《數(shù)據(jù)管理技術(shù)與應(yīng)用》課程積木式實(shí)踐教學(xué)方法研究

周洪偉，原錦輝，胡浩，柯志鵬，張玉臣

（信息工程大學(xué)，河南 鄭州）

一 引言

《數(shù)據(jù)管理技術(shù)與應(yīng)用》課程是一門涵蓋數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)管理技術(shù)的課程。它以數(shù)據(jù)管理技術(shù)發(fā)展為脈絡(luò)，介紹數(shù)據(jù)管理技術(shù)如何從基于文件系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)演變?yōu)榛诖髷?shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)。以此為指導(dǎo)思想，所以本課程的實(shí)踐特色十分突出，要求學(xué)生在實(shí)踐活動(dòng)中深刻體會(huì)到各類數(shù)據(jù)管理技術(shù)的優(yōu)劣，理解數(shù)據(jù)管理技術(shù)演化的原生力。

現(xiàn)有相關(guān)課程，如《數(shù)據(jù)庫原理》《大數(shù)據(jù)管理》等課程，其實(shí)踐往往是應(yīng)用系統(tǒng)，而非剖析系統(tǒng)[1-3]。以《數(shù)據(jù)庫原理》的實(shí)踐為例，對(duì)于很多院校而言，其實(shí)踐內(nèi)容往往是數(shù)據(jù)庫編程，而這樣的實(shí)踐內(nèi)容更符合《信息系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)》之類課程的內(nèi)容。由于實(shí)踐教學(xué)所采用的內(nèi)容與理論教學(xué)內(nèi)容脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生無法在實(shí)踐中驗(yàn)證和呼應(yīng)理論知識(shí)點(diǎn)。

為什么會(huì)出現(xiàn)上述問題？我們認(rèn)為這是因?yàn)橹T如數(shù)據(jù)管理軟件過于龐大，并不利于學(xué)生剖析和學(xué)習(xí)。例如像SQL Server這樣的商用數(shù)據(jù)庫追求功能完善、用戶接口良好等商業(yè)指標(biāo)，其軟件體積龐大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并不利于學(xué)生依托其來剖析和驗(yàn)證理論知識(shí)點(diǎn)，而且前期龐大的學(xué)習(xí)投入，容易挫敗學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。隨著大數(shù)據(jù)等新型數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展和普及，各類數(shù)據(jù)管理軟件也越來越多，單純以應(yīng)用軟件為內(nèi)容的實(shí)踐越來越難以滿足教學(xué)需求，有必要對(duì)其進(jìn)行改變[4-6]。

為了緩解上述問題，我們嘗試采用積木式實(shí)踐教學(xué)。所謂積木式實(shí)踐就是像搭積木一樣，來構(gòu)造一個(gè)極其簡單的數(shù)據(jù)庫軟件?？梢詫⒁粋€(gè)與數(shù)據(jù)管理相關(guān)的問題進(jìn)行簡化，形成一個(gè)微型數(shù)據(jù)庫的構(gòu)造需求。教師對(duì)其進(jìn)行剖析和分解，將其需求映射為相對(duì)獨(dú)立的多個(gè)模塊。根據(jù)實(shí)踐教學(xué)目的，教師會(huì)提供其中多數(shù)模塊，由學(xué)生單獨(dú)或者協(xié)作來構(gòu)造缺失的模塊，從而完成一個(gè)相對(duì)完整的數(shù)據(jù)管理功能系統(tǒng)。每個(gè)知識(shí)點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)教學(xué)案例，基于一個(gè)教學(xué)案例形成若干實(shí)踐科目，在少量前期投入的基礎(chǔ)上，學(xué)生就可以驗(yàn)證對(duì)應(yīng)理論知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)可以提高學(xué)習(xí)效率，激發(fā)其學(xué)生興趣。

二 積木式實(shí)踐思想

為便于說明，首先給出幾個(gè)定義。

[定義1]實(shí)踐案例：圍繞某個(gè)理論知識(shí)點(diǎn)所開展的實(shí)踐科目，包括教學(xué)實(shí)施計(jì)劃、支撐教學(xué)的軟件實(shí)例以及相關(guān)文檔。

[定義2]軟件實(shí)例：為實(shí)踐科目開展所構(gòu)建的軟件實(shí)例。

[定義3]積木塊：軟件實(shí)例的組成部分，可以是程序代碼，或者數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義等。

[定義4]實(shí)踐題目：依托實(shí)踐案例，教師通過從軟件實(shí)例中抽取若干積木塊，并附上相應(yīng)的交互接口手冊、實(shí)踐要求等文檔，形成面向?qū)W生的實(shí)踐題目。

結(jié)合圖1以及上述定義，說明積木式實(shí)踐教學(xué)思想。針對(duì)特定的理論知識(shí)點(diǎn)，教師經(jīng)過前期教學(xué)準(zhǔn)備，形成特定的實(shí)踐案例。實(shí)踐案例中包括可以分拆定制的軟件實(shí)例，軟件實(shí)例可以視為有多個(gè)積木塊經(jīng)過組合形成的集合。教師根據(jù)本次實(shí)踐課程的具體情況，從軟件實(shí)例中抽取出少量積木，形成面向?qū)W生的、特定的實(shí)踐題目。學(xué)生的任務(wù)就是填補(bǔ)缺失的積木，以確保軟件實(shí)例的完整性，并驗(yàn)證軟件實(shí)例的正確性。這種類似于填空的實(shí)踐題目，既保證了學(xué)生完成作業(yè)的自由度，也減少了學(xué)生實(shí)踐的前期非必要投入。

圖1 積木式實(shí)踐思想示意

實(shí)踐案例包括：教學(xué)實(shí)施計(jì)劃、支撐教學(xué)的軟件實(shí)例以及相關(guān)文檔。例如理論知識(shí)點(diǎn)是單文件型數(shù)據(jù)庫，為了配合積木式實(shí)施就需要構(gòu)建一個(gè)單文件型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并按軟件功能模塊的特點(diǎn)將其分拆形成一個(gè)個(gè)可裝卸的積木塊，根據(jù)搭建積木塊的不同形成不同的實(shí)踐題目，并編寫相應(yīng)的教學(xué)實(shí)施計(jì)劃以及學(xué)生用的編程指導(dǎo)書。

一個(gè)理論知識(shí)點(diǎn)可以形成多個(gè)案例，一個(gè)實(shí)踐案例可以形成多個(gè)實(shí)踐題目。教師可以根據(jù)教學(xué)需求，將同一個(gè)理論知識(shí)點(diǎn)映射成不同的實(shí)踐案例，例如在實(shí)現(xiàn)簡單的單表查詢中，教師可以設(shè)定不同的數(shù)據(jù)字典結(jié)構(gòu)，從而使得有不同的解決思路，形成不同的實(shí)踐案例?；谝粋€(gè)案例，可以形成多個(gè)實(shí)踐題目。通常，實(shí)踐案例都會(huì)有多個(gè)積木構(gòu)成。教師根據(jù)教學(xué)的需要，讓多位學(xué)生協(xié)作完成多個(gè)積木，也可以讓不同學(xué)生完成不同積木。

三 積木式實(shí)踐教學(xué)準(zhǔn)備

積木塊實(shí)踐教學(xué)準(zhǔn)備最大的挑戰(zhàn)是完成軟件實(shí)例的構(gòu)建。主要的困難有兩個(gè)方面。首先是需要構(gòu)建的軟件實(shí)例數(shù)量多。理想情況下，實(shí)踐案例應(yīng)該涵蓋所有關(guān)鍵數(shù)據(jù)管理技術(shù)。但是，就數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)來看，這涉及從最基本的基于文件管理數(shù)據(jù)到復(fù)雜的基于大數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)這一演變過程中所涉及的諸多關(guān)鍵技術(shù)。其次是構(gòu)建軟件實(shí)例的工作量大。就以數(shù)據(jù)庫管理而言，自身就是一個(gè)十分龐大的軟件系統(tǒng)。要想做大而全的軟件實(shí)例集合無疑是一件十分困難的事情。

結(jié)合教學(xué)課時(shí)以及教學(xué)需求，積木式實(shí)踐教學(xué)案例將針對(duì)少量典型理論知識(shí)點(diǎn)展開。在選擇所需要構(gòu)造積木式實(shí)踐教學(xué)案例，我們遵循以下原則：這些知識(shí)點(diǎn)應(yīng)該反映了數(shù)據(jù)管理技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，或者這些知識(shí)點(diǎn)的實(shí)踐能夠讓學(xué)生更直觀地認(rèn)識(shí)和理解理論知識(shí)，同時(shí)也要兼顧到實(shí)踐案例的可擴(kuò)展性，從而支撐多種實(shí)踐題目的開展。通過減少積木式實(shí)踐案例的規(guī)模，使積木式實(shí)踐教學(xué)可行。

為了簡化實(shí)踐案例的構(gòu)建工作，我們盡可能簡化目標(biāo)軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。課程所使用的軟件并不是為了商用，并不需要穩(wěn)定的功能和優(yōu)越的性能表現(xiàn)，它僅僅用于教學(xué)演示或者輔助實(shí)踐使用。從這個(gè)角度考慮，除了需要驗(yàn)證的知識(shí)點(diǎn)外，一切非必要的功能可裁剪則裁剪，使目標(biāo)軟件功能集最小化。同時(shí)在外觀上則采用簡單的控制臺(tái)風(fēng)格，使學(xué)生著重于內(nèi)部邏輯的實(shí)現(xiàn)，而非復(fù)雜的軟件表現(xiàn)風(fēng)格等非必要元素。

軟件實(shí)例應(yīng)該盡可能具備可擴(kuò)展特性。我們希望一個(gè)軟件實(shí)例可以支撐多組實(shí)踐題目，使得教師可以立足一個(gè)軟件實(shí)例，針對(duì)不同類型和能力的學(xué)生，定制不同的實(shí)踐題目。更直觀來講，軟件實(shí)例應(yīng)該包括一定數(shù)量的積木塊，這些積木塊具有一定的靈活組合的特性，這樣通過裁剪不同組合的積木塊就可以形成不同實(shí)踐題目。此外，考慮到數(shù)據(jù)管理技術(shù)的延續(xù)性，實(shí)踐案例之間也會(huì)存在一定的承接關(guān)系，例如在構(gòu)建了簡單的單文件數(shù)據(jù)表查詢的基礎(chǔ)上，可以實(shí)施并發(fā)控制的實(shí)踐案例。

實(shí)踐案例建設(shè)是一個(gè)長期的工作。我們正在建立四個(gè)實(shí)踐案例，初步支撐課程的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)。我們也認(rèn)為：實(shí)踐案例構(gòu)建也是學(xué)生實(shí)踐的內(nèi)容之一。當(dāng)上一屆學(xué)生完成了某些實(shí)踐題目以后，教師能夠采集到若干新的積木塊，可以嘗試以此為基礎(chǔ)形成新的實(shí)踐案例，后續(xù)學(xué)生可以進(jìn)一步構(gòu)建和優(yōu)化實(shí)踐案例。通過多屆學(xué)生和教師的努力，可以進(jìn)一步擴(kuò)充和豐富實(shí)踐案例庫的內(nèi)容，從而支撐數(shù)量更多、類型更豐富的實(shí)踐題目。

四 積木式實(shí)踐教學(xué)實(shí)施

（一）實(shí)踐題目發(fā)布

根據(jù)教學(xué)需求，由教師發(fā)布本次實(shí)踐題目。教師發(fā)布的實(shí)踐題目包括：缺失特定積木的軟件實(shí)例，以及必要的背景資料。背景資料包括對(duì)軟件實(shí)例的描述、模塊接口說明、學(xué)生所需完成的任務(wù)。這樣學(xué)生在接手實(shí)踐題目時(shí)會(huì)明確自己所需要完成的實(shí)踐內(nèi)容。每個(gè)實(shí)踐學(xué)生或者每個(gè)實(shí)踐小組都會(huì)獲得一份實(shí)踐題目，所有實(shí)踐題目可以并不完全相同，這樣更有利于學(xué)生相互交流和促進(jìn)。

為了發(fā)布實(shí)踐題目，教師需要對(duì)軟件實(shí)例進(jìn)行分拆，形成若干積木塊。教師應(yīng)該根據(jù)教學(xué)對(duì)象和教學(xué)階段的特點(diǎn)分解軟件實(shí)例，并進(jìn)一步明確哪些功能模塊由教師編寫，哪些功能模塊由學(xué)生來編寫；明確哪些模塊采用前期完成的模塊，哪些模塊需要在本次實(shí)踐教學(xué)中完成；明確模塊完成的參與學(xué)生的規(guī)模，每個(gè)學(xué)生的角色和作用。在軟件實(shí)例中有針對(duì)性地抽取出若干積木塊，形成不同類型的實(shí)踐題目。

教師所發(fā)布的實(shí)踐題目可繁可簡。假設(shè)某個(gè)軟件實(shí)例存在n個(gè)積木塊，那么教師可以任意抽走一個(gè)積木塊，從而形成n個(gè)實(shí)踐題目。這是最基本的一種形成實(shí)踐題目的方法。教師也可以根據(jù)每個(gè)積木塊的特點(diǎn)以及實(shí)踐背景特點(diǎn)，抽取少量積木塊形成新的實(shí)踐題目。當(dāng)然，也可以鼓勵(lì)多名學(xué)生共同協(xié)作完成一個(gè)新的軟件實(shí)例，促成新的實(shí)踐案例。這更有利于學(xué)生從整體上了解和掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

（二）實(shí)踐題目完成

為幫助學(xué)生完成實(shí)踐題目，教師有必要引導(dǎo)學(xué)生了解軟件實(shí)例以及必要的交互接口。由于學(xué)生的實(shí)踐工作是依托軟件實(shí)例，學(xué)生有必要明確自己所完成的實(shí)踐內(nèi)容在整個(gè)軟件實(shí)例中的地位和作用，以幫助其完成實(shí)踐內(nèi)容。此外，由于學(xué)生所需要完成的積木塊可能需要軟件實(shí)例的底層支撐，或者需要給軟件實(shí)例提供向上支撐，這就需要學(xué)生明確積木塊所有對(duì)外服務(wù)接口。為了減少學(xué)生實(shí)踐的前期投入，這些內(nèi)容需要教師有意識(shí)地引導(dǎo)，以加快學(xué)生實(shí)踐進(jìn)度，盡快將主要精力聚集于所要完成的積木塊。

教師需要盡快幫助學(xué)生完成編程環(huán)境的部署。一個(gè)缺失積木塊的軟件實(shí)例，可以以軟件工程的形式提供給學(xué)生，但是其中部分源碼存在缺失，需要學(xué)生完成缺失源碼的補(bǔ)全。目前，我們采用C語言的形式來開發(fā)軟件實(shí)例，也要求學(xué)生用C語言來填補(bǔ)缺失代碼。為了避免學(xué)生修改工程其它內(nèi)容導(dǎo)致編譯失敗，我們采用靜態(tài)鏈接庫或者動(dòng)態(tài)鏈接庫的形式，盡可能將軟件實(shí)例的其它代碼封裝起來，避免學(xué)生誤修改或者誤刪除。

一般而言，由于實(shí)踐學(xué)時(shí)的限制，每個(gè)學(xué)生只完成少量、部分的編程工作。在具體實(shí)踐中，我們有意識(shí)地控制缺失積木塊的規(guī)模，盡可能將學(xué)生的工作量限制在100行代碼每學(xué)時(shí)左右，或者同等工作量，以確保在規(guī)定時(shí)間內(nèi)可完成。當(dāng)然，我們也給出了開放性實(shí)踐題目，鼓勵(lì)學(xué)生完成更多的積木塊建設(shè)，也確保學(xué)有余力的學(xué)生可以進(jìn)行更多有益的探索和嘗試。

（三）驗(yàn)證和討論

學(xué)生在完成積木塊構(gòu)建后，可以依托軟件實(shí)例驗(yàn)證其正確性。從本質(zhì)上講，學(xué)生所補(bǔ)充的積木塊是軟件實(shí)例缺失的模塊或者數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，只有填補(bǔ)了這些內(nèi)容，軟件實(shí)例才能恢復(fù)工作。通過觀察軟件實(shí)例的運(yùn)行結(jié)果可以驗(yàn)證學(xué)生所填補(bǔ)內(nèi)容的正確性以及軟件實(shí)例的完整性。這種正確性和完整性驗(yàn)證是對(duì)學(xué)生實(shí)踐最基本的考核要求。

在完成實(shí)踐題目正確性和完整性驗(yàn)證后，學(xué)生可以通過小組分析和討論，來進(jìn)一步獲取知識(shí)。例如在為什么會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)庫這個(gè)主題上，教材通常只會(huì)介紹基于文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，會(huì)存在一些問題，比如說在阿波羅登月計(jì)劃零件管理系統(tǒng)中有60%數(shù)據(jù)是冗余數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的不一致性問題也會(huì)困擾數(shù)據(jù)使用者。在具體實(shí)踐活動(dòng)中，學(xué)生會(huì)更為深刻地體會(huì)到為什么會(huì)出現(xiàn)這些問題，也就更為深刻地理解數(shù)據(jù)庫軟件出現(xiàn)的必要性和時(shí)代需求。

我們鼓勵(lì)學(xué)生在討論的基礎(chǔ)上進(jìn)行新的嘗試。例如在單文件數(shù)據(jù)庫查詢實(shí)踐中，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)單文件數(shù)據(jù)庫的備份和轉(zhuǎn)移十分方便，但是由于多表數(shù)據(jù)集中存放于一個(gè)文件，導(dǎo)致數(shù)據(jù)查找和存儲(chǔ)的不便。我們會(huì)引導(dǎo)學(xué)生去解決數(shù)據(jù)過多導(dǎo)致數(shù)據(jù)搬移的問題，也會(huì)引導(dǎo)學(xué)生去嘗試多文件數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建。使學(xué)生能夠更為深入地了解底層數(shù)據(jù)管理的細(xì)節(jié)。

五 積木式實(shí)踐實(shí)例展示

我們以最為基本的單表查詢?yōu)閷?shí)例說明如何開展積木式實(shí)踐教學(xué)。單表查詢的目的是在單文件中存放單個(gè)表，目錄下存放了多個(gè)文件對(duì)應(yīng)多個(gè)表，要求學(xué)生通過查詢數(shù)據(jù)字典獲知某個(gè)表的存儲(chǔ)位置，并查詢該表中的所有內(nèi)容。為了盡可能簡化，我們采用了控制臺(tái)的人機(jī)風(fēng)格，查詢命令也僅僅支持“select * from 表名”。軟件實(shí)例運(yùn)行時(shí)會(huì)接收用戶輸入的SQL命令，在判斷命令合法性后，從數(shù)據(jù)字典查詢對(duì)應(yīng)表的存儲(chǔ)信息和結(jié)構(gòu)信息，并進(jìn)一步查詢表內(nèi)數(shù)據(jù)。

我們將該軟件實(shí)例劃分了多個(gè)積木塊。這些積木塊包括：數(shù)據(jù)字典結(jié)構(gòu)定義、數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)定義、用戶命令解析、數(shù)據(jù)字典查詢和數(shù)據(jù)查詢。這里面數(shù)據(jù)字典結(jié)構(gòu)定義和數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)定義兩個(gè)積木塊只是定義，不涉及編程。在初始情況下，教師可以給出某種定義，供學(xué)生參考和修改。學(xué)生可以進(jìn)一步依據(jù)結(jié)構(gòu)定義，開展用戶命令解析、數(shù)據(jù)字典查詢和數(shù)據(jù)查詢這些積木塊的構(gòu)建。

為進(jìn)一步說明，給出數(shù)據(jù)字典查詢積木塊填補(bǔ)的示例。圖2就是教師給出的一種數(shù)據(jù)字典結(jié)構(gòu)。針對(duì)這種數(shù)據(jù)字典結(jié)構(gòu)，學(xué)生需要完成以下工作：①核對(duì)數(shù)據(jù)字典標(biāo)識(shí)符，以確保當(dāng)前數(shù)據(jù)字典的合法性；②根據(jù)用戶命令解析所返回的表名，查詢目的表是否存在；③查詢目的表的信息描述內(nèi)容，作為輸出提交給下一個(gè)積木塊。這樣的工作量對(duì)于一個(gè)本科學(xué)生而言適中，是能夠在較短的實(shí)踐學(xué)時(shí)內(nèi)完成。

圖2 數(shù)據(jù)字典結(jié)構(gòu)示意

學(xué)生通過上述實(shí)踐案例可以獲得許多有益的知識(shí)。首先，學(xué)生對(duì)于數(shù)據(jù)字典有了更為直觀的認(rèn)識(shí)。在傳統(tǒng)教育中，往往只會(huì)提及數(shù)據(jù)字典用于存放數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的內(nèi)部數(shù)據(jù)，但究竟是什么樣，學(xué)生很難有直觀的認(rèn)識(shí)。然而，當(dāng)學(xué)生真正去剖析以后就會(huì)真正認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)字典。其次，學(xué)生會(huì)認(rèn)識(shí)到數(shù)據(jù)字典的重要性。當(dāng)離開了數(shù)據(jù)字典，那么所有被管理的數(shù)據(jù)都會(huì)無法被解析和理解。經(jīng)過這樣的實(shí)踐教學(xué)以后，學(xué)生對(duì)于數(shù)據(jù)字典將不再陌生。

依托這個(gè)實(shí)踐實(shí)例，還可以開展更多擴(kuò)展性實(shí)踐題目。例如可以進(jìn)一步開展SQL命令解析，增加對(duì)列名、視圖的解析，增加對(duì)條件查詢的理解等；也可以讓學(xué)生重新定義數(shù)據(jù)字典和數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)，并據(jù)此重新設(shè)計(jì)相應(yīng)接口的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步對(duì)比不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣；也可以進(jìn)一步讓學(xué)生開展單文件多表的查詢，對(duì)比不同存儲(chǔ)方式的優(yōu)劣。此外，依托實(shí)踐實(shí)例，還可以支持后續(xù)基于事務(wù)并發(fā)控制、數(shù)據(jù)恢復(fù)等科目的實(shí)踐。

六 結(jié)語

本文針對(duì)《數(shù)據(jù)管理技術(shù)與應(yīng)用》課程實(shí)踐內(nèi)容難以匹配理論知識(shí)的問題，剖析造成這種問題的原因，提出積木式實(shí)踐教學(xué)方法。積木式實(shí)踐教學(xué)方法使學(xué)生能夠在較小的前置基礎(chǔ)上，以填空式的方法完成實(shí)踐題目，從而完成對(duì)理論知識(shí)驗(yàn)證，使實(shí)踐操作能夠與理論教學(xué)緊密結(jié)合起來。