若干世界一流大學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)課程實(shí)施情況調(diào)研

周競(jìng)文，李莎莎，周海芳

（1.國(guó)防科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073；2.復(fù)雜系統(tǒng)軟件工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410073）

0 引 言

數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)是當(dāng)前數(shù)據(jù)管理的最有效方法，是現(xiàn)代信息基礎(chǔ)設(shè)施的核心技術(shù)之一，在諸多重要領(lǐng)域起著不可替代的作用，因此，成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，也成為計(jì)算機(jī)專業(yè)及其他相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，受到各大高校的重視。然而，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的特點(diǎn)導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)課程，特別是入門課程，在實(shí)施過(guò)程中面臨一些問(wèn)題，如數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)既重理論又重實(shí)踐，如何平衡理論和實(shí)踐課程的問(wèn)題；數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)涵蓋面廣、部分內(nèi)容難度較大，如何折中課程廣度和深度的問(wèn)題；在傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)仍被廣泛使用的同時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)新技術(shù)的發(fā)展也日新月異，如何取舍傳統(tǒng)技術(shù)和新技術(shù)的問(wèn)題等。不同高校對(duì)于這些問(wèn)題的解決有著一些共同的認(rèn)識(shí)，但也存在一些差別。

1 調(diào)研對(duì)象

調(diào)研對(duì)象的選取方法如下。

（1）學(xué)校：將各高校計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)在QS 2018、ARWU 2017、USNEWS 2016的排名相加計(jì)算得分，如MIT的計(jì)算機(jī)專業(yè)在3個(gè)排名中均為第1，則得分為3，然后選取得分最小的前8所高校。

（2）課程：選取面向本科生開設(shè)的數(shù)據(jù)庫(kù)入門課程，即課程不要求學(xué)生預(yù)先掌握任何數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)知識(shí)。調(diào)研的8門課程見表1。

（3）學(xué)期：在網(wǎng)絡(luò)資料較全面的前提下，選取離當(dāng)前時(shí)間最近的學(xué)期。

表1 調(diào)研的課程

2 實(shí)施情況

2.1 基本信息

調(diào)研課程的基本信息見表2。

從課時(shí)安排上看，課時(shí)數(shù)最少為15次課（Harvard），最多為29次課（UCB），平均為22.3次課。除課表課時(shí)之外，學(xué)生還需要在課外花費(fèi)大量的時(shí)間完成課程作業(yè)、閱讀相關(guān)資料、進(jìn)行討論等。UCB在施教過(guò)程中要求學(xué)生完成13個(gè)普通作業(yè)和5個(gè)難度較大的編程作業(yè)；Stanford除布置作業(yè)之外，還會(huì)布置額外的閱讀材料；MIT每周會(huì)安排2～3次教師或教輔答疑討論時(shí)間。

表2 課程基本信息

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，各高校對(duì)先導(dǎo)課程的要求不一樣，但一般來(lái)說(shuō)，需要學(xué)生熟悉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法等方面的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)，以滿足課程內(nèi)容的需求，如UCLA要求學(xué)生熟悉哈希表、樹/圖結(jié)構(gòu)、排序算法、集合論等內(nèi)容。另外，這些課程普遍要求學(xué)生具備較好的編程能力，以順利完成課程的相關(guān)作業(yè)，如Harvard的作業(yè)之一是編程實(shí)現(xiàn)某DBMS的特定功能，故明確要求學(xué)生具有“很強(qiáng)的Java編程技巧”。

2.2 教材與平臺(tái)

各課程選用的教材和參考書（標(biāo)“*”表示推薦的參考書，否則為所用教材）見表3，主要集中為3本：①Database Management Systems（R.Ramakrishnan,J.Gehrke）； ②Database Systems:The Complete Book（H.Garcia-Molina,J.D.Ullman,J.Widom）；③Database System Concepts（A.Silberschatz,H.F.Korth,S.Sudarshan）。

表3 教材和參考書

除此之外，各課程還會(huì)根據(jù)需要選用其他一些相關(guān)書籍，如Harvard使用自編材料、ETHZ使用某德文教材等。另外需指出的是，許多課程在具體施教時(shí)方式靈活，不依賴于教材，如UCLA課程網(wǎng)站上指出“雖然本課程教材是學(xué)校要求的，但往年很多學(xué)生表示不買教材也可以跟上課程”。

各課程在資源發(fā)布、在線交流、提交作業(yè)等方面使用的相關(guān)平臺(tái)見表4。

表4 教學(xué)平臺(tái)

整體上看，國(guó)外課程的課程網(wǎng)站做得較好，課程信息、資源、通知等均會(huì)在課程網(wǎng)站上發(fā)布，而在在線交流、提交作業(yè)等方面更多的是選用功能成熟的商用平臺(tái)，如Piazza、GitHub等。另外，還有些課程會(huì)通過(guò)平臺(tái)發(fā)布課程錄像，如UCB和CMU。通過(guò)這些平臺(tái)的合理使用，學(xué)生能夠及時(shí)獲取課程資源，得到相關(guān)反饋，從而保證課程的順利進(jìn)行。

2.3 成績(jī)構(gòu)成

各課程的成績(jī)組成及分值比例見表5。

這些課程的成績(jī)一般由普通作業(yè)、編程作業(yè)、期中考試、期末考試等部分組成。編程作業(yè)是指需要學(xué)生編程實(shí)現(xiàn)的課程項(xiàng)目，如MIT、UCB、Harvard、CMU、Princeton、UCLA 要 求完 成 一 個(gè) DBMS，Stanford、Princeton、UCLA要求實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)。普通作業(yè)是除編程作業(yè)外的相關(guān)任務(wù)，如選擇題、簡(jiǎn)答題等。除作業(yè)和考試外，一些課程還包含其他成績(jī)，如MIT、Princeton會(huì)對(duì)學(xué)生的課程參與和表現(xiàn)情況進(jìn)行評(píng)分。

從數(shù)據(jù)看，這些課程普遍注重對(duì)學(xué)生過(guò)程性成績(jī)的評(píng)價(jià)，學(xué)習(xí)過(guò)程中的成績(jī)（作業(yè)和期中考試）所占分值較大，在67%～80%之間（除ETHZ），而期末考試所占分值較小，僅占20%～33%（除ETHZ），這也反映出這些課程強(qiáng)調(diào)的是對(duì)課程內(nèi)容的深入理解和靈活應(yīng)用以及學(xué)生能力的培養(yǎng)，而不僅僅是知識(shí)的傳授。在過(guò)程性成績(jī)中，各課程對(duì)作業(yè)尤為重視，主要反映在6方面。

（1）分值比例大。除ETHZ之外，作業(yè)所占分值均在45%～60%之間。雖然ETHZ的課程成績(jī)不包含作業(yè)，但是授課教師也會(huì)布置大量作業(yè)，并在課程網(wǎng)站和課件中多次強(qiáng)調(diào)作業(yè)的重要性，還會(huì)對(duì)作業(yè)進(jìn)行答疑和檢查。

表5 成績(jī)組成 %

（2）工作量大、難度高。MIT的編程作業(yè)是在給定框架的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)DBMS的數(shù)據(jù)管理、操作符、查詢優(yōu)化、事務(wù)管理、B+樹索引、回滾與恢復(fù)等功能，學(xué)生需具備良好的編程基礎(chǔ)，深入理解課程相關(guān)內(nèi)容，花費(fèi)大量課余時(shí)間才能順利完成。通過(guò)這些作業(yè)，學(xué)生的能力可以得到較大提升，且學(xué)生能更好地理解課程內(nèi)容。

（3）覆蓋全面。UCB共有13次普通作業(yè)和5個(gè)編程作業(yè)，基本每次課的知識(shí)點(diǎn)都有課后作業(yè)與之對(duì)應(yīng)；Princeton的編程作業(yè)包括開發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)DBMS的若干功能，研究某些新型數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等，分別側(cè)重?cái)?shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用、底層、新技術(shù)等方面。這些作業(yè)可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)課上內(nèi)容的理解。

（4）面向?qū)嶋H。許多課程使用的數(shù)據(jù)是來(lái)源于實(shí)際的真實(shí)數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)量較大，從而使學(xué)生能更好地將所學(xué)內(nèi)容應(yīng)用到實(shí)際場(chǎng)景，以便更好地適應(yīng)未來(lái)工作，如Stanford要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)，管理eBay網(wǎng)站上2萬(wàn)余次拍賣的數(shù)據(jù)；UCLA使用的是包含近8萬(wàn)條記錄的真實(shí)電影數(shù)據(jù)；CMU使用的一個(gè)數(shù)據(jù)集來(lái)源于某法庭網(wǎng)站約10年的數(shù)據(jù)，涉及200余萬(wàn)個(gè)案件。

（5）評(píng)分方式靈活。CMU在規(guī)定作業(yè)之外，還布置了一些拓展作業(yè)，供有余力的學(xué)生練習(xí)，并額外占課程成績(jī)的10%；UCB的普通作業(yè)共包括13個(gè)小測(cè)試，統(tǒng)計(jì)得分時(shí)會(huì)去掉兩個(gè)最低分。通過(guò)這些措施，可以提高學(xué)生對(duì)待作業(yè)的積極性和認(rèn)真程度。

（6）鼓勵(lì)討論、禁止抄襲。幾乎所有課程在課程網(wǎng)站上進(jìn)行聲明，如Harvard的課程網(wǎng)站上專門有一個(gè)網(wǎng)頁(yè)用于說(shuō)明該問(wèn)題，里面列出了所禁止的抄襲行為和相應(yīng)的處罰措施；MIT指出會(huì)使用軟件對(duì)作業(yè)進(jìn)行查重。通過(guò)這些措施可以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)術(shù)誠(chéng)信意識(shí)，并使課程成績(jī)能真實(shí)反映學(xué)生水平。

2.4 教學(xué)內(nèi)容

參照文獻(xiàn)[9]，將數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)內(nèi)容劃分成基礎(chǔ)知識(shí)、關(guān)系操作、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、內(nèi)部實(shí)現(xiàn)、事務(wù)管理、新技術(shù)6個(gè)部分，各部分具體內(nèi)容見表6，各課程教學(xué)內(nèi)容的課時(shí)分配見表7。

表7中數(shù)據(jù)的格式為“課次數(shù)（約占比）”，如“MIT: 6.814”行、“基礎(chǔ)知識(shí)”列的“1（5%）”表示MIT花1次課講授基礎(chǔ)知識(shí)，大約占講授課時(shí)的5%。

從教學(xué)內(nèi)容上看，各課程主要介紹的是傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)內(nèi)容，占講授學(xué)時(shí)60%以上。另外，一些課程也比較關(guān)注數(shù)據(jù)庫(kù)新技術(shù)，以開闊學(xué)生視野，如MIT介紹Spark、Big Table、Kafka等處理平臺(tái)；ETHZ介紹授課教師參與的最新研究；UCB邀請(qǐng)Amazon公司的人員介紹企業(yè)界的前沿技術(shù)。

表6 教學(xué)內(nèi)容說(shuō)明

表7 教學(xué)內(nèi)容課時(shí)分配

在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)部分，所占課時(shí)最多的部分一般是內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、索引、查詢處理與優(yōu)化等內(nèi)容，且講授較為深入，反映了這些課程對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)底層實(shí)現(xiàn)的重視。UCB花了過(guò)半學(xué)時(shí)（13次課）介紹DBMS的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，內(nèi)容涉及磁盤、文件、緩沖區(qū)、頁(yè)等計(jì)算機(jī)底層結(jié)構(gòu)（3次課）、B+樹等索引的理論和實(shí)現(xiàn)（3次課）、連接等操作的實(shí)現(xiàn)方法（3次課）、數(shù)據(jù)查詢的優(yōu)化策略（4次課）等。對(duì)于關(guān)系操作、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)等偏應(yīng)用的內(nèi)容，所占課時(shí)一般較少，這部分內(nèi)容更多的是安排課后自學(xué)或以作業(yè)形式完成。在事務(wù)管理部分，各課程主要還是集中在經(jīng)典理論和方法上，如ACID特性、封鎖、死鎖、可串行化調(diào)度和沖突可串行化調(diào)度、2PL、封鎖粒度、基于日志的恢復(fù)等。

在教學(xué)內(nèi)容的取舍和講授順序上，各課程存在一些相同點(diǎn)，如絕大部分課程對(duì)關(guān)系演算、高階范式（4NF、5NF）等使用較少的理論不作要求；一般先介紹傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，最后再介紹新技術(shù)；介紹內(nèi)部實(shí)現(xiàn)時(shí)一般會(huì)從最底層的磁盤、文件、索引開始，進(jìn)而介紹查詢處理和查詢優(yōu)化。另外，各課程也存在許多區(qū)別，如對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)新技術(shù)，Stanford講授的是NoSQL和分布式數(shù)據(jù)處理，UCB是邀請(qǐng)企業(yè)人士介紹若干商用平臺(tái)，而ETHZ會(huì)介紹授課教師參與的最新研究。

3 調(diào)研結(jié)果

調(diào)研是依據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)課程實(shí)施過(guò)程中存在的一些問(wèn)題提出的，通過(guò)對(duì)若干世界一流大學(xué)相關(guān)課程的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，高校在解決數(shù)據(jù)庫(kù)課程實(shí)施中的問(wèn)題時(shí)應(yīng)從如下3方面著手。

（1）理論和實(shí)踐的平衡。既重理論又重實(shí)踐，理論知識(shí)放在課上講授，通過(guò)課后作業(yè)進(jìn)行實(shí)踐，課后作業(yè)工作量大、難度高、面向?qū)嶋H，能較好地培養(yǎng)實(shí)踐能力且能加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解?？傮w來(lái)看，理論知識(shí)仍以傳統(tǒng)技術(shù)為主（表6），課后實(shí)踐主要分為系統(tǒng)型和應(yīng)用型兩類。前者針對(duì)某一具體DBMS進(jìn)行功能完善，如實(shí)現(xiàn)查詢的處理與優(yōu)化、B+樹索引等；后者則是結(jié)合具體場(chǎng)景使用某數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品，如進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、開發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)等。大部分課程會(huì)同時(shí)安排兩類實(shí)踐。

（2）廣度和深度的折中。對(duì)課程重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容或難度較大的內(nèi)容，在課上講深講透并配以作業(yè)加深理解；而對(duì)于其他內(nèi)容，只簡(jiǎn)要介紹并通過(guò)課后自學(xué)、作業(yè)等形式進(jìn)行補(bǔ)充。對(duì)于深入講解的內(nèi)容，各課程有所不同，總體來(lái)看，普遍對(duì)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)較為重視，在事務(wù)管理與新技術(shù)上也會(huì)花費(fèi)較多學(xué)時(shí)，而對(duì)于關(guān)系操作、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)等內(nèi)容則更多的是以課后實(shí)踐的形式實(shí)施。

（3）傳統(tǒng)技術(shù)和新技術(shù)的取舍。以傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容為主體，適當(dāng)引入數(shù)據(jù)庫(kù)的新理論、新平臺(tái)、前沿研究等內(nèi)容。另外，新技術(shù)的比重有加大之勢(shì)，內(nèi)容主要涉及大數(shù)據(jù)管理相關(guān)技術(shù)及平臺(tái)，如NoSQL、MapReduce、Hadoop、Spark、Bigtable等。在具體施教時(shí)，傳統(tǒng)技術(shù)主要采用課堂講解與課后實(shí)踐相結(jié)合的方式進(jìn)行，而新技術(shù)則綜合采用理論講解、平臺(tái)介紹、專家講座、論文閱讀、研討等方式。

4 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)據(jù)庫(kù)課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)及其他相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)過(guò)程中的一門重要課程，受到各大高校的重視。筆者通過(guò)對(duì)若干世界一流大學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)入門課程的實(shí)施情況進(jìn)行調(diào)研，分析得出若干結(jié)論，可為數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)課程的實(shí)施和改革提供參考，但是這些結(jié)論知易行難，還需要結(jié)合本校特色進(jìn)行細(xì)化，根據(jù)授課對(duì)象的特點(diǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)整，這需要在多輪授課過(guò)程中不斷總結(jié)和積累，同時(shí)也對(duì)授課教師的能力與水平提出較高要求。