基于計算思維能力培養的數據庫課程實驗教學改革研究

李志輝，崔洪芳，宋鶯（湖北經濟學院信息工程學院，武漢　430205）

基于計算思維能力培養的數據庫課程實驗教學改革研究

李志輝，崔洪芳，宋鶯
（湖北經濟學院信息工程學院，武漢430205）

0　引言

當今社會已進入了信息化時代，善于運用計算機技術和手段進行學習、工作、解決專業問題已經是高級人才必備的素質［1］。作為大學通識教育的計算機基礎教育，承擔著培養學生利用計算機解決問題能力的重任。在互聯網普及、計算機走進千家萬戶、計算機技術發展日新月異的今天，如果大學計算機基礎教育仍然沿襲將計算機僅僅視為工具，對學生僅僅進行計算機技能性知識傳授的傳統教學模式，必定趕不上計算機知識更新的速度，跟不上計算機技術發展的步伐，培養學生的計算機應用能力也必將是空談。大學計算機基礎教育，只有向學生傳授高于知識和技能的具有相對穩定性的計算機學科獨特的處理問題的思維方式——計算思維，才是目前形勢的正確應對之策。

計算思維是運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統和理解人類的行為，它包括了涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動［2］。計算思維表現出了強大的創新能力，現在幾乎所有領域的重大成就無不與之密切相關。培養學生的計算思維能力，使其掌握在計算環境下的問題求解方法，這正是今后學生應用計算機技術創造性解決專業問題的重要基礎。有鑒于此，2013年5月，教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會發表了旨在大力推進以計算思維為切入點的計算機教學改革宣言，計算機基礎教育應著力于計算思維能力的培養已成為廣大計算機教育專家的共識。

數據庫及其應用課程是計算機基礎教學 “數據管理與信息處理”知識領域的核心課程之一，是面向文科專業學生開設的計算機通識必修課。同其他計算機基礎課程教學一樣，數據庫及其應用課程的核心任務也應是培養學生的計算思維能力。數據庫及其應用課程要求學生掌握Access數據庫的操作方法和應用系統開發的技術，是一門實踐性很強的課程，實驗教學在該門課程的教學中處于重中之重的位置。因此，本文主要從數據庫及其應用課程實驗教學方面來探討如何進行基于計算思維能力培養的教學改革，包括實驗教學內容、教學模式和考核方式三個方面。

1　實驗教學內容

數據庫及其應用課程傳統的實驗內容主要基于讓學生驗證數據庫理論知識和掌握Access數據庫管理軟件操作技能之目的而設計，其形式多是演示性和驗證性的，其中的實驗項目多配有較為詳細的操作步驟，使得學生缺乏足夠的思維空間，因此此種實驗內容難以從思維層面提升學生發現問題和解決問題的能力，不能有效促進學生學科知識和思維能力的共同提高。

2006年3月，美國卡內基·梅隆大學的周以真教授提出了計算思維，并對其進行了清晰而系統地闡述。根據周教授的觀點，計算思維包含了一系列的方法：①通過約簡、嵌入、轉化和仿真等方法，把一個看來困難的問題闡釋成一個人們知道怎么解決的問題；②計算思維是一種遞歸思維，是可以用有限的步驟描述實現近于無限功能的方法；③計算思維采用并行處理（把一個復雜的大而難的問題分成很多部分同時去處理），是節省大型和復雜問題解決時間的一種方法；④計算思維是一種采用抽象和分解來解決龐雜任務或者設計巨大復雜系統的方法，是一種基于關注點分離的方法；⑤計算思維是一種按照預防、保護及通過冗余、容錯、糾錯的方式從最壞情形恢復來保證系統安全的思維；⑥計算思維是一種利用啟發式推理來求解的方法；⑦計算思維是一種在時間和空間之間、處理能力和存儲容量之間進行權衡、折中處理的思維［2］。簡言之，計算思維是一種問題求解的思維，其本質是抽象與自動化，計算思維在不同層面進行抽象，以及將這些抽象機器化。

不難看出，數據庫及其應用課程的很多教學內容都為計算思維提供了生動的詮釋，因此在該課程的實驗教學中，只要對傳統的實驗內容進行改進或重新設計，加上運用恰當的教學方法，不但可以讓學生更好地掌握數據庫理論知識和操作技能，而且可以培養學生的計算思維能力，實現學科知識和思維能力的互相促進和共同提高。為此，在設計實驗內容時應注意以下問題：

（1）每個實驗項目要有明晰的計算思維訓練點，并為學生預留足夠的思維空間。傳統的沒有預留思維空間的實驗內容難以讓學生對數據庫理論知識融會貫通，充其量只是讓學生掌握了一種數據庫管理軟件的使用方法，難以培養學生的計算思維能力和運用數據庫技術解決實際問題的能力。因此在重新設計實驗內容時，首先要在實驗目的上明確每個實驗項目的計算思維訓練點，即這個實驗項目是要學生體會、理解或者掌握哪種計算思維方法；其次在實驗內容中通過設置學習障礙、配備思考題等方式，為學生留出思維的空間，讓學生實驗過程中邊操作邊思考，主動探究隱含在數據庫操作中的理論知識和切身體驗計算機求解問題的方式方法。

（2）實驗內容的設計要重點強調問題抽象、求解思路和形式化描述。計算思維的本質是抽象與自動化，計算思維的抽象體現在對研究對象的形式化表示，自動化體現在算法實現最終是機械地按步驟自動執行。在數據庫實驗教學中培養學生的計算思維能力，要抓住計算思維的本質，選用能更好詮釋計算思維本質的實驗內容。基于此，數據庫實驗內容的重點應放在數據庫設計和VBA程序設計兩部分內容。①數據庫設計實現了將現實世界的客觀事物及其聯系轉換為計算機能夠處理的數據的目標，它不僅是學生能否應用數據庫技術解決實際問題的關鍵知識點，而且在整個設計過程中還多次用到計算思維的抽象思維方法，第一級抽象是將現實世界的客觀事物及其聯系抽象成信息世界的概念模型，第二級抽象是將信息世界的概念模型抽象成計算機世界的數據模型。②計算思維的自動化最終要通過程序的執行來實現，因此學習程序設計方法是讓學生確實感受和領悟計算機問題求解的基本方法和思維模式的最好途徑，是計算思維能力培養的重要內容。當然，對大多數文科專業的學生而言，學習程序設計的目標不是成為程序員，而是學習計算機分析和解決問題的基本過程和思路［1］，因此VBA程序設計實驗內容的設計應該突出體現使用編程解決特定問題的方式，而不是語言本身。

（3）實驗內容要具有綜合性和情景性。實驗項目的設計上，除了要求學生完成基本的驗證性和設計性實驗外，還應增設綜合性實驗，要求學生可獨立或分組共同協作完成一個小規模的數據庫應用系統的設計與實現，使學生領悟應用系統級的問題求解方式，學會綜合運用計算思維方法來解決實際問題。綜合性實驗項目的創設要聯系學生的生活實際，讓學生在自己的實際生活環境中去調研，去發現日常事務處理中存在的問題，尋求用數據庫技術解決的途徑，自擬題目，完成整個數據庫系統的需求分析、數據庫設計和功能設計以及具體實現工作。一方面由于綜合性實驗選題為學生自擬，用于解決生活中的實際問題，具有一定的實用價值，更能激起學生學習的興趣和主動探究的愿望；另一方面學生的選題是針對經過實際調研所發現的真實世界中存在的問題而擬定的，不是針對教師預定的、虛擬的問題（這類問題已有清晰的表達），更能培養學生發現問題和確定問題的能力，符合“教師不僅要教會學生如何解決問題，也要教會他們發現值得解決的問題”這一思維教學的基本原則，畢竟找出問題并確定問題是解決問題的第一步，而且找出問題是什么比找出問題的解決辦法更難。

2　實驗教學模式

傳統的數據庫及其應用課程實驗教學，采取的教學模式一般是“學生自主實驗+教師隨堂指導”，且所做的實驗多是些演示性和驗證性的。在這種教學模式下，整個教學活動圍繞著解決Access數據庫管理軟件操作問題而展開，學生依據實驗項目中給出的操作步驟按部就班地完成實驗，這種單調枯燥且沒有任何挑戰性的實驗項目激不起學生學習的興趣和探究的欲望；實驗中更是缺乏生生交流和師生互動，僅有的師生互動就是教師幫助學生解決在Access數據庫管理軟件上的操作問題，這種缺乏方法傳授和思維訓練的實驗教學實難彰顯教師的授課價值。因此改革傳統的數據庫實驗教學模式，構建基于計算思維的任務驅動式實驗教學模式，是解決傳統實驗教學模式弊端的不錯選擇。

在基于計算思維的任務驅動式實驗教學模式中，將學生的學習活動與實驗任務相結合，讓學生帶著真實的任務去學習，以探究問題來引導和維持學生的學習興趣和學習動機［3］，學生擁有了學習上更多的主動權，其學習的主體地位更加突出；教師運用計算思維的一系列方法設計和呈現實驗任務，學生在教師的引導下利用計算思維去弄清任務、明確目標以及完成任務。通過任務的驅動，將計算思維的訓練滲透在整個實驗教學過程中，使得學生的思維隨著知識的貫通而形成，能力隨著思維的理解而提高［4］。在該實驗教學模式中，教師、學生、任務三大教學要素之間交流互動，構成一個有機的整體，教師的主要工作包括運用計算思維的一系列方法設計任務、呈現任務、輔助任務實施和總結評價，學生的主要工作包括明確任務、運用計算思維一系列方法完成任務、共享交流和反思內化等［5］。

（1）設計任務、呈現任務

根據前面關于實驗內容（實驗任務）的闡述，教師可以設計一個反映現實生活實際應用需求的數據庫應用系統開發的總實驗任務要求學生完成。教師運用計算思維的基于關注點分離的方法將數據庫應用系統的設計分解為數據庫設計和功能模塊設計兩個較大的子任務，并進一步將數據庫設計子任務分解為數據需求分析、概念結構設計、邏輯結構設計、物理結構設計等一系列更小的子任務，將功能模塊設計子任務進一步細化分解到可以直接用單一用戶界面實現的足夠小的子任務。分解后的最終子任務已相對簡單，可以與具體的某個數據庫知識點相對應，學生通過努力可以自主完成，學生完成每個子任務后，就可以整合為一個最終的數據庫應用系統。

教師在課前精心設計好實驗任務后，為學生創設合理的學習情境，將任務呈現給學生。教師可先向學生展示完成數據庫應用系統開發這一總任務后得到的軟件演示效果 （演示的軟件可以是往屆學生既成作品），并向學生明示這一軟件作品解決了現實生活中的哪些問題，如何提高了我們的工作效率，使學生感覺到自己要完成的任務是很有意義的，激發其學習的興趣和內在的探究動機。完成總任務的效果展示后，教師再將分解后的最終子任務分層次、分階段、分課時地下發給學生，學生循序漸進地、自底向上地完成這些子任務，從而最終實現一個較為完整的反映實際應用需求的數據庫應用系統。

（2）明確任務、展開討論

學生接受任務后，應在教師的實時指導下，將任務進一步明確化和具體化，探求運用計算思維方法完成實驗任務的渠道，自主分析問題，深入探索問題的各個環節，通過網絡、參考書、實地調研等各種途徑進行自主探究，思考解決問題的途徑［3］。

教師將任務呈現給學生后，可以根據任務的難易程度采用不同的指導方法。對比較簡單的任務，教師不用講解，直接讓學生在規定的時間內獨立完成；對有一定難度的任務，教師不要急于講解如何完成，而應引導學生展開討論，在相互討論中共同尋求利用計算思維方法解決問題的途徑，對討論中學生提出的問題，教師可以提供解決問題的相關線索、相關資料和大體思路，以此幫助學生明確任務目標，理清完成任務的思路。

（3）完成任務、總結評價

學生明確任務目標后，就進入任務的實施階段。在任務的實施階段，教師一開始就應向學生強調從思想上認識到計算思維在實施任務過程中的重要性，要求學生在任務實施過程中應當運用計算思維的哪些相關概念和方法來解決問題［6］，例如完成數據的需求分析和概念結構設計子任務要采用計算思維的抽象方法，完成邏輯結構設計子任務要運用計算思維的折中方法，完成物理結構設計子任務要運用計算思維的保護、冗余、容錯、糾錯和恢復方法，完成VBA程序設計子任務要運用計算思維的自動化方法等。

在任務的實施階段，無論學生通過自主探究還是合作學習來解決問題，教師作為一個幫助者和指導者，要與學生積極交流，特別要及時幫助學生解決在運用計算思維解決問題時所遇到的困惑。教師在任務實施的過程中不要對如何完成任務做過于詳細的講解，應當把精力放在幫助學生正確理解計算思維涉及的相關概念、方法以及對任務實施的監控等方面［6］。

學生完成實驗任務后，應對其實驗成果進行評價。評價可以綜合采用學生自評、學生互評、教師點評等方式。學生在自評時，向全班同學展示實驗成果，并交流計算思維的學習心得 （運用計算思維過程中遇到哪些問題，如何解決的），教師引導其他學生對自評學生的實驗成果進行評價，提出問題和改進意見，最后是教師的總結點評，總結計算思維學習方法以幫助學生拓展遷移所學知識。

3　實驗考核方式

傳統的數據庫及其應用課程實驗考核，采用的是上機考試的方法，主要考查學生對Access數據庫管理軟件的操作技能。在該課程的上機考核中，學生針對的都是現成的表進行操作，而在解決實際問題時是沒有現成的表可以使用的 （數據庫表的設計是創建數據庫應用系統的核心和基礎，設計表時所運用的抽象方法是計算思維的本質之一）。對于VBA程序設計由于學時關系教師講授得少且粗略，因而上機考核中也很少涉及（VBA程序設計是數據庫應用系統功能的實現環節，它所體現的自動化方法也是計算思維的本質之一）。因此這種考核方式難以考核學生運用數據庫技術解決實際問題的能力，難以考核學生的計算思維運用能力。

為了突出對學生計算思維能力的考核，在《數據庫及其應用》課程的實驗考核中應增設對學生數據庫設計能力和VBA程序設計能力的考核。這兩方面能力的考核可以基于兩種途徑：一是要求學生針對現實生活的具體問題域開發一個數據庫應用系統 （沒有現成的表可用，需要自己完成數據庫設計和VBA程序設計），教師對開發的軟件作品和書寫的實驗文檔進行驗收，實驗文檔中要求學生重點闡述計算思維方法的運用情況；二是采用筆試試卷進行計算思維專項考核，考核知識點包括計算思維基本概念方法、數據庫設計方法、VBA程序設計方法等。學生該課程的最終實驗考核成績由三部分組成：原先的Access軟件操作技能考核成績、數據庫設計作品成績、計算思維專項考核成績，將這三部分成績給予不同的百分占比，從而得出學生的最終實驗考核成績。

4　結語

計算思維是與理論思維、實驗思維互為補充的所有大學生都應掌握的基本思維［4］，培養學生的計算思維能力應是數據庫及其應用課程確立的新的教學目標。基于此，我們對原有的該課程實驗教學進行了改革，通過導入計算思維訓練點的實驗內容的重新設計、基于計算思維的任務驅動式實驗教學模式的運用、實驗考核中引入對計算思維掌握和運用情況的考查等方式，使學生在運用數據庫技術解決問題的過程中逐步領會并掌握計算思維的方法，取得了良好的教學效果，深化了學生對數據庫理論知識的理解，提高了學生數據庫技術的應用能力，增強了學生的創新意識和創新能力。

［1］何欽銘，陸漢權，馮博琴.計算機基礎教學的核心任務是計算思維能力的培養［J］.中國大學教學，2010（9）：5-9.

［2］周以真.計算思維［J］.中國計算機學會通訊，2007，3（11）：77-79.

［3］牟琴，譚良，周雄峻.基于計算思維的任務驅動式教學模式的研究［J］.現代教育技術，2011，21（6）：44-49.

［4］戰德臣，聶蘭順.大學計算機：計算思維導論［M］.北京：電子工業出版社，2013.

［5］毛嘉莉，李明東，董文，岳淼.數據庫課程教學中強化計算思維訓練的實踐探索［J］.西華師范大學學報（自然科學版），2012，33（4）：408-411.

［6］王榮良.計算思維教育［M］.上海：上海科技教育出版社，2014.

Computational Thinking；Database Course；Experiment Teaching；Task-Driven

Research on Experiment Teaching Reformation of Database Course Based on Computational Thinking Training

LI Zhi-hui，CUI Hong-fang，SONG Ying
（School of Information Engineering，Hubei University of Economics，Wuhan 430205）

1007-1423（2015）21-0029-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.21.008

李志輝（1976-），男，湖北紅安人，碩士研究生，講師，研究方向為信息系統、數據庫技術

崔洪芳（1963-），女，湖北武漢人，本科，副教授，研究方向為計算機軟件、數據庫技術

宋鶯（1975-），女，湖北武漢人，博士研究生，副教授，研究方向為智能交通、嵌入式技術

2015-07-11

2015-07-21

數據庫及其應用是面向文科專業學生開設的計算機通識必修課。針對該課程傳統的實驗教學方法已難以適應計算機技術發展要求這一問題，對該課程的實驗教學提出以培養學生計算思維能力為目標的教學改革，從實驗教學內容、教學模式和考核方式三個方面探討具體的改革方案并將其付諸于實踐，取得良好的教學效果。

計算思維；數據庫課程；實驗教學；任務驅動

湖北經濟學院教學研究項目（No.2014030）、湖北省教育科學“十二五”規劃項目（No.2013B128）、湖北省教育科學“十二五”規劃項目（No.2013B428）、湖北省省級教學研究項目（No.2013339）

Database&Application is a general compulsory course for students majoring in liberal arts.Because the traditional experimental teaching method has became difficult to meet the requirements of the development of computer technology，this paper puts forward the educational reform based on computational thinking training.The specific reform program involves three aspects：the content of experimental teaching，teaching mode and assessment methods.It has been put into practice，and good teaching results have been achieved.