植物识别APP辅助植物学实践教学_肖昌龙.pdf

第 43 卷 第 1 期 高 师 理 科 学 刊 Vol.43 No.1 2023 年 1 月 Journal of Science of Teachers College and University Jan.2023 文章编号：1007-9831（2023）01-0103-04 植物识别 APP 辅助植物学实践教学 肖昌龙，张海燕，王颜波，张航熙，余本锋（南昌工程学院 水利与生态工程学院，江西 南昌 330099）摘要：植物学课程具有很强的理论性和实践性，是高校新生最先接触的专业基础课程之一随着智能手机的普及与人工智能的高速发展，将植物识别类 APP 运用于植物学课程教学具有重要意义选取了 3 款常用植物识别 APP，形色、花伴侣和生命观察进行比较，分析其在植物学实践教学中的应用价值，并对其存在的问题进行探讨合理运用植物识别 APP 辅助植物学实践教学，不仅可以提升学生的学习兴趣和积极性，还可以丰富教学内容与资源，并实现教学效果最优化 关键词：植物识别 APPs；植物学；实践教学 中图分类号：Q94G642.0 文献标识码：A doi：10.3969/j.issn.1007-9831.2023.01.023 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）AbstractAbstract：Botany is the professional basic course with strong theorization and practicality for the first-year studenst in universityThe plant identification APP is of great importance in applying botany practice teaching along with the spread of smartphones and fast development of AISelects 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 Key wordsKey words：plant identifications APPs；botany；practice teaching 植物学是高等院校生物学、林学、生态学、生物多样性保护等专业开设的专业基础课程，是高校新生最先接触的专业核心课程之一植物学课程不仅包含丰富的理论知识，还具有很强的实践性植物系统分类是植物学实践教学的关键环节，植物识别与分类技能是后续课程（如园林树木学、花卉学、生态学）的重要基础1利用分类检索表可以根据植物外部形态将已知的 50 万余种植物准确鉴定到种然而，在植物学实践教学中，学生掌握植物分类知识并熟练运用检索表来鉴定植物十分耗时耗力，如何进行植物快速识别一直是植物学实践教学面临的难题2-3 随着数字化信息技术在各个领域的发展，特别是智能手机的普及，正不断地改变着人们生活、娱乐和学习的方式借助大数据和人工智能等技术，许多开发者相继设计出可以识别植物的手机应用软件（简称APP）4在植物学野外实践的过程中，引导学生利用这类 APP 对不熟悉的植物进行拍照记录，并快速查询该植物科属种的相关信息，有利于学生快速提升识别植物的能力本文选取下载量大且评分较高的 3 款 收稿日期：2022-09-08 基金项目：南昌工程学院教学改革研究课题（2019JG038）作者简介：肖昌龙（1988-），男，湖北咸宁人，讲师，博士，从事园林植物研究E-mail： 通信作者：余本锋（1978-），男，江西南丰人，教授，硕士，从事风景园林规划设计研究E-mail： 104 高 师 理 科 学 刊 第 43 卷 植物识别 APP（形色、花伴侣和生命观察），综合对比这 3 款 APP 的识别能力，并探讨这类 APP 在植物学实践教学中的应用价值和潜在问题 1 植物识别 APP 介绍 植物识别 APP 的基本原理是基于图像识别技术提取拍摄对象的叶、花、果实等器官的形态特征，与植物图片数据库进行对比寻找最接近的植物，以实现对植物的识别与鉴定2012 年基于 IOS 系统开发的一款名为 Leafsnap5的叶片识别 APP，尽管准确度不高，但依然为植物爱好者认识植物提供了便利随后，基于Android 平台的植物叶片识别 APP 被陆续开发出来王伟6等以 SVM 作为分类器的 APP 对毛山荆子、海桐等 13 种植物的识别正确率达到 90%以上至今国内植物识别 APP 有 10 余款，如百度识图、形色、微软识花、花伴侣、生命观察、花帮主等，这些 APP 识别的准确度随着深度学习的不断完善，识别率越来越高 形色 APP 由杭州睿琪软件有限公司与中国自然标本馆（CFH）合作开发，是 2015 年上线的一款识别花卉、分享附近花卉的 APP 应用，可识别 4 000 种以上植物 其识别结果包括植物学名、花卉趣事、花语、植物价值、植物养护等信息，还有鉴定求助和一键生成美图等功能，为用户搭建了丰富的社交平台 花伴侣 APP 由鲁朗软件有限公司与中国科学院植物研究所合作研发，是 2016 年推出的一款基础大数据和深度学习算法的植物识别 APP该软件以中国植物图像库的海量植物图片为基础，可识别 5 000 种以上的常见植物除了智能识别的功能以外，还提供了附近地区物种的大数据，通过照片数量可以判断哪些植物更易受到公众关注7 生命观察 APP 是由中国科学院昆明植物研究所于 2016 年开发的一款自然观察类公共科学应用软件，该软件旨在建立一个由公众、科学志愿者、生物学家支持的在线共享网络，并通过自然观察记录的方式，完成全球生物多样性地图的绘制该软件不仅具备植物识别的功能，还针对野外植被调查和标本采集记录进行了大量优化，方便科研工作者进行大范围野外调查 2 3 款植物识别 APP 准确度比较与分析 为了测试形色、花伴侣和生命观察 3 款软件的准确率，在南昌工程学院瑶湖校区随机选取了 52 种植物进行拍照识别 因软件识别结果并不具唯一性，会有多个备选结果，因此选择识别率最高的作为识别结果，记录拉丁名、中文名、科名和属名参考许展慧8等的方法，按照生物分类阶元的难易程度对识别结果赋予分值：识别结果精确到种，计 4 分；精确到属，计 2 分；精确到科，计 1 分；识别错误，计 0 分 从总体识别与得分结果来看，形色得分最高，为 163 分，其次是生命观察，为 155 分，花伴侣得分略低，为 137 分3 款 APP 对植物科属种识别的准确率见图 1由图 1 可见，总体上准确率由高至低依次为科属种3 款 APP 对科的识别准确率比较接近，均在 85%左右，其中以花伴侣准确率最高，其次是形色，最后是生命观察；对属的识别准确率均高于 70%，形色和生命观察准确率相差不大，分别为 79%，77%，花伴侣为 71%；在种的识别中，形色和生命观察准确率均达到 67%，而花伴侣的准确率稍低，为 48%本次对比测试中，形色和生命观察 2 款 APP 总体表现较好，而花伴侣则稍逊一筹，推测部分植物缺少花和果实的照片可能是本次测试中花伴侣识别准确率较低的原因 图 1 3 款植物识别 APP 对科属种识别的准确率 第 1 期 肖昌龙，等：植物识别 APP 辅助植物学实践教学 105 除了植物科属种的识别，3 款植物识别 APP 在功能上各有特色（见表 1）形色 APP 首页有每日一花、趣味植物、花艺生活等多个板块，识别结果在植物文化知识方面内容较多，更加注重科普的趣味性，更适合学生和植物爱好者花伴侣 APP 更注重科学性，其识别结果中对植物的形态特征描述详细，首页的附近板块可在地图上查看周围植物，更适合于有一定基础的植物科研人员生命观察的识别结果中对植物的介绍内容来自于百度百科，在知识的准确度上不如另 2 款 APP，但其最大的特色是可以建立团队项目，多个成员共同参与协作，并自动完成项目数据的汇总和统计，还可记录植物照片的经纬度并在地图上显示出来，方便区域内的植被调查工作另外，与传统 JPG 格式的照片相比，HEIF 格式体积减小了 50%，但颜色却更丰富，各大手机厂商（如苹果、华为、小米等）均在大力推广 HEIF 格式照片，目前形色和生命观察 2款 APP 均已支持 HEIF 格式照片，而花伴侣还不支持，有待改进 表 1 3 款植物识别 APP 功能比较 功能 APP 形色 花伴侣 生命观察 科属种名识别 有 有 有 准确率显示 无 有 有 形态特征 无 有 有 每日一花 有 无 无 植物趣闻 有 有 无 花艺生活 有 无 无 诗词文化 有 有 无 价值与养护 有 有 有 是否展示附近植物 否 是 是 是否支持团队项目 否 否 是 是否支持 HEIF 是 否 是 3 植物识别 APP 在植物学野外实践的应用 3.1 帮助学生认识植物，提高学习效率 植物学是南昌工程学院园林本科专业的学科基础课，安排在大一上学期，共 40 个学时（理论 24 学时，实践 16 学时）植物分类知识基础是否扎实直接影响到后续课程（如园林树木学、园林花卉学）的学习效果在学习植物学课程时，学生需在短时间内掌握大量植物分类基本知识及常见植物识别要领，在野外实践过程中运用这些理论知识进行植物识别和鉴定更是困难 并且，在野外实践过程中往往生师比例很高9，使教师无法对每个学生进行及时指导，学生在面对诸多陌生植物时往往不知所措，甚至产生放弃的念头 对此，教师在讲解植物分类知识的同时可引导学生运用这类 APP 对植物进行拍照记录，熟悉植物学名及科属名，有利于学生初步建立植物分类知识的基本认知，让学生能够将教师讲解的知识点与现场观察的植物特征联系起来，达到强化记忆的效果，从而提高学生进行植物识别与鉴定的能力 3.2 丰富植物学实践教学知识内容 植物识别 APP 除了可以识别植物的科属种名以外，还可以扩展出与植物相关的文化知识如形色 APP在识别结果里集合了诗词赏花、趣说花草、花语、药用价值、养护技巧等一系列知识，增加了学习的趣味性，可激发学生的好奇心与兴趣，使学生对植物学名的记忆更加深刻花伴侣更加注重科学性，识别结果中对植物的表形特征、分布地区、开花时节、名称来历等介绍较为详细，更适合有一定分类基础的植物爱好者和科研工作者使用 3.3 扩展植物学实践教学资源 生命观察 APP 注重学科性和社交性，可准确记录植物照片的经纬度、海拔等信息，利用其强大的团队项目功能，为集体进行植物调查与实践提供了极大便利如通过创建南昌工程学院校园植物调查的团队项目，让每名学生加入到该项目中，并可以自由上传植物照片，实现照片全员共享的功能目前，本项目已有 623 条记录 1 240 张照片素材，通过精选优秀照片，建立了南昌工程学院校园植物电子资源图册，该资源图册既有利于本届学生复习，又可作为下一届学生的预习材料，也为校园植物科学普及提供了便捷另外，通过高质量植物照片的精选，学生对植物形态的理解也更加深刻，同时还提升了植物解剖学、植物摄影等多方面的知识与技能 106 高 师 理 科 学 刊 第 43 卷 3.4 加强植物保护生态意识 在野外实践的过程中，学生一般会对不认识的植物进行采集，在返回途中，每名学生往往都采集了一大袋植物样本，可能会在不经意间对珍惜保护植物造成破坏因此，在采集之前先用植物识别软件进行拍照识别，这样既可以避免类似的情况发生，又锻炼了学生识别保护植物的能力，加强了学生植物保护的生态意识，有利于学生树立和践行绿水青山就是金山银山的理念 4 结语 对植物进行快速识别是植物识别 APP 最大的优点，在植物学实践教学中具有极大的应用价值 积极引导学生对植物的形态特征进行拍照记录，在实践教学中引入植物趣事等相关文化，不仅可以加深学生对植物分类知识的理解与掌握，还能锻炼学生进行自主学习和探索的能力同时，利用生命观察中的团队项目让每名学生参与植物电子资源图册的建设，在提高学生积极性的同时还为植物科普提供了便捷然而，植物识别类 APP 应用于植物学实践教学不可避免地会存一些弊端10-11 如学生在实习过程中过度依赖 APP 会导致其植物分类知识根基不稳，造成使用植物检索工具书的能力下降甚至丢失，一旦离开此类 APP 则无法进行植物识别与分类另外，植物识别 APP 的准确度不是百分之百的，依然需要使用者根据分类知识与经验对结果进行甄别，筛选出正确的结果对于植物分类知识根基尚浅的学生来说，这样会造成植物识别率有相当大的误差，甚至给学生形成错误的认知，不利于植物分类知识的系统建立因此，在植物学实践教学过程中，教师应以传统的植物分类教材和工具书为主，将植物分类基础知识传授给学生，再以植物识别APP 辅助实践教学，利用其优点弥补传统教学方法的不足，以实现教学效果最优化 参考文献：1 陈模舜，李钧敏植物学野外实习教学改革实践与探讨J生物学杂志，2003（3）：43-45 2 胡德昌，张萍，王仲礼等高校植物学实验课程教学过程中的问题及对策J高校生物学教学研究（电子版），2017，7（1）：54-57 3 冯虎元，牛炳韬，张立勋，等生物学野外实习中学生综合素质培养的探索与实践：以兰州大学生物学野外实习为例J高等理科教育，2013（3）：95-98 4 丁常宏，杨月莹，栗明，等 数字图像模式识别技术在植物叶片识别中的应用J 世界林业研究，2016，29（5）：17-21 5 Neeraj Kumar，Peter N Belhumeur，Arijit Biswas，et alLeafsnap：A computer vision system for automatic plant species identificationC/European conference on computer vision Springer，Berlin：Heidelberg，2012：502-516 6 王伟，王秀兰，冯仲科，等基于 Android 手机的树木叶片识别系统J广东农业科学，2014，41（18）：164-167 7 李敏“花伴侣”：人工智能时代知识服务的新媒介J出版参考，2018（8）：23-24 8 许展慧，刘诗尧，赵莹，等国内 8 款常用植物识别软件的识别能力评价J生物多样性，2020，28（4）：524-533 9 张海军，张淑兰，许龙，等生物科学专业植物学野外实习教学模式体系构建J实验技术与管理，2010，27（12）：187-190，193 10 张海娜，鲁向晖，刘佳丽植物识别 APP 在“植物学”课程教学中的应用J中国林业教育，2018，36（4）：76-78 11 胡刚，陆兰甜，徐超昊，等手机 APP 在辅助高校植物学和生态学教学中的应用J高师理科学刊，2022，42（9）：105-110