基于多層次實驗進階的數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)

何小衛(wèi)，葉榮華

（浙江師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院，浙江 金華 321004）

1 數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)存在的問題

數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)是大學(xué)本科甚至研究生階段計算機應(yīng)用技術(shù)的一個重要環(huán)節(jié)，扎實掌握數(shù)據(jù)庫相關(guān)技術(shù)是計算機科學(xué)、軟件工程等專業(yè)畢業(yè)生的必備技能?，F(xiàn)行的數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用教材內(nèi)容比較偏重于對數(shù)據(jù)庫原理的理論性說明[1]，而對數(shù)據(jù)庫的實踐環(huán)節(jié)敘述大多數(shù)相對簡單，造成學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中更多地學(xué)習(xí)理論知識本身，卻忽視了這些理論知識的實際應(yīng)用。事實上，本科的數(shù)據(jù)庫課程是后續(xù)web應(yīng)用開發(fā)、軟件工程等課程的先修課程[2]，是軟件工程方向的基礎(chǔ)課程，特別需要學(xué)生扎實掌握數(shù)據(jù)庫的實踐技能[3]。根據(jù)多年來這門課程的教學(xué)經(jīng)歷，我們認(rèn)為課程教學(xué)方法上存在以下一些問題。

（1）實驗課程學(xué)時安排偏少，內(nèi)容簡單。大多數(shù)本科階段使用的數(shù)據(jù)庫教材在內(nèi)容的安排上，比較注重理論知識的完整性，一般都具有數(shù)據(jù)庫概述、關(guān)系數(shù)據(jù)庫、SQL語言、事務(wù)、并發(fā)控制、數(shù)據(jù)庫恢復(fù)技術(shù)、關(guān)系數(shù)據(jù)理論、數(shù)據(jù)概念模型（ER、EER）、關(guān)系數(shù)據(jù)模型、關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法等相關(guān)章節(jié)，其中大部分內(nèi)容偏向理論敘述，實踐內(nèi)容的安排普遍偏少且簡單，在要求學(xué)生熟悉實驗平臺基本操作基礎(chǔ)上，SQL語言的應(yīng)用要求比較低，即使學(xué)生完成了實驗內(nèi)容，離實際應(yīng)用的要求還是相差甚遠。

（2）教學(xué)實施過程中教學(xué)內(nèi)容的選擇完全以選定的教材內(nèi)容作為依據(jù)。在實施本科階段數(shù)據(jù)庫課程的教學(xué)中，通常會以選定一本教材作為組織教學(xué)的依據(jù)；而事實上，很少有教材能夠滿足理論與實踐合理搭配的需求，特別是不能滿足實踐上的教學(xué)需求，往往除了基本的SQL實驗以外，很少安排存儲過程、觸發(fā)器、游標(biāo)等內(nèi)容的設(shè)計；更缺少嵌入高級語言中的使用、基于web的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用、DBMS的高級應(yīng)用、DBMS高級主題等實驗的安排。

（3）缺乏把理論與實踐環(huán)節(jié)有機結(jié)合的教學(xué)機制。數(shù)據(jù)庫課程的基本概念很多，實際上死記硬背這些基本概念是沒有用的，必須在實踐中讓學(xué)生體會到這些概念的作用才能徹底理解，需要設(shè)計合適的實驗用以體現(xiàn)基本概念、原理的作用，比如主鍵、外鍵、check約束、View、Null、Unique、索引、ER model、存儲過程、觸發(fā)器、游標(biāo)、事務(wù)、并發(fā)控制、數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)、主從復(fù)制等，這些基本概念如何在實驗中得以體現(xiàn)，在教學(xué)過程中需要去設(shè)計相關(guān)實驗，使學(xué)生在實踐過程中就能很好地理解它們。

（4）缺乏有效的、動態(tài)的實驗考核方法。當(dāng)前數(shù)據(jù)庫課程的實驗除了內(nèi)容簡單、離實用相差大以外，對于實驗的考核主要是查看學(xué)生提交的實驗報告。事實上，學(xué)生提交的實驗報告基本上是針對老師安排內(nèi)容的實驗過程和結(jié)果，而老師安排的實驗內(nèi)容相對固定，所以學(xué)生所做實驗的過程與結(jié)果雷同，但是具體做的過程中，不同學(xué)生解決這些問題的速度、能力的考核很難從實驗報告上精確地體現(xiàn)出來，所以非常需要有一種有效的動態(tài)考核方法。

（5）缺少培養(yǎng)學(xué)生不斷深入學(xué)習(xí)的內(nèi)容引導(dǎo)。當(dāng)前本科階段數(shù)據(jù)庫課程的課時安排通常為每周4課時或3課時，而其中實驗課時通常最多占三分之一，光靠本科階段的這些課時顯然不能滿足學(xué)生工作前的學(xué)習(xí)課時要求，而教學(xué)過程中往往僅介紹關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)。隨著數(shù)據(jù)庫技術(shù)的不斷發(fā)展，非關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)如MongoDB、HadoopDB等[4-6]以及BlockChain系統(tǒng)（如以太坊、Hyperledger Fabric），均為當(dāng)前新的數(shù)據(jù)管理技術(shù)框架，需要教師根據(jù)實際情況制訂數(shù)據(jù)庫課程系列的整體學(xué)習(xí)框架，至少能夠花少量的課時介紹這些最新的技術(shù)，能滿足學(xué)生學(xué)完本科階段課程以后2～3年后續(xù)學(xué)習(xí)內(nèi)容的推薦，或者研究生階段的課程內(nèi)容學(xué)習(xí)。

2 多層次實驗進階的數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)

數(shù)據(jù)管理技術(shù)當(dāng)前處于一個多種技術(shù)共存的時期，見圖1，關(guān)系數(shù)據(jù)庫仍然是主導(dǎo)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，Nosql數(shù)據(jù)庫和去中心化的數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展也非常迅猛，所以作為擔(dān)任數(shù)據(jù)庫相關(guān)課程的任課老師，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式上也需要與時俱進，不斷調(diào)整數(shù)據(jù)庫課程的教學(xué)內(nèi)容特別是實驗內(nèi)容，使學(xué)生畢業(yè)以后能夠適合社會在這方面的技能需求。根據(jù)近年來筆者從事本科、研究生階段數(shù)據(jù)庫課程的教學(xué)實踐，課程分為基礎(chǔ)實驗、遞進實驗、高級主題實驗3個實驗?zāi)K，其中前兩個模塊為本科階段安排的內(nèi)容，而高級主題實驗為學(xué)生進一步學(xué)習(xí)的內(nèi)容。通過前兩個模塊的學(xué)習(xí)和實踐，學(xué)生能夠深刻理解數(shù)據(jù)庫課程中的基本概念與原理，從而牢固掌握它們；數(shù)據(jù)庫技術(shù)高級主題包括SQL語句防注入技術(shù)、查詢優(yōu)化技術(shù)、高性能索引技術(shù)、讀寫分離技術(shù)、分區(qū)分表技術(shù)、主從復(fù)制技術(shù)等，學(xué)生在工作之前掌握這些內(nèi)容，無疑會給就業(yè)的崗位層次帶來顯著的提升。

圖1 數(shù)據(jù)管理技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 基礎(chǔ)性實驗

當(dāng)前關(guān)系數(shù)據(jù)庫仍然是主流的，涉及的知識點有數(shù)據(jù)庫安全性、數(shù)據(jù)庫基本概念（數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫DB、DBMS、DBS、模式結(jié)構(gòu)）、關(guān)系結(jié)構(gòu)（關(guān)系、元組、屬性、超鍵、鍵、數(shù)據(jù)類型）、鍵（候選鍵、主鍵、外鍵）、數(shù)據(jù)完整性約束（實體完整性、參照完整性、用戶定義完整性，包括數(shù)據(jù)類型定義、null、Check約束、Unique約束等）、基 礎(chǔ) SQL 語 言（Select、 Insert、Update、Delete、Create Table、Alter Table、Drop Table）、數(shù)據(jù)庫安全性管理（用戶管理、授權(quán)管理、角色管理）、數(shù)據(jù)庫特殊機制（存儲過程、觸發(fā)器、游標(biāo)）、事務(wù)、并發(fā)控制、數(shù)據(jù)庫恢復(fù)、關(guān)系數(shù)據(jù)理論（函數(shù)依賴、范式理論、關(guān)系分解）、ER設(shè)計與數(shù)據(jù)庫設(shè)計等[5]。圖2是關(guān)系數(shù)據(jù)庫的主要知識點及相互關(guān)系圖，除了關(guān)系數(shù)據(jù)理論、ER模型設(shè)計以外，其他概念與內(nèi)容均可以直接安排進實驗。比如，對于關(guān)系結(jié)構(gòu)（關(guān)系、元組、屬性、超鍵、鍵、數(shù)據(jù)類型）、鍵（候選鍵、主鍵、外鍵）、數(shù)據(jù)完整性約束（實體完整性、參照完整性、用戶定義完整性（包括數(shù)據(jù)類型定義、null、Check約束、Unique約束等）這部分內(nèi)容可以通過設(shè)計2～3個帶各種約束的Table創(chuàng)建來覆蓋所有涉及的知識點，并設(shè)計其他的操作來驗證約束的有效性；對于SQL語言的查詢語句需要設(shè)計各個類型的問題，涉及select語句的各種條件的使用和group by、order by子句的使用； 對于事務(wù)、并發(fā)控制等內(nèi)容可以設(shè)計模擬多用戶情形，結(jié)合封鎖機制來實現(xiàn)并發(fā)控制的效果；而對于數(shù)據(jù)庫安全性，可以設(shè)計一具體的應(yīng)用場景，讓學(xué)生根據(jù)不同用戶使用某一數(shù)據(jù)庫的場景，要求學(xué)生使用用戶管理、授權(quán)、角色等相關(guān)操作設(shè)計安全性的解決方案。綜上所述，設(shè)計若干基礎(chǔ)性和綜合性實驗來覆蓋關(guān)系數(shù)據(jù)庫中所涉及的重要概念，通過完成這些實驗，不但讓學(xué)生能夠熟練掌握實驗技能，而且使學(xué)生對于重要概念有深刻的理解，與去背誦這些概念所達到的學(xué)習(xí)效果是完全不同的；對于實驗考核，考慮安排新的題庫隨機考核學(xué)生的掌握情況。

2.2 遞進實驗內(nèi)容

完成基礎(chǔ)性實驗之后，在基于高級語言的純代碼數(shù)據(jù)庫訪問、基于Web的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用設(shè)計兩個方面，需要設(shè)計相關(guān)的綜合性實驗?？紤]到本科階段后續(xù)會開設(shè)Web應(yīng)用相關(guān)的課程，必然會學(xué)習(xí)如何在Web頁面訪問關(guān)系數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，所以這部分內(nèi)容在課時緊張的情況下可以讓學(xué)生在Web應(yīng)用課程的時候再去學(xué)習(xí)，當(dāng)然可以鼓勵學(xué)生課后去嘗試如何在Web應(yīng)用中使用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，要求學(xué)生根據(jù)某個具體應(yīng)用場景，完成基于某個角色的一組功能，比如在成績管理系統(tǒng)中的教師成績錄入、修改、查詢統(tǒng)計頁面功能，包括動態(tài)頁面設(shè)計、JS代碼、數(shù)據(jù)庫訪問等，但不限于用什么開發(fā)平臺、語言和使用的框架。

基于高級語言的純代碼（比如Java）的綜合實驗，要求學(xué)生能夠完成基于高級語言的純代碼方式連接、訪問關(guān)系數(shù)據(jù)庫，如果完全由學(xué)生去完成所有的代碼可能有一定的困難，所以在設(shè)計這個綜合性實驗的時候可以嘗試給出簡單的代碼框架和簡單demo，可以使學(xué)生根據(jù)不同的實驗需求快速模仿數(shù)據(jù)庫訪問的相關(guān)代碼。

2.3 高級主題實驗

在本科階段能夠完成以上兩個部分實驗，應(yīng)該會得到不錯的教學(xué)效果，但是僅僅如此對于即將走向社會從事計算機軟件研發(fā)相關(guān)工作的學(xué)生來說還是不夠的，還缺乏對數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域一些高級主題的應(yīng)用，比如SQL語句防注入技術(shù)、查詢優(yōu)化技術(shù)、讀寫分離技術(shù)、分區(qū)分表技術(shù)、主從復(fù)制技術(shù)等，而這些內(nèi)容對于未來從事數(shù)據(jù)庫管理員和研發(fā)的學(xué)生尤為重要，事實上也成為市場上數(shù)據(jù)庫方面高端人才層次中最重要的要求，能夠熟練掌握這些數(shù)據(jù)庫高級技術(shù)的人才也成為市場上的香餑餑，薪資水平會在普通數(shù)據(jù)庫人才的基礎(chǔ)上有一個非常明顯的提升，甚至幾倍的水平。

雖然在本科階段的數(shù)據(jù)庫課程中一般不會要求學(xué)生進行這些高級主題的技能訓(xùn)練，但由于這部分內(nèi)容在高層次數(shù)據(jù)庫人才角色中的重要性，所以對于本科階段的優(yōu)秀學(xué)生或者研究生階段的學(xué)生需要引導(dǎo)他們?nèi)ナ煜み@些高級數(shù)據(jù)庫技術(shù)，針對不同的主題設(shè)計合適的綜合性實驗或者課程設(shè)計，通過這些實驗的訓(xùn)練，學(xué)生能夠深刻理解這些主題相關(guān)技術(shù)的目的、措施、效果，把這部分優(yōu)秀的學(xué)生訓(xùn)練為具有高級數(shù)據(jù)庫技能的潛在專家。

3 數(shù)據(jù)管理技術(shù)最新發(fā)展

雖然當(dāng)前最流行的數(shù)據(jù)管理技術(shù)還是關(guān)系數(shù)據(jù)庫，但是Oracle、Sql server、Mysql這些商用產(chǎn)品無一例外都是中心化的數(shù)據(jù)管理模式，數(shù)據(jù)類型比較傳統(tǒng)，比如數(shù)值、字符串、日期時間等；隨著互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下數(shù)據(jù)類型的多樣性和數(shù)據(jù)分析任務(wù)的需要增長，關(guān)系數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵特性包括完善的事務(wù)機制和高效的查詢機制這兩個引以為傲的關(guān)鍵特性，到了Web2.0時代卻成了雞肋，因為Web2.0網(wǎng)站系統(tǒng)通常不要求嚴(yán)格的數(shù)據(jù)庫事務(wù)、不要求嚴(yán)格的讀寫實時性、不包含大量復(fù)雜的SQL查詢，可以考慮選用NoSQL數(shù)據(jù)庫，比如Redis、HadoopDB、MongoDB等。關(guān)系數(shù)據(jù)庫和NoSQL數(shù)據(jù)庫各有優(yōu)缺點，彼此無法完全取代。電信、銀行等領(lǐng)域的關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)，需要保證強事務(wù)一致性，仍然需要使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫；而互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、傳統(tǒng)企業(yè)的非關(guān)鍵業(yè)務(wù)（比如數(shù)據(jù)分析）可以使用NoSQL數(shù)據(jù)庫。最新的NoSQL數(shù)據(jù)庫，也是大數(shù)據(jù)方向的工具，引導(dǎo)學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)或者開設(shè)相關(guān)的課程，對于學(xué)生以后走向工作崗位也是非常有好處的。去中心化的數(shù)據(jù)管理技術(shù)（如區(qū)塊鏈技術(shù)）也是近兩年發(fā)展非常迅速的方向，涌現(xiàn)出了以太坊、Hyperleder Fabric等著名系統(tǒng)，值得我們及時關(guān)注和研究，有可能的話也可用其設(shè)計入門級的實驗。

4 結(jié) 語

目前主流的關(guān)系數(shù)據(jù)庫分為基礎(chǔ)性實驗、遞進實驗、高級數(shù)據(jù)庫主題實驗，其中本科階段學(xué)生必須完成基礎(chǔ)性實驗并至少選做遞進實驗中的一部分；還可以設(shè)計相關(guān)的高級主題實驗引導(dǎo)學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)或者在研究生階段的學(xué)習(xí)，包括在NoSQL數(shù)據(jù)庫上和區(qū)塊鏈上的實驗安排。