文科學(xué)生計算思維能力培養(yǎng)與Access數(shù)據(jù)庫教學(xué)

于寧 安繼芳

摘 要： 分析了計算思維能力培養(yǎng)與面向應(yīng)用的計算機(jī)教學(xué)之間關(guān)系。以Access數(shù)據(jù)庫應(yīng)用課程為例，結(jié)合文科專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)特點，從課堂教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)兩方面，提出將計算思維能力培養(yǎng)貫穿于教學(xué)過程的基本思路，并加以實踐。

關(guān)鍵詞： 計算思維； 面向應(yīng)用； 文科專業(yè)； Access數(shù)據(jù)庫應(yīng)用； 教學(xué)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）11-71-04

Abstract： This paper analyzes the relationship between the computational thinking ability training and application-oriented computer teaching. Taking the Access database application course as an example， combining with the characteristics of liberal arts student， from two aspects of classroom teaching and the practice， the paper puts forward the basic idea of training the computational thinking ability throughout the teaching， and makes it practiced.

Key words： computational thinking； application-oriented； liberal arts majors； Access database application； teaching

0 引言

自2006年3月，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授系統(tǒng)地闡述了計算思維，2010年9月中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳國良院士在“第六屆大學(xué)計算機(jī)課程報告論壇”倡議將計算思維引入大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)后，計算思維得到了國內(nèi)計算機(jī)基礎(chǔ)教育屆的廣泛重視。以九校聯(lián)盟（C9）為代表的我國高水平研究型大學(xué)就大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中的計算思維培養(yǎng)問題進(jìn)行了探討，并達(dá)成共識：將“計算思維能力的培養(yǎng)”作為計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)。之后43所院校廈門會議就大學(xué)計算機(jī)體系研討也一致認(rèn)為，計算機(jī)教學(xué)面向應(yīng)用是大學(xué)計算機(jī)教育的出發(fā)點和歸宿，計算思維應(yīng)成為大學(xué)生的普適能力，應(yīng)該在堅持計算機(jī)教學(xué)面向應(yīng)用的過程中培養(yǎng)計算思維能力[1]。同時呼吁大學(xué)計算機(jī)相關(guān)教學(xué)指導(dǎo)委員會、計算機(jī)基礎(chǔ)教育研究會及廣大教師，積極行動起來，旗幟鮮明地研究、建設(shè)基于計算思維能力培養(yǎng)的大學(xué)計算機(jī)體系。

1 文科學(xué)生計算思維培養(yǎng)

1.1 計算思維培養(yǎng)的重要性

當(dāng)前，隨著整個社會計算機(jī)應(yīng)用水平的提高，對于高校計算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)內(nèi)容提出了新的要求，即計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容不能僅僅著眼于軟件工具的使用，而應(yīng)有相對穩(wěn)定的，能體現(xiàn)計算機(jī)學(xué)科思想和方法的核心內(nèi)容，同時需要更加突出學(xué)生的思維方式、思想方法、價值取向，以及做人、做事、與人合作共處能力的培養(yǎng)，以提升學(xué)生多元能力——問題求解能力、實際應(yīng)用能力、自我學(xué)習(xí)能力、溝通表達(dá)能力及團(tuán)隊合作能力。培養(yǎng)和推進(jìn)計算思維包含兩個方面：一是深入掌握計算機(jī)解決問題的思路，總結(jié)規(guī)律，更好更自覺地應(yīng)用信息技術(shù)；二是把計算機(jī)處理問題的方法用于各個領(lǐng)域，推動在各個領(lǐng)域中運用計算思維，使各學(xué)科更好地與信息技術(shù)相結(jié)合[2]。

1.2 文科學(xué)生計算思維培養(yǎng)與面向應(yīng)用的關(guān)系

高校文科計算機(jī)教學(xué)任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計算機(jī)的能力。文科專業(yè)學(xué)生相對于理工科學(xué)生，在知識結(jié)構(gòu)上數(shù)理知識較少，在思維方式上更多地是從事實、現(xiàn)象得出結(jié)論，而不是運用概念、邏輯關(guān)系進(jìn)行推理[3]。因此，對于文科學(xué)生的計算思維培養(yǎng)，首先要構(gòu)建一種計算機(jī)文化氛圍，讓學(xué)生充分理解和認(rèn)識計算機(jī)的特點和用途；其次是要結(jié)合學(xué)生日常學(xué)習(xí)中生動形象的實例，有目的、適度地引入思維訓(xùn)練，引導(dǎo)學(xué)生對問題進(jìn)行解釋、分析、抽象、提取，幫助他們形成問題求解的思路。

計算思維培養(yǎng)與面向應(yīng)用的計算機(jī)教育之間應(yīng)該是相輔相成的。培養(yǎng)計算思維的目的是使學(xué)生更深入地認(rèn)識計算機(jī)知識背后的思維訓(xùn)練，從而學(xué)會應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)去解決問題的思路和方法，而在計算機(jī)應(yīng)用過程中不斷理解計算思維，逐步訓(xùn)練，使自己具備計算思維的能力，進(jìn)而提高分析問題、解決問題的能力。

2 Access數(shù)據(jù)庫應(yīng)用教學(xué)中計算思維培養(yǎng)

利用數(shù)據(jù)庫工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行基本的管理、分析、加工和利用，對于當(dāng)代大學(xué)生是非常必要的。我校針對文科學(xué)生開設(shè)的Access數(shù)據(jù)庫應(yīng)用課程是數(shù)據(jù)庫技術(shù)的入門課程，也是培養(yǎng)計算思維的重要課程。數(shù)據(jù)庫課程理論知識較多，所涉及的數(shù)據(jù)庫模型、數(shù)據(jù)完整性約束、數(shù)據(jù)庫設(shè)計、數(shù)據(jù)操縱、數(shù)據(jù)查詢等方法，在本質(zhì)上是一種思維方式的體現(xiàn)。下面從課堂教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)兩方面，探討如何將計算思維培養(yǎng)貫穿于課程教學(xué)中。

2.1 教學(xué)中有目的地突出思維訓(xùn)練

根據(jù)文科學(xué)生的認(rèn)知能力和形象思維能力較強(qiáng)的特點，在教學(xué)過程中，應(yīng)注重由淺入深、循序漸進(jìn)、用具體實例引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會數(shù)據(jù)處理的方法。重點把握好第一課導(dǎo)入、數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)理論等關(guān)鍵內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計。

2.1.1 重視教學(xué)第一課

教學(xué)第一節(jié)課是課程導(dǎo)入，使學(xué)生認(rèn)識數(shù)據(jù)庫，了解其應(yīng)用，是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的關(guān)鍵一節(jié)課。我們特別重視第一節(jié)課的教學(xué)設(shè)計，首先從學(xué)生身邊的實例，例如學(xué)生校園一卡通、考試題庫、圖書信息檢索等應(yīng)用引入數(shù)據(jù)庫，讓學(xué)生體會到在日常學(xué)習(xí)生活中數(shù)據(jù)庫技術(shù)的應(yīng)用無處不在。接下來通過演示網(wǎng)上購物的一次交易，讓學(xué)生體會商品購物過程中包含著用戶相關(guān)信息、商品信息的讀取；商品庫存信息、商品銷售信息的更新；用戶付款信息、商品銷售金額的統(tǒng)計；商品訂單的生成等數(shù)據(jù)庫知識與操作。最后教師給出數(shù)據(jù)庫知識結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。學(xué)生初步認(rèn)識到學(xué)完這門課程后，能運用數(shù)據(jù)庫基本原理及其數(shù)據(jù)庫技術(shù)建立數(shù)據(jù)庫，編寫簡單的應(yīng)用程序，完成大量數(shù)據(jù)的管理工作。

2.1.2 以具體案例引導(dǎo)學(xué)生理解數(shù)據(jù)模型的建立過程

在教學(xué)內(nèi)容上，以學(xué)生較為熟悉的教務(wù)管理系統(tǒng)為切入點，從系統(tǒng)分析、數(shù)據(jù)收集、建立模型、數(shù)據(jù)入庫開始到最終設(shè)計出一個完整的應(yīng)用系統(tǒng)。其中如何抽取、組織現(xiàn)實世界中的教務(wù)管理數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化成計算機(jī)能識別的一種結(jié)構(gòu)保存，即合理建立教務(wù)管理數(shù)據(jù)庫是課程的教學(xué)重點。以往講授這部分內(nèi)容時，讓學(xué)生按照教材指示直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，完成數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計。其實建立數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)表的操作并不難，難點是如何對現(xiàn)實世界的事物抽取、轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，這個知識點不講授清楚，學(xué)生就不會理解，當(dāng)學(xué)生獨立完成數(shù)據(jù)庫綜合作業(yè)時，問題就會暴露出來，對于所要設(shè)計的數(shù)據(jù)庫，不會分析、抽象現(xiàn)實世界中的哪些事物及其屬性將由計算機(jī)處理，不理解信息世界中的概念模型如何轉(zhuǎn)化為計算機(jī)世界中的關(guān)系模型等等?，F(xiàn)在我們在講授這部分內(nèi)容時，不直接將已設(shè)計好的數(shù)據(jù)庫提供給學(xué)生，而是要有意識、有目的地引導(dǎo)學(xué)生分析、抽象出現(xiàn)實世界事物及其屬性，由于現(xiàn)實世界的復(fù)雜性，不可能直接從現(xiàn)實世界建立模型，因此用信息世界的E-R（實體-聯(lián)系）方法建立概念模型，再轉(zhuǎn)化為計算機(jī)世界所識別的關(guān)系模型來存儲，并通過圖示幫助學(xué)生認(rèn)識抽象的意義，理解模型轉(zhuǎn)化的過程，如圖2所示。

經(jīng)過對教務(wù)管理業(yè)務(wù)分析，將部門（系）、教師、學(xué)生、課程、教材等基本信息抽象為實體。一個部門（系）擁有多個教師或?qū)W生，一個教師或?qū)W生只能在一個部門（系）中工作或?qū)W習(xí)；一個學(xué)生可以選修多門課程，一門課可被多個學(xué)生所修；每個學(xué)生選修的每門課只有一個課程成績；一本教材可用于多門課，一門課有一本主教材為實體間聯(lián)系，用E-R方法描述，如圖3所示。

根據(jù)概念模型設(shè)計，轉(zhuǎn)化為教務(wù)管理數(shù)據(jù)庫關(guān)系模式如下（以部門、學(xué)生、課程為例）：

⑴ 部門（部門編號，部門名稱，部門主任，辦公室，聯(lián)系電話…）；

⑵ 學(xué)生（學(xué)號，姓名，性別，出生年月，籍貫，所在部門編號，住址，聯(lián)系電話…）；

⑶ 課程（課程編號，課程名稱，學(xué)時，學(xué)分，所用教材編號…）。

分析、講授到這一步，學(xué)生便可以根據(jù)關(guān)系模式用數(shù)據(jù)庫建立一張張關(guān)系表了。學(xué)生只有認(rèn)識到建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的目的，是要實現(xiàn)計算機(jī)對現(xiàn)實世界中各種信息的處理，掌握了數(shù)據(jù)庫設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)后，圍繞教務(wù)管理的表、查詢、窗體、報表等數(shù)據(jù)庫對象展開設(shè)計就變得輕松了。

現(xiàn)實世界中教務(wù)管理涉及的每一個學(xué)生、老師、課程、教材等映射成信息世界的一個個實體，再到計算機(jī)世界的一條條記錄，這一過程實際上就是一種分層次、逐步抽象的過程。抽象是一種精確表達(dá)問題和建模的方法，也是計算思維的一個重要本質(zhì)[4]?；凇俺橄笏季S”，采用約簡、聚類、分解等方法就能夠?qū)⒁粋€復(fù)雜的客觀現(xiàn)實形象化地描述出來[5]。數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)理論中有很多計算思維思想的體現(xiàn)，我們要根據(jù)文科學(xué)生的學(xué)習(xí)特點，適度地、逐步地引入，同時結(jié)合實踐環(huán)節(jié)使學(xué)生理解、掌握。

2.2 實踐環(huán)節(jié)為學(xué)生預(yù)留思考的空間

計算思維是按照預(yù)防、保護(hù)及通過冗余、容錯、糾錯的方式，并從最壞情況進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)的一種思維方法。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中控制功能（安全性、完整性、并發(fā)性等）是計算思維的最好體現(xiàn)之一[6]。如關(guān)系的完整性約束，保證了數(shù)據(jù)處理過程中的正確、有效和相容。對于這個概念，如果直接講授，文科學(xué)生不一定都能理解，而將這部分知識結(jié)合實驗內(nèi)容，讓學(xué)生在實踐過程中理解關(guān)系完整約束，可收到較好效果。

學(xué)生在完成數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計后，按照要求錄入數(shù)據(jù)。實踐環(huán)節(jié)教材一般都是按照實驗?zāi)康?、實驗要求、實驗方法及步驟進(jìn)行組織的，學(xué)生按照步驟一一完成即可。實驗所用數(shù)據(jù)都是符合字段屬性設(shè)計及數(shù)據(jù)完整性要求的，學(xué)生按部就班完成就不會出錯，但這樣也體會不出數(shù)據(jù)完整性在數(shù)據(jù)庫中所起的作用?，F(xiàn)在我們改變一下方式，提供數(shù)據(jù)源時有意給出一些違反字段屬性或數(shù)據(jù)完整性要求的數(shù)據(jù)，例如在學(xué)生表中，對于學(xué)號字段給出重復(fù)值或空，那么在定義學(xué)號字段為主鍵時，由于不能通過學(xué)號識別每個學(xué)生，由此產(chǎn)生錯誤提示信息。對于學(xué)生所在部門編號字段，實驗數(shù)據(jù)有意給出某個學(xué)生的所在部門編號字段值不是部門表中給出的部門編號，學(xué)生在錄入數(shù)據(jù)時不會有任何問題，但在建立部門和學(xué)生的一對多關(guān)系時，無法實施參照完整性，因為將學(xué)生分配給一個不存在的部門，違反參照完整性原則。再有對于出生年月字段，在其字段屬性的有效性規(guī)則設(shè)計時，設(shè)置規(guī)則為出生年月在1990年至1999年之間。給出的實驗數(shù)據(jù)，有的學(xué)生出生年月不在這個范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)就無法錄入，因為違反了用戶定義的完整性約束。當(dāng)學(xué)生遇到上述種種錯誤時，必然產(chǎn)生困惑，從而會思考引發(fā)錯誤的原因，尋求解決問題的辦法，教師通過指導(dǎo)學(xué)生改正錯誤，挖掘出隱含在操作背后的關(guān)系完整性約束知識點，學(xué)生也就能夠理解了。

在實驗環(huán)節(jié)，針對每個知識點，我們利用事先設(shè)計好的實例，先講授要實現(xiàn)的目標(biāo)和基本方法，在完成實驗過程中，不斷引出問題，啟發(fā)學(xué)生對知識點理解和掌握，給學(xué)生預(yù)留一些思考的空間，讓學(xué)生帶著各自的理解和問題完成實驗內(nèi)容。

2.3 應(yīng)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)培養(yǎng)求解問題意識

每年度學(xué)校舉辦程序設(shè)計競賽（數(shù)據(jù)庫類），我們積極引導(dǎo)、鼓勵學(xué)生參加，從班級選拔開始，再進(jìn)行院級選拔，最終到校級參加現(xiàn)場答辯。在自擬主題的數(shù)據(jù)庫設(shè)計中，學(xué)生需要自己去識別問題域，根據(jù)主題數(shù)據(jù)需求自行設(shè)計數(shù)據(jù)庫。在每年度文科創(chuàng)新性實驗項目的申報與立項工作之初，我們采用多種形式向?qū)W生宣傳，從申報題目、學(xué)生組隊等方面給予必要的指導(dǎo)。結(jié)合所學(xué)數(shù)據(jù)庫知識，學(xué)生成功立項“人文北京之北京傳統(tǒng)飲食文化信息查詢系統(tǒng)”、“歷代帝王墓葬發(fā)掘史數(shù)據(jù)庫”等項目，經(jīng)過一年的項目研究，順利結(jié)題。參加競賽、項目研究的學(xué)生感受頗多，不僅能夠?qū)W以致用，親身實踐了課堂所學(xué)及課外拓展的知識，提高了動手能力，同時也提升了應(yīng)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)求解問題意識的培養(yǎng)。

3 結(jié)束語

面對非計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，課程應(yīng)該注重培養(yǎng)學(xué)生的思維、方法、意識、興趣和能力，而不是灌輸一大堆概念與知識[7]。數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)是以提高學(xué)生的應(yīng)用能力為根本，學(xué)生首先要熟練掌握數(shù)據(jù)庫基本技術(shù)，學(xué)會利用數(shù)據(jù)庫解決實際問題，進(jìn)而能綜合應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)為本專業(yè)領(lǐng)域服務(wù)。目前，經(jīng)過兩輪教學(xué)實踐，我們的體會是教學(xué)過程較為順暢了，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣提高了，數(shù)據(jù)庫綜合作品設(shè)計質(zhì)量提高了。在本年度進(jìn)行的北京聯(lián)合大學(xué)程序設(shè)計（數(shù)據(jù)庫組）競賽中，我院有19組參賽，2組獲得一等獎，8組獲得二等獎，7組獲得三等獎，取得可喜成績。數(shù)據(jù)庫應(yīng)用課程中如何更好地培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力的教學(xué)研究還將繼續(xù)深入開展，對于教與學(xué)，都是挑戰(zhàn)，我們將不斷探索與實踐。

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