APP輔助藥用植物學野外實習教學改革的探索

顏齊，姜藍，吳清華1,，裴瑾1,，文飛燕1,，周濤1,，陳江1,

藥用植物學是中藥學相關專業學生的必修基礎課，其所涵蓋的藥用植物形態、分類、結構等理論知識是中藥資源學、中藥鑒定學、中藥炮制學等后續專業課程的必要基礎。野外實習是藥用植物學課程設計體系中不可或缺的實踐部分，其旨在培養學生野外鑒別藥用植物科屬、查找檢索表、鑒定植物學名以及采集、制作標本的能力，是驗證以及鞏固理論課程學習的重要途經，是訓練學生將理論與實踐相結合的重要手段，是培養學生動手能力、自主探索、創新能力的重要方法，對于提高學生熱愛自然、保護環境也具有重要意義。因此如何進行野外教學設計、提高教學質量是貫穿藥用植物學課程發展的核心問題[1]。

隨著移動終端攝影技術的成熟以及大數據云計算的蓬勃發展，以手機APP為載體的植物識別類APP層出不窮。我校藥用植物學課程組在野外實習教育改革的不斷探索中發現，該類植物識別APP在高校藥用植物學野外實習中可能具有如下方面潛能：（1）學生在野外實習中可以利用APP對未知植物進行識別辨認并明晰其學名、所屬科屬、形態特征等，從而對實習內容進行有效補充。（2）學生可以利用APP拍攝植物生境圖片存入手機便于課后記憶觀察。（3）利用APP的社交平臺促進老師與學生以及學生之間的互動交流，同時為過程考核提供載體。（4）利用APP圖冊建立功能輔助制作野外實習電子圖冊。由此可見，植物識別類APP在高校藥用植物學野外實習中巨大應用潛能。

在我校藥用植物學課程體系的發展中，傳統野外實習模式暴露出一定弊端。野外實習教學改革亟待新媒體元素的加入與創新。據此，本文擬針對傳統野外實習模式的弊端，選取三款下載量較大、評分較高[2]的植物識別類APP-花伴侶、形色、Biotracks進行對比分析，綜合對比三款APP的識別能力以及功能完善度等諸多因素，挑選出適用于藥用植物學野外實習教學的輔助軟件，并探討其運用于野外實習的具體實施方案。

1 傳統野外實習模式存在的弊端

1.1 教學結構不合理

近年，由于國家對中醫藥學科發展的重視，中藥學及相關專業學生不斷擴招，而藥用植物學師資數量有限[3]。野外實習時常常由一名指導教師帶領十幾名乃至幾十名學生進行沿途講解，所有學生集中聽老師講解時由于山路狹窄、場地限制，知識的傳授與接收受阻。此外，由于師資人數遠小于學生數量，教師難以兼顧所有同學所提困惑，對于學習積極性較低、不愿主動請教又無法自主解決問題的學生便更難以達到實習教學效果。

1.2 教學模式單一

多數高校傳統藥用植物野外實習模式分為三個階段：第一階段，要求學生準確掌握植物形態描述的專業術語以及植物分類基礎知識；第二階段，指導教師帶領學生沿固定路線講解植物學名、形態特征等分類學知識，學生采集植物標本后回基地進行復習；第三階段，教師帶領學生復習，并加強對藥用植物分類學知識的學習。在第二階段教學中，由于實習的時限性以及教學大綱對學生知識掌握的要求，教師在實習過程中會講解二百余種藥用植物，由于學生的植物學基礎知識相對薄弱，對于教師直接講解的植物學知識大多采取死記硬背的方式，往往忽略對知識點的消化理解以及靈活運用。這種“填鴨式”教學模式[4]使得學生接受的知識表淺且零碎，不僅較易遺忘，還會負面調動學生學習積極性，打擊學生自信心。

1.3 考核方式不完善

多數高校的傳統藥用植物野外實習考核是基于學生準確認識藥用植物并熟悉其所屬科屬的數量、標本制作的數量及質量進行評價[5]。大多考核方式側重于對結果的評定，而忽略了對其過程的考核，可能導致自主學習性差的學生不認真參與植物鑒別與學習，依賴于小組其他成員進行標本鑒定工作，如此其動手實踐、分析問題、解決問題的能力將難以得到訓練。

1.4 保護植被遭受破壞

藥用植物學野外實踐教學安排中，標本的采集與制作是一項重要的內容[6]。然而在采摘植物的過程中，盡管教師已提前告知學生保護植物的種類，告誡不能隨意采摘，但由于學生植物學基礎知識較薄弱，其在多數情況下不能獨立準確辨別保護植物種類，導致保護植物被采摘踐踏，保護植被遭受破壞，甚有可能造成實習基地生態環境的惡化。

基于以上所提藥用植物學傳統野外實習模式中呈現的諸多弊端以及植物識別類APP在高校藥用植物學野外實習中的巨大潛能，本文選取花伴侶、形色、Biotracks三款植物識別軟件，綜合對比其識別準確率以及功能完善度，挑選出適宜于藥用植物學野外實習的最佳輔助軟件并探討其運用于野外實習的具體實施方案。

2 三款APP的運用及分析

2.1 三款植物識別APP的運用

本文選擇的測試軟件為形色、花伴侶、Biotracks三款。在挑選測試軟件的過程中，首先于手機端應用商城中以“植物識別”為關鍵詞進行搜索[7]，選取了與關鍵詞相關性較大、評分較高、下載量較多的兩款軟件花伴侶、形色，同時擇取并添加了與學科存在較高專業相關性的軟件——Biotracks，最終確定該三款軟件為測試對象，運用于成都中醫藥大學中藥學、中藥資源與開發專業的藥用植物學野外實習中。參與測試的學生共分為8個小組，每個小組規定使用以上三款APP識別至少100種藥用植物，并分別記錄三款APP對每一種植物的識別率數值。

2.2 三款APP的識別率差異分析

2.2.1 數據處理方法 為便于分析，在對8個小組收集的數據進行處理時，采取如下措施：（1）應用花伴侶、Biotracks平臺識別處理時，以平臺得出的可信度數值作為該樣本的識別率[8]；（2）應用形色平臺識別處理時，將能否準確識別的植物數據分別記錄為100%（能夠準確識別）和0%（不能準確識別）。（3）8個小組共計收集855組數據，除去重復，整理后共收集420種植物。因每組同學所選拍攝角度、設備及背景差異，不同組別使用同一APP識別時，同一種植株的識別率存在差異，故按照植物名，將420種植物分類匯總，將各個組所識別的相同植物排列在一起，從而便于求出三款軟件分別對于同一種植物的識別率平均值，將這個平均值作為此軟件對于該植物的最終識別率。

本次數據利用Microsoft Office Excel 2016統計軟件進行分析，剔除由于同學們的疏忽而導致的空白數據44組，最終分析數據為811組，植物種類為405種。

2.2.2 結果與分析 圖1展示了3款軟件對于所統計藥用植物的平均識別率，從總體識別率來看，形色的識別率最高，花伴侶的識別率與之接近，而Biotracks的識別率與前兩者相較明顯偏低。

圖2呈現了3款APP對于所統計藥用植物的識別率分布比例，其中形色識別率大于70%的部分占比最高（68.80%），Biotracks識別率大于70%的部分占比最低（15.71%）。

圖3展示了3款APP對于所統計植物中不同生長型的識別率。從總體來看，形色APP對于各種生長型植物的識別率均為最高（草本：81.06%；草質藤本：77.32%；木質藤本：73.95%；喬木：69.64%；灌木：71.00%）。在五種生長型植物中，3款APP均對草本的識別率最高，對灌木或喬木的識別率最低。

由圖3可知，形色較其他兩款軟件，總體識別率、高識別率占比、不同生長型植物的識別率均較高。故就識別率而言，形色APP為最佳選擇。

2.3 三款APP的功能及識別結果對比

三款APP均結合了人工智能深度學習功能，基于大數據算法自主進行圖片匹配實現拍照識圖，由于開發者設計理念不同，三款APP的功能及識別結果側重點亦有所差異[9]。通過對三款APP的多次運用，從其功能、識別結果兩個方面進行對比，得到三款軟件功能對比表（表1）及識別結果對比表（表2）。

表1 花伴侶、形色、Biotracks功能對比

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表2 花伴侶、形色、Biotracks識別結果對比

從表1可知：三款植物識別軟件在拍照識圖的基礎功能上增設了能體現社交性、趣味性以及科學性的其他功能，但又各有不同，如（1）社交性：三款軟件均為用戶搭建了社交平臺，用戶可以上傳不能自主鑒別的植物至平臺中尋求幫助，進行交流分享。此外，均設有“地圖”導航欄，會自動定位用戶位置進行導航，并為用戶推送周邊景點和植物?；ò閭H和Biotracks增設有動態功能，用戶可以上傳發布個人心情、足跡，社交性更強。（2）趣味性：在APP的趣味性表達方面，形色最為突出，其首頁呈現的即為戶外賞花、趣味植物、花藝生活等趣味欄目，植物推文也注重趣味性。此外，形色開設有每日一花的答題活動便于用戶進行識花簽到，花伴侶APP同樣設有植物文章推送和識花大挑戰，但未設有簽到功能。Biotracks未開設簽到、識花游戲等功能，缺乏趣味性。（3）科學性：三款APP均可保存記錄用戶拍攝的植物，方便后期查閱。其中，Biotracks最為突出，學者們可以通過創建團隊或個人項目，上傳圖片進行學術交流，并整理成植物圖庫，而花伴侶與形色則不具有創建項目以及共建植物圖庫的功能。

從表2中可以看出：三款APP都可以識別到植物科屬。Biotracks的識別結果與花伴侶和形色存在較大差異，Biotracks是一款用于觀察、記錄的軟件，其對植物的識別僅限于科屬以及可信度，側重于用戶自主探索植物，通過用戶添加的植物生境等信息，完成全球生物多樣性地圖的繪制?；ò閭H和形色的識別結果中均會呈現所識別植物的詩詞、植物寓意、養護技術，這兩款APP所呈現的識別結果存在以下三點區別：（1）花伴侶運用專業術語大篇幅介紹植物表型特征，而形色則更側重于呈現植物的文化趣聞。（2）花伴侶對于植物的價值介紹更偏向于藥用價值，形色則偏向于觀賞價值。（3）在花伴侶的識別結果中有可信度信息，用戶可以根據可信度判別識別程度高低，而形色沒有可信度信息，需用戶對比識別植物圖片和識別結果圖片自行判別較準確的識別結果。由此可見形色更偏向于科普性質，詳細介紹植物的文化趣事增加用戶對植物探索的興趣?；ò閭H更具有科學性質，運用專業術語詳細介紹植物的表型特征、藥用部位、藥用價值。

3 APP輔助教學的建議實施方案

3.1 APP的交叉使用方案

對三款軟件進行統計數據分析，功能、識別結果對比后，本文擬選擇形色、Biotracks兩款軟件進行交叉使用，作為藥用植物學野外實習輔助工具。形色的識別功能最為強大，能保證學生所識植物的準確性，且其功能的開發以及識別結果的展示更注重趣味性，能激發學生的好奇心與學習興趣。Biotracks則側重于學科性以及社交性的開發，對于植物的位置（經緯度、海拔信息）描述準確科學，記錄功能強大，最為特殊的是可以創建團隊項目，共建植物圖冊[10]。

基于此，現提出以下方案：（1）首先使用形色對所觀察的植物進行識別，在保證高可信度的情況下，對植物形成初步認識。再結合中國植物志、iplants等網站，核實并熟悉該植物科屬特性，如此形成較為完整科學的自學方案，減少“填鴨式”教學模式所帶來的弊端，加深學生對藥用植物的認識。（2）在保留原有考核方式基礎上，結合Biotracks軟件功能，將其作為學生們過程成績的考核載體。由教師創建團隊項目，將學生們每日所上傳植物的識別結果以及學生們的討論參與度作為過程考核憑據。同時，教師可以督促學生對需要掌握的植物進行全面復習，避免知識拖欠現象的頻發，利用網絡（平臺媒介）對學生的過程表現情況進行記錄考核；（3）運用Biotracks共建植物圖冊的功能協助建成我校藥用植物學電子實習圖冊以及峨眉山藥用植物資源圖冊；（4）結合Biotracks平臺會自動定位所拍攝植物的經緯度以及海拔的功能特點，教師篩選學生們上傳的植物識別信息后，上傳優秀拍攝作品至共享平臺將有助于世界生物地圖的繪制[11]。

3.2 教師教學方案

3.2.1 講解前運用APP初步認識植物 在傳統藥用植物野外實習教學模式中，由于學生藥用植物學基礎知識薄弱，所識植物種類有限，對于教師直接講解的植物知識感到陌生，難以具象化，知識來源于被動記錄指導老師所講解的植物形態和結構特征，難以將植物分類學理論體系和具有多樣性的野外植物物種特征相聯系[12]。對此，教師在講解之前應當引導學生運用APP拍照識別植物，了解植物學名、科屬，對植物形成初步認識，以便于在講解之時，學生能將所觀察的植物特征與講解知識對應，加深理解，達到更佳記憶以及學習效果。

3.2.2 拍攝時確保APP達到最高識別率 從以往運用APP輔助野外實習所總結的經驗來看，拍攝時間不夠以及拍攝角度不標準會影響APP對植物的識別率。由于拍攝時間不足，學生會將植物采摘回基地后進行拍照識別，如此便缺少植物生境信息，從而導致同一APP對同一植物識別率大幅下降[13]。此外，由于拍攝角度不標準，許多學生隨意截取植物的部分部位進行拍照識別而導致APP不能準確識別出該植物，對此教師應當對所需觀察植物給出簡要提示，指導學生尋找拍攝角度，拍攝植物特征部位以便達到更高的識別率。

3.2.3 采集標本前運用APP判別保護植物 在標本采集過程中，許多學生由于植物學專業基礎知識薄弱，不能獨立準確識別保護植物種類，可能錯誤地采摘踐踏保護植物導致實習基地生態環境被破壞。對此，教師應告誡學生在采摘未知植物之前先使用APP識別植物是否為保護植物種類，再慎重采摘。這在一定程度上可以避免保護植被遭受破壞[14]。

3.2.4 鑒定植物時，教師運用Biotracks解答問題 在野外實習過程中，由于師資人數少，學生基數大，教師無法兼顧每名學生提出的問題。因而教師可以利用Biotracks所搭建的社交平臺，創建團隊項目，學生可以于團隊項目平臺上傳無法鑒定的植物圖片并在回復框中與其他同學進行討論鑒定，同時便于教師通過查看圖片直接在移動端平臺回復學生所提問題。借助智能手機進行線上交流溝通，打破了面對面溝通的空間局限，節約了師生雙方的時間成本，使學生的學習積極性得到正面調動。

3.2.5 考核方式上，教師運用Biotracks對學生進行過程成績考核 對學生野外實習的考核評定應當在教學活動中完成，檢測的內容應當為學生參與教學實習活動的過程和學生辨識植物能力的綜合評定，而傳統實習考核方式往往側重于結果評定，而忽略了對其過程的考核，可能導致學生不積極參與植物的分類鑒定過程。因此教師在當日講解完畢之后可以于Biotracks平臺創建團隊項目，要求學生按組上傳當日所學植物，每組學生按照教學大綱上傳對應植物編號，組內成員對所編排的植物編號進行再分工，要求每一名同學都要進行圖片上傳，以及回復所有上傳圖片所對應的植物學名、科屬。如此，學生可以對所學知識進行鞏固復習，教師也可以通過查看上傳圖片以及回復圖片的人數判斷學生參與度從而對學生進行過程考核。由于存在過程考核的壓力，同學們亦將提高對實習的重視，實習效果將會更加顯著。

3.2.6 運用Biotracks建立電子資源圖冊 從我校以往野外實習所暴露出的問題來看，學生無法提前對所需學習的植物進行預習，多數學生對于教師一次性輸入的大量植物信息較為陌生，因而所接收的知識較易遺忘。此外學生在復習當天所習植物時，采集的植物標本會出現不完整、枯萎等情況，同時學生回到宿舍后也無法對實物標本進行記憶觀察，故對于圖像的觀察記憶成為了學生的重要復習途徑[15]。由此可見，電子資源圖冊的引入具有功用性與必要性。利用Biotracks自動生成所攝植物的生長海拔以及經緯度等具體信息和共建資源圖庫的功能，教師可以運用Biotracks從學生上傳的植物圖片中遴選出優秀圖片，上傳到公共項目中作為峨眉山實習植物圖庫，由于每一年教學大綱要求學生掌握植物基本一致，因而該資源圖冊既有利于本屆學生復習，又有利于下一屆學生預習，也為社會其他用戶了解峨眉山部分藥用植物種類提供了一條捷徑。此外由于電子資源圖冊所收錄的圖片質量要求較高，既需體現出藥用植物生境又要能反映藥用植物突出特征，故培養學生攝制一副高質量藥用植物圖片的同時,可以提升學生包括植物形態學、植物分類學、植物解剖學、美學攝影、光學等多方面的知識與技能[16]。

4 展望

植物識別類App在高校藥用植物學野外實習中具有極大的應用潛能，因而在藥用植物學野外實習課程改革中，APP的引入十分必要。APP輔助藥用植物學野外實習能提升學生對于藥用植物以及植物分類學的學習興趣，還能提高學生自主學習能力和學習積極性，協助高校更為高效地實現教學目標并為國家培育出高品質現代化人才[17]，雖然不可否認在使用手機App輔助教學時亦會存在一定弊端。本文即在切身調查以及大數據統計分析的基礎上，應用以及綜合分析三款APP，呈現了詳盡的調查統計過程，為App輔助教學提供了具體可行的教育改革實施方案，以期能盡量減少其所帶來的弊端，并充分發揮其優勢，為更多植物分類學和藥用植物學教育工作者提供參考。最后，相信隨著技術的進步、App功能的完善和更多教育改革實施方案的提出，手機App在野外實習教學中將發揮日益顯著的作用，將為未來的教學工作提供更多的便利[18]。