數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)理論與實踐同堂融合教學(xué)方法研究與實踐

黃永慧，孫為軍，王春茹

（廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 引言

數(shù)據(jù)庫技術(shù)是現(xiàn)代信息領(lǐng)域中的重要支撐技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用和重要的影響[1]。對于計算機(jī)類專業(yè)的學(xué)生而言，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是必修課程，它不僅是學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、操作系統(tǒng)等課程的基礎(chǔ)，更是學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的前提條件[2]。在整個課程體系中，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)起著橋梁的作用，輔助各個相關(guān)專業(yè)應(yīng)用的協(xié)同發(fā)展，可以說，數(shù)據(jù)庫技術(shù)對學(xué)生的未來學(xué)習(xí)、工作甚至事業(yè)都產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響[3]。

數(shù)據(jù)庫的理論教學(xué)大多是一種單向的教學(xué)方式，重點介紹數(shù)據(jù)庫的基本概念、功能特征等核心理論知識點，這種方式往往難以讓學(xué)生真正理解數(shù)據(jù)庫原理，并將抽象的理論轉(zhuǎn)化為具體的認(rèn)知，從而會降低他們對數(shù)據(jù)庫的學(xué)習(xí)興趣。此外，數(shù)據(jù)庫實驗課程的實踐內(nèi)容通?；诶碚撜n所學(xué)的SQL語句，涉及數(shù)據(jù)庫建立、更新和基本查詢、函數(shù)查詢、分組查詢、嵌套查詢等基本操作，但對于數(shù)據(jù)庫原理的理解和實際問題的解決來說，這些內(nèi)容遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。此外，由于數(shù)據(jù)庫課程與上機(jī)實踐之間存在時間差，學(xué)生容易忘記理論知識，甚至在理論課程還未結(jié)束時就開始上機(jī)實踐課程，這樣極大地降低了學(xué)生對數(shù)據(jù)庫原理和實踐動手能力的融合理解和貫通。

針對數(shù)據(jù)庫理論教學(xué)中存在的問題，近些年已有很多學(xué)者陸續(xù)提出了能力導(dǎo)向教學(xué)法[4]、項目教學(xué)法[5]、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法[6]以及團(tuán)隊分組討論法[7]等,擴(kuò)展了數(shù)據(jù)庫實驗內(nèi)容,結(jié)合了數(shù)據(jù)庫理論知識，幫助學(xué)生深入理解數(shù)據(jù)庫的內(nèi)部原理。除此之外,部分學(xué)者還充分利用計算機(jī)技術(shù),以更為形象具體的實踐形式闡釋數(shù)據(jù)庫相關(guān)概念和原理。如陳慧萍提出的“研究性教學(xué)”理念，在實驗教學(xué)中創(chuàng)設(shè)具體的問題情境,引導(dǎo)學(xué)生深入研究、分析并求解問題[8]，胡旺在數(shù)據(jù)庫教學(xué)時,引入貼近生活的多個數(shù)據(jù)庫應(yīng)用實例,讓學(xué)生感知數(shù)據(jù)庫技術(shù)具體真實的應(yīng)用,啟發(fā)學(xué)生深入思考，接著總結(jié)這些實例的共性,提出使用中會遇到的問題來介紹數(shù)據(jù)庫課程的主要內(nèi)容,達(dá)到“啟發(fā)式教學(xué)”的教學(xué)效果[9]。石義金提出基于虛擬仿真技術(shù)的數(shù)據(jù)庫認(rèn)知實驗教學(xué)[10]，楊春蕾等認(rèn)為傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫實驗課堂,缺少數(shù)據(jù)演示的融合,提出將無聲演示視頻嵌入課堂教學(xué),增進(jìn)實踐與原理的融合,幫助學(xué)生更好地理解知識點和提升實驗效果[11]，胡海洋等將案例演示，項目實施驅(qū)動與理論知識一起考慮，提高學(xué)生對課程基礎(chǔ)理論的掌握，提升對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的使用和開發(fā)能力[12]。

以上學(xué)者的教改方法的確對理論知識的掌握，實踐課的能力提升起到了很大作用，不過仍然沒有從設(shè)計到過程全面融合考慮，本文提出了統(tǒng)一設(shè)計數(shù)據(jù)庫理論教學(xué)和上機(jī)實踐的方法，并設(shè)計了教學(xué)輔助工具——數(shù)據(jù)庫SQL案例庫（包含基本型SQL案例和高階型SQL案例）教學(xué)和在線實驗平臺。在理論教學(xué)過程中，同步演示案例，為學(xué)生提供了實驗環(huán)境。通過過去幾年的實踐，學(xué)生不僅能夠靈活運用數(shù)據(jù)庫相關(guān)知識，還能夠深入了解其背后的原理和邏輯，從而達(dá)到綜合應(yīng)用能力整體提升的目的。

1 同堂融合教學(xué)模式

本文的目標(biāo)是基于同堂教學(xué)的自主學(xué)習(xí)教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情，提高學(xué)生實踐和創(chuàng)新水平，具體的教學(xué)改革內(nèi)容如下：1）基于數(shù)據(jù)庫開發(fā)主線，融合實驗一起，重新梳理和重構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)庫知識點；2）結(jié)合數(shù)據(jù)庫知識點，設(shè)計基本型SQL 案例和高階型SQL案例，理解講解時，同步演示案例；3）設(shè)計在線實驗平臺，方便學(xué)生同堂實驗和課后實驗。

對比傳統(tǒng)教學(xué)模式，數(shù)據(jù)庫理論與實驗同堂教學(xué)具有以下優(yōu)勢，如表1所示：

表1 教學(xué)模式比較分析

通過理論精講、案例演示、學(xué)生同堂動手實踐等理論與實踐的深度融合，強(qiáng)化學(xué)生對所學(xué)理論知識的理解，提升他們上機(jī)實踐操作水平，提高他們運用所學(xué)知識分析和解決實際問題的能力。

2 同堂融合教學(xué)詳細(xì)設(shè)計方案

從課堂授課、課時分配兩個方面重點重新梳理，其中課堂授課又包含課前預(yù)習(xí)和檢測、課間參與式學(xué)習(xí)，同堂實驗、課外實驗與測試等方面實施改革。

2.1 理論與實踐深度融合，重構(gòu)授課內(nèi)容

基于數(shù)據(jù)庫開發(fā)過程主線，在重構(gòu)數(shù)據(jù)庫授課內(nèi)容過程中，重新梳理課程各個章節(jié)內(nèi)容所包含知識點，以及各個知識點對應(yīng)的案例，同堂實驗內(nèi)容。其中案例的選擇主要突出知識點的覆蓋，以及與授課內(nèi)容緊密相關(guān)的且當(dāng)前流行的實用案例，實驗的選擇除了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫實踐以外，拓展了廣度和深度，增加了熟悉原理的實驗和管理備份恢復(fù)試驗，詳細(xì)的內(nèi)容及對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 同堂教學(xué)模式案例設(shè)計

2.2 能力與興趣并重，重新設(shè)計授課流程

為了讓學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的階段除了學(xué)習(xí)抽象的數(shù)據(jù)庫概念外，同步在案例庫中感受到具體的數(shù)據(jù)庫，表，約束，關(guān)系操作等，并且同堂實踐課時，能真正通過SQL語句的設(shè)計，執(zhí)行過程理解數(shù)據(jù)庫各種元素（如索引、主鍵、外鍵等）怎樣工作的？筆者將理論與實踐課程統(tǒng)一考慮，結(jié)合筆者設(shè)計的數(shù)據(jù)庫SQL案例庫和手機(jī)實踐平臺，課程安排主要包含課前預(yù)習(xí)和檢測，課間參與式學(xué)習(xí)，同堂融合上機(jī)實踐，課后鞏固試驗與測試，如圖1所示：

圖1 同堂教學(xué)模式流程設(shè)計

課前預(yù)習(xí)和檢測是了解學(xué)生對基本知識的掌握情況，對應(yīng)的案例了解和學(xué)習(xí)情況，例如在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫基本概念前，讓同學(xué)們先去教學(xué)平臺上了解和感受一下什么是數(shù)據(jù)庫，什么是數(shù)據(jù)等，這個步驟非常重要，是課間參與式學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。

課間參與式學(xué)習(xí)是將抽象概念和具體數(shù)據(jù)庫元素操作結(jié)合的最重要的部分，包含知識精講，案例庫對應(yīng)案例演示，教師答疑，同堂試驗四個部分。開始設(shè)計數(shù)據(jù)庫精講課程的內(nèi)容是跟進(jìn)以前上課學(xué)生比較難以掌握的知識部分；后來是根據(jù)課前預(yù)習(xí)和檢測以及往屆課程同學(xué)收集上來的各種掌握情況設(shè)計精講內(nèi)容，并且內(nèi)容更加聚焦。以前設(shè)計的精講課程，對于數(shù)據(jù)庫性能和索引，聚類函數(shù)是分開的講解的；數(shù)據(jù)庫性能主要講解與哪些因素相關(guān)，索引主要講解索引的建立和存儲。后來根據(jù)學(xué)生的情況，更加側(cè)重索引是怎樣工作的，聚類函數(shù)是怎樣工作的，大數(shù)據(jù)量情況下聚類函數(shù)查詢時，索引的效率和影響。

同堂實踐除了讓學(xué)生再次鞏固基礎(chǔ)SQL 的上機(jī)實踐以外，更多實踐是讓學(xué)生模擬通過不同的SQL語句試驗了解和學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫的工作原理，激發(fā)學(xué)生的興趣。例如筆者設(shè)計了如索引工作原理對比試驗；讓學(xué)生探索沒有索引時查詢的性能以及有索引情況下查詢的性能，包含查詢訪問的數(shù)據(jù)庫Page 數(shù)量，消耗的時間情況等，且大數(shù)據(jù)量查詢代價估算試驗；跟蹤全庫、單表、列、相關(guān)性多列的統(tǒng)計信息。

課后試驗與測試是為了檢測學(xué)生課間是否真正掌握，除了讓部分學(xué)生可以在案例庫中進(jìn)一步參照自行學(xué)習(xí)，查漏補(bǔ)缺以外，還同步要求學(xué)生在實踐平臺上完成對應(yīng)的SQL實踐，真正做到將理論課程與實踐課程統(tǒng)一考慮。

通過讓學(xué)生既掌握了數(shù)據(jù)庫的原理，也通過試驗掌握了真正適用的數(shù)據(jù)庫技能，還激發(fā)了學(xué)習(xí)深入研究數(shù)據(jù)庫的好奇心和興趣。

2.3 線上和線下結(jié)合，重新分配課時

原來32課時的數(shù)據(jù)庫原理課和16課時的上機(jī)實踐課，統(tǒng)一為48課時，課時分配上，由原來的理論課與實踐課3∶1 轉(zhuǎn)為5∶2∶3∶X，其中5 表示理論知識精講占比總課時50%，2 表示課堂案例演示占比總課時20%，3 表示同堂實驗占課時30%，X 則表示學(xué)生線下實驗和作業(yè)提交，整體上高效融合理論與實踐教學(xué)，將案例演示融于課堂理論知識教學(xué)、將實際項目的數(shù)據(jù)庫設(shè)計貫穿于同堂實驗中。即將長期以來實施的8周（每周4 個課時）課堂理論教學(xué)、4 周機(jī)房實驗教學(xué)模式，調(diào)整為在課堂理論與實際同步教學(xué)周16周，每周2 學(xué)時進(jìn)行基礎(chǔ)理論講授、0.8學(xué)時進(jìn)行案例講解討論，1.2 個學(xué)時進(jìn)行同堂上機(jī)實踐?！癤”則表示我們將傳統(tǒng)的實驗教學(xué)與平時作業(yè)安排在在線平臺上，并由教師在線點評、系統(tǒng)客觀評價。這樣既方便學(xué)生利用課余時間隨時進(jìn)行試驗和完成理論作業(yè)，又方便老師了解每個學(xué)生實驗中出現(xiàn)的具體問題，討論與拓展更具有針對性。這一安排的優(yōu)勢在于將教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)、案例模仿、實踐提高三個階段在課堂上結(jié)合起來，以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率，從而提高課程的教學(xué)質(zhì)量。

3 教學(xué)結(jié)果分析

新的教學(xué)方法更加關(guān)注理論與實踐的結(jié)合，更加注重綜合能力的培養(yǎng)，為了檢驗新的教學(xué)方法與傳統(tǒng)方法的差別，且方便對比，我們?nèi)∑谥衅谀┛荚噷χR的掌握與上機(jī)實驗對知識的應(yīng)用進(jìn)行對比，對比方法是將二部分的成績都按照百分比放大到100分。并且課程采用了相同教材和大綱、相同課時，兩種模式的班級都先后由筆者來執(zhí)教。筆者將傳統(tǒng)模式2020下半年-2021年上半年2個學(xué)期4個班級的學(xué)生成績，與2021年下半年-2022年上半年采用該模式下1年2學(xué)期4個班級的成績進(jìn)行對比，從圖2、圖3可以看出，學(xué)生的優(yōu)良人數(shù)比例以及平均成績均得到了較大幅度的提升。

圖2 平均成績分析圖

圖3 優(yōu)良人數(shù)比例分析圖

通過深入分析，發(fā)現(xiàn)綜合應(yīng)用題的分?jǐn)?shù)比改革前大幅度提高，如圖4所示，課程改革前班級的學(xué)生對這類綜合應(yīng)用能力的掌握基本上集中在少部分同學(xué)中，大部分學(xué)生平時了解的分析與設(shè)計方法不會靈活運用，整個學(xué)生的平均成績較差；實施課程改革后，大部分學(xué)生能夠靈活應(yīng)用，整體學(xué)生的平均成績有所提高。

圖4 綜合應(yīng)用成績對比圖

綜上，在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)教學(xué)過程中應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的深入理解工作原理的能力，綜合應(yīng)用的能力以及客觀事物的整體思考能力。我們采取了以實際項目和案例為基礎(chǔ)、同堂融合理論知識的教學(xué)模式，幫助學(xué)生分析不同情境下的問題，深入思考問題本質(zhì)，并提高綜合應(yīng)用能力。通過過去三年考試的綜合題成績表明，學(xué)生的這方面能力提高很多。

4 結(jié)論

數(shù)據(jù)庫理論課程概念多，抽象、不易理解，上機(jī)實驗內(nèi)容深度不足，且與理論課程缺乏深度融合的問題,本文將數(shù)據(jù)庫理論教學(xué)和上機(jī)實踐統(tǒng)一設(shè)計，構(gòu)建了數(shù)據(jù)庫SQL案例（包含基本類型SQL案例和高階SQL 案例）教學(xué)和實踐平臺,在理論教學(xué)的過程中，同步演示案例，同時提供同堂融合的上機(jī)實踐環(huán)境，實踐證明該方法,加深對數(shù)據(jù)庫理論的理解,提升學(xué)生綜合設(shè)計數(shù)據(jù)庫的能力。

該方法增強(qiáng)了數(shù)據(jù)庫教學(xué)的趣味性，使教學(xué)方式更為多元化，對促進(jìn)學(xué)生數(shù)據(jù)庫技能提升，培養(yǎng)高質(zhì)量人才具有重要意義。其中數(shù)據(jù)庫SQL 案例教學(xué)和實踐平臺，一定程度上激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新學(xué)習(xí)思維。未來研究中將增加更多實踐案例，探索更優(yōu)秀的案例實驗教學(xué)，增強(qiáng)理論知識與實踐的融合，提升數(shù)據(jù)庫教學(xué)質(zhì)量。