數據庫規范化理論教學探討與實踐

王哲 趙營穎

【摘要】數據庫規范化理論是數據庫技術中的一個重要的理論基礎，對應用系統的數據庫設計起著重要作用。針對其在教學中存在的一些問題，提出了具體的教學方案，并結合具體教學案例加以說明。這種教學方法有利于提高課程的教學質量，有利于提高學生對數據庫規范化理論知識的掌握能力。

【關鍵詞】數據庫 規范化理論 函數依賴 范式

對于數據庫課程的學習，除了掌握應用型技術外，還應加強其基礎理論的學習，如關系模型、關系運算理論、關系數據庫語言SQL、數據庫的規范化理論、數據庫設計及數據庫實現等知識點。數據庫設計的好壞直接影響著實際的應用，數據庫的規范化理論正是用來指導應用系統中數據模式的構建，即數據庫邏輯結構的問題；對于初步的關系模式，可能存在這樣或那樣的問題（如數據冗余、插入異常、刪除異常等），需要利用數據庫規范化理論進行規范化，以逐步消除存在的問題，從而得到一定規范程度的關系模式。然而對于在目前的教材中及課堂講授中，對這部分內容的介紹更多的停留在理論部分的講述，大部分學生并沒有真正的理解掌握并應用到數據庫實踐操作中。因此，如何有效學習數據庫規范化理論知識，并將其應用到數據庫技術實踐體系中，構建科學的教學模式，是當前數據庫課程教學改革的重要任務。

一、數據庫規范化理論

關系數據庫規范化理論的目標是得到一組滿足用戶需求的關系模式，旨在設計出一個“好”的關系模式，這里的“好”指的是數據擁有較少的數據冗余度和操作異常，以便我們對數據進行高效的管理。

例如，需要建立一個描述學校教務的數據庫，有學生表student的屬性集合U={Sno，Sname，Sdept，Mname，Cname，Grade}，其中Sno表示學號、Sname表示學生姓名、Sdept表示所在系、Mname表示系主任姓名、Cno表示課程號、Grade表示成績；現實世界已知事實的語義：一個院系有若干學生，一名學生只屬于一個院系；一個院系只有一名系主任；一名學生可以選修多門課程，每門課程有多名學生選修；每個學生所學的每門課程都有一個成績。如何判斷student是不是一個“好”的關系模式呢？經分析，關系模式student有如下問題：

1.數據冗余

如果一個院系有1000名學生，而且每名學生大約選修了20門課程，則院系名稱和系主任姓名就要重復出現20000次，造成了巨大的數據冗余。

2.插入異常

如果一個院系剛成立，暫無招生，或者雖然有學生但尚未安排課程，按照實體完整性的原則，就無法把這個院系及系主任的信息錄入到數據庫。

3.刪除異常

如果某院系的學生全部畢業且無新生的情況下，我們在刪除該院系學生信息的同時，把這個院系及其系主任的信息也一并刪除了。

4.更新異常

如果某系更換系主任或更換院系名稱后，系統必須修改與該院系相關的每一條記錄；若有一條記錄中的數據未實時更新，就會造成數據不一致現象。因此，student不是一個“好”的關系模式。事實上，數據冗余和操作異常現象產生的根源，就是由于關系模式中屬性間存在著復雜的依賴關系，這種依賴都稱為數據依賴。對于關系模式student={Sno，Sname，Sdept，Mname，Cname，Grade}，其屬性關系如圖1所示，由圖1可看出，關系模式student中存在一定的數據依賴，如學生學號和學生姓名、學生學號和院系名稱、院系名稱和系主任之間都存在著依賴關系。

關系規范化理論正是用來改造關系模式，對于“不好”的關系模式，通過分解關系模式來消除其中不合適的數據依賴，以解決插入異常、刪除異常、更新異常和數據冗余問題；對于關系模式student，依據規范化理論的指導原則，若消除數據冗余、異常等問題，可將關系模式Student分解為三個關系模式：S（Sno，Sname，Sdept）、SC（Sno，Cname，Grade）、Dept（Sdept， Mname），可基本解決以上問題。

二、確定理論教學的關鍵點

數據庫規范化理論中，通常是通過一個關系模式是否屬于某一范式（Normal Forms，簡記為NF）來確定其是否解決了數據冗余、操作異常等問題，是否為一個“好”的模式。范式的種類與數據依賴有著直接的聯系，主要有1NF、2NF、3NF、BCNF等多種。一個低一級范式的關系模式，通過模式分解（投影運算）可以轉化為若干個高一級范式的關系模式的集合，這個過程叫做規范化，關系模式規范化的基本步驟如圖2所示。

由圖2可知，在范式的判斷中，主要是對模式中主屬性、非主屬性、部分函數依賴、完全函數依賴、傳遞函數依賴、多值依賴的判別。關系模式中，屬于候選鍵的屬性稱之為主屬性，反之則為非主屬性，則候選鍵則成為主屬性和非主屬性的判斷標準，故候選鍵的判定是規范化理論的基石知識點。

數據庫定義中，如果關系模式中某一個屬性或屬性組能夠唯一決定關系中其他所有屬性的值，而且其真子集無此性質，則稱這個屬性或屬性組稱為該關系模式的候選鍵。在很多教學中，很多教師忽略了候選鍵判定的重要性，再加上時間關系，直接省略掉候選鍵的規范化計算，故造成很多學生在應用中判別不清，跟著感覺走的現象嚴重。

在關系數據庫理論中，關系模式中屬性集的閉包可判斷屬性是否為候選鍵。故在設計數據庫時，需要找出不同屬性間的函數依賴，根據這些依賴關系，計算出關系模式中各屬性集的閉包，進而確定該關系模式的候選鍵。例如關系模式STC（SNO，SN，SA，TN，CN，G），F={SNO→SN，SNO→SA，（SNO，CN）→G}，經過屬性集閉包的計算，得出STC的候選碼為（SNO，CN，TN），該計算結果準確科學，而不是某人看出來的或者感覺出來的。

三、結束語

數據庫規范化理論可有效的消除數據依賴引起的冗余、異常，在數據庫設計中起著重要的作用，針對于教材中出現的大量定義和概念類的知識點，我們不能照本宣科地介紹知識點，而應積極探索教學新方法，明確教學目標，變學生被動學習為主動學習，讓學生帶著興趣進入課程的學習，使理論知識學習和實踐操作的結合落到實處，真正提高課程的教學質量。

參考文獻：

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