在線課程資源平臺數(shù)據(jù)庫設計及實現(xiàn)

羅尹奇，湯偉，許毅

（電子科技大學 圖書館，四川 成都 611730）

0 引言

在“新冠疫情”常態(tài)化的背景下，線上教育逐漸成為重要的教學手段并得到廣泛應用[1-2]。高校同樣也存在建設在線課程資源平臺的內(nèi)在需求。

一方面，高校圖書館數(shù)字資源一般由各數(shù)字資源廠商提供，存在扁平化、分散化的特點，數(shù)字資源與課程設置無關(guān)聯(lián)，用戶需通過特定的檢索系統(tǒng)查詢，才能得到該課程的教材教參信息。因此在線課程資源平臺需實現(xiàn)基于課程信息的資源導航功能，以滿足用戶端的易用性需求。

另一方面，雖然通過EXCEL列表可有效的表示課程與其教材教參之間的關(guān)系[3]，但在平臺的運維上，不同的學期具有不同的課程，同一門課程可能擁有不同的教材教參，而同一本教材教參又有可能分屬于不同的課程。因此在線課程資源平臺需能靈活的對課程與數(shù)字資源分別維護，同時也能對兩者之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進行調(diào)整，以滿足管理員端的可維護性需求。

本文以電子科技大學在線課程資源平臺二期系統(tǒng)為例，分析了其底層數(shù)據(jù)庫設計方案，論證了該方案能夠同時滿足用戶的使用需求與管理員的維護需求，并最后給出了基于Hibernate框架的對象關(guān)系映射的關(guān)鍵代碼實現(xiàn)。

1 實體-關(guān)系模型建模

實體-關(guān)系模型（Entity-Relationship Model）是一種面向用戶的數(shù)據(jù)建模方法，是概念數(shù)據(jù)模型的高層描述所使用的抽象表示或模式圖，其本身與具體的數(shù)據(jù)庫管理軟件無關(guān)，在數(shù)據(jù)庫設計中被廣泛用作數(shù)據(jù)建模的工具[4-5]。

實體-關(guān)系模型基于應用場景，主要由實體、屬性和關(guān)系組成。其中實體是系統(tǒng)中客觀存在的事物，具有相同性質(zhì)（或?qū)傩裕┑膶嶓w集合構(gòu)成了實體集。屬性是實體集中每個成員所擁有的描述性性質(zhì)。關(guān)系則是用于描述多個實體之間的關(guān)聯(lián)方式。實體-關(guān)系模型建模的目的在于從抽象概念層面上，構(gòu)建在線課程資源平臺的數(shù)據(jù)模型，其建模的基本步驟如下：

（1）識別并提取有效的實體。實體必須是客觀存在并可以區(qū)分的，在在線課程資源平臺應用場景中，有效的實體包括了學院、課程、數(shù)字資源。由于平臺是開放式的，對于用戶的類型并不做嚴格的區(qū)分，因此諸如授課教師、學生等實體在該場景中屬于無效實體。

（2）提取實體的關(guān)鍵屬性。實體本身的屬性可能是非常多的，需提取符合應用場景要求的關(guān)鍵屬性，而忽略非必要的次要屬性。例如課程名稱是課程實體的關(guān)鍵屬性，而選課人數(shù)則屬于次要屬性。

（3）分析實體與實體之間的關(guān)系。實體之間的關(guān)系分3種類型：一對一的關(guān)系、一對多的關(guān)系、多對多的關(guān)系。學院與課程之間屬于一對多的關(guān)系，即一個學院會開設多門課程；課程與數(shù)字資源之間屬于多對多的關(guān)系，即一門課程會擁有多本教材教參，而同一本教材教參又有可能被多門課程使用。

根據(jù)上述的建模步驟，得到實體-關(guān)系模型的圖形表示，其中實體用矩形表示，關(guān)系用菱形表示，屬性用橢圓表示，如圖1所示：

2 數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)庫模型

根據(jù)圖1實體-關(guān)系模型，現(xiàn)將其轉(zhuǎn)化為對應的數(shù)據(jù)庫模型。在轉(zhuǎn)化過程中實體（實體集）多數(shù)情況下會采用數(shù)據(jù)庫表來表示；而屬性則一般會轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)庫表中的字段，其類型由實際應用場景決定。特別需要注意的是，實體-關(guān)系模型中的關(guān)系在轉(zhuǎn)化時，依照關(guān)系類型的不同，決定了其在數(shù)據(jù)庫中的表現(xiàn)形式：

（1）一對一的關(guān)系：當實體-關(guān)系模型中存在一對一關(guān)系時，其在數(shù)據(jù)庫中會表示為兩表之間的主鍵約束，即A表的主鍵是B表的主鍵，同時也是B表的外鍵，如圖2所示：

圖2 一對一的關(guān)系

（2）一對多的關(guān)系：當實體-關(guān)系模型中存在一對多的關(guān)系時，其在數(shù)據(jù)庫中會表示為兩表之間的外鍵約束，即A表的主鍵是B表的外鍵，如圖3所示：

圖3 一對多的關(guān)系

（3）多對多的關(guān)系：當實體-關(guān)系模型中存在多對多的關(guān)系時，此時在數(shù)據(jù)庫中關(guān)系會作為單獨的一張表建立，其作用在于通過復合主鍵的形式來描述多對多的關(guān)系。由于復合主鍵是通過多個主鍵的排列組合來保證唯一性，因此復合主鍵的排列組合過程實現(xiàn)了多對多關(guān)系，而唯一性則保證了這種關(guān)系是確定的，如圖4所示：

圖4 多對多的關(guān)系

（4）帶屬性的多對多的關(guān)系：作為特殊的多對多的關(guān)系，其關(guān)系中存在其他屬性，此時該表的結(jié)構(gòu)與一般的關(guān)系表結(jié)構(gòu)所有差異，該表主鍵只是自增鍵或隨機字符串，而關(guān)聯(lián)實體的主鍵會作為該表的外鍵，同時該表中還包含了其他屬性字段，如圖5所示：

圖5 帶屬性的多對多的關(guān)系

基于上述實體-關(guān)系模型到數(shù)據(jù)庫表的轉(zhuǎn)化規(guī)則，現(xiàn)將圖1轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)庫表，得到的結(jié)果如圖6所示：

圖6 數(shù)據(jù)庫模型

2.2 數(shù)據(jù)詞典

根據(jù)圖6的數(shù)據(jù)庫模型，現(xiàn)將各表數(shù)據(jù)詞典列出，如表1至表4所示：

表1 學院t_institute表

表2 課程t_course表

表3 數(shù)字資源t_resource表

需要注意的是，在表4中l(wèi)ink_type字段描述了課程-資源關(guān)系類型。一門課程中可能有多本教材以及參考資料，而數(shù)字資源本身是無法區(qū)分其是否為教材還是參考資料的，也就是同一個數(shù)字資源可能在這一門課程里是作為教材，而在另外的課程中則可能是參考資料，因此通過在課程-資源關(guān)系表中加入link_type字段來加以區(qū)分。

2.3 合理性分析

從用戶角度來看，數(shù)據(jù)庫設計方案滿足了用戶的一般使用行為。由于該平臺用戶多為在校師生，其關(guān)注的往往是本學院所開設的課程及相關(guān)數(shù)字資源，因此用戶可以根據(jù)學院表進行導航。課程表中的學院序號字段則提供了查詢條件，平臺顯示對應學院下所開設的所有課程，這樣有助于用戶找到本學期或以往的課程。利用課程編號以及課程-資源關(guān)系表，可以進一步查詢出該課程下所關(guān)聯(lián)的數(shù)字資源以及該資源是否為教材或參考資料。整個訪問過程將課程與對應的數(shù)字資源以樹狀結(jié)構(gòu)展示出來，滿足了用戶數(shù)據(jù)上鉆下探的需求。

從管理員角度來看，數(shù)據(jù)庫設計方案滿足了簡化運維的需求。課程與數(shù)字資源是相對獨立的兩張表，在運維過程中可以分開管理，課程可以與學校教務系統(tǒng)保持一致，數(shù)字資源則可以與第三方廠商保持一致，兩者信息更新可以是異步的，相互之間不會發(fā)生干擾。管理員僅需維護課程-資源關(guān)系表，即在平臺上選擇相關(guān)資源并關(guān)聯(lián)（或解除關(guān)聯(lián)）到對應的課程上。整個運維過程簡化為對課程-資源關(guān)聯(lián)關(guān)系的運維，而課程與數(shù)字資源本身的信息則可以與其他系統(tǒng)自動化同步。

3 對象關(guān)系映射

對象關(guān)系映射（Object Relational Mapping，ORM）是一種程序設計技術(shù)，用于將面向?qū)ο缶幊陶Z言里的對象，與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換[6]。由于面向?qū)ο笫菑能浖こ痰幕A(chǔ)上發(fā)展起來的，而關(guān)系數(shù)據(jù)庫則是從數(shù)學理論發(fā)展而來的[7]，兩套理論存在顯著的區(qū)別，存在范式不匹配的現(xiàn)象，因此ORM技術(shù)主要實現(xiàn)了在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和程序?qū)ο笾g作數(shù)據(jù)映射，以屏蔽底層復雜的SQL操作。

Hibernate框架是一種基于Java語言的ORM技術(shù)實例，通過Hibernate框架可以實現(xiàn)Java對象與數(shù)據(jù)庫表間數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)化。本文采用的Hibernate版本為4.1.7，開發(fā)模式為基于XML配置文件。

3.1 學院表映射

由于學院表主要做導航功能，因此對于學院表僅做最基本的映射，直接將其Java代碼與數(shù)據(jù)庫字段進行對應。結(jié)果如表5與表6所示：

表5 學院對象關(guān)鍵代碼

表6 學院表映射關(guān)鍵代碼

3.2 課程表映射

在實際應用場景中，由于課程對象一方面需要能夠?qū)崿F(xiàn)上鉆，獲取其所開設的學院；另一方面又要能實現(xiàn)下探，得到該課程下的教材與參考資料。因此課程對象中需要同時包含對學院和數(shù)字資源的引用。但事實上需要注意的是，由于課程-資源關(guān)系表中附帶了區(qū)分教材教參的字段，若課程對象直接對數(shù)字資源引用則無法在程序邏輯上實現(xiàn)區(qū)分教材教參，故此時的課程對象不直接對數(shù)字資源引用，而是轉(zhuǎn)化為對課程-資源關(guān)系的引用，進而完成間接引用數(shù)字資源。其結(jié)果如表7與表8所示：

表7 課程對象關(guān)鍵代碼

表8 課程表映射關(guān)鍵代碼

3.3 資源表映射

與課程表的映射過程類似，資源對象同樣不直接引用課程，而是對課程-資源關(guān)系表引用，這樣才能區(qū)分該資源在課程中的類型是否為教材。映射結(jié)果如表9與表10所示：

表9 資源對象關(guān)鍵代碼

表10 資源表映射關(guān)鍵代碼

需要注意的是，資源的ID采用了UUID生成策略，這是因為一方面，數(shù)字資源的來源可能是多家第三方廠商，平臺需要進行統(tǒng)一編號；另一方面，資源名、ISBN編號等信息不足以對資源加以區(qū)分，特別是針對同一本書籍可能有多個第三方廠商提供網(wǎng)址訪問，故而使用UUID來作為資源的特定編號。

3.4 課程-資源關(guān)系表映射

在實際應用場景下，由于需要統(tǒng)計平臺的教材與教參數(shù)量，因此需要對課程-資源關(guān)系表進行映射，結(jié)果如表11與表12所示：

表11 課程-資源關(guān)系對象關(guān)鍵代碼

表12 課程-資源關(guān)系表映射關(guān)鍵代碼

4 結(jié)論

綜上所述，本文以電子科技大學在線課程資源平臺二期系統(tǒng)為例，分析了基于實體-關(guān)系模型的數(shù)據(jù)建模技術(shù)，構(gòu)建了平臺的實體-關(guān)系模型；然后提出了將實體-關(guān)系模型轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)庫表的方法，基于該方法建立了數(shù)據(jù)庫模型并描述了其數(shù)據(jù)詞典；最后本文基于Java編程語言中的Hibernate框架，提供了數(shù)據(jù)庫表與程序?qū)ο笥成涞年P(guān)鍵代碼。

基于上述方法，本文展示了數(shù)據(jù)建模到數(shù)據(jù)庫建立，再到程序代碼映射的一般開發(fā)過程，特別是將實體-關(guān)系模型轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)庫表的方法對于其他資源平臺的建設具有一定的借鑒意義。