數字圖像技術在植物學教學中的應用

摘要：數字圖像技術是一項現代化的計算機技術，在很多領域已經得到了廣泛應用。我們首先簡要介紹了數字圖像技術的基本內容，然后簡述了本校本科生物專業植物學教學中引入數字圖像技術開展教學的幾個案例，并對數字圖像技術在教學應用中的優勢和缺陷進行了分析，并探索了發揮這些優勢以及消除缺陷的方法，為建設數字化的高校生物教學提出了一些設想。

關鍵詞：高校教育計算機數字圖像技術植物學

隨著計算機技術的迅速發展，越來越多的數字技術和軟件被應用到教學，特別是高等學校教學中[1]。為了緊跟時代的步伐，培養更多高素質的人才，我們教師隊伍需要不斷探索利用這些數字技術去解決教學和研究中所遇到的問題，提高教學的效率和水平。

植物學在很多高等院校生物專業內是一門專業基礎課程，現代教學中植物學課程的教學內容通常包含植物的結構解剖和植物的系統分類兩大部分[2、3]。由于現實中植物是三維實體，無論是植物的解剖結構還是分類都需要涉及到對植物多個結構層次多角度的觀察和對比，然而由于教學條件和教學時間的限制，課堂上教師通常很難采用植物實體來直觀而清楚地講解相關知識，這就可能造成學生對很多知識的理解和學習出現困難[3]。這些年來計算機已經相當普及，成為課堂教學的一個基本工具，而計算機數字圖像技術也比較成熟，很多相關的軟件也能被普通人所使用[4]。在我校的植物教學活動中，通過運用幾項數字圖像技術，我們克服了上述教學過程中所遇到的困難，并且初步建立了一套全新的數字教學方法，現就一些具體實踐情況進行總結分析，以期與相關教師共同探討。

一、現代數字圖像技術簡介

數字圖像技術又稱計算機圖像技術，包括計算機圖像生成技術和圖像處理技術兩方面內容。前者是通過計算機輸入數據生成所需要的二維或三維圖形的過程，后者是將輸入的圖像信號轉化為數字信號然后利用計算機加以處理的過程。這兩種技術都起始于上世紀中期，到現在已經發展出了豐富的內容，包含很多的方法。

計算機圖像生成技術常用的方法有二維圖形繪制、二維圖形構造、三維數據采集、三維圖形重構、三維圖形構造等，常用的軟件包括Coreldraw、AutoCAD、3dmax、Maya、Matlab等。計算機圖像處理技術常用方法包括圖像變換、圖像編碼壓縮、圖像增強與復原、圖像分割、圖像描述與圖像識別等，常用的軟件一般有Photoshop、Matlab等[5]。

計算機圖像技術已經在生活中的很多地方得到了應用，例如娛樂休閑中的電影特效制作、電子游戲模型生成、視頻錄制與播放等；衣食住行中的服裝數字化設計、室內裝飾設計、視頻安全監控等。

二、在植物學教學中運用數字圖像技術的典型教學案例

（一）植物各層次結構的清晰呈現

在植物根、莖的次生結構講解內容中，植物的次生生長過程是重點也是難點，其中植物細胞不同的分裂方式以及這些方式在次生生長中造成的不同結果等知識對學生而言不易理解，老師通常需要反復講解強調才能使學生記住這些知識點。為了讓學生更快更好的理解這些知識，我們用3dmax軟件做出了植物細胞的立體模型，并制作了細胞按不同方式分裂的動畫，然后將最終分裂的結果對應到組織器官層次展示出根或莖的宏觀變化，并配以擬人的卡通形象最終做成幻燈片或Flash。在課堂中，我們向學生播放我們的結果，只需要配以少量的講解，學生就能清楚整個植物次生生長過程，并能聯系微觀和宏觀結構。

又在植物繁殖結構章節的講解中，我們發現雌蕊結構部分的胎座類型按通常的講解很難被學生所接受，即使學生接受了也很難做到真正理解，遇到具體實物稍有變型就無法判別。為什么會有這樣的情況，我們通過與學生的交流了解到：一方面學生很難將書本上描述胎座的子房切面圖與真實子房的三維結構對應起來，另一方面這些胎座類型之間的關聯和差別不易弄清。為了幫助學生克服這一困難，我們首先使用3dmax軟件建立了多種子房的立體模型，通過在模型上添加橫向剖面和縱向剖面，直觀地將胎座類型與整個子房結構聯系起來；

（二）植物物種多視角對比無時空限制

傳統植物分類學的內容的教授方式一般為形態特征文字描述和代表物種圖片展示，由于文字的抽象性，加上圖片不能展示植物的全貌，學生們不易將文字特征與實物特征聯系起來，導致不少學生即使能夠記住很多分類學知識，但是在實際植物識別中無法準確運用。我們在植物系統分類的教學中借助了數字三維成像技術，首先通過數碼錄像設備和體視顯微鏡對植物個體或關鍵識別器官進行多角度拍攝，再結合三維重構軟件對拍攝的數碼圖片進行處理并重構為三維圖像并保存為通用文件格式。拍攝的植物材料選取教學科屬中的代表種活體植株，采集地和采集時間不受限制，并且可隨教學的開展不斷收集擴充。將所有拍攝處理后得到的三維文件按照書本上主流的分類系統建立文件系統，然后在課堂上運用三維互動操作軟件進行展示，并讓學生積極參與，多角度觀察數字材料掌握植物的分類知識和技巧。通過此方法的初步使用，不僅增強了學生對植物的識別能力而且減輕了教師每次上課前準備演示實體材料的負擔。

三、數字圖像技術在植物學教學中具有的優勢和缺陷

（一）多視角與多層次

數字圖像技術通過對實物圖片的處理或者人工建模技術能夠較好地還原實物的三維特性，在植物學教學中就可以將植物材料立體地展示出來，從而讓學生從多個角度觀察和分析材料，傳遞圖片所不能給出的信息。另外數字圖像技術通過計算機軟件能夠將植物體不同層次如：細胞、組織、器官、個體的形態結構展示在同一界面，幫助學生全面地認識植物結構以及結構的由來，這是一般的文字講述很難做到的。

（二）充分利用多媒體設備

我們采用的每一項數字圖像技術均需要用到計算機軟件，其中三維圖像軟件要求計算機具有較高的內存和運算速度，這一點能夠充分發揮現代計算機的優勢。另外有幾項數字圖像技術需要采用數碼相機和數字顯微鏡收集實物素材，而這兩大設備在現代生物教學中已比較普及，我們可以任何季節對目標植物的營養結構和繁殖結構材料進行圖像采集。

（三）對教師帶來較大的挑戰

雖然植物學教學中所使用的數字圖像技術并不要求教師對圖像處理技術有很深的了解，但是掌握幾種圖像軟件的基本操作是必須的。而對于一般的生物學教師而言，由于我們以前很少有機會接觸這些圖像軟件，而且計算機軟件基礎相對其他理工科專業教師偏弱，所以要想將這種技術熟練而深入地運用到植物學教學中，還需要我們自身多進行相關的學習和訓練，在有條件的情況下與其他學院或其他學校老師合作進行討論學習。

四、數字圖像技術在植物教學中的展望

數字圖像技術是當前比較流行的一類計算機技術，其應用價值很大，當然掌握難度也不小。在我們的教學過程中，需要不斷加強對教師軟件技能的培訓，另外還需根據教學的效果不斷思考和改進技術運用的方式和技巧。同時，我們不能忽略一個重要事實：植物學教學中，不管使用什么技術，都是作為一種教學手段，真正的教學目的是讓學生掌握植物學知識和技能[6、7]。所以我們在未來的植物學教學中，必須始終以植物學教學大綱為基礎，仍然以傳統的教學方法為主，只是在重點難點處考慮使用數字圖像技術，并設法依據植物學知識系統將技術運用系統化。最后，我們要充分調動學生的積極性，因為計算機知識的革新是非常迅速的，學生們往往需要掌握更多的計算機技能，我們可以讓學生一起運用計算機和其他多媒體設備收集和準備教學材料，師生在教學過程中共同進步。

參考文獻

[1]解麗芳、林宏輝.虛擬實驗室在本科生生物實驗教學中的作用[J].實驗技術與管理，2014（2）：114-115.

[2]周云龍.植物生物學[M].高等教育出版社，2011.

[3]倪福太、李長有、王占武、劉強、姜恩來.利用現代化教學手段改革植物學教學[J].生命世界，2009（2）：87-88.

[4]賀勝.常用多媒體課件制作軟件比較[J].邢臺職業技術學院學報，2002（12）：65-68.

[5]寧天夫.數字圖像處理技術的應用于發展[J].艦船電子工程，2009（1）：38-41.

[6]孫會忠、宋月芹.多媒體在植物學教學中的應用[J].教學園地，2006（3）：62-64.

[7]馮虎元、潘建斌、安黎哲.如何教好植物學，掃除“植物盲”[J].高等生物學教學研究，2015（9）：59-64.

作者簡介

黃嵐杰（1985.7-）男，漢族，湖北人，湖北大學研究生，研究方向：植物學。