植物識(shí)別APP輔助植物學(xué)實(shí)踐教學(xué)

肖昌龍，張海燕，王顏波，張航熙，余本鋒

植物識(shí)別APP輔助植物學(xué)實(shí)踐教學(xué)

肖昌龍，張海燕，王顏波，張航熙，余本鋒

（南昌工程學(xué)院 水利與生態(tài)工程學(xué)院，江西 南昌 330099）

植物學(xué)課程具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，是高校新生最先接觸的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一．隨著智能手機(jī)的普及與人工智能的高速發(fā)展，將植物識(shí)別類APP運(yùn)用于植物學(xué)課程教學(xué)具有重要意義．選取了3款常用植物識(shí)別APP，形色、花伴侶和生命觀察進(jìn)行比較，分析其在植物學(xué)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值，并對(duì)其存在的問題進(jìn)行探討．合理運(yùn)用植物識(shí)別APP輔助植物學(xué)實(shí)踐教學(xué)，不僅可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，還可以豐富教學(xué)內(nèi)容與資源，并實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果最優(yōu)化．

植物識(shí)別APPs；植物學(xué)；實(shí)踐教學(xué)

植物學(xué)是高等院校生物學(xué)、林學(xué)、生態(tài)學(xué)、生物多樣性保護(hù)等專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是高校新生最先接觸的專業(yè)核心課程之一．植物學(xué)課程不僅包含豐富的理論知識(shí)，還具有很強(qiáng)的實(shí)踐性．植物系統(tǒng)分類是植物學(xué)實(shí)踐教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，植物識(shí)別與分類技能是后續(xù)課程（如園林樹木學(xué)、花卉學(xué)、生態(tài)學(xué)）的重要基礎(chǔ)[1]．利用分類檢索表可以根據(jù)植物外部形態(tài)將已知的50萬余種植物準(zhǔn)確鑒定到種．然而，在植物學(xué)實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生掌握植物分類知識(shí)并熟練運(yùn)用檢索表來鑒定植物十分耗時(shí)耗力，如何進(jìn)行植物快速識(shí)別一直是植物學(xué)實(shí)踐教學(xué)面臨的難題[2-3]．

隨著數(shù)字化信息技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，特別是智能手機(jī)的普及，正不斷地改變著人們生活、娛樂和學(xué)習(xí)的方式．借助大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)，許多開發(fā)者相繼設(shè)計(jì)出可以識(shí)別植物的手機(jī)應(yīng)用軟件（簡(jiǎn)稱APP）[4]．在植物學(xué)野外實(shí)踐的過程中，引導(dǎo)學(xué)生利用這類APP對(duì)不熟悉的植物進(jìn)行拍照記錄，并快速查詢?cè)撝参锟茖俜N的相關(guān)信息，有利于學(xué)生快速提升識(shí)別植物的能力．本文選取下載量大且評(píng)分較高的3款植物識(shí)別APP（形色、花伴侶和生命觀察），綜合對(duì)比這3款A(yù)PP的識(shí)別能力，并探討這類APP在植物學(xué)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值和潛在問題．

1　植物識(shí)別APP介紹

植物識(shí)別APP的基本原理是基于圖像識(shí)別技術(shù)提取拍攝對(duì)象的葉、花、果實(shí)等器官的形態(tài)特征，與植物圖片數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對(duì)比尋找最接近的植物，以實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的識(shí)別與鑒定．2012年基于IOS系統(tǒng)開發(fā)的一款名為L(zhǎng)eafsnap[5]的葉片識(shí)別APP，盡管準(zhǔn)確度不高，但依然為植物愛好者認(rèn)識(shí)植物提供了便利．隨后，基于Android平臺(tái)的植物葉片識(shí)別APP被陸續(xù)開發(fā)出來．王偉[6]等以SVM作為分類器的APP對(duì)毛山荊子、海桐等13種植物的識(shí)別正確率達(dá)到90%以上．至今國內(nèi)植物識(shí)別APP有10余款，如百度識(shí)圖、形色、微軟識(shí)花、花伴侶、生命觀察、花幫主等，這些APP識(shí)別的準(zhǔn)確度隨著深度學(xué)習(xí)的不斷完善，識(shí)別率越來越高．

形色APP由杭州睿琪軟件有限公司與中國自然標(biāo)本館（CFH）合作開發(fā)，是2015年上線的一款識(shí)別花卉、分享附近花卉的APP應(yīng)用，可識(shí)別4 000種以上植物．其識(shí)別結(jié)果包括植物學(xué)名、花卉趣事、花語、植物價(jià)值、植物養(yǎng)護(hù)等信息，還有鑒定求助和一鍵生成美圖等功能，為用戶搭建了豐富的社交平臺(tái)．

花伴侶APP由魯朗軟件有限公司與中國科學(xué)院植物研究所合作研發(fā)，是2016年推出的一款基礎(chǔ)大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)算法的植物識(shí)別APP．該軟件以中國植物圖像庫的海量植物圖片為基礎(chǔ)，可識(shí)別5 000種以上的常見植物．除了智能識(shí)別的功能以外，還提供了附近地區(qū)物種的大數(shù)據(jù)，通過照片數(shù)量可以判斷哪些植物更易受到公眾關(guān)注[7]．

生命觀察APP是由中國科學(xué)院昆明植物研究所于2016年開發(fā)的一款自然觀察類公共科學(xué)應(yīng)用軟件，該軟件旨在建立一個(gè)由公眾、科學(xué)志愿者、生物學(xué)家支持的在線共享網(wǎng)絡(luò)，并通過自然觀察記錄的方式，完成全球生物多樣性地圖的繪制．該軟件不僅具備植物識(shí)別的功能，還針對(duì)野外植被調(diào)查和標(biāo)本采集記錄進(jìn)行了大量?jī)?yōu)化，方便科研工作者進(jìn)行大范圍野外調(diào)查．

2　3款植物識(shí)別APP準(zhǔn)確度比較與分析

為了測(cè)試形色、花伴侶和生命觀察3款軟件的準(zhǔn)確率，在南昌工程學(xué)院瑤湖校區(qū)隨機(jī)選取了52種植物進(jìn)行拍照識(shí)別．因軟件識(shí)別結(jié)果并不具唯一性，會(huì)有多個(gè)備選結(jié)果，因此選擇識(shí)別率最高的作為識(shí)別結(jié)果，記錄拉丁名、中文名、科名和屬名．參考許展慧[8]等的方法，按照生物分類階元的難易程度對(duì)識(shí)別結(jié)果賦予分值：識(shí)別結(jié)果精確到種，計(jì)4分；精確到屬，計(jì)2分；精確到科，計(jì)1分；識(shí)別錯(cuò)誤，計(jì)0分．

從總體識(shí)別與得分結(jié)果來看，形色得分最高，為163分，其次是生命觀察，為155分，花伴侶得分略低，為137分．3款A(yù)PP對(duì)植物科屬種識(shí)別的準(zhǔn)確率見圖1．由圖1可見，總體上準(zhǔn)確率由高至低依次為科＞屬＞種．3款A(yù)PP對(duì)科的識(shí)別準(zhǔn)確率比較接近，均在85%左右，其中以花伴侶準(zhǔn)確率最高，其次是形色，最后是生命觀察；對(duì)屬的識(shí)別準(zhǔn)確率均高于70%，形色和生命觀察準(zhǔn)確率相差不大，分別為79%，77%，花伴侶為71%；在種的識(shí)別中，形色和生命觀察準(zhǔn)確率均達(dá)到67%，而花伴侶的準(zhǔn)確率稍低，為48%．本次對(duì)比測(cè)試中，形色和生命觀察2款A(yù)PP總體表現(xiàn)較好，而花伴侶則稍遜一籌，推測(cè)部分植物缺少花和果實(shí)的照片可能是本次測(cè)試中花伴侶識(shí)別準(zhǔn)確率較低的原因．

圖1　3款植物識(shí)別APP對(duì)科屬種識(shí)別的準(zhǔn)確率

除了植物科屬種的識(shí)別，3款植物識(shí)別APP在功能上各有特色（見表1）．形色APP首頁有每日一花、趣味植物、花藝生活等多個(gè)板塊，識(shí)別結(jié)果在植物文化知識(shí)方面內(nèi)容較多，更加注重科普的趣味性，更適合學(xué)生和植物愛好者．花伴侶APP更注重科學(xué)性，其識(shí)別結(jié)果中對(duì)植物的形態(tài)特征描述詳細(xì)，首頁的附近板塊可在地圖上查看周圍植物，更適合于有一定基礎(chǔ)的植物科研人員．生命觀察的識(shí)別結(jié)果中對(duì)植物的介紹內(nèi)容來自于百度百科，在知識(shí)的準(zhǔn)確度上不如另2款A(yù)PP，但其最大的特色是可以建立團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目，多個(gè)成員共同參與協(xié)作，并自動(dòng)完成項(xiàng)目數(shù)據(jù)的匯總和統(tǒng)計(jì)，還可記錄植物照片的經(jīng)緯度并在地圖上顯示出來，方便區(qū)域內(nèi)的植被調(diào)查工作．另外，與傳統(tǒng)JPG格式的照片相比，HEIF格式體積減小了50%，但顏色卻更豐富，各大手機(jī)廠商（如蘋果、華為、小米等）均在大力推廣HEIF格式照片，目前形色和生命觀察2款A(yù)PP均已支持HEIF格式照片，而花伴侶還不支持，有待改進(jìn)．

表1　3款植物識(shí)別APP功能比較

3　植物識(shí)別APP在植物學(xué)野外實(shí)踐的應(yīng)用

3.1　幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)植物，提高學(xué)習(xí)效率

植物學(xué)是南昌工程學(xué)院園林本科專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，安排在大一上學(xué)期，共40個(gè)學(xué)時(shí)（理論24學(xué)時(shí)，實(shí)踐16學(xué)時(shí)）．植物分類知識(shí)基礎(chǔ)是否扎實(shí)直接影響到后續(xù)課程（如園林樹木學(xué)、園林花卉學(xué)）的學(xué)習(xí)效果．在學(xué)習(xí)植物學(xué)課程時(shí)，學(xué)生需在短時(shí)間內(nèi)掌握大量植物分類基本知識(shí)及常見植物識(shí)別要領(lǐng)，在野外實(shí)踐過程中運(yùn)用這些理論知識(shí)進(jìn)行植物識(shí)別和鑒定更是困難．并且，在野外實(shí)踐過程中往往生師比例很高[9]，使教師無法對(duì)每個(gè)學(xué)生進(jìn)行及時(shí)指導(dǎo)，學(xué)生在面對(duì)諸多陌生植物時(shí)往往不知所措，甚至產(chǎn)生放棄的念頭．對(duì)此，教師在講解植物分類知識(shí)的同時(shí)可引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用這類APP對(duì)植物進(jìn)行拍照記錄，熟悉植物學(xué)名及科屬名，有利于學(xué)生初步建立植物分類知識(shí)的基本認(rèn)知，讓學(xué)生能夠?qū)⒔處熤v解的知識(shí)點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)觀察的植物特征聯(lián)系起來，達(dá)到強(qiáng)化記憶的效果，從而提高學(xué)生進(jìn)行植物識(shí)別與鑒定的能力．

3.2　豐富植物學(xué)實(shí)踐教學(xué)知識(shí)內(nèi)容

植物識(shí)別APP除了可以識(shí)別植物的科屬種名以外，還可以擴(kuò)展出與植物相關(guān)的文化知識(shí)．如形色APP在識(shí)別結(jié)果里集合了詩詞賞花、趣說花草、花語、藥用價(jià)值、養(yǎng)護(hù)技巧等一系列知識(shí)，增加了學(xué)習(xí)的趣味性，可激發(fā)學(xué)生的好奇心與興趣，使學(xué)生對(duì)植物學(xué)名的記憶更加深刻．花伴侶更加注重科學(xué)性，識(shí)別結(jié)果中對(duì)植物的表形特征、分布地區(qū)、開花時(shí)節(jié)、名稱來歷等介紹較為詳細(xì)，更適合有一定分類基礎(chǔ)的植物愛好者和科研工作者使用．

3.3　擴(kuò)展植物學(xué)實(shí)踐教學(xué)資源

生命觀察APP注重學(xué)科性和社交性，可準(zhǔn)確記錄植物照片的經(jīng)緯度、海拔等信息，利用其強(qiáng)大的團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目功能，為集體進(jìn)行植物調(diào)查與實(shí)踐提供了極大便利．如通過創(chuàng)建南昌工程學(xué)院校園植物調(diào)查的團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目，讓每名學(xué)生加入到該項(xiàng)目中，并可以自由上傳植物照片，實(shí)現(xiàn)照片全員共享的功能．目前，本項(xiàng)目已有623條記錄1 240張照片素材，通過精選優(yōu)秀照片，建立了南昌工程學(xué)院校園植物電子資源圖冊(cè)，該資源圖冊(cè)既有利于本屆學(xué)生復(fù)習(xí)，又可作為下一屆學(xué)生的預(yù)習(xí)材料，也為校園植物科學(xué)普及提供了便捷．另外，通過高質(zhì)量植物照片的精選，學(xué)生對(duì)植物形態(tài)的理解也更加深刻，同時(shí)還提升了植物解剖學(xué)、植物攝影等多方面的知識(shí)與技能．

3.4　加強(qiáng)植物保護(hù)生態(tài)意識(shí)

在野外實(shí)踐的過程中，學(xué)生一般會(huì)對(duì)不認(rèn)識(shí)的植物進(jìn)行采集，在返回途中，每名學(xué)生往往都采集了一大袋植物樣本，可能會(huì)在不經(jīng)意間對(duì)珍惜保護(hù)植物造成破壞．因此，在采集之前先用植物識(shí)別軟件進(jìn)行拍照識(shí)別，這樣既可以避免類似的情況發(fā)生，又鍛煉了學(xué)生識(shí)別保護(hù)植物的能力，加強(qiáng)了學(xué)生植物保護(hù)的生態(tài)意識(shí)，有利于學(xué)生樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念．

4　結(jié)語

對(duì)植物進(jìn)行快速識(shí)別是植物識(shí)別APP最大的優(yōu)點(diǎn)，在植物學(xué)實(shí)踐教學(xué)中具有極大的應(yīng)用價(jià)值．積極引導(dǎo)學(xué)生對(duì)植物的形態(tài)特征進(jìn)行拍照記錄，在實(shí)踐教學(xué)中引入植物趣事等相關(guān)文化，不僅可以加深學(xué)生對(duì)植物分類知識(shí)的理解與掌握，還能鍛煉學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和探索的能力．同時(shí)，利用生命觀察中的團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目讓每名學(xué)生參與植物電子資源圖冊(cè)的建設(shè)，在提高學(xué)生積極性的同時(shí)還為植物科普提供了便捷．然而，植物識(shí)別類APP應(yīng)用于植物學(xué)實(shí)踐教學(xué)不可避免地會(huì)存一些弊端[10-11]．如學(xué)生在實(shí)習(xí)過程中過度依賴APP會(huì)導(dǎo)致其植物分類知識(shí)根基不穩(wěn)，造成使用植物檢索工具書的能力下降甚至丟失，一旦離開此類APP則無法進(jìn)行植物識(shí)別與分類．另外，植物識(shí)別APP的準(zhǔn)確度不是百分之百的，依然需要使用者根據(jù)分類知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行甄別，篩選出正確的結(jié)果．對(duì)于植物分類知識(shí)根基尚淺的學(xué)生來說，這樣會(huì)造成植物識(shí)別率有相當(dāng)大的誤差，甚至給學(xué)生形成錯(cuò)誤的認(rèn)知，不利于植物分類知識(shí)的系統(tǒng)建立．因此，在植物學(xué)實(shí)踐教學(xué)過程中，教師應(yīng)以傳統(tǒng)的植物分類教材和工具書為主，將植物分類基礎(chǔ)知識(shí)傳授給學(xué)生，再以植物識(shí)別APP輔助實(shí)踐教學(xué)，利用其優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，以實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果最優(yōu)化．

[1] 陳模舜，李鈞敏．植物學(xué)野外實(shí)習(xí)教學(xué)改革實(shí)踐與探討[J]．生物學(xué)雜志，2003（3）：43-45．

[2] 胡德昌，張萍，王仲禮等．高校植物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)過程中的問題及對(duì)策[J]．高校生物學(xué)教學(xué)研究（電子版），2017，7（1）：54-57．

[3] 馮虎元，牛炳韜，張立勛，等．生物學(xué)野外實(shí)習(xí)中學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)的探索與實(shí)踐：以蘭州大學(xué)生物學(xué)野外實(shí)習(xí)為例[J]．高等理科教育，2013（3）：95-98．

[4] 丁常宏，楊月瑩，栗明，等．?dāng)?shù)字圖像模式識(shí)別技術(shù)在植物葉片識(shí)別中的應(yīng)用[J]．世界林業(yè)研究，2016，29（5）：17-21．

[5] Neeraj Kumar，Peter N Belhumeur，Arijit Biswas，et al．Leafsnap：A computer vision system for automatic plant species identification[C]//European conference on computer vision Springer，Berlin：Heidelberg，2012：502-516．

[6] 王偉，王秀蘭，馮仲科，等．基于Android手機(jī)的樹木葉片識(shí)別系統(tǒng)[J]．廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，41（18）：164-167．

[7] 李敏．“花伴侶”：人工智能時(shí)代知識(shí)服務(wù)的新媒介[J]．出版參考，2018（8）：23-24．

[8] 許展慧，劉詩堯，趙瑩，等．國內(nèi)8款常用植物識(shí)別軟件的識(shí)別能力評(píng)價(jià)[J]．生物多樣性，2020，28（4）：524-533．

[9] 張海軍，張淑蘭，許龍，等．生物科學(xué)專業(yè)植物學(xué)野外實(shí)習(xí)教學(xué)模式體系構(gòu)建[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27（12）：187-190，193．

[10] 張海娜，魯向暉，劉佳麗．植物識(shí)別APP在“植物學(xué)”課程教學(xué)中的應(yīng)用[J]．中國林業(yè)教育，2018，36（4）：76-78．

[11] 胡剛，陸蘭甜，徐超昊，等．手機(jī)APP在輔助高校植物學(xué)和生態(tài)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J]．高師理科學(xué)刊，2022，42（9）：105-110．

Plant identification APPs applying in botany practice teaching

XIAO Changlong，ZHANG Haiyan，WANG Yanbo，ZHANG Hangxi，YU Benfeng

（School of Hydraulic and Ecological Engineering，Nanchang Institute of Technology，Nanchang 330099，China）

Botany is the professional basic course with strong theorization and practicality for the first-year studenst in university．The plant identification APP is of great importance in applying botany practice teaching along with the spread of smartphones and fast development of AI．Selects 3 plant identification APPs to compare and analyze the application values in botany practice teaching，and also the problem will be discussed simultaneously．The proper use of plant identification APPs not only can help the students to increase interests and positivity but also help the teachers to enrich teaching contents and resources，thus to achieve the best effect of teaching．

plant identifications APPs；botany；practice teaching

1007-9831（2023）01-0103-04

Q94∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2023.01.023

2022-09-08

南昌工程學(xué)院教學(xué)改革研究課題（2019JG038）

肖昌龍（1988-），男，湖北咸寧人，講師，博士，從事園林植物研究．E-mail：clxiao@nit.edu.cn

余本鋒（1978-），男，江西南豐人，教授，碩士，從事風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)研究．E-mail：yubenfeng@nit.edu.cn