校园植物信息系统构建与应用

沈广爽，刘 姣，李 双，李晶晶，阮维斌

（南开大学 生物实验教学中心，天津 300071）

随着高等教育的发展，高校校园信息化已取得显著成效，并在促进高等教育发展方面发挥了重要作用[1]。高校校园信息化不仅有利于营造大学生成长成才环境，有助于提高大学生的自我教育能力，更能促进学生学习方式的转变。教育信息化是教育发展的必然趋势[2-3]。各大高校都在建设属于自己的数字校园系统，是否拥有自己的数字校园系统已经成为衡量一个学校信息化是否完善的重要标准之一[4-7]。教育信息化不仅是一种信息技术的教育应用过程，更是一种教育思想、教育观念变化的过程，是一种基于创新教育有效地使用信息技术以实现创新人才培养的过程[8]。

就生命科学相关专业学生而言，植物学是专业基础课，也是受到广大动植物爱好者喜爱的一门课程。但目前植物学习的相关资料相对有限，人们只能通过一些图鉴和识别手册了解植物信息。这些材料往往比较陈旧，种类匮乏，单调乏味，缺少针对校园常见植物的更加开放和准确高效的鉴别和学习途径。

为此，针对南开大学校园植物制作标本库，建立了信息化数据库，以主动适应教育信息化的要求，方便学生和广大群众对校园植物定向检索和查阅。植物标本信息化是线下制作纸质版植物识别手册，再经过信息化手段处理数据，借助网络平台和手机软件实现实时查阅和浏览校园植物信息的过程。植物信息化能够实现线上与线下无缝衔接，全面而系统地为校园植物的识别搭建平台。通过信息化手段实现教育的目的，不仅能显著提高教学质量，同时也为广大植物爱好者提供丰富的学习资源和便捷的检索途径[9]。

1 标本制作和数据采集

校园植物通常种类繁多，不同植物的植物物候特征不同。对于裸子植物和被子植物，花期和果期是识别植物最佳的时期，如开花较早但花期短暂的连翘需要及时采集标本并记录影像数据，而凌霄的花期较长，记录数据时间相对灵活等。因此熟知每种植物的生长周期，合理设计和规划采集标本的时间对于校园植物标本的系统性收集和整理至关重要。

植物的标本制作采用传统的腊叶标本制作方法[10-11]，即将新鲜的植物材料修整姿态并用吸水纸压制干燥，随后上台纸装订制成标本。较小的草本植物需全株采集，木本植物主要采集叶、花和果，寄生植物需将寄主的部分结构同时采集。而对于高大的蔓生植物，则只能采集其一部分，并记录植株的高度与长度。为了便于植物标本的查阅和保存，对标本进行塑封处理,使植物标本更耐氧化、耐腐蚀。塑封之前在标本左上角放置6 cm÷9 cm 的植物照片，右下角添加植物标签，包括植物名称、拉丁名和科名。迄今为止，塑封标本已累计96 科，200 种植物，共计420 份标本。植物标本保存于我校生物实验教学中心并进行了编号（见图1），学生可以随时借阅。

图1 南开大学标本

由于标本份数有限，尚不能满足广大师生的植物学习需求，因此还需要建立网络数据库。建立网络数据库需要庞大且详尽的校园植物数据资料。根据我校校园情况，按照地标典型建筑物进行了28 个区域的划分，在每个区域根据所分布植物的花期和果期及生长的地理位置进行详细记录和定位。采集过程中注意拍摄技巧和识别特征、植物选景应全貌和近景分配得当，影像需要突出植物重要结构特征，如水杉的偶数羽状复叶、臭椿的腺点等特征。除此之外，还应注意以区域内重要建筑为背景，以便使用者能够直观地判断出该植物所处的具体方位，方便后期辨识。经过5 年多的跟踪统计和图像信息采集，植物特征的数据信息搜集已基本完备，物种数量覆盖校园95%以上。经统计，已记录我校典型植物104 科共计300 种。

通过标本制作使师生在植物识别最佳期过后仍有较好的学习参考资料，网络数据库的前期搜集和筛选为后期影像数据库的建立提供了丰富素材。

2 构建影像数据、创建NKplant 公众号

2.1 创建中国自然标本馆南开大学分站账户

中国自然标本馆中植物种类繁多，但对学生浏览学习没有针对性，往往存在浏览过后没有印象的情况。因此创建了自然标本馆账户，申请了南开大学分站（http://www.cfh.ac.cn/subsite/default.aspx?siteid=nank aisjjx），上传并共享校园植物影像数据，录入植物照片并附植物名称、拉丁名、俗名、分类地位、校园分布地点及特征描述（见图2）。其中，自然标本馆网站可进行电子数据的分类、存储与查阅。该网站作为专业的植物分类学网站，框架设计合理，易于操作，同种植物不限上传照片数量和照片文件大小，图像像素高，便于通过不同角度照片观察植物的局部特征。若上传的植物照片清晰度不足或者角度受限，用户可以访问网站上其他用户上传的植物照片，方便学习。

截至目前，自然标本馆账户已有照片数量3262张，涉及物种473 种，为校园植物检索平台提供了丰富的植物素材，用户可以按种名检索，也可以按科检索，每种植物包含多张不同角度的照片，便于学生识别记忆。

图2 中国自然标本馆南开大学分站

2.2 创建NKplant 校园植物微信公众号

基于目前微信的广泛使用和传播优势，为了更好地科普植物识别知识，创建了NKplant 微信公众号（见图3）。该公众号后台管理者可主动向用户推送校园植物科普文章，同时为增强公众号与用户之间的互动性，特添加关键字自动回复功能。用户可根据指定关键字，主动向后台管理者提取关键字关联的常规消息，用户向后台发送任意南开大学校园植物名称，即可获取关联到该植物关键字的详细信息和植物所在校园分布位置等重要信息。除此之外，用户可通过公众号下拉菜单获取校园植物常规知识，包括推荐植物科普网站、获取《南开大学校园植物识别手册》及植物识别技巧等信息。另外，微信用户如果在校园内或者校园外看

到不认识的植物，可以将植物照片发送至后台，经后台专业人士鉴定后将鉴定结果及植物信息推文及时发送回用户，实现一对一交流互动。

图3 NKplant 校园植物微信公众号

中国自然标本馆南开大学分站账户丰富了我国自然标本馆资源。在这个信息发达的时代，NKplant 公众号的创建为我校师生和广大参观我校校园的植物爱好者提供了一个更好的学习平台。

3 智能化、便捷化校园植物检索平台

为了便于学习植物和快捷检索，基于地图软件建立了区域检索、性状检索和名称检索，构建了南开大学校园植物检索平台（见图4）。该平台（http://39.108.136.105:96）可以通过PC 端查看。

为更好地适应用户使用习惯，提供更佳的用户体验效果，在网页版平台基础上开发了植物检索手机版，其内容与网页版相同，新增实时定位和智能识别功能，并有多种检索方式。

3.1 区域检索

以主要建筑群为划分依据，借助百度地图平台，将校园划分为28 个主要功能区域，统计分布在每个区域的植物种类，并将该区域植物的信息素材关联到对应区域（见图5），用户点击网站中校园具体分区即可获取分布在该区域的所有植物种类名称。点击相应植物名称即可弹出该植物的实地照片、拉丁名、分类地位、特征描述等详细信息的窗口。如在手机上使用该功能，网页会显示用户所处具体位置，根据位置用户可以更准确地选择需要查看的区域，点击之后会出现该区域包含的乔木和灌木。若种类较多难以辨识，可以继续使用“性状检索”功能，进而确定植物种类。该网站涉及植物种类300 余种，植物照片600 余张。

图4 南开大学校园植物检索平台

3.2 性状检索

本平台开发了“性状检索”功能，以实现用户点对点的植物特征检索，从定位检索具体植物。为满足不同知识背景的用户人群使用，植物的每个性状都配有相应的图像数据，方便用户进行性状选择。用户通过观察植物表型选择某些具体典型的植物特征，从而方便、快速、智能地获得符合检索要求的植物范围，高效锁定想要检索的植物种类，如植物类型（乔木、灌木、草木、藤本等）；叶的类型（单叶、偶数羽状复叶、奇数羽状复叶等）；叶序（交互互生、交互对生、簇生、轮生等）；叶型（倒卵形、倒心形、戟形等）；叶缘（波状、睫毛状、锯齿等）；叶尖（凹缺、渐尖等）；叶基（抱茎、戟形、箭形等）；叶着生（无柄、下延叶、叶鞘等）；花序（聚伞花序、柔荑花序、伞房花序、头状花序等）；花冠（唇形、蝶形、十字形、筒形等）；果实类型（翅果、蓇葖果、荚果等）；子房位置（上位子房、下位子房、周位子房等）；雄蕊花药类型（瓣裂、单体雄蕊、二强雄蕊等）等。用户在使用时，根据具体植物的生长状态选择最明显、最准确的植物性状进行检索，逐级选择，缩小范围，进而确定植物种类。

图5 校园平面区域划分图

3.3 名称检索和智能检索

如果想通过植物名称了解更多植物信息，可以通过植物名称进行检索。操作方法是点击首页的“全部植物”会出现所有植物名录，用户可以翻阅查看所要了解的植物，也可以直接输入植物名称进行检索，点击查看植物照片和植物描述。“智能检索”则是点击屏幕右上方“智能资源”，选择图片上传，可选择拍照或使用照片图库，在确定使用照片后，点击“图像识别”，系统可根据用户提供的照片，按相似度从高到低的顺序给出相符的所有植物的名称、拉丁名、别名、科名、属名以及相似度指数，简单快速，且不要求专业的知识背景，但不可避免存在对部分植物识别的准确性不高的情况。

通过搭建植物检索平台，能够根据植物名称直接进行检索，查阅植物的实景照片和详细特征描述；能够进行性状检索，提供植物不同部位的特征表型，实现对植物的定位和检索；能够选择区域检索，对该区域生长的植物进行初步探索，了解校园分区植物的生长遍布情况。

4 教学实践

“植物学”和“植物学实验”是生命科学专业的基础课，我校生命科学学院在大一下学期（春季学期）开设，此刻正值春暖花开，学生对校园植物开花植物会自然产生好奇心。而所建立的网站、鉴定软件以及微信公众号，可以为学生的学习提供强有力的帮助。为了夯实学生对植物学课堂学习的理论基础，教师要求学生完成校园植物拍照记录任务，包括不同角度不同时期的植物照片， 并对植物的重要特征进行专业描述。学生一方面可通过微信公众号输入植物名称，系统自动回复植物特征、植物照片和植物所在校园位置；另一方面，还可以利用校园植物检索平台，根据提供的位置，利用区域检索和性状检索查找自己所拍摄的植物。这一过程将信息化技术巧妙地引入原本枯燥的植物分类教学实践中，不仅提高了教学过程的趣味性、设计性和延展性，更增强了学生学习的主观能动性。

为了让更多的学生接触植物学，认识并了解身边的植物，我院为全校学生开设“基础生命科学导论实验”课程，校园植物鉴定作为其中一个重要的实验项目，不仅得到广大选课学生的认可和好评，而且也吸引了不少植物学爱好者以及校外来访参观者一同学习。课程组在全校范围内开展的校园植物信息系统推广活动反响热烈，使更多的植物爱好者了解并热爱身边的植物，爱护环境，大大提高了该信息系统的示范辐射作用[12-13]。

5 结语

课程组针对我校校园植物开展了多年研究，制作了植物标本，构建了植物数据网站，即自然标本馆网和南开大学校园植物检索平台（网页版/手机版）、NKplant 微信公众号，搭建了线上网络信息交流和共享平台，进一步完善了植物信息查询系统，最大限度地满足了用户对植物检索和植物科普的需求。这种创新又极具发展潜力的信息化学习手段，为学生随时随地学习植物知识提供了便捷途径，也方便了广大生物爱好者学习和交流，是开展校园生态文明建设的新途径，也为今后更大范围地普及植物知识，推广生态环保主题教育提供可靠经验。