計算思維培養與《數據庫原理與應用》教學

韋美雁

（湖南科技學院 計算機與通信工程系，湖南 永州 425199）

引 言

在計算機科學中，數據庫是十分重要且發展迅速的重要分支。隨著各種應用領域對數據管理的需求越來越多，《數據庫原理及應用》這門課程的重要性也日益顯著，它不僅是高校計算機類專業的主干課程，而且也成為許多非計算機專業學生的必修課或選修課程。亦即數據庫的操作和管理成為了大學通識教育的內容，而“計算思維能力培養是大學通識教育的重要組成部分”[1]。在《數據庫原理及應用》的教學中注重計算思維的培養是非常有意義的。

1 計算思維的基本思想

2006年3月，美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任周以真（Jeannette M.Wing）教授在美國計算機權威期刊《Communications of the ACM》雜志上提出并定義了計算思維（Computational Thinking）。周教授認為：計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計、以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。董榮勝教授在文獻[2]、[3]中定義：計算思維是運用計算機科學的思想與方法進行問題求解、系統設計，以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。我們可以通俗的理解為：計算思維是以設計和構造為特征，并以計算機學科為典型代表。

2 計算思維培養與《數據庫原理與應用》教學

《數據庫原理與應用》理論知識較多，包括關系數據庫、SQL基礎、數據庫的安全性和完整性、關系數據理論、數據庫設計、數據庫的編程、數據庫恢復技術和并發控制等方面。為了更好的培養學生的計算思維能力，在教學中注重對課程的教學設計是非常必要的。而就本課程而言，計算思維能力培養可從課堂教學和實踐教學中融入。

2.1 從計算思維出發的課程引入

計算思維是以設計和構造為特征。《數據庫原理及應用》正是一門討論如何設計和構造數據庫系統的課程，因此對于課程的引入，我們首先要有個宏觀的體驗，例如在介紹數據庫保護時需要學生理解事務、并發控制等概念。我們從實例引入，諸如銀行系統進行轉賬，要從甲賬戶轉帳100元到乙賬戶。這里要經歷兩步，第一步從甲賬戶-100，第二步給乙賬戶+100。但是，若在系統剛好操作完第一步時停電了，那么這轉賬的事件是否已經完成，數據庫系統的數據是否會出現異常？另如購買車票，甲乙同時進入購票系統購買火車票，此時他們讀取的數據是10票，那么，甲買6張，乙買5張，最后系統剩余多少張票？讓他們體會事務在在處理時，如果沒有一定的技術措施，那么將會發生造成數據的存取錯誤，破壞數據的一致性和完整性，從而引入課程。

2.2 結合計算思維的課堂教學

依然以“數據庫保護”這章的內容來闡述我們結合計算思維的課堂教學，引導學生學習領會計算思維的方法，從而更好的體會計算思維的設計與構造的特點。

（1）事務概念簡介：通過課程引入，同學們初步了解到維護數據庫數據一致性的基本手段是事務，進而介紹事務的四大特性和事務的處理模型，同時讓同學們對事務的ACID（原子性、一致性、隔離性、持續性）四大特性有充分的了解。

（2）事務并行異象：數據庫數據是共享的，那么事務的并行會出現的異常現象有丟失數據修改，讀臟數據，不可重復讀，產生“幽靈”數據。

（3）事務并行異象處理：為了避免異象（丟失數據、讀臟數據、不可重復讀、產生“幽靈”數據）的發生，我們設計的處理措施是加鎖,那么加鎖如何設定規則？能達到預想的避免異象發生嗎？進而引導學生去發現為了不丟失數據修改，我們應該何時申請X（或者S）鎖，持鎖時間為多長，何時釋放鎖等問題。同樣，為了不讀臟數據，我們又該如何設計，為了可重復讀又該如何設計。通過這段課程介紹，讓學生充分體會計算機科學就是設計和構造的科學。

2.3 訓練計算思維的實踐教學

在實踐課程中，為培養學生的計算思維能力，老師通過給出實驗任務，提出問題，讓學生或獨立或協作的去探索問題的解決方法，發現問題的本質。

例如，要求學生創建一個數據庫，其中包含三個表：學生表、課程表和 學生選課表，在創建時要給出各表的合適的屬性，選取合適的主碼，指出各表之間的聯系。在這個任務中，其實考察的是學生對數據完整性的理解。

數據完整性是一個非常重要的概念，在數據庫原理教材[4]中它的貫穿性得到了很好的體現。在理論部分，關系數據庫提出了它的相關概念；在設計部分，數據需求分析中數據滿足完整性約束的數據在數據字典中要加以體現，并通過概念結構、邏輯結構設計來表達；在實施部分常常利用觸發器、SQL語言、數據庫管理系統的基本功能等按照數據完整性約束的信息來具體加以實現。因此在實踐教學中引導學生在創建數據庫時對數據完整性的理解和應用，能夠很好的培養學生的計算思維能力和創新能力。

數據完整性具體涉及到三方面，實體完整性、參照完整性、用戶自定義完整性[4][5]。實體完整性的是保證實體的唯一性，與其他實體的可區分性，因此主碼的設定非常重要，例如學生數據庫中的學生表，其主碼設定最好是“學號”而不是姓名或其他屬性；當然我們的問題是，如果約定在該數據庫中，同一個班的同學的姓名是不同的，那么，除了“學號”可作為主碼，“姓名”是否可以作為主碼？我們平時在設定主碼時要注意什么？顯然，在這種條件下“姓名”是可以作為主碼的，因為它能表達實體的唯一性。

參照完整性指多個實體或表之間的關聯關系。在學生課程 ER圖（如圖一）中，有兩個實體“學生”、“課程”，還有一個聯系“選課”，該聯系方式是多對多的聯系。當我們把該關系模式轉化為關系時，除了實體轉換成相應的表“學生表(sno，sname，ssex，sdept)”、“課程表(cno，cname，credit)”外，聯系“選課”也要轉換為表“選課表”，至于選課表屬性的設計初學者很茫然，其實我們在此只需把握一點，與該聯系“選課”相關的實體是誰，在屬性中表現該實體就行，于是，我們可以設計其屬性為“（sno，cno，grade）”。顯然“選課表”中的課程號（cno）在“課程表”中應該存在，“選課表”中出現的學生的學號（sno）在“學生表”中應該存在，表中“sno、cno”屬性的取值要參照“學生表”和“課程表”的取值，這個屬性我們稱為外碼，而且它還有一個特點，外碼屬性在父表中應該是主碼屬性。如果在表的設計過程中未曾注意到參照完整性，那么就可能出現學生選課表中的學號或課程號不曾在學生表或課程表中出現，即沒有該學生存在或者根本沒有開設該課程，但在我們卻在選課表中想憑空錄入成績是不可能的，就會導致錯誤（數據不一致）。

用戶自定義完整性主要是指指明表中屬性的取值范圍（域），避免屬性的取值與應用語義矛盾，例如性別取值非男即女，不能是其他。

3 結語

“科學思維不僅是一切科學研究和技術發展的起點，而且始終貫穿于科學研究和技術發展的全過程，是創新的靈魂”[6]。在計算機科學技術持續迅猛發展的今天，數據庫原理的重要作用顯然。而在素質教育的今天，學生的能力培養尤為重要，在學生離開母校 N年之后，他或許已經想不起在學校學過的ABCD，但只要他的計算思維能力（科學思維能力的一種）存在，那么就是我們的最大的成功。

圖1.學生課程ER圖

[1]陳國良,童榮勝.計算思維與大學生計算機基礎教育[J].中國大學教學,2011,(1).

[2]董榮勝.計算機科學導論——思想與方法[M].北京:高等教育出版社,2007,(9).

[3]董榮勝,古天龍.計算思維與計算機方法論[J].計算機科學，2009,36(1):1-4.

[4]何玉潔.數據庫原理與應用教程[M].北京:機械工業出版社,2013,(6).

[5]王珊,薩師煊.數據庫系統概論[M].北京:高等教育出版社,2006,(5).

[6]科技部,等.關于創新方法工作的若干意見[EB/OL].http://www.gdstc.gov.cn.