基于計(jì)算思維的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)及應(yīng)用課程教學(xué)研究

摘要：目前教育部啟動(dòng)的大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革項(xiàng)目，旨在推動(dòng)以大學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)為重點(diǎn)的教學(xué)改革。文章結(jié)合北京工業(yè)大學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)與應(yīng)用課程的實(shí)際教學(xué)情況，指出在教學(xué)活動(dòng)中引入計(jì)算思維的重要性，從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式方面探討培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的可行性。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；數(shù)據(jù)庫(kù)；教學(xué)實(shí)踐

文章編號(hào)：1672-5913（2013）18-0048-04

中圖分類(lèi)號(hào)：G642

1 計(jì)算思維和計(jì)算機(jī)教育

目前，對(duì)于非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)，教學(xué)目標(biāo)定位在知識(shí)和技能的訓(xùn)練。在教學(xué)過(guò)程中，教師往往會(huì)過(guò)分糾結(jié)于知識(shí)點(diǎn)細(xì)節(jié)的講解，使學(xué)生陷入一種怪圈，知識(shí)點(diǎn)講簡(jiǎn)單了滿足不了學(xué)生的求知欲，講深了讓學(xué)生難以理解，而學(xué)生在專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)和工作中又很少用到這些知識(shí)點(diǎn)。教學(xué)內(nèi)容不能滿足專(zhuān)業(yè)需要和社會(huì)需求，許多課程被取消或課時(shí)被削減成為普遍現(xiàn)象。授人以魚(yú)而不授人以漁，這種教學(xué)理念不利于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)求解問(wèn)題的能力。

復(fù)旦大學(xué)校長(zhǎng)楊玉良教授認(rèn)為通識(shí)教育要傳遞科學(xué)精神和人文精神，要展現(xiàn)不同文化、不同學(xué)科的思維方式并充分展現(xiàn)學(xué)術(shù)魅力。《九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》中明確指出：應(yīng)該旗幟鮮明地把“計(jì)算思維能力的培養(yǎng)”作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)。計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類(lèi)行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。如同所有人具備閱讀、寫(xiě)作、算術(shù)能力一樣，計(jì)算思維也應(yīng)該為我們所具備。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展日新月異，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)內(nèi)容涉及面廣，更新快。以計(jì)算思維能力的培養(yǎng)作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)，不僅能夠擺脫計(jì)算機(jī)工具論的片面觀點(diǎn)，而且能夠更好地詮釋課程建設(shè)目標(biāo)，體現(xiàn)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的特征以及通識(shí)教育應(yīng)有的特征。

2 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)中的計(jì)算思維

計(jì)算思維是通過(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題重新闡釋成我們知道的問(wèn)題，然后一步步解決；是一種采用抽象和分解控制龐雜任務(wù)或進(jìn)行巨大復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，是基于關(guān)注點(diǎn)分離的方法；是按照預(yù)防、保護(hù)及通過(guò)冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)的方式，從最壞情況進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)的一種思維方法；是利用啟發(fā)式推理尋求答案，在不確定情況下規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度的思維方法；是利用海量數(shù)據(jù)加快計(jì)算，在時(shí)間和空間之間、在數(shù)據(jù)處理能力和存儲(chǔ)容量之間進(jìn)行折衷的思維方法。數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)既有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，又在實(shí)踐中應(yīng)用廣泛，其中很多知識(shí)點(diǎn)都為計(jì)算思維提供了生動(dòng)的案例。

2.1 抽象

我們?cè)诒姸嗫茖W(xué)研究中，首先都要對(duì)研究的現(xiàn)實(shí)事物進(jìn)行抽象，可以說(shuō)沒(méi)有抽象，就沒(méi)有科學(xué)理論和科學(xué)研究。抽象是指從眾多事物中抽取出共同的、本質(zhì)性的特征。通過(guò)蘋(píng)果、桃子、香蕉等得出水果的概念是抽象；將神舟十號(hào)的運(yùn)行軌跡轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)運(yùn)算是抽象。在教務(wù)管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，將現(xiàn)實(shí)世界中學(xué)生、教師與課程信息及其之間的關(guān)系轉(zhuǎn)化為E-R圖，是從現(xiàn)實(shí)世界到概念模型的抽象；由E-R圖轉(zhuǎn)換為二維表是從概念模型到關(guān)系模型的抽象。

抽象分為數(shù)據(jù)抽象和過(guò)程抽象，以上示例是數(shù)據(jù)抽象，對(duì)數(shù)據(jù)的操作是過(guò)程抽象，如對(duì)成績(jī)的統(tǒng)計(jì)分析轉(zhuǎn)換為集合運(yùn)算就是一種過(guò)程抽象。數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是利用計(jì)算機(jī)解決現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題，需要借助多次抽象才能實(shí)現(xiàn)，因此教師在課堂教學(xué)中應(yīng)適時(shí)展現(xiàn)知識(shí)背后所蘊(yùn)含的抽象思維，而在實(shí)踐教學(xué)中，則通過(guò)從現(xiàn)實(shí)問(wèn)題中建立概念模型和數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化學(xué)生的抽象能力。

2.2 關(guān)注點(diǎn)分離

關(guān)注點(diǎn)分離是一種處理復(fù)雜性問(wèn)題的系統(tǒng)思維方法。哲學(xué)上的整體與個(gè)體、主要矛盾與次要矛盾的關(guān)系分析就是一種關(guān)注點(diǎn)分離的思維方式，先將復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行合理分解，再分別仔細(xì)研究問(wèn)題的不同側(cè)面，最后合成整體分析。這種方法適用于任何學(xué)科，學(xué)會(huì)這種思維方式，將有助于人們很好地處理工作和生活中的復(fù)雜問(wèn)題。

數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)管理龐雜的數(shù)據(jù)，包括存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、檢索數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、維護(hù)數(shù)據(jù)等。Access2007通過(guò)6大數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象管理數(shù)據(jù)，就是應(yīng)用了關(guān)注點(diǎn)分離的思維方法。教師可在教學(xué)內(nèi)容的展開(kāi)上應(yīng)用關(guān)注點(diǎn)分離方法，以數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)為主線，在解決問(wèn)題的過(guò)程中逐步引入知識(shí)點(diǎn)，避免學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中感到知識(shí)點(diǎn)繁雜零散；在實(shí)踐教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生遵循概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程，培養(yǎng)和提高學(xué)生處理復(fù)雜問(wèn)題的能力。

2.3 折衷

在經(jīng)濟(jì)學(xué)中，經(jīng)濟(jì)效率指的是成本與收益之間的關(guān)系，在成本最低的情況下追求最高收益是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的追求；一個(gè)國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展要求經(jīng)濟(jì)、人口、資源、環(huán)境等協(xié)調(diào)發(fā)展，這都體現(xiàn)了折衷思想。折衷的中文含義是調(diào)和各方面的意見(jiàn)使之適中，人們?cè)谕瓿梢豁?xiàng)任務(wù)、制訂一項(xiàng)計(jì)劃時(shí)要考慮效益與成本問(wèn)題。

數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)中管理海量數(shù)據(jù)要考慮時(shí)間和空間成本、存儲(chǔ)與處理能力。索引雖然提高了查詢(xún)速度，但需要一定的存儲(chǔ)空間，因此不能無(wú)限制建立索引。設(shè)計(jì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)應(yīng)用規(guī)范化理論，可以減少存儲(chǔ)空間，但增加了查詢(xún)時(shí)間。數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)追求的是最合適而不是最完美，因此數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)人員要充分了解用戶(hù)需求，折衷各項(xiàng)指標(biāo)，使系統(tǒng)最適合用戶(hù)的需求。教師在實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)著重培養(yǎng)學(xué)生具有折衷思想，讓其了解需求分析的重要性并恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 面向計(jì)算思維的教學(xué)實(shí)踐

培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，注意不要讓計(jì)算思維成為空中樓閣，不是只講思維而忽略知識(shí)點(diǎn)，而是注意在講解知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)有意識(shí)地轉(zhuǎn)向思維方法，使學(xué)生不僅知其然還知其所以然，在知識(shí)和技能的培養(yǎng)基礎(chǔ)上逐漸形成計(jì)算思維意識(shí)。

3.1 教學(xué)內(nèi)容

數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)及應(yīng)用課程內(nèi)容的主體是數(shù)據(jù)庫(kù)基本原理和基本設(shè)計(jì)方法，而不是數(shù)據(jù)庫(kù)軟件的使用說(shuō)明。在課程內(nèi)容組織上，軟件的介紹應(yīng)該僅涉及與學(xué)習(xí)和理解數(shù)據(jù)庫(kù)基本概念、基本設(shè)計(jì)方法相關(guān)的內(nèi)容，以保證學(xué)生所學(xué)知識(shí)可以應(yīng)用于基于不同數(shù)據(jù)庫(kù)軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)及應(yīng)用（Access版）課程教學(xué)安排見(jiàn)表1。

3.2 教學(xué)方法

1）以問(wèn)題式教學(xué)及案例教學(xué)貫穿教學(xué)過(guò)程。

調(diào)整后的教學(xué)內(nèi)容理論性更強(qiáng)，涉及的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)較多，對(duì)于非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)理解不易。教師以提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題為線索，將其貫穿教學(xué)始終，讓學(xué)生感受知識(shí)發(fā)現(xiàn)的過(guò)程，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性；以案例引導(dǎo)教學(xué)，幫助學(xué)生更好地理解知識(shí)，讓學(xué)生感到學(xué)有所用。例如，教師可在開(kāi)課之初引入一個(gè)簡(jiǎn)單完整的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)例，使得學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)有一個(gè)真實(shí)認(rèn)知，更易于理解數(shù)據(jù)庫(kù)的基本理論；選取學(xué)生常見(jiàn)的、感興趣的案例，利用軟件工程思想，從需求分析一總體設(shè)計(jì)一詳細(xì)設(shè)計(jì)一數(shù)據(jù)庫(kù)的建立與實(shí)施一運(yùn)行與維護(hù)幾個(gè)階段出發(fā)，對(duì)解決問(wèn)題過(guò)程中出現(xiàn)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解，同時(shí)注意展現(xiàn)知識(shí)背后蘊(yùn)含的思維方式；知識(shí)點(diǎn)的引入要由淺入深，由表及里，以解決問(wèn)題為主線，但最后要注意總結(jié)知識(shí)點(diǎn)并設(shè)計(jì)一些認(rèn)知性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)供學(xué)生練習(xí)。

2）即學(xué)即練。

從2009年開(kāi)始，北京工業(yè)大學(xué)將該門(mén)課程的授課地點(diǎn)安排在實(shí)驗(yàn)室，教師每講授完一部分知識(shí)即讓學(xué)生上機(jī)練習(xí)。這樣可以轉(zhuǎn)移學(xué)生的注意力，避免“滿堂灌”，從而有利于學(xué)生更好地掌握課堂內(nèi)容，也有利于教師隨時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，調(diào)整課堂節(jié)奏。

3.3 考核方式

我們采用“機(jī)試+考勤+實(shí)驗(yàn)+課程設(shè)計(jì)”的綜合考核方式，以強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐能力。機(jī)試用來(lái)考查學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握程度；實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)知識(shí)點(diǎn)而設(shè)計(jì)；課程設(shè)計(jì)則是讓學(xué)生用VB語(yǔ)言和Access軟件獨(dú)立開(kāi)發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)，完成后進(jìn)行課堂展示，著重考查學(xué)生的綜合能力。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，教育部啟動(dòng)的大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革項(xiàng)目旨在提升大學(xué)生信息素養(yǎng)和應(yīng)用能力，推動(dòng)以大學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)為重點(diǎn)的大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革。各高校教師積極參與并實(shí)踐，努力探索培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的有效途徑，筆者則在文中就如何在非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)與應(yīng)用課程中引入計(jì)算思維理念進(jìn)行探討。計(jì)算思維能力培養(yǎng)是一個(gè)長(zhǎng)期的系統(tǒng)工程，還需要我們不斷研究與實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)：

[1]何欽銘，陸漢權(quán)，馮博琴，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)是計(jì)算思維能力的培養(yǎng)[J]，中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2010（9）：5-9

[2]Wing J M.Computational thinking[J].Communications of ACM，2006，49（3）：33-35

[3]教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)，高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)核心課程教學(xué)實(shí)施方案[M]，北京：高等教育出版社，2011：176-192

（編輯：宋文婷）