基于植物认知的信息化实践教学平台设计与教学探究
发布时间：2020-02-10
摘 要: 二维码植物识别技术应用于校园植物识别和植物学野外实习，是移动智能发展的潮流，也是植物学教学改革的必然趋势。智能移动终端与植物二维码的结合，能够引导学生进行场景式教学，通过让学生扫码认知植物，自主学习，提高认知能力，增加学生的认知种类。通过设计和开发信息化实践教学平台“知植”APP，提高学生对植物认知的掌握程度，通过教学平台与实践教学相结合，整体提高植物认知的教学效果，为植物学野外实习的开展打下坚实的理论基础。
关键词: 植物认知; 信息化; 教学平台; 二维码树牌; 设计
近年来，利用信息化技术改进教学方式、提高教学效果，已成为教学改革的一个重点。从传统的以老师为中心的教学方式转变为以学生为中心的学习方式，是教育教学改革提出的要求，同时也是教育信息化发展的必然。[1]将二维码植物识别技术应用于校园植物识别和植物学野外实习，是移动智能发展的潮流，也是植物学教学改革的必然趋势。北方民族大学植物学教学团队开发、设计了一个更加直观有效的信息化教学平台，提高学生对植物认知的掌握程度，通过教学平台与实践教学相结合，整体提高植物认知的教学效果，为植物学野外实习的开展打下坚实的理论基础。
.一、植物认知教学现状及存在的问题
( 一) 教学方法的限制
传统的植物学野外认知实习，主要以标本采集和制作为主。这种方式对植物原生境的破坏和影响较大，且随着气候和生态环境的改变，一些过去常见的植物的采集也变得不再容易。因此，如果没有采集到这一部分植物种类，学生将无法了解这部分植物的外形特征、识别要点等。[2]此外，受限于实习时期的季节特征，学生对某植物的其他季节所体现出的形态特征，则很难产生直观认识。这就需要一个新的教学平台或手段，来代替标本采集的方法，减小标本采集不足对植物认知教学产生的影响。
( 二) 野外工作设备落后
野外工作设备落后，限制了植物学野外实习的效果，落后的装备不可能培养出高水平的技术人才。[3]受实习经费的限制，一些常用的植物志、检索表等和常备的实习工具如海拔仪、温湿度表、标本夹等都无法满足实习需要; [4]学生在实习过程中，由于缺乏先进的照相设备，多采用手机对植物进行拍摄，受限于手机型号和像素，收集到的照片资料良莠不齐。此外，与实习地点有关的植物名录、地区植物志等也严重不足，给查阅和检索带来一定困难，这些都直接影响最终的实习效果。因此，如何结合现代信息技术开发一个植物学认知与实习专用的智能教学平台来解决上述问题，非常关键。
( 三) 植物识别手机 APP 的现状及问题
以 IOS 系统的 APP Store 为例，目前国外的植物科 普 教 育 类 APP 下载量排名靠前的分别是 Leafsnap、Plantsnap、AudubonTree 等。而国内的植物识别类 APP 下载量排名靠前的则有“形色”“植物识别”“花伴侣”等。这些手机 APP 主要是通过拍照对植物的叶片或花卉形态进行识别，从而提供植物相关的名称和文字信息。国外的植物科普 APP 集百科全书的规范、严谨体例于一体，同时兼具便览式趣味科普读物的优点，在专业性的基础上更突出科普内容的鉴赏性与实用性。但由于地域性的 限 制，这些应用在我国大部分区域并不适用。[5]
而国内的植物科普 APP，主要集中在对植物名称的识别上，或同时加入娱乐社交功能，识别出来的植物，大多数只是进行简单的名称说明，配以精美的照片，但并不能对植物的识别技巧和方法起到良好的引导作用。由于技术的限制，也无法同时实现用户对植物科属种、植物学特征、文化背景和实用价值方面的了解需求。从专业的植物认知教学来说，除了植物名称的识别，这些 APP 并不能起到真正意义上的教学辅助作用。因此，结合实际教学需要，目前也急需一个资源完善的实践教学平台来帮助学生进行辅助学习。
二、智能教学平台 APP 的设计
为了更好地辅助学生进行自我学习，教学团队通过对校园植物和野外实习基地的植物进行大量的信息采集与整理，并结合二维码信息集成与扫描，制作相应的校园植物树牌，设计了一个与实际植物认知教学相结合的智能教学平台。
( 一) 植物信息采集与整理
1. 校园植物信息采集。丰富的校园植物是非常适合植物认知的教学资源，具有很强的科普价值。近年来，通过《植物学》《植物工厂化生产技术实验》等课程的学习，以及学生社团“花卉社”和 “标本社”上百位成员多年的努力，对北方民族大学校园内上百种植物进行了细致的考察和统计，对每种植物进行了照片拍摄和资料收集，2014 年，整理出《北方民族大学校园植物名录》，并编写《北方民族大学校园植物图集》，收录了 49 个科共 114 种植物。植物资料以科属种进行分类整理，对该植物的识别要点、植物学形态特征及园林用途和文化背景进行了归纳总结，集成进智能教学平台的 APP 中。
2. 实习基地植物采集。教学团队经过长达十余年的生物学野外综合实习的实践教学与植物数据采集，目前已经积累有野外实习基地几百种植物的照片和标本，并收集和整理了这些植物的分布区域、识别特征和用途等宝贵资料，整理有《六盘山自然保护区植物名录》《贺兰山自然保护区植物名录》等。并按照四季形态、识别特征、园林用途、经济价值等信息陆续集成进智能教学平台的 APP 植物数据库中。
( 二) 界面及功能设计
这款智能教学平台的 APP 目前以“知植”名命，主界面设计如图 1 所示( 概念图) 。
1. 植物数据库。主页为不同地点的植物数据库，包括“北方民族大学校园植物数据库”、野外实习基地“六盘山自然保护区植物数据库”。并设想后期可以进一步收集整理“银川市园林绿化植物数据库”，除了教学使用，也为广大市民提供一个科普平台。“知植”智能教学平台 APP 能够持续不断更新，当野外实习基地增加时，只需要增加相应实习基地的植物数据库进行添加，便可以更新平台的植物资源。当“知植”APP 用于市、区绿化科普时，也可以直接加载当地植物志，不仅利于学生进行校园认知，也可方便对市民进行植物科普。
2. 植物列表。植物列表为每个数据库点击进入的界面( 图 2，小图标图片来源于网络) ，可以通过左上角功能选择“科属种”分类查看，也可以选择“首字母( 按种名的汉语拼音排序) ”查看，便于学生进行植物查询。选择一种植物点击进入，便可以查看相应的植物信息，包括植物名称、科属种及拉丁名、形态特征、生长环境、分布范围、主要价值、植物文化等。点击右上角的“搜索”键，不仅可以通过植物名称进行检索，还可以通过“扫一扫” 选项，扫描校园中所对应的二维码树牌，对应到该植物的详细介绍。由于学生对植物的认知经常局限于第一次看到该植物时的季节特征，因此，在植物详细介绍中，还收集了能够体现该植物不同季节特征的照片，便于学生全面掌握该种植物的形态特征和识别要点。
3. 作业与考核。利用智能手机终端技术，还能够与教学相结合，安排学生在手机平台上完成植物认知与相关练习。在野外实习时，可以完成实习内容相关的专题练习，比如形态学专题、科的分类特征等。甚至未来还可以在平台上完成实习考核，以此来改变传统的考试方式，比如由教师现场指定十几种植物，让学生一一进行指认。这种考核模式耗时长，任务重，如果带队教师数量不足而学生较多，在有限的实习期内，很难快速完成对学生的考核。如果能够结合线上平台设计一套题库，每道题配以清晰美观的植物照片，再结合植物认知特征与形态学特征进行考核，学生只需要在手机上作答便可以完成。且每个同学所抽题库随机，避免重复。通过智能平台的后台管理系统，教师对学生进行作业、考试方面的管理，实现基于智能移动终端的学业评价模式。
( 三) 植物二维码树牌的设计
要让“知植”APP 与校园植物认知教学相结合，植物二维码树牌是重要的媒介。首先将植物数据库内容制作生成二维码图片，再设计出制作精美、排版艺术的树牌，通过微信或“知植”APP 扫一扫，就可以定向至相应的植物数据。二维码的制作采用了“活码”的方式，其优点是数据通过短网址保存在云端，因此印刷制作的树牌很长时间都无需修改，只需改写云端内容便可以更新植物信息，易于维护和扩展植物数据的内容，极大地方便了教学。
将二维码技术应用于植物识别，是移动智能发展的潮流和高校植物认知教学改革的必然趋势。据不完全统计，北方民族大学校园植物现存 49 个科共 114 种植物。如果运用二维码技术，就可以将植物的生物学特性、生态习性、产地分布以及园林价值等信息，通过手机智能教学平台“知植”APP，用文字、图片、语音等形式进行展示，生动有趣。学生可以在校园任何地点对各种园林植物进行认知，不受指导教师、环境季节的限制，而且还能够提高学生的自主学习兴趣与效率，对于非生物专业的全校其他学生，也能够起到科普的作用，可谓一举多得。
( 四) 教学应用
智能移动终端与植物二维码的结合，能够引导学生随时开展场景式教学。除了实习中教师的讲解认知，学生还能够通过扫描二维码树牌认知植物，进行自主学习，增加学生植物认知的种类。校园植物认知，是植物学野外实习的理论与实践基础，在进行野外实习之前，通过校园植物及相应的二维码，让学生不断地复习、巩固植物的形态特征、识别要点等，能够显著提升后期野外实习的教学效果，为学生夯实理论基础。当师生应用此平台进行野外实习时，不仅可以快速地查询和认知所遇到的植物种类，还能够避免野外工作期间携带厚重的植物志，使教学和检索更加方便快捷。此外，通过智能平台的后台管理系统，教师能够对学生的作业和考试进行信息化管理，极大地方便了教师对教学数据的统计和分析，实现基于智能移动终端的新的学业评价模式的改革。
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三、结语
通过智能教学平台“知植”APP 的开发，将校园植物数据库集成到智能手机终端，让学生能够在校园里随时扫描二维码树牌进行植物认知，不仅能够提高生物专业学生的专业素养，同时也能够让对植物感兴趣的全校师生受益，更重要的是，能够有效提升植物认知教学效果，帮助青年教师快速积累经验。首先，目前野外实习教学一线的人才奇缺，愿意从事野外实习教学的青年教师又由于认识植物物种有限，缺乏野外教学经验。通过智能教学平台“知植”APP，青年教师就可以进行自主学习，积累植物分类学相关的知识，通过校园扫码增加物种认知并了解各实习基地的常见物种，在较短的时间内成长为教学团队中重要的青年骨干力量。其次，在野外实习中，由于自然生境每年都在变化，学生即使某一年没有采集到某些植物种类的标本，也能在智能教学平台中，通过植物图片和详细的讲解，观察到这些植物的形态特征和识别要点，在实习时间有限的情况下，尽可能地去发现和识别身边更多的植物种类。第三，学生实习时间一般为大二或者大三，由于《植物学》是大一的基础课，很多学生在实习时都已经遗忘了植物学形态的相关基础知识，教师在指导实习时备感压力，通过“知植”APP 可以让学生通过专题练习，快速回忆和巩固植物认知所需要的基础知识，提升实习教学效果。第四，实习时指导教师总要携带厚重的植物检索表或植物志，为了减轻教学负担，提高教学资源利用率，由智能手机替代纸质的植物检索表是一个大胆的设想。由于技术原因，目前暂时还无法实现这个功能，但是，植物检索表的功能将是未来智能教学平台更新的方向之一。目前，“知植”APP 的界面和功能还在持续不断地更新与完善，如果用于市、区绿化科普时，还可以直接加载当地植物志，惠及大众。此外，智能教学平台的教学模式，未来还可以推广到动物学野外实习、真菌识别等其他生物学野外综合实习的教学中。因此，智能教学平台的应用与教学模式的改革探究，仍有大量的后续工作要做，这也是教学团队未来的工作核心与重点，具有非常重要的意义。
