植物學教學中數(shù)據(jù)庫的應用

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摘要：傳統(tǒng)的植物學教學已不能適應植物學科的發(fā)展要求，也不適應當代學生的學習特點．依據(jù)植物學不同部分的特點及不同網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫的結構和資源類型，采用多種數(shù)據(jù)庫輔助教學的方法開展植物學教學．實踐表明，這種結合了數(shù)據(jù)庫的教學方式資源豐富，方法靈活，能適應學科發(fā)展和學生特點，教學效果好．同時，這種教學過程也為學生的后續(xù)學習和科研打下了良好的基礎．

關鍵詞：植物形態(tài)解剖；植物分類；大數(shù)據(jù)；教學改革

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

1數(shù)據(jù)庫在植物形態(tài)教學中的應用

植物學形態(tài)解剖部分的知識體系龐雜，知識點瑣碎[9]．由于生活經(jīng)歷和學習歷程的限制，多數(shù)學生對植物形態(tài)解剖知識缺乏直觀認識，而課本提供的信息又明顯不足．如陸時萬的《植物學》[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)，然而模式圖和實物仍然有很大的差距．在教學中發(fā)現(xiàn)，學生在學習時似乎明白了這幾種分枝類型，然而在實驗和實習中發(fā)現(xiàn)學生很難在實踐中區(qū)分這幾種分枝類型．馬煒梁的《植物學》[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，這導致學生依然難以在實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)庫鏈接共享給學生．在此數(shù)據(jù)庫中，包含了50個科，200余個屬，500余個種的植物形態(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，也會有眾多差異，能使學生更好地理解分枝類型的準確內(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)庫在植物解剖教學中的應用

相比植物形態(tài)部分，植物解剖部分更難以被學生理解．首先，植物解剖知識距離學生的經(jīng)驗更遠；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合．如植物器官往往需要根據(jù)其解剖特征進行定義．在教學中，當教師說芹菜（Apiumgraveolens）吃的主要是葉柄時，即使學生能夠“相信”教師的講授，卻也很難理解為什么這個部分是“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”一樣很容易被學生“記住”，但學生要想理解卻有一定難度．吳國芳和陸時萬的《植物學》[12]中，對葉和莖的初生結構進行了詳細而準確的講述，并繪制了模式圖．由于葉柄是葉的一部分，所以葉柄的解剖結構是背腹式的，或者說是兩側對稱式的，而莖在解剖結構上是輻射對稱式的，但這種知識需要大量觀察實際的解剖結構才能掌握．應用建立的植物解剖結構數(shù)據(jù)庫，學生可以觀察大量植物不同器官的解剖結構，理解表面差異巨大的器官、組織和細胞直徑的關系，理解植物個體發(fā)育中不同器官的本質(zhì)差異，進而獲得對此類知識的深刻理解．

3數(shù)據(jù)庫在植物分類教學中的應用

近20年來，植物分類學發(fā)生了巨大的變化，大量傳統(tǒng)的知識、技能和體系都進行了徹底的更新，國內(nèi)外相關的數(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，嚴重阻礙了學生對新知識的學習和掌握．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)計為基礎的現(xiàn)代植物分類系統(tǒng)建立后，這種新的分類系統(tǒng)已經(jīng)成為國際學術界的主流，大量新的研究成果紛紛涌現(xiàn)，國際上的植物學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》[11]、吳國芳和陸時萬的《植物學》[12]使用的是克朗奎斯特系統(tǒng)，汪勁武的《植物分類學》[14]使用的是哈欽松系統(tǒng)等．此外，由于大量研究的深入，植物學名也已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，傳統(tǒng)植物學中的大量學名已經(jīng)修訂，成為“過時”的學名．然而依靠傳統(tǒng)的教材和參考書籍難以使學生掌握最新的知識[15]．在植物分類部分的教學中，充分利用已有的數(shù)據(jù)庫進行補充教學．這些數(shù)據(jù)庫主要包括：中國植物志網(wǎng)絡版和手機版，其內(nèi)容不但包括植物的學名、文獻考證、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，鑒定準確，是學生學習和教師教學的好材料．中國植物志的英文版也可以在線查詢，其中約1/3的學名已經(jīng)修訂[17]，對于學生了解較新的知識幫助很大．但是FOC網(wǎng)絡版中圖片和文字是分開排列的，學生使用時稍有不便．中國國家標本平臺（NSII）是一個非常成功的網(wǎng)站，已經(jīng)收錄了大約1400萬標本數(shù)據(jù)[18]．教學中，學生幾乎都可以在手機上通過這個網(wǎng)站查到教師講到的植物種類、標本照片和海量標本記錄．中國自然標本館（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)的軟件也是學生學習的重要幫手．如花伴侶、形色和生物記等軟件．這些網(wǎng)絡資源特點不一，各有特色．在教學中，需要教師通過講解讓學生了解不同資源的不同特點，否則學生在學習中的使用會遇到各種問題．花伴侶等軟件在植物開花時識別較準確，但是沒有花、果等器官時，其識別的準確率明顯降低．中國植物志網(wǎng)絡版可以使用拉丁學名或者中文正名進行檢索，但是不支持俗名檢索，很多學生在使用時會遇到因為不知道正確名稱而無法檢索的情況．

4教學效果評估

新的時代是網(wǎng)絡的時代，是數(shù)據(jù)的時代．當代學生思維活躍，對新技術、新方法適應迅速．應用數(shù)據(jù)庫等網(wǎng)絡資源的教學既可以充分適應學生的特點，又可以使學生較好地掌握學科發(fā)展中出現(xiàn)的新知識、新理論，是傳統(tǒng)教學方法和體系的重要補充．在實踐中發(fā)現(xiàn)，使用新的教學方法作為補充可以提高學生的學習興趣，增強學生自主學習的動力和能力．更重要的是，通過這種教學過程的訓練可以使學生在植物學課程結束后，開始其它課程學習或者后續(xù)的科研活動，能夠獨立完成相關知識的檢索和使用．無論學生還是后續(xù)課程的教師都能感受到這種變化，說明這種教學方法是有效的．

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作者：董雪云 王洪峰 單位：哈爾濱學院