数字图像技术在植物学教学中的应用

摘要：数字图像技术是一项现代化的计算机技术，在很多领域已经得到了广泛应用。我们首先简要介绍了数字图像技术的基本内容，然后简述了本校本科生物专业植物学教学中引入数字图像技术开展教学的几个案例，并对数字图像技术在教学应用中的优势和缺陷进行了分析，并探索了发挥这些优势以及消除缺陷的方法，为建设数字化的高校生物教学提出了一些设想。

关键词：高校教育计算机数字图像技术植物学

随着计算机技术的迅速发展，越来越多的数字技术和软件被应用到教学，特别是高等学校教学中[1]。为了紧跟时代的步伐，培养更多高素质的人才，我们教师队伍需要不断探索利用这些数字技术去解决教学和研究中所遇到的问题，提高教学的效率和水平。

植物学在很多高等院校生物专业内是一门专业基础课程，现代教学中植物学课程的教学内容通常包含植物的结构解剖和植物的系统分类两大部分[2、3]。由于现实中植物是三维实体，无论是植物的解剖结构还是分类都需要涉及到对植物多个结构层次多角度的观察和对比，然而由于教学条件和教学时间的限制，课堂上教师通常很难采用植物实体来直观而清楚地讲解相关知识，这就可能造成学生对很多知识的理解和学习出现困难[3]。这些年来计算机已经相当普及，成为课堂教学的一个基本工具，而计算机数字图像技术也比较成熟，很多相关的软件也能被普通人所使用[4]。在我校的植物教学活动中，通过运用几项数字图像技术，我们克服了上述教学过程中所遇到的困难，并且初步建立了一套全新的数字教学方法，现就一些具体实践情况进行总结分析，以期与相关教师共同探讨。

一、现代数字图像技术简介

数字图像技术又称计算机图像技术，包括计算机图像生成技术和图像处理技术两方面内容。前者是通过计算机输入数据生成所需要的二维或三维图形的过程，后者是将输入的图像信号转化为数字信号然后利用计算机加以处理的过程。这两种技术都起始于上世纪中期，到现在已经发展出了丰富的内容，包含很多的方法。

计算机图像生成技术常用的方法有二维图形绘制、二维图形构造、三维数据采集、三维图形重构、三维图形构造等，常用的软件包括Coreldraw、AutoCAD、3dmax、Maya、Matlab等。计算机图像处理技术常用方法包括图像变换、图像编码压缩、图像增强与复原、图像分割、图像描述与图像识别等，常用的软件一般有Photoshop、Matlab等[5]。

计算机图像技术已经在生活中的很多地方得到了应用，例如娱乐休闲中的电影特效制作、电子游戏模型生成、视频录制与播放等；衣食住行中的服装数字化设计、室内装饰设计、视频安全监控等。

二、在植物学教学中运用数字图像技术的典型教学案例

（一）植物各层次结构的清晰呈现

在植物根、茎的次生结构讲解内容中，植物的次生生长过程是重点也是难点，其中植物细胞不同的分裂方式以及这些方式在次生生长中造成的不同结果等知识对学生而言不易理解，老师通常需要反复讲解强调才能使学生记住这些知识点。为了让学生更快更好的理解这些知识，我们用3dmax软件做出了植物细胞的立体模型，并制作了细胞按不同方式分裂的动画，然后将最终分裂的结果对应到组织器官层次展示出根或茎的宏观变化，并配以拟人的卡通形象最终做成幻灯片或Flash。在课堂中，我们向学生播放我们的结果，只需要配以少量的讲解，学生就能清楚整个植物次生生长过程，并能联系微观和宏观结构。

又在植物繁殖结構章节的讲解中，我们发现雌蕊结构部分的胎座类型按通常的讲解很难被学生所接受，即使学生接受了也很难做到真正理解，遇到具体实物稍有变型就无法判别。为什么会有这样的情况，我们通过与学生的交流了解到：一方面学生很难将书本上描述胎座的子房切面图与真实子房的三维结构对应起来，另一方面这些胎座类型之间的关联和差别不易弄清。为了帮助学生克服这一困难，我们首先使用3dmax软件建立了多种子房的立体模型，通过在模型上添加横向剖面和纵向剖面，直观地将胎座类型与整个子房结构联系起来；

（二）植物物种多视角对比无时空限制

传统植物分类学的内容的教授方式一般为形态特征文字描述和代表物种图片展示，由于文字的抽象性，加上图片不能展示植物的全貌，学生们不易将文字特征与实物特征联系起来，导致不少学生即使能够记住很多分类学知识，但是在实际植物识别中无法准确运用。我们在植物系统分类的教学中借助了数字三维成像技术，首先通过数码录像设备和体视显微镜对植物个体或关键识别器官进行多角度拍摄，再结合三维重构软件对拍摄的数码图片进行处理并重构为三维图像并保存为通用文件格式。拍摄的植物材料选取教学科属中的代表种活体植株，采集地和采集时间不受限制，并且可随教学的开展不断收集扩充。将所有拍摄处理后得到的三维文件按照书本上主流的分类系统建立文件系统，然后在课堂上运用三维互动操作软件进行展示，并让学生积极参与，多角度观察数字材料掌握植物的分类知识和技巧。通过此方法的初步使用，不仅增强了学生对植物的识别能力而且减轻了教师每次上课前准备演示实体材料的负担。

三、数字图像技术在植物学教学中具有的优势和缺陷

（一）多视角与多层次

数字图像技术通过对实物图片的处理或者人工建模技术能够较好地还原实物的三维特性，在植物学教学中就可以将植物材料立体地展示出来，从而让学生从多个角度观察和分析材料，传递图片所不能给出的信息。另外数字图像技术通过计算机软件能够将植物体不同层次如：细胞、组织、器官、个体的形态结构展示在同一界面，帮助学生全面地认识植物结构以及结构的由来，这是一般的文字讲述很难做到的。

（二）充分利用多媒体设备

我们采用的每一项数字图像技术均需要用到计算机软件，其中三维图像软件要求计算机具有较高的内存和运算速度，这一点能够充分发挥现代计算机的优势。另外有几项数字图像技术需要采用数码相机和数字显微镜收集实物素材，而这两大设备在现代生物教学中已比较普及，我们可以任何季节对目标植物的营养结构和繁殖结构材料进行图像采集。

（三）对教师带来较大的挑战

虽然植物学教学中所使用的数字图像技术并不要求教师对图像处理技术有很深的了解，但是掌握几种图像软件的基本操作是必须的。而对于一般的生物学教师而言，由于我们以前很少有机会接触这些图像软件，而且计算机软件基础相对其他理工科专业教师偏弱，所以要想将这种技术熟练而深入地运用到植物学教学中，还需要我们自身多进行相关的学习和训练，在有条件的情况下与其他学院或其他学校老师合作进行讨论学习。

四、数字图像技术在植物教学中的展望

数字图像技术是当前比较流行的一类计算机技术，其应用价值很大，当然掌握难度也不小。在我们的教学过程中，需要不断加强对教师软件技能的培训，另外还需根据教学的效果不断思考和改进技术运用的方式和技巧。同时，我们不能忽略一个重要事实：植物学教学中，不管使用什么技术，都是作为一种教学手段，真正的教学目的是让学生掌握植物学知识和技能[6、7]。所以我们在未来的植物学教学中，必须始终以植物学教学大纲为基础，仍然以传统的教学方法为主，只是在重点难点处考虑使用数字图像技术，并设法依据植物学知识系统将技术运用系统化。最后，我们要充分调动学生的积极性，因为计算机知识的革新是非常迅速的，学生们往往需要掌握更多的计算机技能，我们可以让学生一起运用计算机和其他多媒体设备收集和准备教学材料，师生在教学过程中共同进步。

参考文献

[1]解丽芳、林宏辉.虚拟实验室在本科生生物实验教学中的作用[J].实验技术与管理，2014（2）：114-115.

[2]周云龙.植物生物学[M].高等教育出版社，2011.

[3]倪福太、李长有、王占武、刘强、姜恩来.利用现代化教学手段改革植物学教学[J].生命世界，2009（2）：87-88.

[4]贺胜.常用多媒体课件制作软件比较[J].邢台职业技术学院学报，2002（12）：65-68.

[5]宁天夫.数字图像处理技术的应用于发展[J].舰船电子工程，2009（1）：38-41.

[6]孙会忠、宋月芹.多媒体在植物学教学中的应用[J].教学园地，2006（3）：62-64.

[7]冯虎元、潘建斌、安黎哲.如何教好植物学，扫除“植物盲”[J].高等生物学教学研究，2015（9）：59-64.

作者簡介

黄岚杰（1985.7-）男，汉族，湖北人，湖北大学研究生，研究方向：植物学。