基于探究式教學的數據庫設計教學方法研究

劉愛紅　萬常選　吳京慧　廖國瓊　劉喜平

摘要：提出“創設情境、設疑激趣，提出問題、分析需求，設計模型、分析論證，反思評價、表達交流”的探究式教學方法；根據數據庫設計各個階段的主要任務，闡述并實踐不同階段相適應的探究式教學方法。

關鍵詞：探究式教學模式；數據庫設計；反饋檢查；探究創新

0 引言

數據庫系統是計算機系統的重要組成部分，是企業、機構、互聯網乃至整個信息社會賴以運轉的基礎。數據庫理論與技術教育已成為現代計算機科學和相關學科教育的核心部分。因此，數據庫系統原理課程是高校計算機及相關專業的必修課程。該課程要求培養學生具有較強的數據抽象和數據建模能力，即具有較強的數據庫設計和應用開發能力。

數據庫設計的核心是在不同的抽象級別上通過不同的數據模型對現實世界中應用功能的數據需求進行建模，分析應用功能的數據需求，表達數據及數據之間聯系語義、數據操作和數據完整性約束，實現從現實世界到信息世界、信息世界到邏輯機器世界、邏輯機器世界到物理機器世界的逐步轉換。這就要求在教學過程中師生積極交流互動，共同探索、共同發展，使學生能夠通過自己的知識儲備，結合教師的引導，探究和解決學習過程中產生的一系列問題，從而充分發揮學生的主體作用和教師的主導作用。

1 探究式教學模式

靳玉樂在《探究教學的學習與輔導》一書中將探究式教學模式定義為：在探究教學理論的指導下，在探究教學實驗經驗的基礎上，為發展學生的探究能力，培養其科學態度及精神，按卡模式分析等方法建構起來的一種教學活動結構和策略體系。因此，我們可以認為探究式教學在實質上是一種科學模擬性的研究活動。它主要包含兩個方面：一是教師作為探究式教學的主導，要為學生設置探究學習的情境，營造探究的氛圍，給學生提供必要的幫助和指導，使學生在探究中明確方向；二是學生作為探究式教學的主體，要有真正獨立探究的機會和愿望，能明確教師提出的探究目標，掌握探究的正確方法，開拓探究的思路，進而培養學生的創造性思維和創新能力，學會科學學習，為終身學習奠定基礎。

為此，教師可以有意識、有步驟、有指導地促進學生獨立自主地發現問題、分析問題與解決問題，進而促進學生知識的掌握、能力的發揮、探索與創新能力的培養。探究式學習過程前需要進行有理論指導的假設，在學習實踐過程中要進行有邏輯和批判性的思考，促進多元化教育教學目標的最終實現。

2 探究式教學在數據庫設計中的實施方案

數據庫設計是根據各種應用處理的要求、硬件環境及操作系統的特性等，將現實世界中的數據進行合理組織，并利用已有的數據庫管理系統來建立數據庫系統的過程。具體地說，是對于一個給定的應用環境，構造出最優的數據庫邏輯模式和物理模式，并以此來建立數據庫及其應用系統，使之能夠有效地存儲和管理數據，滿足用戶的信息要求和處理要求。

在數據庫設計教學過程中，我們主要通過“創設情境、設疑激趣，提出問題、分析需求，設計模型、分析論證，反思評價、表達交流”4個環節進行探究式教學方法的探索與實踐，并以網上書店系統的數據庫設計為例，探討探究式的教學手段和教學方法。

2.1 創設情境、設疑激趣

數據庫設計的第1個階段是需求分析，教師應創設與數據庫設計選題相關的業務情境、問題情境等，把要探究的問題蘊含在各種情境之中。因此，這一階段采用創設情境、設疑激趣的探究方法，其教學目的是：結合實際業務背景，了解并分析系統功能和業務流程。

這個階段的教學手段和教學方法具體如下：

（1）利用現實的網絡資源導入案例，創設相近的業務情境。將學生分為若干小組，利用課前空余時間分別登錄卓越亞馬遜網、當當圖書、京東商城圖書、99網上書城、中國圖書網等網站，每個小組實際完成一個網上購書的業務流程。

（2）在實際網上購書的業務情境中，啟發各組學生在執行購物的過程中認真分析該系統的主要功能及業務流程。

（3）各小組學生對購書平臺的功能進行信息收集、整理和分析，并討論不同購書平臺在系統功能、業務流程等方面的差異。

（4）分析并總結一個網上購書系統的主要業務流程和功能需求。

為了進一步激發學生對數據庫設計的興趣，教師應當結合系統功能啟發學生學會巧思設疑。例如，網上購書系統中的書（商品）從哪里來的？如何存放？客戶下單后如何完成配送工作？如何跟蹤訂單狀態？訂單狀態如何變化？

上述探究方法能夠為學生設置探究學習的情境，營造探究氛圍，充分激發學生學習的興趣，引導學生帶著疑問去分析網上書店的主要業務流程并歸納出所開發系統的具體功能需求。

2.2 提出問題、分析需求

數據庫設計第2個階段的探究方法是通過提出問題，進而分析系統需求。因此，該階段的教學目的是提出問題并引導學生思考：①業務流程和系統功能的實現要依靠數據需求和業務規則來支持；②不同的業務流程和系統功能，它們的數據需求、業務規則和性能需求也是不一樣的。

這個階段的教學手段和教學方法具體如下：

（1）依托江西財經大學畢博網絡教學平臺（http：∥bb1.jxufe.cn/webapps/login/），在數據庫系統原理課程的教學網站中開設討論版，教師或學生均可以自由地提出問題或就某個問題進行探討。

（2）教師可以拋磚引玉，提出學生沒有關注或不能發現的問題，以此激發學生發現問題、提出問題的探究意識，如配送單的圖書從何而來，配送后如何跟蹤訂單狀態。

（3）引導學生結合業務情境并聯系實際需求，探討更為科學合理的數據需求、業務規則和性能需求。

（4）以訂單生成與訂單受理業務為例，分析其主要數據需求和業務規則。

（5）當系統功能或業務流程發生變化時，數據需求、業務規則或性能需求等如何修改才能滿足這些變化的要求。endprint

上述方法可以引導學生根據系統功能需求和業務流程，分析數據管理的業務規則和約束條件，提升學生獨立思考、互相研究的能力，幫助學生在認知、討論、理解問題的過程中學習并形成自己的知識。

2.3 設計模型、分析論證

數據庫設計第3個階段的探究方法是設計模型、分析論證，教學目的是在分析系統的數據需求、業務規則和約束條件的基礎上，學生根據自己對問題的理解和已掌握的知識，提出解決問題的方案，設計概念模型、邏輯模型和物理模型，并通過團隊討論、理論分析、實驗驗證等方法進行分析論證，提高學生的分析探究能力和模型設計能力。

這個階段的教學手段和教學方法具體如下：

（1）根據需求分析設計合理的概念模型，主要完成如下任務：

①定義實體集及屬性、實體集的主碼，用E-R圖及數據字典描述被建模的實體集。

②定義聯系集及屬性、聯系集的主碼、聯系的映射基數及參與約束、實體的角色，用E-R圖描述被建模的聯系集。

③分析初步E-R圖中是否存在依賴約束、多值聯系。

④利用擴展E-R特征對對象進行分類及聚合。

（2）設計訂單生成業務的概念模型，如圖l所示。

該E-R模型存在如下問題：

①當一個會員訂購同一圖書多次時，會員與圖書之間是多值聯系，導致主碼值不能唯一，這違背了E-R模型關于聯系集主碼的確定原則。

②可能導致大量數據冗余，如訂購業務中由于一次可以購買多種商品，導致訂購日期、訂單總金額等數據出現冗余。

為了解決這些問題，可以將上述多對多的多值依賴聯系抽象為派生實體訂單，并建立訂單與圖書之間、訂單與會員之間的聯系。為此，我們重新分析概念模型的設計方案，如圖2所示。

（3）通過團隊討論、理論分析等不同方法，對概念模型進行進一步的分析論證。

①對照需求分析規格說明書，檢查E-R模型，看其是否包含了所有數據、能否滿足所有功能需求等。

②分析所建概念模型是否合理？如是否表達了正確的業務處理信息，是否需要一單多送，是否需要圖書出庫管理。

（4）邏輯模型設計。E-R模型是對現實世界的抽象，若要被關系數據庫所接受，必須將E-R模型轉化為關系數據庫所支持的邏輯模式。

（5）物理模型設計。考慮數據庫要支持的負載和應用需求，為邏輯數據庫選取一個最適合現實應用的物理結構，主要包括數據存儲結構和數據存取路徑等。

上述探究方法可以幫助學生重點掌握數據庫各種模型設計的一般方法，指出數據庫模型設計的優點和不足，并給出改進的方法和措施，從正反兩方面幫助學生加深對數據庫設計理論的理解和認識，提高數據庫分析和設計的能力。

2.4 反思評價、表達交流

數據庫設計探究式教學的第4個階段是反思評價、表達交流，其教學目的是教師安排每個小組對已經設計好的概念模型、邏輯模型、物理模型等進行反思評價。

這個階段的教學手段和教學方法具體如下：

（1）每一個階段結束后，組織學生對設計的模型進行自評和互評。即使各階段設計的模型能夠基本包含網上購書系統的功能需求及數據需求、業務規則、數據約束等要求，但經過小組自評和互評，仍然可以進一步發現考慮不夠深入、脫離現實需求等問題。這就需要將相關功能進行擴充或修改，以滿足現實業務要求。

（2）在自評和互評過程中，教師或學生對設計的模型質疑，設計人員解答，然后進一步探討。如當數據約束條件不能在E-R模型中完整地表達時，可以考慮用觸發器來幫助實現關系的完整性定義。

（3）教師需要對每個小組的設計過程、設計結果、答辯等各個教學環節進行客觀公正的評價，及時指出學生在數據庫設計過程中出現的問題，并對學生的學習情況作出一個概括性的評價。

上述探究式教學方法可以引導學生對自己的模型設計、理解程度、思維過程等方面自我認識、自我評價以及對自己學習進度自我監控，達到提高學生的表達交流能力，促使學生養成批判性思維的教學效果。

3 數據庫設計的反饋檢查

由于數據庫設計不是一蹴而就的，還需要對數據庫設計的各個環節進行反饋檢查：一方面，對照前一階段的要求檢查在后一階段的設計中是否全部實現了；另一方面，通過后一階段的設計也能發現前一階段設計工作的不足。因此，數據庫設計是一個反復的過程，結合探究式教學實施的4個階段和數據庫設計的反饋檢查工作，構造基于探究式教學模式的整個數據庫設計教學實施流程，如圖3所示。

圖3中，實線部分表示探究式教學實施的各個階段及每個階段數據庫設計的主要任務；虛線部分表示各個階段可能出現的反饋檢查任務。主要反饋檢查任務包括：當系統功能或業務流程發生變化時，數據需求、業務需求和性能需求都可能發生變化；若數據需求和業務規則發生變化，則概念模型、邏輯模型、物理模型也應作相應修改；當然，概念設計的不同也同樣會導致邏輯設計和物理設計的變化。總之，在數據庫設計的各個階段及其各項設計步驟中都可能根據實際應用功能和需求的變化經過不斷的反思評價和反饋檢查得到進一步的改進和完善。

3.1 系統功能、業務流程的改變

網上書店系統的系統功能因實際應用需求的變化，可能導致業務流程也必須相應改變，從而使數據需求、業務規則和性能需求也要相應改變。

例如，業務處理中關于訂單配送的流程變為：會員可以根據需要將一個訂單進行拆分配送，或根據所訂購圖書的庫存情況而選擇自動拆分配送，即一個訂單可以有多個配送單來完成圖書配送業務。那么，主要業務流程應增加配送設置與圖書配送業務，系統功能部分可以增加配送管理功能和配送公司管理功能。因此，數據需求和業務規則也應相應改變為：

①會員在生成訂單后需要進一步進行配送設置，包括填寫配送信息，定義配送明細，同時還需要選擇如果一個配送單中的所有圖書不是同時有貨，是否需要自動拆送。endprint

②每張配送單要求記錄下列信息：配送單號、配送日期、是否拆送、發票編號、配送狀態、配送信息（收貨人、送貨地址、郵政編碼、聯系電話等）和配送明細（ISBN、書名、配送數量等）。

③配送狀態用于記錄該配送單的當前配送狀態：未發貨、已發貨、已送到等。訂單中的訂單狀態記錄了該訂單的當前處理情況：未審核、退回、已審核、已部分配送、已全部配送、已處理結束等。

④訂單明細的配送狀態記錄了該圖書的當前配送情況：未配送、已部分配送、已全部配送等。

⑤當訂單中的某種圖書全部送到后，要更新該圖書的配送狀態為“已全部送到”。當訂單內全部圖書的配送狀態為“已全部送到”時，則更新該訂單的訂單狀態為“已處理結束”。

⑥一個配送單只能由一個配送公司進行配送（不同配送單可以由不同配送公司配送）；一個配送公司可以承接多次配送業務。

3.2 數據需求、業務規則的改變

南于支持系統功能和業務流程的數據需求、業務規則發生變化，其對應的概念模型也可能改變，從而邏輯模型、物理模型會相應變化：

①伴隨著配送設置會生成配送單和配送明細。

②配送單是依附于訂單的，可將配送單建模為訂單的弱實體集，屬性有配送單號、收貨人、送貨地址、郵政編碼、聯系電話、發票編號、是否拆送等，配送單號為部分碼，是否拆送為新增屬性。

③訂單實體集與配送單弱實體集之間存在一對多的包含標識聯系集。

④配送單弱實體集與圖書實體集之間存在多對多的圖書配送（即配送明細）聯系集，聯系屬性有配送數量。

⑤在配送單弱實體集與職員實體集之間存在多對一的分派聯系集；在配送單弱實體集與配送公司實體集之間存在多對一的配送聯系集，聯系屬性有配送日期、配送狀態。

實踐表明，采用探究式教學模式的教學效果較以前有很大的改進。學生通過基于探究式教學的數據庫設計學習，獲得了極大的成就感和數據庫應用系統設計與開發的信心。在反思評價及反饋檢查過程中，很多學生感覺學習印象深刻、收獲很大，尤其是教師對不同概念模型的設計與分析論證方法，讓學生從不同角度深刻理解了數據庫設計的基本原則和方法，從而加深了學生對抽象理論的理解和認識，提高了數據庫分析和設計的能力。

4 結語

在實際教學過程中，教師應利用現代信息技術設置各種情景，精心設計有助于學生開拓思維能力的導學問題，采用啟發式、討論式、參與式等多種教學方法引導學生的學習和探究，在設疑、啟發、討論和反思過程中逐步培養學生探究創新的意識和能力。

參考文獻：

[1]靳玉樂探究教學的學習與輔導[M].北京：中國人事出版社，2002：24-25.

[2]賈娟.淺析探究式學習對于提升高校美術教學效果的重要意義[J].教學研究，2011（8）：60.

[3]萬常選，廖國瓊，吳京慧，等.數據庫系統原理與設計[M].2版.北京：清華大學出版社，2012：182-185.

[4]萬常選，廖國瓊，劉喜平，等.依賴約束與多值聯系的E-R建模方法[J].計算機教育，2012（22）：76-82.

[5]吳京慧，劉愛紅，廖國瓊，等.數據庫系統原理與設計實驗教程[M].2版.北京：清華大學出版社，2012：127-130.

（見習編輯：劉麗麗；編輯：郭田珍）endprint