植物學(xué)教學(xué)中數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用

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摘要：傳統(tǒng)的植物學(xué)教學(xué)已不能適應(yīng)植物學(xué)科的發(fā)展要求，也不適應(yīng)當(dāng)代學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)．依據(jù)植物學(xué)不同部分的特點(diǎn)及不同網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)和資源類型，采用多種數(shù)據(jù)庫輔助教學(xué)的方法開展植物學(xué)教學(xué)．實(shí)踐表明，這種結(jié)合了數(shù)據(jù)庫的教學(xué)方式資源豐富，方法靈活，能適應(yīng)學(xué)科發(fā)展和學(xué)生特點(diǎn)，教學(xué)效果好．同時(shí)，這種教學(xué)過程也為學(xué)生的后續(xù)學(xué)習(xí)和科研打下了良好的基礎(chǔ)．

關(guān)鍵詞：植物形態(tài)解剖；植物分類；大數(shù)據(jù)；教學(xué)改革

植物學(xué)是各綜合大學(xué)和農(nóng)林類院校生命科學(xué)、林學(xué)、農(nóng)學(xué)和環(huán)境科學(xué)等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，在學(xué)科體系中占有重要地位[1-2]．植物學(xué)教學(xué)質(zhì)量直接影響植物生理學(xué)、生態(tài)學(xué)和遺傳學(xué)等各學(xué)科的學(xué)習(xí)和教學(xué)．傳統(tǒng)的植物學(xué)教學(xué)以課堂講授為主，配合一定量的實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)課程．課堂講授一般以教材為主，應(yīng)用ppt講授并結(jié)合一些掛圖、模型等[3]．實(shí)驗(yàn)課一般在室內(nèi)觀察模型、實(shí)物和切片，以增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識[4]．然而，隨著新時(shí)代植物學(xué)科的高速發(fā)展和學(xué)生思維、學(xué)習(xí)特點(diǎn)的改變，傳統(tǒng)的教學(xué)方法越來越難以滿足教學(xué)和學(xué)習(xí)的要求[5]．我國的植物學(xué)教材一般知識比較系統(tǒng)，注重知識結(jié)論的穩(wěn)定性．這固然具有系統(tǒng)完整、便于學(xué)習(xí)的優(yōu)點(diǎn)，然而近幾十年來，植物學(xué)科的發(fā)展極為迅速，植物學(xué)知識的積累也已經(jīng)到了一個(gè)新的階段，大量新理論、新知識和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)．而教材更新和修訂的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上學(xué)科發(fā)展的速度，這導(dǎo)致課本知識和學(xué)科發(fā)展脫節(jié)，嚴(yán)重影響學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)和繼續(xù)深造時(shí)的研究能力[6-7]．此外，現(xiàn)在的大學(xué)生是在網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)代成長起來的，很難適應(yīng)傳統(tǒng)的課堂講授，更習(xí)慣也更善于通過網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)等方式獲取大量的知識和信息[8]．基于植物學(xué)教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)，將數(shù)據(jù)庫與大數(shù)據(jù)引入教學(xué)過程，以期獲得更好的教學(xué)效果．

1數(shù)據(jù)庫在植物形態(tài)教學(xué)中的應(yīng)用

植物學(xué)形態(tài)解剖部分的知識體系龐雜，知識點(diǎn)瑣碎[9]．由于生活經(jīng)歷和學(xué)習(xí)歷程的限制，多數(shù)學(xué)生對植物形態(tài)解剖知識缺乏直觀認(rèn)識，而課本提供的信息又明顯不足．如陸時(shí)萬的《植物學(xué)》[10]中對植物分枝類型的講授，主要包括了二叉分枝、假二叉分枝、單軸分枝、合軸分枝和分蘗5種類型．課本通過手繪模式圖的方式展示了這幾種分枝的基本形態(tài)，然而模式圖和實(shí)物仍然有很大的差距．在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)似乎明白了這幾種分枝類型，然而在實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生很難在實(shí)踐中區(qū)分這幾種分枝類型．馬煒梁的《植物學(xué)》[11]中有一些彩色照片，相較于模式圖更為形象．然而，除了完全由彩色照片組成的教材比較貴以外，課本中能容納的照片數(shù)量比較少，而且為了達(dá)到說清理論的目的，教材中選用的照片都是比較典型的，這導(dǎo)致學(xué)生依然難以在實(shí)踐中明白分枝類型的差異．基于此，建立了植物形態(tài)數(shù)據(jù)庫，并將此數(shù)據(jù)庫鏈接共享給學(xué)生．在此數(shù)據(jù)庫中，包含了50個(gè)科，200余個(gè)屬，500余個(gè)種的植物形態(tài)圖譜．每種分枝類型都有大量不同種類植物不同形態(tài)的分枝，這些植物即使分枝類型大體相同，也會(huì)有眾多差異，能使學(xué)生更好地理解分枝類型的準(zhǔn)確內(nèi)容．如很多槭樹屬（AcerLinn.）的植物是假二叉分枝，但是在同一植株上，也能發(fā)現(xiàn)一些單軸分枝的莖；又如紅丁香（SyringavillosaVahl）、金剛鼠李（RhamnusdiamantiacaNakai）和東北山梅花（PhiladelphusschrenkiiRupr.）都是假二叉分枝，然而它們形成假二叉分枝的原因有的是頂芽變成花序（紅丁香），有的是頂芽變成枝刺（金剛鼠李），有的是頂芽停止發(fā)育（東北山梅花）．學(xué)生通過觀察數(shù)據(jù)庫中大量不同植物的分枝，對分枝類型的理解明顯加深．

2數(shù)據(jù)庫在植物解剖教學(xué)中的應(yīng)用

相比植物形態(tài)部分，植物解剖部分更難以被學(xué)生理解．首先，植物解剖知識距離學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)更遠(yuǎn)；其次，解剖知識龐雜而豐富，往往需要將理論和感性知識緊密結(jié)合．如植物器官往往需要根據(jù)其解剖特征進(jìn)行定義．在教學(xué)中，當(dāng)教師說芹菜（Apiumgraveolens）吃的主要是葉柄時(shí)，即使學(xué)生能夠“相信”教師的講授，卻也很難理解為什么這個(gè)部分是“葉柄”而不是“莖”．此外，為什么仙人掌（Opuntiadillenii）的刺是葉，為什么文竹（Asparagussetaceus）綠色的部分是莖而不是葉，為什么假葉樹外觀看起來和葉子非常相似的部分是莖，這些知識雖然像“常識”一樣很容易被學(xué)生“記住”，但學(xué)生要想理解卻有一定難度．吳國芳和陸時(shí)萬的《植物學(xué)》[12]中，對葉和莖的初生結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)而準(zhǔn)確的講述，并繪制了模式圖．由于葉柄是葉的一部分，所以葉柄的解剖結(jié)構(gòu)是背腹式的，或者說是兩側(cè)對稱式的，而莖在解剖結(jié)構(gòu)上是輻射對稱式的，但這種知識需要大量觀察實(shí)際的解剖結(jié)構(gòu)才能掌握．應(yīng)用建立的植物解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，學(xué)生可以觀察大量植物不同器官的解剖結(jié)構(gòu)，理解表面差異巨大的器官、組織和細(xì)胞直徑的關(guān)系，理解植物個(gè)體發(fā)育中不同器官的本質(zhì)差異，進(jìn)而獲得對此類知識的深刻理解．

3數(shù)據(jù)庫在植物分類教學(xué)中的應(yīng)用

近20年來，植物分類學(xué)發(fā)生了巨大的變化，大量傳統(tǒng)的知識、技能和體系都進(jìn)行了徹底的更新，國內(nèi)外相關(guān)的數(shù)據(jù)庫也紛紛建立起來[13]．然而，絕大多數(shù)國內(nèi)的教材仍然使用舊的知識體系，嚴(yán)重阻礙了學(xué)生對新知識的學(xué)習(xí)和掌握．從2001年被子植物APGI分類系統(tǒng)發(fā)表以來，以分子生物、分支分類信息和生物統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代植物分類系統(tǒng)建立后，這種新的分類系統(tǒng)已經(jīng)成為國際學(xué)術(shù)界的主流，大量新的研究成果紛紛涌現(xiàn)，國際上的植物學(xué)教材也紛紛使用新的分類系統(tǒng)．目前，新系統(tǒng)已經(jīng)出版到第4版，然而絕大多數(shù)國內(nèi)教材依然使用較老的分類系統(tǒng)，使用新系統(tǒng)的很少．如馬煒梁的《植物學(xué)》[11]、吳國芳和陸時(shí)萬的《植物學(xué)》[12]使用的是克朗奎斯特系統(tǒng)，汪勁武的《植物分類學(xué)》[14]使用的是哈欽松系統(tǒng)等．此外，由于大量研究的深入，植物學(xué)名也已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，傳統(tǒng)植物學(xué)中的大量學(xué)名已經(jīng)修訂，成為“過時(shí)”的學(xué)名．然而依靠傳統(tǒng)的教材和參考書籍難以使學(xué)生掌握最新的知識[15]．在植物分類部分的教學(xué)中，充分利用已有的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行補(bǔ)充教學(xué)．這些數(shù)據(jù)庫主要包括：中國植物志網(wǎng)絡(luò)版和手機(jī)版，其內(nèi)容不但包括植物的學(xué)名、文獻(xiàn)考證、形態(tài)描述和地理分布等，還包括部分植物的彩色照片[16]．這些照片質(zhì)量高，鑒定準(zhǔn)確，是學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)的好材料．中國植物志的英文版也可以在線查詢，其中約1/3的學(xué)名已經(jīng)修訂[17]，對于學(xué)生了解較新的知識幫助很大．但是FOC網(wǎng)絡(luò)版中圖片和文字是分開排列的，學(xué)生使用時(shí)稍有不便．中國國家標(biāo)本平臺（NSII）是一個(gè)非常成功的網(wǎng)站，已經(jīng)收錄了大約1400萬標(biāo)本數(shù)據(jù)[18]．教學(xué)中，學(xué)生幾乎都可以在手機(jī)上通過這個(gè)網(wǎng)站查到教師講到的植物種類、標(biāo)本照片和海量標(biāo)本記錄．中國自然標(biāo)本館（CFH）中收錄了大約1億幅植物的彩色照片，資源極其豐富[19]．除了這幾個(gè)數(shù)據(jù)庫外，部分利用這些數(shù)據(jù)庫開發(fā)的軟件也是學(xué)生學(xué)習(xí)的重要幫手．如花伴侶、形色和生物記等軟件．這些網(wǎng)絡(luò)資源特點(diǎn)不一，各有特色．在教學(xué)中，需要教師通過講解讓學(xué)生了解不同資源的不同特點(diǎn)，否則學(xué)生在學(xué)習(xí)中的使用會(huì)遇到各種問題．花伴侶等軟件在植物開花時(shí)識別較準(zhǔn)確，但是沒有花、果等器官時(shí)，其識別的準(zhǔn)確率明顯降低．中國植物志網(wǎng)絡(luò)版可以使用拉丁學(xué)名或者中文正名進(jìn)行檢索，但是不支持俗名檢索，很多學(xué)生在使用時(shí)會(huì)遇到因?yàn)椴恢勒_名稱而無法檢索的情況．

4教學(xué)效果評估

新的時(shí)代是網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代，是數(shù)據(jù)的時(shí)代．當(dāng)代學(xué)生思維活躍，對新技術(shù)、新方法適應(yīng)迅速．應(yīng)用數(shù)據(jù)庫等網(wǎng)絡(luò)資源的教學(xué)既可以充分適應(yīng)學(xué)生的特點(diǎn)，又可以使學(xué)生較好地掌握學(xué)科發(fā)展中出現(xiàn)的新知識、新理論，是傳統(tǒng)教學(xué)方法和體系的重要補(bǔ)充．在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，使用新的教學(xué)方法作為補(bǔ)充可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的動(dòng)力和能力．更重要的是，通過這種教學(xué)過程的訓(xùn)練可以使學(xué)生在植物學(xué)課程結(jié)束后，開始其它課程學(xué)習(xí)或者后續(xù)的科研活動(dòng)，能夠獨(dú)立完成相關(guān)知識的檢索和使用．無論學(xué)生還是后續(xù)課程的教師都能感受到這種變化，說明這種教學(xué)方法是有效的．

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作者：董雪云 王洪峰 單位：哈爾濱學(xué)院