數(shù)字圖像技術(shù)在植物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

1、    數(shù)字圖像技術(shù)在植物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用    摘要：數(shù)字圖像技術(shù)是一項現(xiàn)代化的計算機(jī)技術(shù)，在很多領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。我們首先簡要介紹了數(shù)字圖像技術(shù)的基本內(nèi)容，然后簡述了本校本科生物專業(yè)植物學(xué)教學(xué)中引入數(shù)字圖像技術(shù)開展教學(xué)的幾個案例，并對數(shù)字圖像技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用中的優(yōu)勢和缺陷進(jìn)行了分析，并探索了發(fā)揮這些優(yōu)勢以及消除缺陷的方法，為建設(shè)數(shù)字化的高校生物教學(xué)提出了一些設(shè)想。關(guān)鍵詞：高校教育計算機(jī)數(shù)字圖像技術(shù)植物學(xué)隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多的數(shù)字技術(shù)和軟件被應(yīng)用到教學(xué)，特別是高等學(xué)校教學(xué)中1。為了緊跟時代的步伐，培養(yǎng)更多高素質(zhì)的人才，我們教師隊伍需要不

2、斷探索利用這些數(shù)字技術(shù)去解決教學(xué)和研究中所遇到的問題，提高教學(xué)的效率和水平。植物學(xué)在很多高等院校生物專業(yè)內(nèi)是一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，現(xiàn)代教學(xué)中植物學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容通常包含植物的結(jié)構(gòu)解剖和植物的系統(tǒng)分類兩大部分2、3。由于現(xiàn)實中植物是三維實體，無論是植物的解剖結(jié)構(gòu)還是分類都需要涉及到對植物多個結(jié)構(gòu)層次多角度的觀察和對比，然而由于教學(xué)條件和教學(xué)時間的限制，課堂上教師通常很難采用植物實體來直觀而清楚地講解相關(guān)知識，這就可能造成學(xué)生對很多知識的理解和學(xué)習(xí)出現(xiàn)困難3。這些年來計算機(jī)已經(jīng)相當(dāng)普及，成為課堂教學(xué)的一個基本工具，而計算機(jī)數(shù)字圖像技術(shù)也比較成熟，很多相關(guān)的軟件也能被普通人所使用4。在我校的植物教學(xué)活動

3、中，通過運用幾項數(shù)字圖像技術(shù)，我們克服了上述教學(xué)過程中所遇到的困難，并且初步建立了一套全新的數(shù)字教學(xué)方法，現(xiàn)就一些具體實踐情況進(jìn)行總結(jié)分析，以期與相關(guān)教師共同探討。一、現(xiàn)代數(shù)字圖像技術(shù)簡介數(shù)字圖像技術(shù)又稱計算機(jī)圖像技術(shù)，包括計算機(jī)圖像生成技術(shù)和圖像處理技術(shù)兩方面內(nèi)容。前者是通過計算機(jī)輸入數(shù)據(jù)生成所需要的二維或三維圖形的過程，后者是將輸入的圖像信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號然后利用計算機(jī)加以處理的過程。這兩種技術(shù)都起始于上世紀(jì)中期，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展出了豐富的內(nèi)容，包含很多的方法。計算機(jī)圖像生成技術(shù)常用的方法有二維圖形繪制、二維圖形構(gòu)造、三維數(shù)據(jù)采集、三維圖形重構(gòu)、三維圖形構(gòu)造等，常用的軟件包括coreldra

4、w、autocad、3dmax、maya、matlab等。計算機(jī)圖像處理技術(shù)常用方法包括圖像變換、圖像編碼壓縮、圖像增強(qiáng)與復(fù)原、圖像分割、圖像描述與圖像識別等，常用的軟件一般有photoshop、matlab等5。計算機(jī)圖像技術(shù)已經(jīng)在生活中的很多地方得到了應(yīng)用，例如娛樂休閑中的電影特效制作、電子游戲模型生成、視頻錄制與播放等；衣食住行中的服裝數(shù)字化設(shè)計、室內(nèi)裝飾設(shè)計、視頻安全監(jiān)控等。二、在植物學(xué)教學(xué)中運用數(shù)字圖像技術(shù)的典型教學(xué)案例（一）植物各層次結(jié)構(gòu)的清晰呈現(xiàn)在植物根、莖的次生結(jié)構(gòu)講解內(nèi)容中，植物的次生生長過程是重點也是難點，其中植物細(xì)胞不同的分裂方式以及這些方式在次生生長中造成的不同結(jié)果等知

5、識對學(xué)生而言不易理解，老師通常需要反復(fù)講解強(qiáng)調(diào)才能使學(xué)生記住這些知識點。為了讓學(xué)生更快更好的理解這些知識，我們用3dmax軟件做出了植物細(xì)胞的立體模型，并制作了細(xì)胞按不同方式分裂的動畫，然后將最終分裂的結(jié)果對應(yīng)到組織器官層次展示出根或莖的宏觀變化，并配以擬人的卡通形象最終做成幻燈片或flash。在課堂中，我們向?qū)W生播放我們的結(jié)果，只需要配以少量的講解，學(xué)生就能清楚整個植物次生生長過程，并能聯(lián)系微觀和宏觀結(jié)構(gòu)。又在植物繁殖結(jié)構(gòu)章節(jié)的講解中，我們發(fā)現(xiàn)雌蕊結(jié)構(gòu)部分的胎座類型按通常的講解很難被學(xué)生所接受，即使學(xué)生接受了也很難做到真正理解，遇到具體實物稍有變型就無法判別。為什么會有這樣的情況，我們通過與

6、學(xué)生的交流了解到：一方面學(xué)生很難將書本上描述胎座的子房切面圖與真實子房的三維結(jié)構(gòu)對應(yīng)起來，另一方面這些胎座類型之間的關(guān)聯(lián)和差別不易弄清。為了幫助學(xué)生克服這一困難，我們首先使用3dmax軟件建立了多種子房的立體模型，通過在模型上添加橫向剖面和縱向剖面，直觀地將胎座類型與整個子房結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來；（二）植物物種多視角對比無時空限制傳統(tǒng)植物分類學(xué)的內(nèi)容的教授方式一般為形態(tài)特征文字描述和代表物種圖片展示，由于文字的抽象性，加上圖片不能展示植物的全貌，學(xué)生們不易將文字特征與實物特征聯(lián)系起來，導(dǎo)致不少學(xué)生即使能夠記住很多分類學(xué)知識，但是在實際植物識別中無法準(zhǔn)確運用。我們在植物系統(tǒng)分類的教學(xué)中借助了數(shù)字三維成像

7、技術(shù)，首先通過數(shù)碼錄像設(shè)備和體視顯微鏡對植物個體或關(guān)鍵識別器官進(jìn)行多角度拍攝，再結(jié)合三維重構(gòu)軟件對拍攝的數(shù)碼圖片進(jìn)行處理并重構(gòu)為三維圖像并保存為通用文件格式。拍攝的植物材料選取教學(xué)科屬中的代表種活體植株，采集地和采集時間不受限制，并且可隨教學(xué)的開展不斷收集擴(kuò)充。將所有拍攝處理后得到的三維文件按照書本上主流的分類系統(tǒng)建立文件系統(tǒng)，然后在課堂上運用三維互動操作軟件進(jìn)行展示，并讓學(xué)生積極參與，多角度觀察數(shù)字材料掌握植物的分類知識和技巧。通過此方法的初步使用，不僅增強(qiáng)了學(xué)生對植物的識別能力而且減輕了教師每次上課前準(zhǔn)備演示實體材料的負(fù)擔(dān)。三、數(shù)字圖像技術(shù)在植物學(xué)教學(xué)中具有的優(yōu)勢和缺陷（一）多視角與多層次

8、數(shù)字圖像技術(shù)通過對實物圖片的處理或者人工建模技術(shù)能夠較好地還原實物的三維特性，在植物學(xué)教學(xué)中就可以將植物材料立體地展示出來，從而讓學(xué)生從多個角度觀察和分析材料，傳遞圖片所不能給出的信息。另外數(shù)字圖像技術(shù)通過計算機(jī)軟件能夠?qū)⒅参矬w不同層次如：細(xì)胞、組織、器官、個體的形態(tài)結(jié)構(gòu)展示在同一界面，幫助學(xué)生全面地認(rèn)識植物結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的由來，這是一般的文字講述很難做到的。（二）充分利用多媒體設(shè)備我們采用的每一項數(shù)字圖像技術(shù)均需要用到計算機(jī)軟件，其中三維圖像軟件要求計算機(jī)具有較高的內(nèi)存和運算速度，這一點能夠充分發(fā)揮現(xiàn)代計算機(jī)的優(yōu)勢。另外有幾項數(shù)字圖像技術(shù)需要采用數(shù)碼相機(jī)和數(shù)字顯微鏡收集實物素材，而這兩大設(shè)備在

9、現(xiàn)代生物教學(xué)中已比較普及，我們可以任何季節(jié)對目標(biāo)植物的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和繁殖結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行圖像采集。 （三）對教師帶來較大的挑戰(zhàn)雖然植物學(xué)教學(xué)中所使用的數(shù)字圖像技術(shù)并不要求教師對圖像處理技術(shù)有很深的了解，但是掌握幾種圖像軟件的基本操作是必須的。而對于一般的生物學(xué)教師而言，由于我們以前很少有機(jī)會接觸這些圖像軟件，而且計算機(jī)軟件基礎(chǔ)相對其他理工科專業(yè)教師偏弱，所以要想將這種技術(shù)熟練而深入地運用到植物學(xué)教學(xué)中，還需要我們自身多進(jìn)行相關(guān)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，在有條件的情況下與其他學(xué)院或其他學(xué)校老師合作進(jìn)行討論學(xué)習(xí)。四、數(shù)字圖像技術(shù)在植物教學(xué)中的展望數(shù)字圖像技術(shù)是當(dāng)前比較流行的一類計算機(jī)技術(shù)，其應(yīng)用價值很大，當(dāng)然掌握難度

10、也不小。在我們的教學(xué)過程中，需要不斷加強(qiáng)對教師軟件技能的培訓(xùn)，另外還需根據(jù)教學(xué)的效果不斷思考和改進(jìn)技術(shù)運用的方式和技巧。同時，我們不能忽略一個重要事實：植物學(xué)教學(xué)中，不管使用什么技術(shù)，都是作為一種教學(xué)手段，真正的教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握植物學(xué)知識和技能6、7。所以我們在未來的植物學(xué)教學(xué)中，必須始終以植物學(xué)教學(xué)大綱為基礎(chǔ)，仍然以傳統(tǒng)的教學(xué)方法為主，只是在重點難點處考慮使用數(shù)字圖像技術(shù)，并設(shè)法依據(jù)植物學(xué)知識系統(tǒng)將技術(shù)運用系統(tǒng)化。最后，我們要充分調(diào)動學(xué)生的積極性，因為計算機(jī)知識的革新是非常迅速的，學(xué)生們往往需要掌握更多的計算機(jī)技能，我們可以讓學(xué)生一起運用計算機(jī)和其他多媒體設(shè)備收集和準(zhǔn)備教學(xué)材料，師生在教學(xué)過程中共同進(jìn)步。參考文獻(xiàn)1解麗芳、林宏輝.虛擬實驗室在本科生生物實驗教學(xué)中的作用j.實驗技術(shù)與管理，2014（2）：114-115.2周云龍.植物生物學(xué)m.高等教育出版社，2011.3倪福太、李長有、王占武、劉強(qiáng)、姜恩來.利用現(xiàn)代化教學(xué)手段改革植物學(xué)教學(xué)j.生命世界，2009（2）：87-88.4賀勝.常用多媒體課件制作軟件比較j.邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2002（12）：65-68.5寧天夫.數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用于發(fā)展j.艦船電子