融入計算思維培養(yǎng)的“數(shù)據(jù)庫”課程教學(xué)改革思考

藍(lán)雯飛 李子茂

摘? 要： “數(shù)據(jù)庫”是計算機(jī)相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程。針對“數(shù)據(jù)庫”課程的教學(xué)現(xiàn)狀，以計算思維為切入點(diǎn)，給出了“數(shù)據(jù)庫”教學(xué)改革思路。在教學(xué)體系的構(gòu)建、教學(xué)模式的運(yùn)用、教學(xué)實(shí)例的選用等方面，做了較為詳細(xì)的討論，提出了實(shí)施方案，特別強(qiáng)調(diào)了計算思維能力培養(yǎng)的重要性。實(shí)踐結(jié)果表明，教學(xué)改革提高了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 計算思維; 數(shù)據(jù)庫; 教學(xué)體系; 教學(xué)模式

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2020）11-110-03

Abstract： Database is a basic course of computer related specialties. In view of the current teaching situation of database course， taking computational？thinking as the starting point， this paper gives the teaching reform ideas for database course， makes a detailed discussion on the construction of teaching system， the application of teaching model， the selection of teaching examples， etc.， and puts forward its own implementation plan， in which the importance of computational thinking ability training is especially emphasized. The practice shows that the teaching reform improves the teaching effect.

Key words： computational thinking; database; teaching system; teaching mode

0 引言

“數(shù)據(jù)庫”課程傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式以層次遞進(jìn)式講授理論知識、SQL語法細(xì)節(jié)，然后通過課后習(xí)題和驗(yàn)證型的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行鞏固。實(shí)踐證明：教學(xué)效果不夠理想，很多學(xué)生在學(xué)完了該課后，僅停留在通過期末考試對基礎(chǔ)理論知識的掌握上，學(xué)生掌握知識情況有如蜻蜓點(diǎn)水，普遍缺乏對知識的運(yùn)用能力和創(chuàng)新能力;再有，對數(shù)據(jù)庫設(shè)計有著濃厚興趣的學(xué)生而言，不利于激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情，不能做到因材施教，不利于培養(yǎng)創(chuàng)新型計算機(jī)人才。改革傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式任重而道遠(yuǎn)。

計算思維是指運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基本概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為，并用最有效的辦法實(shí)現(xiàn)問題求解[1]。計算思維并不是要人像計算機(jī)一樣思維，而是要像計算機(jī)專家那樣去思維[2]。計算思維教育不僅可以激勵未來一代人進(jìn)入計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，而且可以讓所有領(lǐng)域的人受益[3]。

本文面向“數(shù)據(jù)庫”課程，就實(shí)施計算思維的教學(xué)過程、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式做一個較為詳細(xì)的討論，希望能與同仁共同探討和交流。

1 教學(xué)實(shí)施的過程和內(nèi)容

⑴ 分析社會需求，明確課程定位，提出課程改革的目的

“數(shù)據(jù)庫”課程教學(xué)普遍注重理論知識的傳授和設(shè)計技能的培養(yǎng)，學(xué)生學(xué)到的是有關(guān)計算機(jī)的一些概念及通用計算手段的應(yīng)用，但是當(dāng)今社會處于急需各種創(chuàng)新人才的高科技時代，學(xué)生僅僅具備這些能力是不夠的。高速發(fā)展的信息社會要求計算機(jī)專業(yè)學(xué)生未來應(yīng)具備的計算能力是掌握可以支持各學(xué)科研究創(chuàng)新的新型計算手段并應(yīng)用計算手段進(jìn)行各學(xué)科的研究與創(chuàng)新。因此，“數(shù)據(jù)庫”課程應(yīng)定位于以計算思維為核心，以基礎(chǔ)知識為背景，使學(xué)生理解典型的計算思維，掌握基于計算技術(shù)的計算機(jī)問題求解思路與方法，提高學(xué)生的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計算思維和計算工具去分析與處理專業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H問題的能力，為今后的創(chuàng)新活動奠定良好基礎(chǔ)。

⑵ 將計算思維靈活地融入數(shù)據(jù)庫課程的新知識體系

以計算思維能力培養(yǎng)為核心的“數(shù)據(jù)庫”課程教學(xué)改革并不意味著一定要將現(xiàn)有的課程教學(xué)內(nèi)容“推倒重來”，而是在原有教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，以計算思維為主線，重新組織教學(xué)內(nèi)容，適當(dāng)增加新的能體現(xiàn)計算思維的知識點(diǎn)，刪除一些陳舊的知識或技術(shù)細(xì)節(jié)，適當(dāng)調(diào)整課程內(nèi)容的結(jié)構(gòu)，最終構(gòu)建一個與計算思維相融合的新的課程知識體系[3]。

① 選擇合適的教材

選擇合適的教材是保證有效教學(xué)的重要手段之一。合適的數(shù)據(jù)庫教材應(yīng)具有較好的知識覆蓋面且難度適中。我們面向的是軟件工程實(shí)驗(yàn)班學(xué)生，學(xué)生本科畢業(yè)將升到美國威斯康星州立大學(xué)繼續(xù)深造攻讀碩士學(xué)位，因此我們選擇英文教材，諸如《DATABASE Principles， Programming， and Performance（Second Edition）》、《Database System Concepts （Seventh Edition）》、 《Database System Implementation》等經(jīng)典書籍都適合作為教材。選擇國外經(jīng)典教材，盡可能地保證教學(xué)內(nèi)容與國際先進(jìn)理念接軌，學(xué)生在閱讀英文原版教材的同時，參考對應(yīng)的中譯本來閱讀，以進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對所學(xué)知識的理解[4]。

② 選取典型的概念，構(gòu)建新的課程知識體系。

在明確課程定位后，我們需確定在課程知識體系中涉及計算思維的哪些概念，然后將知識體系分解為教學(xué)單元，研究這些教學(xué)單元如何與計算思維的典型特征有機(jī)融合。

以“計算思維”為主線，我們將“數(shù)據(jù)庫”課程分為八個教學(xué)單元，如表1所示。我們要求在每個教學(xué)單元的教學(xué)內(nèi)容中，要理清理論知識背后蘊(yùn)含的計算思維是什么。受篇幅限制，表2僅給出第二單元（關(guān)系代數(shù)——抽象思維）的知識點(diǎn)及其蘊(yùn)含的計算思維。

我們在2018-2019第一學(xué)期，對“數(shù)據(jù)庫”課程進(jìn)行了教學(xué)探索，初步構(gòu)建了基于計算思維的課程知識體系，在實(shí)施過程取得了一定的教學(xué)效果。接下來，我們將會對該課程繼續(xù)實(shí)施教學(xué)改革。

⑶ 改革教學(xué)方法，促進(jìn)學(xué)生計算思維能力的養(yǎng)成

恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法才能展現(xiàn)計算思維的魅力和基本思想方法。過去以講授知識點(diǎn)為主線的教學(xué)方法改變?yōu)橐灾v授認(rèn)識和應(yīng)用計算機(jī)的思維過程為主線，使知識隨著思維的展開而介紹，思維隨著知識的貫通而形成，能力隨著思維的理解而提高，這樣循序漸進(jìn)地促進(jìn)學(xué)生計算思維能力的養(yǎng)成。

一方面，在課堂教學(xué)中采取基于計算思維的探究教學(xué)方法。在課堂教學(xué)中，我們提出基于計算思維的探究性問題，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計算思維的一系列方法，探索、發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)，通過簡化、轉(zhuǎn)換、遞歸、抽象、分解、建模等計算思維的基本方法，將一個復(fù)雜問題轉(zhuǎn)換成許多簡單的子問題并構(gòu)建求解模型，進(jìn)而充分利用計算機(jī)的運(yùn)算能力實(shí)現(xiàn)問題求解。當(dāng)學(xué)生掌握這種思維方法以后，我們再啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)方法自主探究并解決更深層次的問題，從而達(dá)到知識鞏固、遷移和內(nèi)化為能力的目的。

另一方面，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采取任務(wù)驅(qū)動的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。我們只給出實(shí)驗(yàn)任務(wù)，要求學(xué)生自主完成一個系統(tǒng)或一個解決方案從設(shè)計到實(shí)現(xiàn)的全過程。讓學(xué)生主動思考，自主梳理知識，構(gòu)建學(xué)習(xí)模式，規(guī)劃解決方案，運(yùn)用計算思維的方法自主設(shè)計和獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)?；谟嬎闼季S的任務(wù)驅(qū)動實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法將有利于培養(yǎng)學(xué)生自我建構(gòu)知識、計算思維和創(chuàng)新的能力。

⑷ 設(shè)計能夠體現(xiàn)計算思維顯著特征的教學(xué)案例

教學(xué)案例是教學(xué)內(nèi)容的重要載體，如果采用抽象枯燥的理論講解方式，學(xué)生將難以理解計算思維的抽象概念，更談不上通過學(xué)習(xí)培養(yǎng)計算思維能力，因此需要設(shè)計既能體現(xiàn)計算思維特征而且是比較簡潔的教學(xué)案例。

比如，在講授第二單元和第三單元時，為了簡化計算思維的概念，又能讓學(xué)生較快掌握計算思維，設(shè)計了既易理解又能較好展示計算思維的CAP數(shù)據(jù)庫作為貫穿兩個單元的例子，如圖1所示。

教學(xué)實(shí)踐表明，正是因?yàn)樵诓煌膯卧昧讼嗤腃AP數(shù)據(jù)庫，使得在講授本課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)知識時，能夠在較短的時間內(nèi)讓學(xué)生掌握其蘊(yùn)含的計算思維。

⑸ 打破課程間的邊界，“突出計算思維”主線

通過分析和研究，我們不難發(fā)現(xiàn)：相似但不同的課程蘊(yùn)含著一些相同的計算思維。因此在教學(xué)設(shè)計上可以適當(dāng)復(fù)用教學(xué)思維和教學(xué)案例，達(dá)到簡化計算思維教學(xué)的目的。

例如，“離散數(shù)學(xué)”和“數(shù)據(jù)庫”這二門課程間有部分知識是相關(guān)聯(lián)的，在講解笛卡爾乘積及其計算思維時，就可以都使用CAP數(shù)據(jù)庫作為教學(xué)案例。該教學(xué)案例既簡單又能很好體現(xiàn)集合思維和運(yùn)算思維的觀點(diǎn)。

計算機(jī)不同的課程中蘊(yùn)含了許多計算思維，有相同的，也有不同的。我們在研究課程教學(xué)過程中，要善于思考和總結(jié)，才能將計算思維理解透徹，真正將課堂教學(xué)融入計算思維。

2 教學(xué)模式

計算思維僅僅是范疇廣泛的概念[5]，在計算機(jī)課程教學(xué)中實(shí)施基于計算思維的改革，需要我們老師深入理解并應(yīng)用好計算思維。下面以第二單元和第三單元應(yīng)用計算思維作為例子，闡述教學(xué)實(shí)施的基本過程。

我們認(rèn)為基于計算思維的教學(xué)，其主要內(nèi)容就是對問題給出計算機(jī)解決方法、步驟或規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)告訴學(xué)生對同類問題要采用相同的思維過程。

第2單元和第3單元的知識連貫性較大，因此，在教學(xué)中要把重點(diǎn)放在第2單元。當(dāng)學(xué)生掌握了第2單元的關(guān)系運(yùn)算后，以此為基礎(chǔ)，對于第3單元SQL查詢語言的學(xué)習(xí)，我們將給出不同關(guān)系運(yùn)算對應(yīng)的查詢語句如下。

受篇幅限制，其他關(guān)系運(yùn)算對應(yīng)的SQL查詢語句略。

當(dāng)有了上述的對應(yīng)關(guān)系，不論是哪類查詢問題，要告訴學(xué)生先編寫關(guān)系代數(shù)表達(dá)式，然后依據(jù)上面的對應(yīng)規(guī)則，再轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的查詢語句，這個轉(zhuǎn)換是一套“有章可依、有據(jù)可循”的規(guī)范，是最簡單的基于計算思維的步驟和方法，它能讓學(xué)生快速理解并掌握第二和第三單元的重要知識。因此對于多么復(fù)雜的查詢問題，依據(jù)上面的步驟和方法，也能迎刃而解了。

第二、第三單元是期中考試的重點(diǎn)，表3列出實(shí)施教改前和教改后，第二、第三單元測試，及期中考試及格率對比表。

從表3可看出，實(shí)施教學(xué)改革后學(xué)生運(yùn)用知識去解決問題的能力提高了，對重要知識的掌握情況更好了。

3 結(jié)束語

本文比較詳細(xì)地討論了我們在“數(shù)據(jù)庫”課程中實(shí)施計算思維教學(xué)的一些做法和經(jīng)驗(yàn)，在一定程度上提高了教學(xué)效果，對“數(shù)據(jù)庫”課程教學(xué)改革有一定的推動和借鑒意義，希望能與同仁分享與交流。接下來我們將會把計算思維引入到后續(xù)課程的改革中去。

由于是第一次嘗試教學(xué)改革，在推行計算思維教學(xué)改革過程中，還存在著對部分相關(guān)概念的描述比較抽象，學(xué)生一時不能理解透徹等問題，后面我們將會設(shè)計更多的實(shí)例，通過實(shí)例化教學(xué)闡明抽象概念，增強(qiáng)概念的易理解性。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] Jeannette M. Wing. Computational Thinking[J].Communi-cations of the ACM，2006.49（3）：33-35

[2] 戰(zhàn)德臣，張麗杰.大學(xué)計算機(jī)——計算思維與信息素養(yǎng)（第3版）[M].電子工業(yè)出版社，2019.

[3] 強(qiáng)小利，藍(lán)雯飛.面向計算思維的Java程序設(shè)計課程教學(xué)探討[J].計算機(jī)時代，2015.11：87-89，92

[4] 藍(lán)雯飛，鄭波盡.高級語言程序設(shè)計課程建設(shè)思路[J].計算機(jī)教育，2012.6：30-32

[5] 李廉.計算思維——概念與挑戰(zhàn)[J].中國大學(xué)教學(xué)，2012.1：7-12

[6] Patrick O'Neil， Elizabeth O'Neil. DATABASE Principles，Programming， and Performance[M].2nd Edition.高等教育出版社，2001.