物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建立和維護(hù)

劉端陽

摘? 要：目前，教務(wù)管理的信息化已經(jīng)普及，并且越來越完善，集選課、作業(yè)批改、成績管理于一體的教務(wù)管理系統(tǒng)已經(jīng)非常多見。然而實(shí)驗(yàn)教學(xué)因其相對于理論教學(xué)的特殊之處，為了達(dá)成同樣級別的信息化管理，需要建立有別于理論教學(xué)的獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)。由于這樣的系統(tǒng)的特殊之處，這樣的系統(tǒng)往往需要相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中心自己給出一套數(shù)據(jù)。筆者根據(jù)自己在北京化工大學(xué)大物實(shí)驗(yàn)中心建立實(shí)驗(yàn)成績管理系統(tǒng)的實(shí)踐，結(jié)合數(shù)據(jù)庫的理論，總結(jié)成此文，希望能給相關(guān)研究提供一些借鑒參考。

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn)? 教學(xué)管理? 信息化? 數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：TP315 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）07（a）-0158-04

Establishment and Maintenance of Database of Physics Experiment Teaching Management System

LIU Duanyang*

（College of Mathematics and Physics， Beijing University of Chemical Technology， Beijing， 100029? China）

Abstract： At present， the informatization of educational administration management has been popularized and more and more perfect. There are many educational administration management systems integrating course selection， homework correction and achievement management. However， due to the particularity of experimental teaching relative to theoretical teaching， in order to achieve the same level of information management， it is necessary to establish an independent experimental teaching management system different from theoretical teaching. Due to the particularity of such a system， such a system often needs the corresponding experimental center to give a set of data. According to the author's practice of establishing the experimental achievement management system in the big physics experiment center of Beijing University of Chemical Technology， combined with the theory of database， this paper is summarized， hoping to provide some reference for relevant research.

Key Words： Physics experiments; Educational administration management; Informatization; Database

到目前為止，各大高校幾乎都實(shí)現(xiàn)了教務(wù)管理的信息化，建立了各類教務(wù)管理信息平臺，學(xué)生可以在平臺上選課，查看成績，甚至提交和查看作業(yè)，教師和教務(wù)管理人員可以在網(wǎng)上管理教學(xué)事務(wù)，學(xué)生成績等[1-6]。然而，實(shí)驗(yàn)教學(xué)有其特殊之處，在于實(shí)驗(yàn)課程因?yàn)樯婕暗絻x器管理、實(shí)驗(yàn)室分配、實(shí)驗(yàn)中教師學(xué)生實(shí)驗(yàn)室等的輪換等問題，與理論課程并不完全相同，專門為理論課程設(shè)計(jì)的教學(xué)管理信息平臺會有很多不適合實(shí)驗(yàn)課程的地方[7]，建立獨(dú)立于理論課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺已經(jīng)是目前的發(fā)展方向。在此期間，并不是所有的高校都已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)自己的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺，即使已經(jīng)建立了相應(yīng)平臺的高校，也面臨如何維護(hù)數(shù)據(jù)的問題，本文作者根據(jù)自己在教學(xué)中的實(shí)踐，以物理實(shí)驗(yàn)為例，對如何建立便于在實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺中，乃至在實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中使用的數(shù)據(jù)庫提出自己的一些經(jīng)驗(yàn)和建議。

1? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺的普遍功能及其數(shù)據(jù)需求

通常的教學(xué)管理平臺，應(yīng)該要能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生、教師和管理人員的登錄，并實(shí)現(xiàn)各自相應(yīng)的功能。比如學(xué)生要能夠查看上課信息、提交作業(yè)、查看成績等;教師要能夠查看自己的課表、發(fā)布作業(yè)、批改作業(yè)和管理成績，管理人員則要能查看和管理所有的人員、課程等信息。對于實(shí)驗(yàn)課程來說，更特殊的是學(xué)生和教師都能夠看到自己每一次課程所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)講義、教學(xué)視頻和實(shí)驗(yàn)室輔助人員等信息，如果是學(xué)生自由選課，還需要能夠有管理人員發(fā)布待選實(shí)驗(yàn)課程和學(xué)生選課等界面。本文并不是討論這些功能的具體實(shí)現(xiàn)，而是討論為了建立或者維護(hù)這個平臺，實(shí)驗(yàn)中心需要提供的數(shù)據(jù)信息。

首先，需要有每一位學(xué)生、教師和實(shí)驗(yàn)室輔助人員的信息，既是日常的信息維護(hù)，管理平臺也需要每隔一段時期，例如每個學(xué)期為新添加人員建立賬號。然后，與普通的理論課程類似，也需要每一門課程的信息，同時這里也需要每一位學(xué)生是否選修某一門課程，每一位教師是否執(zhí)教某一門課程的信息。與理論課程不同，還需要每個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的信息，以及每個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是否屬于某一門實(shí)驗(yàn)課程的信息與每個學(xué)期的實(shí)驗(yàn)具體安排表，即每個開課時間段，教師、學(xué)生和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的對應(yīng)表。

2? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫建立和維護(hù)的原則

由于我們建立的數(shù)據(jù)庫不僅是為了實(shí)驗(yàn)中心自己查看管理，更是為了供實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺調(diào)用，所以數(shù)據(jù)庫的設(shè)立應(yīng)該遵循現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫設(shè)立的一些基本原則。在數(shù)據(jù)的存儲發(fā)展歷史上，平面文件這種單獨(dú)的、沒有關(guān)聯(lián)的文件的集合這種形式已經(jīng)早就被淘汰，采用一組邏輯相對一致的、相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)文件的集合，以便被應(yīng)用程序調(diào)用早已經(jīng)成為主流的形式，這種數(shù)據(jù)的集合被稱為數(shù)據(jù)庫。在數(shù)據(jù)庫的發(fā)展歷史上，又經(jīng)歷過層次模型、網(wǎng)狀模型為主流的歷史時期，而現(xiàn)在，最為常用的是被稱為關(guān)系模型的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)。

所謂關(guān)系，就是二維表格，每一個二維表格，稱為一個關(guān)系，有唯一的名稱，如學(xué)生信息、教師信息、學(xué)生選課等，關(guān)系的每一列都稱為屬性，用此列的頭來標(biāo)識，如學(xué)生信息中有學(xué)號、姓名、班級、郵箱等屬性。關(guān)系的一行，稱為元組，例如在學(xué)生信息中，一行對應(yīng)一個學(xué)生的基本信息，也可以稱為關(guān)系中的一條數(shù)據(jù)。關(guān)系模型之所以稱為目前數(shù)據(jù)庫中的主流，是因?yàn)槠浜唵涡蜗螅以谧駨臄?shù)據(jù)庫的規(guī)范化原則，即一定的范式的基礎(chǔ)上，關(guān)系數(shù)據(jù)庫非常便于應(yīng)用程序執(zhí)行各種管理操作。實(shí)質(zhì)上，目前對于數(shù)據(jù)庫文件的管理操作，已經(jīng)有定義好的標(biāo)準(zhǔn)語言，即為結(jié)構(gòu)化查詢語言（Structured Query Language，簡稱SQL），它定義了插入、刪除、更新、選擇、并、交、差等各種操作。很多操作的名字都很好理解，這些操作也都是數(shù)據(jù)庫管理中往往不可避免需要使用的，本文并不涉及到教學(xué)管理平臺應(yīng)用軟件的實(shí)現(xiàn)，因此不在此詳細(xì)討論SQL。為了便于應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)SQL的這些操作，實(shí)驗(yàn)中心提供的數(shù)據(jù)庫應(yīng)該遵循數(shù)據(jù)庫建立的規(guī)范化原則，即范式。

已經(jīng)有很多種范式被提出來，包括1NF、2NF、3NF、BCNF、4NF、PJNF和5NF等。這些范式本身具有一定的層次結(jié)構(gòu)。以數(shù)字命名的一系列范式為例，這種層次結(jié)構(gòu)指的是，數(shù)字越高的范式，要求越嚴(yán)格，符合數(shù)字更高的范式的數(shù)據(jù)庫關(guān)系，那么一定符合數(shù)字更小的范式。例如若一個數(shù)據(jù)庫關(guān)系符合3NF，那它一定符合1NF和2NF，反之則不然。

1NF指的是關(guān)系里的每個屬性都不可以再被分割，或者更直白地說，任何一行和任何一列的交點(diǎn)處的值都應(yīng)該是唯一的。以學(xué)生所選實(shí)驗(yàn)課程的關(guān)系為例，一名學(xué)生可能同時選擇了多門實(shí)驗(yàn)課程，那么有可能實(shí)驗(yàn)中心會在這名學(xué)生“所選課程”這一屬性中同時寫上多門實(shí)驗(yàn)課程，或者在這一屬性下再列“課程1”“課程2”，這樣的屬性是不可取的，不符合1NF的原則，對數(shù)據(jù)庫的使用和維護(hù)帶來很多問題。例如，這名學(xué)生退選了其中的某門實(shí)驗(yàn)課程，我們無法通過刪除某一條記錄的方式來解決問題，而實(shí)際的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，總是刪除一整條記錄，而非記錄的一部分，因?yàn)檫@樣的方式簡潔有效。所以在此情況下，正確的方式是，對同一名學(xué)生，可以建立多條選課記錄，每一條記錄只存儲這名學(xué)生選修的一門實(shí)驗(yàn)課程，這樣就符合1NF范式了。1NF是所有關(guān)系數(shù)據(jù)庫最基本的要求，幾乎所有關(guān)系數(shù)據(jù)庫都應(yīng)該符合此范式要求。

為了說明2NF范式，我們可以設(shè)想一下，上述的學(xué)生選課的數(shù)據(jù)文件，大家最自然的想法是，學(xué)生的所有基本信息和選課信息都放在同一個文件中，比如該文件的各列分別是“學(xué)號”“姓名”“班級”“Email”“選修課程”“分?jǐn)?shù)”等。然而結(jié)合1NF范式要求，很快就能發(fā)現(xiàn)問題，當(dāng)某個學(xué)生選修了多門課程的時候，涉及這名學(xué)生的多行記錄中“姓名”“班級”“Email”等信息顯然有冗余。所以正確的辦法應(yīng)該是將學(xué)生的基本信息作為一個關(guān)系文件，里面的屬性應(yīng)該是“學(xué)號”“姓名”“班級”“Email”，學(xué)生的選課信息作為另外一個關(guān)系文件，里面只有“學(xué)號”“選修課程””分?jǐn)?shù)”，這樣就沒有冗余的數(shù)據(jù)了?？梢钥闯鰜?，在學(xué)生的基本信息中，“學(xué)號”可以唯一確定一條記錄，該記錄中的其他屬性都完全由學(xué)號確定;而學(xué)生的選課信息中，需要同時由“學(xué)號”和“選修課程”才能確定一條記錄，“分?jǐn)?shù)”同時依賴這兩個屬性決定。學(xué)生基本信息中的“學(xué)號”，學(xué)生選課信息中的“學(xué)號”和”選修課程”，稱為關(guān)系中的關(guān)鍵字，或稱主屬性或者主值，其他屬性稱為非主屬性。2NF范式是指所有的非主屬性都必須要有所有的主屬性才能唯一確定，若可以由部分主屬性確定某個非主屬性，則不符合2NF范式。很顯然最開始的符合表格中，“姓名”“班級”“Email”是不符合2NF范式要求的。由例子可以看出，2NF范式可以消除冗余，而消除冗余，可以在修改某個非主屬性，例如，學(xué)生轉(zhuǎn)班需要修改“班級”屬性時，只需要修改一個地方就可以了，顯然對使用和維護(hù)數(shù)據(jù)庫有極大的意義。

下文以教師的課表這個關(guān)系文件為例，來另外一個問題。很有可能我們會把這個關(guān)系文件設(shè)定成這樣，關(guān)系的屬性分別為”教師工號”“上課時間”“周次”“實(shí)驗(yàn)”“實(shí)驗(yàn)教室”等。這個關(guān)系文件作為給教師本人看的課表，是相當(dāng)不錯的，然而作為給教學(xué)管理平臺軟件使用的數(shù)據(jù)庫文件，它是有問題的。首先可以知道，這個關(guān)系的主屬性是“教師工號”“上課時間”“周次”，所有這4個屬性才能唯一確定一條記錄?！皩?shí)驗(yàn)”和“實(shí)驗(yàn)教室”是非主屬性。但是很顯然，一般的實(shí)驗(yàn)中心，實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)教室是綁定的，上述這樣的關(guān)系文件中，會有很多的“實(shí)驗(yàn)”和“實(shí)驗(yàn)教室”同時出現(xiàn)的記錄，同一個實(shí)驗(yàn)也很可能出現(xiàn)很多次數(shù)。這樣一旦實(shí)驗(yàn)中心對實(shí)驗(yàn)所在的實(shí)驗(yàn)教室做出調(diào)整，那么這個關(guān)系文件中的許多條記錄就必須同時修改，給數(shù)據(jù)庫的使用和維護(hù)帶來極大的困難。正確的方式是建立一個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的關(guān)系文件，在此關(guān)系文件中，可以有“實(shí)驗(yàn)名稱”和“實(shí)驗(yàn)教室”兩條屬性，將它們對應(yīng)起來，而原來的教師課表關(guān)系文件中，只保留”實(shí)驗(yàn)”和”實(shí)驗(yàn)教室”中的一條。上述問題出現(xiàn)的原因是，雖然“實(shí)驗(yàn)”“實(shí)驗(yàn)教室”兩條非主屬性都符合2NF的要求，需要所有的主屬性確定，但是同時，“實(shí)驗(yàn)教室”和“實(shí)驗(yàn)”這兩條非主屬性間也有依賴關(guān)系。3NF范式要求，非主屬性間不可以有依賴關(guān)系，這樣就可以消除上述出現(xiàn)的問題。

一般來說，實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺的數(shù)據(jù)庫，滿足3NF范式即可，不需要再追求更嚴(yán)格的范式關(guān)系了。這樣已經(jīng)足夠使用，不會帶來太大的問題。甚至有些時候，可以為了關(guān)系文件的可讀性，可以再違反一點(diǎn)點(diǎn)范式要求，例如在教師課表這樣的文件中，可以加上”姓名”這一條，很顯然其實(shí)這個已經(jīng)違反了2NF范式要求，但是如果確信教師不會改名，如前分析，這也不會帶來額外的問題，同時增加了關(guān)系文件的可讀性。不過類似的事情，需要小心又謹(jǐn)慎，例如萬一很多老師改名了，這就會是個大麻煩。

3? 物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫的示例及說明

關(guān)系模型中的關(guān)系，就是二維表格，因此從直觀上理解和從現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)來說，最簡單的就是想到使用Excel文件來作為關(guān)系存儲文件。從嚴(yán)格的數(shù)據(jù)庫理論來說，這并不完全正確，實(shí)際的關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲，只是在人機(jī)交互的層面上是以二維表格的形式展示的。不過各物理實(shí)驗(yàn)中心沒有必要去追究這些技術(shù)細(xì)節(jié)，我們以Excel的形式，按照數(shù)據(jù)庫的3NF原則提供各種關(guān)系數(shù)據(jù)文件，以供物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺作為輸入輸出文件，并不會有任何的問題，相反會大大降低程序處理的難度。

根據(jù)上一節(jié)介紹的原則，在建立物理實(shí)驗(yàn)課程的數(shù)據(jù)庫時，我們應(yīng)該首先建立各類數(shù)據(jù)的基本信息的關(guān)系，從筆者的使用實(shí)踐來說，通常這包含學(xué)生、任課教師/助教、實(shí)驗(yàn)課程和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等的基本信息關(guān)系文件。這種基本信息文件，通常主屬性都只有一個，可以唯一確定一條數(shù)據(jù)對應(yīng)的實(shí)體對象，如學(xué)生的學(xué)號、教師的工號、實(shí)驗(yàn)課程的課程代碼等，對于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以內(nèi)部設(shè)定編號。至于各實(shí)驗(yàn)中心或教學(xué)管理平臺需要涉及的是這幾類實(shí)體對象的那些非主屬性，則需要根據(jù)實(shí)際情況來確定，絕大部分情況下，相應(yīng)數(shù)據(jù)應(yīng)該可以從教務(wù)處或者學(xué)院的系統(tǒng)中獲得，其他一些關(guān)于實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，需要實(shí)驗(yàn)中心自己整理。在表1中，以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例展示了一個實(shí)例。

接下來，需要各類實(shí)體之間的相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)的關(guān)系表格，如學(xué)生選課、教師代課、開課時間、課程包含實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等。如上一節(jié)示例所述，各實(shí)體間往往是一對多或者多對多的復(fù)雜關(guān)系，例如，學(xué)生選修多門課程，教師多個時間上課，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和課程間關(guān)系可能是多對多等，為了后續(xù)處理數(shù)據(jù)的簡單可靠，需要遵循3NF范式，所以不能把這些數(shù)據(jù)都放在相應(yīng)的實(shí)體的基本信息表格中，而需要根據(jù)實(shí)際需要建立各種關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫文件。在表2中，以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)課程的關(guān)系為例展示了一個實(shí)例。

最后，筆者希望通過本文，能夠?yàn)橐呀?jīng)或者打算建立物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺的各兄弟院校，在實(shí)驗(yàn)中心數(shù)據(jù)管理方面提供一定的參考。這里的關(guān)鍵就是，遵從關(guān)系數(shù)據(jù)庫的3NF范式，簡單來說就是盡量減少冗余數(shù)據(jù)，這樣對修改和維護(hù)數(shù)據(jù)有很大的幫助。具體到物理實(shí)驗(yàn)，就是對學(xué)生、教師、課程和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等各類實(shí)體對象分別建立基礎(chǔ)信息的關(guān)系文件，然后再對根據(jù)實(shí)際情況建立關(guān)聯(lián)的兩兩實(shí)體對象建立關(guān)聯(lián)的關(guān)系文件，至于建立關(guān)系文件的方式最簡單的就可以使用Excel表格的形式。

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