APP辅助药用植物学野外实习教学改革的探索

颜齐，姜蓝，吴清华1,，裴瑾1,，文飞燕1,，周涛1,，陈江1,

药用植物学是中药学相关专业学生的必修基础课，其所涵盖的药用植物形态、分类、结构等理论知识是中药资源学、中药鉴定学、中药炮制学等后续专业课程的必要基础。野外实习是药用植物学课程设计体系中不可或缺的实践部分，其旨在培养学生野外鉴别药用植物科属、查找检索表、鉴定植物学名以及采集、制作标本的能力，是验证以及巩固理论课程学习的重要途经，是训练学生将理论与实践相结合的重要手段，是培养学生动手能力、自主探索、创新能力的重要方法，对于提高学生热爱自然、保护环境也具有重要意义。因此如何进行野外教学设计、提高教学质量是贯穿药用植物学课程发展的核心问题[1]。

随着移动终端摄影技术的成熟以及大数据云计算的蓬勃发展，以手机APP为载体的植物识别类APP层出不穷。我校药用植物学课程组在野外实习教育改革的不断探索中发现，该类植物识别APP在高校药用植物学野外实习中可能具有如下方面潜能：（1）学生在野外实习中可以利用APP对未知植物进行识别辨认并明晰其学名、所属科属、形态特征等，从而对实习内容进行有效补充。（2）学生可以利用APP拍摄植物生境图片存入手机便于课后记忆观察。（3）利用APP的社交平台促进老师与学生以及学生之间的互动交流，同时为过程考核提供载体。（4）利用APP图册建立功能辅助制作野外实习电子图册。由此可见，植物识别类APP在高校药用植物学野外实习中巨大应用潜能。

在我校药用植物学课程体系的发展中，传统野外实习模式暴露出一定弊端。野外实习教学改革亟待新媒体元素的加入与创新。据此，本文拟针对传统野外实习模式的弊端，选取三款下载量较大、评分较高[2]的植物识别类APP-花伴侣、形色、Biotracks进行对比分析，综合对比三款APP的识别能力以及功能完善度等诸多因素，挑选出适用于药用植物学野外实习教学的辅助软件，并探讨其运用于野外实习的具体实施方案。

1 传统野外实习模式存在的弊端

1.1 教学结构不合理

近年，由于国家对中医药学科发展的重视，中药学及相关专业学生不断扩招，而药用植物学师资数量有限[3]。野外实习时常常由一名指导教师带领十几名乃至几十名学生进行沿途讲解，所有学生集中听老师讲解时由于山路狭窄、场地限制，知识的传授与接收受阻。此外，由于师资人数远小于学生数量，教师难以兼顾所有同学所提困惑，对于学习积极性较低、不愿主动请教又无法自主解决问题的学生便更难以达到实习教学效果。

1.2 教学模式单一

多数高校传统药用植物野外实习模式分为三个阶段：第一阶段，要求学生准确掌握植物形态描述的专业术语以及植物分类基础知识；第二阶段，指导教师带领学生沿固定路线讲解植物学名、形态特征等分类学知识，学生采集植物标本后回基地进行复习；第三阶段，教师带领学生复习，并加强对药用植物分类学知识的学习。在第二阶段教学中，由于实习的时限性以及教学大纲对学生知识掌握的要求，教师在实习过程中会讲解二百余种药用植物，由于学生的植物学基础知识相对薄弱，对于教师直接讲解的植物学知识大多采取死记硬背的方式，往往忽略对知识点的消化理解以及灵活运用。这种“填鸭式”教学模式[4]使得学生接受的知识表浅且零碎，不仅较易遗忘，还会负面调动学生学习积极性，打击学生自信心。

1.3 考核方式不完善

多数高校的传统药用植物野外实习考核是基于学生准确认识药用植物并熟悉其所属科属的数量、标本制作的数量及质量进行评价[5]。大多考核方式侧重于对结果的评定，而忽略了对其过程的考核，可能导致自主学习性差的学生不认真参与植物鉴别与学习，依赖于小组其他成员进行标本鉴定工作，如此其动手实践、分析问题、解决问题的能力将难以得到训练。

1.4 保护植被遭受破坏

药用植物学野外实践教学安排中，标本的采集与制作是一项重要的内容[6]。然而在采摘植物的过程中，尽管教师已提前告知学生保护植物的种类，告诫不能随意采摘，但由于学生植物学基础知识较薄弱，其在多数情况下不能独立准确辨别保护植物种类，导致保护植物被采摘践踏，保护植被遭受破坏，甚有可能造成实习基地生态环境的恶化。

基于以上所提药用植物学传统野外实习模式中呈现的诸多弊端以及植物识别类APP在高校药用植物学野外实习中的巨大潜能，本文选取花伴侣、形色、Biotracks三款植物识别软件，综合对比其识别准确率以及功能完善度，挑选出适宜于药用植物学野外实习的最佳辅助软件并探讨其运用于野外实习的具体实施方案。

2 三款APP的运用及分析

2.1 三款植物识别APP的运用

本文选择的测试软件为形色、花伴侣、Biotracks三款。在挑选测试软件的过程中，首先于手机端应用商城中以“植物识别”为关键词进行搜索[7]，选取了与关键词相关性较大、评分较高、下载量较多的两款软件花伴侣、形色，同时择取并添加了与学科存在较高专业相关性的软件——Biotracks，最终确定该三款软件为测试对象，运用于成都中医药大学中药学、中药资源与开发专业的药用植物学野外实习中。参与测试的学生共分为8个小组，每个小组规定使用以上三款APP识别至少100种药用植物，并分别记录三款APP对每一种植物的识别率数值。

2.2 三款APP的识别率差异分析

2.2.1 数据处理方法 为便于分析，在对8个小组收集的数据进行处理时，采取如下措施：（1）应用花伴侣、Biotracks平台识别处理时，以平台得出的可信度数值作为该样本的识别率[8]；（2）应用形色平台识别处理时，将能否准确识别的植物数据分别记录为100%（能够准确识别）和0%（不能准确识别）。（3）8个小组共计收集855组数据，除去重复，整理后共收集420种植物。因每组同学所选拍摄角度、设备及背景差异，不同组别使用同一APP识别时，同一种植株的识别率存在差异，故按照植物名，将420种植物分类汇总，将各个组所识别的相同植物排列在一起，从而便于求出三款软件分别对于同一种植物的识别率平均值，将这个平均值作为此软件对于该植物的最终识别率。

本次数据利用Microsoft Office Excel 2016统计软件进行分析，剔除由于同学们的疏忽而导致的空白数据44组，最终分析数据为811组，植物种类为405种。

2.2.2 结果与分析 图1展示了3款软件对于所统计药用植物的平均识别率，从总体识别率来看，形色的识别率最高，花伴侣的识别率与之接近，而Biotracks的识别率与前两者相较明显偏低。

图2呈现了3款APP对于所统计药用植物的识别率分布比例，其中形色识别率大于70%的部分占比最高（68.80%），Biotracks识别率大于70%的部分占比最低（15.71%）。

图3展示了3款APP对于所统计植物中不同生长型的识别率。从总体来看，形色APP对于各种生长型植物的识别率均为最高（草本：81.06%；草质藤本：77.32%；木质藤本：73.95%；乔木：69.64%；灌木：71.00%）。在五种生长型植物中，3款APP均对草本的识别率最高，对灌木或乔木的识别率最低。

由图3可知，形色较其他两款软件，总体识别率、高识别率占比、不同生长型植物的识别率均较高。故就识别率而言，形色APP为最佳选择。

2.3 三款APP的功能及识别结果对比

三款APP均结合了人工智能深度学习功能，基于大数据算法自主进行图片匹配实现拍照识图，由于开发者设计理念不同，三款APP的功能及识别结果侧重点亦有所差异[9]。通过对三款APP的多次运用，从其功能、识别结果两个方面进行对比，得到三款软件功能对比表（表1）及识别结果对比表（表2）。

表1 花伴侣、形色、Biotracks功能对比

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表2 花伴侣、形色、Biotracks识别结果对比

从表1可知：三款植物识别软件在拍照识图的基础功能上增设了能体现社交性、趣味性以及科学性的其他功能，但又各有不同，如（1）社交性：三款软件均为用户搭建了社交平台，用户可以上传不能自主鉴别的植物至平台中寻求帮助，进行交流分享。此外，均设有“地图”导航栏，会自动定位用户位置进行导航，并为用户推送周边景点和植物。花伴侣和Biotracks增设有动态功能，用户可以上传发布个人心情、足迹，社交性更强。（2）趣味性：在APP的趣味性表达方面，形色最为突出，其首页呈现的即为户外赏花、趣味植物、花艺生活等趣味栏目，植物推文也注重趣味性。此外，形色开设有每日一花的答题活动便于用户进行识花签到，花伴侣APP同样设有植物文章推送和识花大挑战，但未设有签到功能。Biotracks未开设签到、识花游戏等功能，缺乏趣味性。（3）科学性：三款APP均可保存记录用户拍摄的植物，方便后期查阅。其中，Biotracks最为突出，学者们可以通过创建团队或个人项目，上传图片进行学术交流，并整理成植物图库，而花伴侣与形色则不具有创建项目以及共建植物图库的功能。

从表2中可以看出：三款APP都可以识别到植物科属。Biotracks的识别结果与花伴侣和形色存在较大差异，Biotracks是一款用于观察、记录的软件，其对植物的识别仅限于科属以及可信度，侧重于用户自主探索植物，通过用户添加的植物生境等信息，完成全球生物多样性地图的绘制。花伴侣和形色的识别结果中均会呈现所识别植物的诗词、植物寓意、养护技术，这两款APP所呈现的识别结果存在以下三点区别：（1）花伴侣运用专业术语大篇幅介绍植物表型特征，而形色则更侧重于呈现植物的文化趣闻。（2）花伴侣对于植物的价值介绍更偏向于药用价值，形色则偏向于观赏价值。（3）在花伴侣的识别结果中有可信度信息，用户可以根据可信度判别识别程度高低，而形色没有可信度信息，需用户对比识别植物图片和识别结果图片自行判别较准确的识别结果。由此可见形色更偏向于科普性质，详细介绍植物的文化趣事增加用户对植物探索的兴趣。花伴侣更具有科学性质，运用专业术语详细介绍植物的表型特征、药用部位、药用价值。

3 APP辅助教学的建议实施方案

3.1 APP的交叉使用方案

对三款软件进行统计数据分析，功能、识别结果对比后，本文拟选择形色、Biotracks两款软件进行交叉使用，作为药用植物学野外实习辅助工具。形色的识别功能最为强大，能保证学生所识植物的准确性，且其功能的开发以及识别结果的展示更注重趣味性，能激发学生的好奇心与学习兴趣。Biotracks则侧重于学科性以及社交性的开发，对于植物的位置（经纬度、海拔信息）描述准确科学，记录功能强大，最为特殊的是可以创建团队项目，共建植物图册[10]。

基于此，现提出以下方案：（1）首先使用形色对所观察的植物进行识别，在保证高可信度的情况下，对植物形成初步认识。再结合中国植物志、iplants等网站，核实并熟悉该植物科属特性，如此形成较为完整科学的自学方案，减少“填鸭式”教学模式所带来的弊端，加深学生对药用植物的认识。（2）在保留原有考核方式基础上，结合Biotracks软件功能，将其作为学生们过程成绩的考核载体。由教师创建团队项目，将学生们每日所上传植物的识别结果以及学生们的讨论参与度作为过程考核凭据。同时，教师可以督促学生对需要掌握的植物进行全面复习，避免知识拖欠现象的频发，利用网络（平台媒介）对学生的过程表现情况进行记录考核；（3）运用Biotracks共建植物图册的功能协助建成我校药用植物学电子实习图册以及峨眉山药用植物资源图册；（4）结合Biotracks平台会自动定位所拍摄植物的经纬度以及海拔的功能特点，教师筛选学生们上传的植物识别信息后，上传优秀拍摄作品至共享平台将有助于世界生物地图的绘制[11]。

3.2 教师教学方案

3.2.1 讲解前运用APP初步认识植物 在传统药用植物野外实习教学模式中，由于学生药用植物学基础知识薄弱，所识植物种类有限，对于教师直接讲解的植物知识感到陌生，难以具象化，知识来源于被动记录指导老师所讲解的植物形态和结构特征，难以将植物分类学理论体系和具有多样性的野外植物物种特征相联系[12]。对此，教师在讲解之前应当引导学生运用APP拍照识别植物，了解植物学名、科属，对植物形成初步认识，以便于在讲解之时，学生能将所观察的植物特征与讲解知识对应，加深理解，达到更佳记忆以及学习效果。

3.2.2 拍摄时确保APP达到最高识别率 从以往运用APP辅助野外实习所总结的经验来看，拍摄时间不够以及拍摄角度不标准会影响APP对植物的识别率。由于拍摄时间不足，学生会将植物采摘回基地后进行拍照识别，如此便缺少植物生境信息，从而导致同一APP对同一植物识别率大幅下降[13]。此外，由于拍摄角度不标准，许多学生随意截取植物的部分部位进行拍照识别而导致APP不能准确识别出该植物，对此教师应当对所需观察植物给出简要提示，指导学生寻找拍摄角度，拍摄植物特征部位以便达到更高的识别率。

3.2.3 采集标本前运用APP判别保护植物 在标本采集过程中，许多学生由于植物学专业基础知识薄弱，不能独立准确识别保护植物种类，可能错误地采摘践踏保护植物导致实习基地生态环境被破坏。对此，教师应告诫学生在采摘未知植物之前先使用APP识别植物是否为保护植物种类，再慎重采摘。这在一定程度上可以避免保护植被遭受破坏[14]。

3.2.4 鉴定植物时，教师运用Biotracks解答问题 在野外实习过程中，由于师资人数少，学生基数大，教师无法兼顾每名学生提出的问题。因而教师可以利用Biotracks所搭建的社交平台，创建团队项目，学生可以于团队项目平台上传无法鉴定的植物图片并在回复框中与其他同学进行讨论鉴定，同时便于教师通过查看图片直接在移动端平台回复学生所提问题。借助智能手机进行线上交流沟通，打破了面对面沟通的空间局限，节约了师生双方的时间成本，使学生的学习积极性得到正面调动。

3.2.5 考核方式上，教师运用Biotracks对学生进行过程成绩考核 对学生野外实习的考核评定应当在教学活动中完成，检测的内容应当为学生参与教学实习活动的过程和学生辨识植物能力的综合评定，而传统实习考核方式往往侧重于结果评定，而忽略了对其过程的考核，可能导致学生不积极参与植物的分类鉴定过程。因此教师在当日讲解完毕之后可以于Biotracks平台创建团队项目，要求学生按组上传当日所学植物，每组学生按照教学大纲上传对应植物编号，组内成员对所编排的植物编号进行再分工，要求每一名同学都要进行图片上传，以及回复所有上传图片所对应的植物学名、科属。如此，学生可以对所学知识进行巩固复习，教师也可以通过查看上传图片以及回复图片的人数判断学生参与度从而对学生进行过程考核。由于存在过程考核的压力，同学们亦将提高对实习的重视，实习效果将会更加显著。

3.2.6 运用Biotracks建立电子资源图册 从我校以往野外实习所暴露出的问题来看，学生无法提前对所需学习的植物进行预习，多数学生对于教师一次性输入的大量植物信息较为陌生，因而所接收的知识较易遗忘。此外学生在复习当天所习植物时，采集的植物标本会出现不完整、枯萎等情况，同时学生回到宿舍后也无法对实物标本进行记忆观察，故对于图像的观察记忆成为了学生的重要复习途径[15]。由此可见，电子资源图册的引入具有功用性与必要性。利用Biotracks自动生成所摄植物的生长海拔以及经纬度等具体信息和共建资源图库的功能，教师可以运用Biotracks从学生上传的植物图片中遴选出优秀图片，上传到公共项目中作为峨眉山实习植物图库，由于每一年教学大纲要求学生掌握植物基本一致，因而该资源图册既有利于本届学生复习，又有利于下一届学生预习，也为社会其他用户了解峨眉山部分药用植物种类提供了一条捷径。此外由于电子资源图册所收录的图片质量要求较高，既需体现出药用植物生境又要能反映药用植物突出特征，故培养学生摄制一副高质量药用植物图片的同时,可以提升学生包括植物形态学、植物分类学、植物解剖学、美学摄影、光学等多方面的知识与技能[16]。

4 展望

植物识别类App在高校药用植物学野外实习中具有极大的应用潜能，因而在药用植物学野外实习课程改革中，APP的引入十分必要。APP辅助药用植物学野外实习能提升学生对于药用植物以及植物分类学的学习兴趣，还能提高学生自主学习能力和学习积极性，协助高校更为高效地实现教学目标并为国家培育出高品质现代化人才[17]，虽然不可否认在使用手机App辅助教学时亦会存在一定弊端。本文即在切身调查以及大数据统计分析的基础上，应用以及综合分析三款APP，呈现了详尽的调查统计过程，为App辅助教学提供了具体可行的教育改革实施方案，以期能尽量减少其所带来的弊端，并充分发挥其优势，为更多植物分类学和药用植物学教育工作者提供参考。最后，相信随着技术的进步、App功能的完善和更多教育改革实施方案的提出，手机App在野外实习教学中将发挥日益显著的作用，将为未来的教学工作提供更多的便利[18]。