校園植物信息系統構建與應用

沈廣爽，劉 姣，李 雙，李晶晶，阮維斌

（南開大學 生物實驗教學中心，天津 300071）

隨著高等教育的發展，高校校園信息化已取得顯著成效，并在促進高等教育發展方面發揮了重要作用[1]。高校校園信息化不僅有利于營造大學生成長成才環境，有助于提高大學生的自我教育能力，更能促進學生學習方式的轉變。教育信息化是教育發展的必然趨勢[2-3]。各大高校都在建設屬于自己的數字校園系統，是否擁有自己的數字校園系統已經成為衡量一個學校信息化是否完善的重要標準之一[4-7]。教育信息化不僅是一種信息技術的教育應用過程，更是一種教育思想、教育觀念變化的過程，是一種基于創新教育有效地使用信息技術以實現創新人才培養的過程[8]。

就生命科學相關專業學生而言，植物學是專業基礎課，也是受到廣大動植物愛好者喜愛的一門課程。但目前植物學習的相關資料相對有限，人們只能通過一些圖鑒和識別手冊了解植物信息。這些材料往往比較陳舊，種類匱乏，單調乏味，缺少針對校園常見植物的更加開放和準確高效的鑒別和學習途徑。

為此，針對南開大學校園植物制作標本庫，建立了信息化數據庫，以主動適應教育信息化的要求，方便學生和廣大群眾對校園植物定向檢索和查閱。植物標本信息化是線下制作紙質版植物識別手冊，再經過信息化手段處理數據，借助網絡平臺和手機軟件實現實時查閱和瀏覽校園植物信息的過程。植物信息化能夠實現線上與線下無縫銜接，全面而系統地為校園植物的識別搭建平臺。通過信息化手段實現教育的目的，不僅能顯著提高教學質量，同時也為廣大植物愛好者提供豐富的學習資源和便捷的檢索途徑[9]。

1 標本制作和數據采集

校園植物通常種類繁多，不同植物的植物物候特征不同。對于裸子植物和被子植物，花期和果期是識別植物最佳的時期，如開花較早但花期短暫的連翹需要及時采集標本并記錄影像數據，而凌霄的花期較長，記錄數據時間相對靈活等。因此熟知每種植物的生長周期，合理設計和規劃采集標本的時間對于校園植物標本的系統性收集和整理至關重要。

植物的標本制作采用傳統的臘葉標本制作方法[10-11]，即將新鮮的植物材料修整姿態并用吸水紙壓制干燥，隨后上臺紙裝訂制成標本。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構同時采集。而對于高大的蔓生植物，則只能采集其一部分，并記錄植株的高度與長度。為了便于植物標本的查閱和保存，對標本進行塑封處理,使植物標本更耐氧化、耐腐蝕。塑封之前在標本左上角放置6 cm÷9 cm 的植物照片，右下角添加植物標簽，包括植物名稱、拉丁名和科名。迄今為止，塑封標本已累計96 科，200 種植物，共計420 份標本。植物標本保存于我校生物實驗教學中心并進行了編號（見圖1），學生可以隨時借閱。

圖1 南開大學標本

由于標本份數有限，尚不能滿足廣大師生的植物學習需求，因此還需要建立網絡數據庫。建立網絡數據庫需要龐大且詳盡的校園植物數據資料。根據我校校園情況，按照地標典型建筑物進行了28 個區域的劃分，在每個區域根據所分布植物的花期和果期及生長的地理位置進行詳細記錄和定位。采集過程中注意拍攝技巧和識別特征、植物選景應全貌和近景分配得當，影像需要突出植物重要結構特征，如水杉的偶數羽狀復葉、臭椿的腺點等特征。除此之外，還應注意以區域內重要建筑為背景，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。經過5 年多的跟蹤統計和圖像信息采集，植物特征的數據信息搜集已基本完備，物種數量覆蓋校園95%以上。經統計，已記錄我校典型植物104 科共計300 種。

通過標本制作使師生在植物識別最佳期過后仍有較好的學習參考資料，網絡數據庫的前期搜集和篩選為后期影像數據庫的建立提供了豐富素材。

2 構建影像數據、創建NKplant 公眾號

2.1 創建中國自然標本館南開大學分站賬戶

中國自然標本館中植物種類繁多，但對學生瀏覽學習沒有針對性，往往存在瀏覽過后沒有印象的情況。因此創建了自然標本館賬戶，申請了南開大學分站（http://www.cfh.ac.cn/subsite/default.aspx?siteid=nank aisjjx），上傳并共享校園植物影像數據，錄入植物照片并附植物名稱、拉丁名、俗名、分類地位、校園分布地點及特征描述（見圖2）。其中，自然標本館網站可進行電子數據的分類、存儲與查閱。該網站作為專業的植物分類學網站，框架設計合理，易于操作，同種植物不限上傳照片數量和照片文件大小，圖像像素高，便于通過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，用戶可以訪問網站上其他用戶上傳的植物照片，方便學習。

截至目前，自然標本館賬戶已有照片數量3262張，涉及物種473 種，為校園植物檢索平臺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，便于學生識別記憶。

圖2 中國自然標本館南開大學分站

2.2 創建NKplant 校園植物微信公眾號

基于目前微信的廣泛使用和傳播優勢，為了更好地科普植物識別知識，創建了NKplant 微信公眾號（見圖3）。該公眾號后臺管理者可主動向用戶推送校園植物科普文章，同時為增強公眾號與用戶之間的互動性，特添加關鍵字自動回復功能。用戶可根據指定關鍵字，主動向后臺管理者提取關鍵字關聯的常規消息，用戶向后臺發送任意南開大學校園植物名稱，即可獲取關聯到該植物關鍵字的詳細信息和植物所在校園分布位置等重要信息。除此之外，用戶可通過公眾號下拉菜單獲取校園植物常規知識，包括推薦植物科普網站、獲取《南開大學校園植物識別手冊》及植物識別技巧等信息。另外，微信用戶如果在校園內或者校園外看

到不認識的植物，可以將植物照片發送至后臺，經后臺專業人士鑒定后將鑒定結果及植物信息推文及時發送回用戶，實現一對一交流互動。

圖3 NKplant 校園植物微信公眾號

中國自然標本館南開大學分站賬戶豐富了我國自然標本館資源。在這個信息發達的時代，NKplant 公眾號的創建為我校師生和廣大參觀我校校園的植物愛好者提供了一個更好的學習平臺。

3 智能化、便捷化校園植物檢索平臺

為了便于學習植物和快捷檢索，基于地圖軟件建立了區域檢索、性狀檢索和名稱檢索，構建了南開大學校園植物檢索平臺（見圖4）。該平臺（http://39.108.136.105:96）可以通過PC 端查看。

為更好地適應用戶使用習慣，提供更佳的用戶體驗效果，在網頁版平臺基礎上開發了植物檢索手機版，其內容與網頁版相同，新增實時定位和智能識別功能，并有多種檢索方式。

3.1 區域檢索

以主要建筑群為劃分依據，借助百度地圖平臺，將校園劃分為28 個主要功能區域，統計分布在每個區域的植物種類，并將該區域植物的信息素材關聯到對應區域（見圖5），用戶點擊網站中校園具體分區即可獲取分布在該區域的所有植物種類名稱。點擊相應植物名稱即可彈出該植物的實地照片、拉丁名、分類地位、特征描述等詳細信息的窗口。如在手機上使用該功能，網頁會顯示用戶所處具體位置，根據位置用戶可以更準確地選擇需要查看的區域，點擊之后會出現該區域包含的喬木和灌木。若種類較多難以辨識，可以繼續使用“性狀檢索”功能，進而確定植物種類。該網站涉及植物種類300 余種，植物照片600 余張。

圖4 南開大學校園植物檢索平臺

3.2 性狀檢索

本平臺開發了“性狀檢索”功能，以實現用戶點對點的植物特征檢索，從定位檢索具體植物。為滿足不同知識背景的用戶人群使用，植物的每個性狀都配有相應的圖像數據，方便用戶進行性狀選擇。用戶通過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，如植物類型（喬木、灌木、草木、藤本等）；葉的類型（單葉、偶數羽狀復葉、奇數羽狀復葉等）；葉序（交互互生、交互對生、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）；果實類型（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）；雄蕊花藥類型（瓣裂、單體雄蕊、二強雄蕊等）等。用戶在使用時，根據具體植物的生長狀態選擇最明顯、最準確的植物性狀進行檢索，逐級選擇，縮小范圍，進而確定植物種類。

圖5 校園平面區域劃分圖

3.3 名稱檢索和智能檢索

如果想通過植物名稱了解更多植物信息，可以通過植物名稱進行檢索。操作方法是點擊首頁的“全部植物”會出現所有植物名錄，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進行檢索，點擊查看植物照片和植物描述?！爸悄軝z索”則是點擊屏幕右上方“智能資源”，選擇圖片上傳，可選擇拍照或使用照片圖庫，在確定使用照片后，點擊“圖像識別”，系統可根據用戶提供的照片，按相似度從高到低的順序給出相符的所有植物的名稱、拉丁名、別名、科名、屬名以及相似度指數，簡單快速，且不要求專業的知識背景，但不可避免存在對部分植物識別的準確性不高的情況。

通過搭建植物檢索平臺，能夠根據植物名稱直接進行檢索，查閱植物的實景照片和詳細特征描述；能夠進行性狀檢索，提供植物不同部位的特征表型，實現對植物的定位和檢索；能夠選擇區域檢索，對該區域生長的植物進行初步探索，了解校園分區植物的生長遍布情況。

4 教學實踐

“植物學”和“植物學實驗”是生命科學專業的基礎課，我校生命科學學院在大一下學期（春季學期）開設，此刻正值春暖花開，學生對校園植物開花植物會自然產生好奇心。而所建立的網站、鑒定軟件以及微信公眾號，可以為學生的學習提供強有力的幫助。為了夯實學生對植物學課堂學習的理論基礎，教師要求學生完成校園植物拍照記錄任務，包括不同角度不同時期的植物照片， 并對植物的重要特征進行專業描述。學生一方面可通過微信公眾號輸入植物名稱，系統自動回復植物特征、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，根據提供的位置，利用區域檢索和性狀檢索查找自己所拍攝的植物。這一過程將信息化技術巧妙地引入原本枯燥的植物分類教學實踐中，不僅提高了教學過程的趣味性、設計性和延展性，更增強了學生學習的主觀能動性。

為了讓更多的學生接觸植物學，認識并了解身邊的植物，我院為全校學生開設“基礎生命科學導論實驗”課程，校園植物鑒定作為其中一個重要的實驗項目，不僅得到廣大選課學生的認可和好評，而且也吸引了不少植物學愛好者以及校外來訪參觀者一同學習。課程組在全校范圍內開展的校園植物信息系統推廣活動反響熱烈，使更多的植物愛好者了解并熱愛身邊的植物，愛護環境，大大提高了該信息系統的示范輻射作用[12-13]。

5 結語

課程組針對我校校園植物開展了多年研究，制作了植物標本，構建了植物數據網站，即自然標本館網和南開大學校園植物檢索平臺（網頁版/手機版）、NKplant 微信公眾號，搭建了線上網絡信息交流和共享平臺，進一步完善了植物信息查詢系統，最大限度地滿足了用戶對植物檢索和植物科普的需求。這種創新又極具發展潛力的信息化學習手段，為學生隨時隨地學習植物知識提供了便捷途徑，也方便了廣大生物愛好者學習和交流，是開展校園生態文明建設的新途徑，也為今后更大范圍地普及植物知識，推廣生態環保主題教育提供可靠經驗。