數據庫系統原理研究型教學模式探索

　　摘要：提出將數據庫原理課程的內容模塊化，根據模塊的特點設計問題情景和研究型課程訓練載體，采用以問題為導向的主動式學習方式來激發學生的思維和興趣，輔以多元化的課程訓練環節和面向過程的學習效果評價體系，幫助學生由被動接受者向自主學習者進行轉變，從而培養學生的創新能力和綜合素質。
　　關鍵詞：研究型教學模式；數據庫系統原理；內容模塊化；課程訓練載體；學習效果評價體系
　　基金項目：北京市重點學科共建項目計算機應用技術(XK100040519)。
　　
　　教育部在《關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》中指出：“積極推動研究性教學，提高大學生的創新能力”。由于計算機科學的飛速發展，在高等院校特別是具有研究特征的高等院校計算機專業探討和實踐研究型和創新性人才的培養方法與有效途徑就顯得尤為迫切。為此，中國計算機專業教學指導委員會也在《高等學校計算機科學與技術專業發展戰略研究報告暨專業規范》中專門強調了研究性教學和創新能力的培養問題。
　　目前，數據庫系統原理課程不僅是計算機專業的核心課程，也已成為非計算機專業的必修課或選修課。隨著計算機科學的發展，數據庫技術在理論上不斷得到創新，這就要求教學方法也要不斷改革。傳統的以老師為主導的講授方法不利于學生建立對數據庫課程的興趣，進而影響學生對數據庫系統知識的掌握和實踐能力的提高。研究型教學模式對于培養學生的創新能力、主動學習能力和團隊協作能力，以及提高學生的綜合素質，有著積極的意義，因此成為了當前教育教學研究的熱點之一。如何將這一模式有效地應用于數據庫系統原理課程的教學之中，仍是一個值得引起關注和深入研究的問題。
　　我們在數據庫系統原理課程的理論和實踐教學中進行了研究型教學的嘗試，首先將課程的內容模塊化，根據模塊的特點設計問題情景和研究型課程訓練載體，用以問題為導向的主動式學習方式來激發學生的思維和興趣，輔以多元化的課程訓練環節和面向過程的學習效果評價體系，目的是使學生在主動探索求
　　
　　知的學習過程中，將外在知識轉化為內在經驗，從而增進學生的思考、分析和創新能力。
　　1教學內容模塊化
　　美國教育心理學家和教育改革家布魯納在他的教學過程提出了學科基本結構的觀點，強調掌握學科基本結構的重要性。我們通過將課程的內容模塊化幫助學生掌握教材全貌，同時根據模塊的不同特點設計問題情景和研究型課程訓練載體。
　　數據庫系統原理課程的內容涵蓋數據庫系統的基本概念、基本原理和基本技術[1-3]，我們將其主要內容分成12章、3個模塊(關系模型、數據庫設計與應用、數據庫管理系統)進行講述，如圖1所示。
　　第一章是緒論，主要介紹數據庫技術的發展歷程和一些基本概念，為進一步學習奠定基礎；第二章至第五章屬于關系模型模塊(下簡稱模塊1)，通過講授模型的三個要素(數據結構、數據操作、完整性約束)讓學生建立扎實的關系數據庫理論基礎；第六章至第八章屬于數據庫設計與應用模塊(下簡稱模塊2)，通過講授關系數據庫規范化理論、數據庫設計和編程方法，使學生掌握現代信息系統中數據庫的設計和開發技術；第九章至第十一章屬于數據庫管理系統模塊(下簡稱模塊3)，通過講授查詢處理與查詢優化、事務管理與數據保護，使學生掌握數據庫管理系統的實現技術；第十二章是數據庫新技術，通過介紹分布式數據庫、XML數據庫、數據倉庫與聯機分析處理等，使學生簡單了解目前數據庫發展的前沿技術。
　　圖1課程總體框架
　　
　　2多元化的課程訓練環節
　　課程訓練載體是運用以問題為導向的研究性教學方法的實現手段，不同的課程內容將使用不同形式的訓練載體以完成研究性教學目標。針對不同的模塊，需要建立形式多樣的課程訓練環節。對于系統實
　　
　　現模塊，討論和撰寫研究報告是實施研究型教學的重要手段；同時，研究型教學不能輕視實踐技能的培養和訓練，原先的實驗模式已經不能滿足培養創新性人才的需要，要按基礎驗證性實驗、設計性實驗和探索性實驗等多個層次來分別設計。
　　針對數據庫系統原理教學內容的特點，以及該課程理論聯系實際的原則，我們安排了課堂討論、專題研究、多層次的實驗教學作為研究性教學的訓練載體。其中，課堂討論是一種多通道的知識信息傳遞交換，討論式教學既要輸出知識信息，又要從一個立體式的環境中輸入更多的知識信息，這些信息都是屬于探究性的，需要通過思維活動，對知識信息進行分析、綜合、抽象、概括等一系列的“加工整理”，達到豐富知識、弄懂存疑的目的。專題研究要求學生課后圍繞給定的專題收集和閱讀相關資料，嘗試對問題從廣度和深度兩個方面作相關的研究，該項訓練不僅能培養學生的自主學習能力，而且能培養學生獨立思考能力、綜合分析能力和規范地撰寫科研報告的能力。數據庫原理課程是一門實踐性較強的課程，實驗是必不可少的。對于驗證性實驗，教師對學生的要求不僅是用實驗驗證原理，而且要研究有關問題，鼓勵學生自己提出問題，并通過實驗驗證；對于設計性實驗，重在培養學生搜集資料、實際解決問題、論文寫作和團隊協作等綜合素質；而對于探索性實驗，主要配合專題報告開展，著重培養學生自主學習能力和創新能力。
　　各種訓練載體的組織形式不同。教師可在第一次上課時布置分組，每組由3～4位同學組成，設組長1名，學期內所有需要分組實施的訓練載體(課堂討論、專題研究、設計性實驗)均采用同樣的組員構成。
　　2.1課堂討論
　　課堂討論主要圍繞模塊3展開，模塊3重點介紹數據庫管理系統的實現原理，我們通過有效的訓練載體培養學生發現問題、定義和解決問題，最后對解決方案評價論證的能力。討論題的設計試圖還原歷史上的研究過程，逐步訓練學生掌握研究問題的方法。討論題分為以下兩類：
　　第一類討論題幫助學生在綜合分析已學知識的基礎上，學會發現問題，并進一步探討如何解決問題的方法。例如：關系模型與層次和網狀模型相比，最大的區別在哪里？這樣的區別會帶來怎樣的好處？同時會產生怎樣的問題？如何解決該問題？該討論題旨在引導學生在體會關系模型好處的同時，發現關系模型帶來的問題，即效率低下，從而引出對查詢優化手段和方法的研究與學習。
　　第二類討論題幫助學生在學習基本原理或實現技術的基礎上，進一步發現問題，并提出改進的方法，使問題的解決方案更加完善。例如：如何達到數據庫可靠性和高效率的平衡？該討論題的目的是在學生學習了基本的恢復實現技術后，在進一步發現效率問題的基礎上提出改進方案，為引出具有檢查點的恢復技術和數據庫鏡像埋下伏筆。又如：如何達到系統并發度和并發控制的開銷之間的平衡？該討論題引導學生考慮封鎖的粒度，通過在學習封鎖和并發控制的基礎上進一步思考問題，綜合已學知識提出可行的方案。
　　為保證討論效果，教師會在前一節課把討論題布置給學生，同時，把需要閱讀的資料提示學生。學生可預先閱讀相關資料，進行一些思考，做好討論準備。課堂討論分組進行，由組長記錄各方意見，并歸納總結。教師可隨機參與討論，并在討論中正確地引導、提問以及產生自己的見解。討論結束后，采用學生自愿與教師隨機抽查的方式選取倆組學生，由組長報告討論結果，其余學生可提問。教師點評是討論課的重要環節，點評的意義在于一方面教會學生怎樣從討論的內容中，總結出有價值的規律或結論；另一方面便于引出后續的學習內容。
　　2.2專題研究
　　數據庫系統原理課程的專題研究針對模塊設計，著重訓練學生綜合運用知識分析和解決問題的能力。針對模塊1和模塊3，我們設計了關系模型實現、數據庫性能調優兩個專題。這兩個專題以模型為主線，將從模型的三要素到深入數據庫管理系統內部實現的遞進性目標作為研究報告目標，引導學生通過完成研究專題，掌握規范的研究問題的方法。
　　
　　關系模型實現專題的研究目標是探究數據庫管理系統對關系模型的實現方案，要求學生在學習模塊1的基礎上，選擇一個主流的商品化數據庫管理系統，探究該數據庫管理系統對關系模型的三大要素(數據結構、數據操作和完整性約束)的實現方法，并與課本所學知識做比較。學生需要按小組提交規范的研究報告，報告中需要闡明所選擇商品化數據庫管理系統的發展歷程及特點，討論該數據庫管理系統在關系模型的數據結構、數據操作和完整性約束的實現方面的特點，并比較與課本所學知識的不同之處。
　　數據庫性能調優專題的研究目標是研究數據庫管理系統的SQL調優方法，要求學生在學習模塊3的基礎上，按研究性學習指導書的提示查閱資料，自主學習SQL調優的有關知識，并選擇一個主流的商品化數據庫管理系統，在完成必要的實驗的基礎上，研究該數據庫管理系統的SQL調優方法。學生需要按小組提交規范的研究報告，報告中需要闡明與數據庫管理系統性能有關的因素，給出所選擇的商品化數據庫管理系統的SQL調優的原則，并分析SQL調優與DBMS查詢優化器的關系。
　　專題研究分以下幾步進行：
　　1) 研究專題的下達。講完相應知識點之后，教師布置相關的研究專題，同時提供給學生相應的學習資料和具體要求。學習資料包括研究性學習指導書、相關的搜索路徑，具體要求有論文格式和評分標準。
　　2) 學生進行課外學習。小組在研究專題下達的3日內確定組內各成員的分工，按照分工展開研究和討論。遇到小組研究中無法解決的問題，可及時與教師溝通。小組最終需提交規范的研究報告，并注明每位成員在報告中所做的工作。
　　最后是成果展示和教師點評。采用學生自愿與教師隨機抽查的方式選取2～3組學生展示研究成果。由組長報告研究結果，其他小組的學生可提問。每組學生報告完畢，教師必須點評。對正確的論點要予以肯定，必要時可以引導到更深的層次。對爭論的問題，學術界有結論的，教師應介紹有關的結論，對于無結論的，教師可闡明自己的觀點供學生參考，或指導學生查閱有關參考文獻等。
　　2.3多層次的研究型實驗教學
　　研究型教學不能輕視實踐技能的培養和訓練，研究型的實驗教學應該從問題出發，激發學生通過動手實驗探究問題的熱情，同時鼓勵學生對問題提出多種解決方案，并對各種方案進行評價和比較[6]。我院的研究型實驗教學按基礎驗證性實驗、設計性實驗和探索性實驗三個層次分別設計。
　　基礎驗證性實驗主要針對模塊1和模塊3設計，不同于傳統的實驗模式，教師對學生的要求不僅局限于用實驗驗證原理，而且要研究有關問題，實現對知識的拓展。除研究性學習指導書給出的需要探究的問題外，特別鼓勵學生自己提出問題，并通過實驗驗證。
　　設計性實驗針對模塊2設計，訓練目的是讓同學們對數據庫設計的全過程有整體的認識，并提高學生搜集資料、解決實際問題、論文寫作和團隊協作等綜合素質。在設計性實驗的實施過程中，若干同學組成開發小組，每位同學承擔不同的角色(如系統分析員、系統設計員、系統開發員、系統測試員等)，協作完成一個小型信息系統的開發，使學生深入理解數據庫設計的基本方法、步驟和數據庫設計各階段的任務，掌握數據庫應用系統分析、設計與實現的方法和相關技術。設計性實驗的成果需要以小組為單位展示，展示過程中允許其他同學和老師提問。
　　探索性實驗針對模塊3設計，該實驗配合數據庫性能調優專題，要求學生在查閱資料、自主學習SQL調優相關知識的基礎上，設計實驗方案驗證SQL調優規則，并鼓勵學生提出新的SQL調優規則或發現已有規則存在的問題(如在不同的數據量或索引情況下執行代價不同等)。探索性實驗的成果展示隨專題報告進行。
　　3以科研項目驅動研究性學習
　　研究性學習需要應用的驅動，科研項目是課堂研究性教學活動的延伸。以項目驅動研究，以研究帶動教學，科研活動能夠培養學生的研究型思維、創新意識和實踐動手能力[4-5]。
　　我們通過開展大學生創新活動，讓部分學生參加到教師的科研項目中。這些項目在用到已學知識的同時，也會讓學生面臨新的挑戰，他們必須學習以科學研究的方式主動搜集信息，獲取知識，應用知識，最后解決問題的方法，該過程是一種獨創性學習活動，可以激發學生研究性學習的興趣。
　　與此同時，科研項目對研究型教學的開展也能起到積極的推動作用。在完成項目的過程中，教師需要學習新的前沿知識和技術，一方面可以豐富課堂教學，另一方面還可以從項目中抽取新的案例用于研究型教學。
　　4基于過程的學習效果評價體系
　　傳統的以學生考試成績為主的評價機制并不適用于研究型教學模式，研究型教學模式應側重對過程的考核。
　　為配合研究型教學，北京交通大學對主干課程的學時進行了彈性化處理。以數據庫系統原理課程為例，課程原本64學時，但實際安排80學時，其中的16學時是專為配合研究型教學設置的。我們將這些學時用于開展學術討論、專題報告輔導、探索性實驗的方案討論、學生成果展示及教師點評。
　　在考核方式上，我們將期末考試成績在最終成績中的比例降至50%，另外50%用于對過程進行考核(各部分所占的比例見表1)。其中，研究報告和實驗報告有詳細的評分標準，期末考試采用開卷的方式，考題比較靈活，需要學生在理解的基礎上解答問題。
　　
　　表1課程學習效果評價體系
　　研究型教學是當前教育教學研究的熱點問題。我們對數據庫系統原理課程進行了研究型教學的探索與實踐，在對課程內容模塊化的基礎上，設計多元化的課程訓練環節和面向過程的學習效果評價體系，用以問題為導向的主動式學習方式來激發學生的思維和興趣，從而增強學生的思考能力、分析能力和創新能力。未來工作的重點在于進一步調動學生對研究性學習的積極性，充分發揮他們的主觀能動性，最終提高人才培養質量。
　　
　　參考文獻：
　　[1] 教育部高等學校計算機科學與技術專業教學指導分委員會. 高等學校計算機科學與技術專業發展戰略研究報告暨專業規范(試行)[M]. 北京:高等教育