植物實(shí)踐環(huán)節(jié)也十分重視，以雜草管理和生態(tài)恢復(fù)等實(shí)際問題為導(dǎo)向組織教學(xué)活動，有助于綜合能力的培養(yǎng)[9]。

2 植物分類學(xué)習(xí)問題分析

植物實(shí)習(xí)實(shí)踐環(huán)節(jié)盡管已經(jīng)普遍開展，但是仍然存在較多的問題[4-5]。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1)傳統(tǒng)的實(shí)習(xí)中，教師講授仍是實(shí)習(xí)的主要形式，學(xué)生往往被動接受，過程不夠生動。2)植物分類體系復(fù)雜、對實(shí)踐能力和經(jīng)驗(yàn)積累要求較高。同時，由于多數(shù)學(xué)生剛接觸植物學(xué)知識，依靠自然分類系統(tǒng)的特征有效地進(jìn)行自主、探索性學(xué)習(xí)較為困難。3)多數(shù)參考資料缺乏地區(qū)針對性，難以將書本內(nèi)容與實(shí)際環(huán)境中的活體植物對象聯(lián)系。因此，學(xué)習(xí)方式多以記憶為主，對學(xué)生能力的培養(yǎng)有限。4)由于經(jīng)費(fèi)和教學(xué)計劃的原因，植物實(shí)習(xí)時間一般較短，缺乏持久學(xué)習(xí)，容易遺忘知識和技能。5)多數(shù)情況下，實(shí)習(xí)基地離學(xué)校所在城市有一定距離，基地資源的后續(xù)利用不便。6)植物實(shí)習(xí)過程中需要采集標(biāo)本以加深認(rèn)識或進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練，但這會對生態(tài)環(huán)境造成一定影響；部分珍稀植物和園林栽培植物禁止采集，又對教學(xué)效果產(chǎn)生不利影響。

以上問題的焦點(diǎn)主要集中在學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)資源方面，并且這些方面是密切聯(lián)系的，需要協(xié)調(diào)地加以解決才能有效提高植物分類學(xué)習(xí)效果。實(shí)踐教學(xué)提倡學(xué)生在過程中的主動參與，掌握學(xué)習(xí)和實(shí)際操作能力。植物分類學(xué)習(xí)需要一定的時間，在掌握了重要鑒定特征和識別一定數(shù)量物種之后，學(xué)習(xí)會變的越來越容易，興趣增強(qiáng)。因此，需要在前期用較簡單的方法在實(shí)踐中掌握和認(rèn)識部分植物，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行更細(xì)致和廣泛地學(xué)習(xí)。目前，傳統(tǒng)分類學(xué)正向形象化、數(shù)字化、特征提取與識別等方向發(fā)展，可擴(kuò)展相關(guān)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用方式[10-11]。

綜上，植物分類學(xué)習(xí)需要擴(kuò)展植物實(shí)踐環(huán)節(jié)的內(nèi)容，豐富可利用資源，探尋理論與實(shí)踐相結(jié)合的有效學(xué)習(xí)方法，設(shè)法提供條件開展自主性、探索性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和環(huán)境意識。

3 自主可持續(xù)性學(xué)習(xí)模式的構(gòu)建與運(yùn)用

3.1 新學(xué)習(xí)模式的主要內(nèi)容及作用

3.1.1 完善植物學(xué)教學(xué)體系

在遠(yuǎn)郊基地實(shí)習(xí)的基礎(chǔ)上，與近郊實(shí)習(xí)相結(jié)合，增加真正以學(xué)生為主體的持續(xù)學(xué)習(xí)部分，使基礎(chǔ)實(shí)踐環(huán)節(jié)質(zhì)量得到保障。突出學(xué)校、城市綠地及周邊地區(qū)植物資源的重要性，這些植物容易觀察到，且可反復(fù)強(qiáng)化學(xué)習(xí)，以它們?yōu)閷ο蟮闹参锓诸悓W(xué)習(xí)可以持續(xù)整個大學(xué)學(xué)習(xí)階段。

3.1.2 構(gòu)建有效的教學(xué)資源平臺

表1 植物分類學(xué)習(xí)電子資源包的組成

教學(xué)資源上，實(shí)習(xí)內(nèi)容多以活體植物為對象，以檢索表等為參考資料，戶外和資料容易脫節(jié)且使用難度大。部分圖鑒使用較方便，但并非針對學(xué)校所在區(qū)域編制。為更好地將戶外觀察與室內(nèi)鑒定結(jié)合起來，該模式中需構(gòu)建專門的電子教學(xué)資源，充分發(fā)揮圖片簡單直觀的優(yōu)點(diǎn)。電子資源包具體分為4個方面：植物圖片、索引表、文字描述資料和主要活體植物定位圖示(表1)。該資源包盡量使用簡單的方法實(shí)現(xiàn)所需功能，拷貝后方便攜帶，可直接在任意電腦上使用。分以下步驟完成：1)對選定區(qū)域范圍內(nèi)的植物資源進(jìn)行調(diào)查，明確主要植物種類并編目，記錄可觀察到某種植物的地點(diǎn)。2)篩選典型鑒定特征，包括具有觀賞性或特殊性的易于觀察和識別的特征，利用數(shù)碼相機(jī)拍攝植物多角度照片。3)同時，整理主要植物詳細(xì)分類識別特征，以及園林、醫(yī)藥等價值。4)將植物圖片依據(jù)識別特征進(jìn)行分類管理，給每張照片加上唯一名字或標(biāo)簽，可通過picasa等圖片管理軟件進(jìn)行查找。5)為同種植物的所有圖片建立可查詢的對應(yīng)關(guān)系，方便鑒定和確認(rèn)植物種類；并為每種植物建立與文字資料、活體植物位置的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)方便的搜索和查詢。

3.1.3 改變傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方法

在教學(xué)資源構(gòu)建完成后，教師以引導(dǎo)和激勵學(xué)習(xí)為主，參與學(xué)生的學(xué)習(xí)過程而不是全程講解。改變學(xué)生被動學(xué)習(xí)的局面，以環(huán)境問題和應(yīng)用實(shí)踐等為導(dǎo)向，利用活體植物資源和電子資源包進(jìn)行自主性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)探索精神和實(shí)踐能力。在某項(xiàng)以植物分類學(xué)習(xí)為主要內(nèi)容的任務(wù)完成后，指導(dǎo)教師可給予總結(jié)和建議；在一定時間后可進(jìn)行適當(dāng)評估，以反饋學(xué)習(xí)效果。

3.2 植物分類自主學(xué)習(xí)的案例分析

在該學(xué)習(xí)模式中，學(xué)生可利用已有的植物學(xué)知識和經(jīng)驗(yàn)在電子資源包的幫助下進(jìn)行自主分類學(xué)習(xí)。例如，當(dāng)學(xué)生在校園中發(fā)現(xiàn)一種不知名的開花植物，觀察到的主要特征為：白色的大型單朵著生的花，高大樹木。希望查到它的分類地位，同時了解其應(yīng)用價值等資料。已有信息主要是花的特征：白色、大型、單花；此外還有植物的生活型，為高大喬木。首先，利用圖片管理軟件找到花的圖片庫，進(jìn)一步搜索到命名為“白色花”的圖片庫，可以在縮放圖模式下瀏覽圖片，也可再進(jìn)一步搜索標(biāo)簽為“大型”、“單花”的圖片，從而找到與戶外觀察一致的圖片并查詢到其植物名。但有時可能會出現(xiàn)多種植物，如白玉蘭和荷花玉蘭都滿足上述花的特征。這種情況下，打開檢索表，搜索并找到與花圖片關(guān)聯(lián)的其它圖片，比對株型、葉片等特征，可知荷花玉蘭為高大喬木。這一環(huán)節(jié)也可以通過其他圖片資料顯示的分類特征進(jìn)一步確認(rèn)植物種類，提高準(zhǔn)確性。最后，在描述資料庫中找到該種植物的詳細(xì)特征及其他信息；還可進(jìn)一步查詢周圍還生長有該種植物的地方。

表2 具有植物圖片信息的主要網(wǎng)站

根據(jù)個人獲取信息的差異，可靈活使用電子資源包。如可以從果實(shí)的特征出發(fā)，也可從特殊的葉片出發(fā)查找，還可以從某個熟悉的地點(diǎn)出發(fā)，快速比對圖片和活體植物從而識別已導(dǎo)入圖庫中的植物種類。同時，可結(jié)合已有資源進(jìn)行查詢和確認(rèn)，表2是國內(nèi)科研院所建立的主要圖庫資源網(wǎng)站。教學(xué)和實(shí)習(xí)過程中，可以采用問題或任務(wù)引導(dǎo)的方式，如編目某小區(qū)綠化植物，調(diào)查秋季開花植物種類等等。分小組進(jìn)行，明確要求并給予適當(dāng)指導(dǎo)，這樣可以更好地培養(yǎng)學(xué)生思考和實(shí)踐能力。

4 小結(jié)

植物分類知識的學(xué)習(xí)依賴于實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，但該過程面臨有效的可利用資源缺乏、學(xué)習(xí)短暫而不持續(xù)和初學(xué)者基礎(chǔ)薄弱等突出問題。該模式從教學(xué)體系、資源平臺和學(xué)習(xí)方法三方面考慮，著力于高效地進(jìn)行物種鑒定和經(jīng)驗(yàn)積累。構(gòu)建了學(xué)習(xí)資源平臺，解決實(shí)習(xí)過程中資源缺乏，附近資源利用不充分的問題；針對初期學(xué)習(xí)困難的問題，以關(guān)鍵識別特征和圖片的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，這有助于解決學(xué)生學(xué)習(xí)效率低、興趣不高等問題。在此基礎(chǔ)上，設(shè)置任務(wù)情景，以學(xué)生為主體，改變學(xué)習(xí)方法，在較長的時間范圍內(nèi)有效開展自主探索性植物分類學(xué)習(xí)。

[1]張義賢. 高校植物學(xué)野外實(shí)習(xí)教學(xué)改革與實(shí)踐創(chuàng)新[J]. 高校教育研究, 2009(9):290-292.

[2]崔 瑾, 馮虎元, 夏 凱. 在生物學(xué)野外實(shí)習(xí)中開展人文素質(zhì)教育的探索與實(shí)踐[J]. 高等理科教育, 2011(1):105-108.

[3]苗 芳, 姜在民, 程金鳳. 植物學(xué)野外實(shí)習(xí)改革與實(shí)踐[J]. 生物學(xué)雜志, 2012, 29(1): 108-110.

[4]陳 燕, 劉晚茍, 鄭小林, 等. 植物學(xué)野外實(shí)習(xí)教學(xué)改革與實(shí)踐[J]. 生物學(xué)雜志, 2010, 27(3): 98-100.

[5]朱 丹, 姜述君, 杜廣明, 等. 新形勢下植物學(xué)野外實(shí)習(xí)教學(xué)改革的探討[J]. 實(shí)驗(yàn)室科學(xué), 2011, 14(2): 160-163.

[6]石晉麗, 王 海, 劉春生. 虛擬藥用植物園在藥用植物教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 中醫(yī)教育, 2007, 26(3): 49-50.

[7]王國強(qiáng), 蔣德安, 喬守怡, 等. 生物學(xué)野外實(shí)習(xí)的探索與實(shí)踐[J]. 中國大學(xué)教學(xué), 2010(6): 81-82.

[8]任玉鋒, 貝盞臨, 周立彪. 民族高校以花期為主線的校園植物認(rèn)知實(shí)習(xí)新模式的探索[J]. 園藝與種苗, 2012(6): 99-101.

[9]李新華. 德國大學(xué)植物學(xué)野外實(shí)踐教學(xué)的案例分析及其啟示[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2013, 32(4): 176-179.

[10]方 偉, 劉恩德. 經(jīng)典植物分類學(xué)的發(fā)展與iFlora[J]. 植物分類與資源學(xué)報, 2012, 34(6): 532-538.

[11]張 蕾. 基于葉片特征的計算機(jī)自動植物種類識別研究[D]. 長春: 東北師范大學(xué), 2007： 1-38.

The independent and sustainable study pattern of plant taxonomy based on representative characteristics and picture cognition

CHEN Fa-jun1,2, CHEN Wen-nian1,2, FU Wei-li1

(1. College of Life Sciences, Neijiang Normal University, Neijiang 641100；2. Key Laboratory of Regional Characteristic Agricultural Resources, Department of Education, Neijiang 641100, China)

Studying of plant classification is basic and practical part of some specialty on biology, it is very important for improving scientific quality and practice capacity. Lack of available resource and limit of study mode were considered to be main restrictive factors, based on the analysis of botany practice status and problems. The students can independently and continually study plant taxonomy by filtrating representative characteristics and identify pictures with the help of a special electronic tool. This study pattern will be good for study efficiency and teaching quality.

botany practice; picture cognition; practice teaching; active study

2014-03-03；

2014-08-22

內(nèi)江師范學(xué)院教改項(xiàng)目(JG201333-259)；內(nèi)江師范學(xué)院重點(diǎn)建設(shè)學(xué)科項(xiàng)目(2012)

陳發(fā)軍，碩士，講師，主要從事植物學(xué)的教學(xué)和研究，E-mail：cfjbio@163.com。

Q944; G642.44

C

2095-1736(2015)01-0110-03

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2015.01.110