基于計算思維和CDIO模式的數據庫原理與應用課程教學

馬竹根

摘 要： 探討了數據庫原理與應用課程教學中培養學生計算思維的問題，分析了數據庫原理與應用課程中所體現的計算思維。在課程教學過程中，將計算思維培養滲透到教學內容中，通過使用CDIO工程教學方法進行課程實踐教學，強化對學生的計算思維能力的培養。

關鍵詞： 計算思維； CDIO； 數據庫原理； 教學方法

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）01-91-03

Teaching of database principle and application course based on

CDIO and computational thinking

Ma Zhugen

（School of computer science and engineering， Huaihua University， Huaihua， Hunan 418008， China）

Abstract： Cultivation of computational thinking ability in teaching of database principle and application course is discussed； the computational thinking embodied in the course is analyzed in this paper. In the process of teaching， the training of computational thinking is seeped into the teaching content， and the cultivation of student's computational thinking ability is strengthened by using the CDIO engineering teaching method.

Key words： computational thinking； CDIO； database principle； teaching method

0 引言

在計算機科學中，數據庫技術是十分重要且發展迅速的一個分支，在應用上遍及各個行業。“數據庫原理與應用”課程的重要性也日益顯現，課程要求學生掌握數據庫的基本原理和數據庫應用系統的設計、開發與維護。計算思維是學生應該具備的一種核心能力，作為控制、管理、認知活動的基礎，能夠幫助學生提高在各個學科領域解決問題的能力[1]。陳國良院士指出：“在大學中，計算思維不僅能振興大學計算教育，而且會令科學與工程領域創造出革命性的研究成果”[2]。計算思維是培養學生創新能力的一個重要方面，有助于正確理解計算和計算機。在數據庫原理與應用課程教學中引入計算思維的理念，探索培養計算思維能力的教學模式，對提高教學質量，培養出時代發展所需要的創新性人才具有重要的意義。

1 計算思維與CDIO工程教育模式

計算思維的概念是美國卡內基·梅隆大學計算機系主任周以真教授于2006年首次提出的，計算思維定義為：運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計和人類行為理解等廣泛涵蓋計算機科學的一系列思維活動，其本質是抽象和自動化；如同所有人都具備“讀、寫、算”能力一樣，計算思維也是所有人都必須具備的一種思維能力[3]。周以真教授指出，計算思維的核心概念可用外延的形式給出，如約簡、嵌入、轉化、仿真、遞歸、并行、抽象、分解、建模、預防、保護、恢復、冗余、容錯、糾錯、啟發式推理、規劃、學習、調度等[4]。

為了在數據庫教學中融入計算思維教學，我們主要從課堂教學和實踐教學兩個方面探討。在教學過程中，貫穿抽象和自動化的思想，從計算思維層面對課程內容中蘊含的計算思維方法進行分析和梳理，根據講授的具體知識點適時引入計算思維中的抽象、自動化、分解、規約、冗余、約簡、關注點分離、折中、嵌入、 轉化、 保護、容錯、糾錯和恢復等基本概念和思維方法，引導學生領會計算思維的方法。計算思維是以設計和構造為特征，因此在實踐環節中，應結合CDIO工程教學方法，即構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運行（Operate）[5]，讓學生開發一個小型的數據庫應用系統。實踐環節中，學生通過獨立或者小組協作的方式運用計算思維的系列方法解決實際問題，從中探索解決問題的方法，發現問題的本質，提高其獨立思考問題和解決問題的能力，最終培養學生的計算思維能力和創新思維能力。

2 課堂教學中引入計算思維

“數據庫原理與應用”是一門討論如何設計和構造數據庫系統的課程，課程教學內容主要包括關系數據庫、SQL基礎、數據庫的安全性和完整性、關系數據理論、數據庫編程、數據庫設計、數據庫恢復技術和并發控制等[6]，其中很多知識點都蘊含計算思維方法。課堂教學中要將有關計算思維的思維特征和方法分解到一個個具體的知識點中，在教學中表述出各知識點對應的計算思維核心概念，讓學生在學習知識的同時，逐步理解和掌握計算思維，通過滲透和強化這些核心概念，讓學生將這些核心概念內化成自己的知識。下面主要從抽象、自動化、遞歸、分解、規約、冗余、約簡、關注點分離、折中、預防、保護、容錯、糾錯和恢復等方面分析數據庫原理課程中蘊含的計算思維。

2.1 抽象和自動化

計算思維的本質是抽象和自動化[7]。建立關系數據模型是一個抽象的過程，而將關系模式實現為基本表并運用SQL語言實現數據查詢、修改、刪除和數據完整性控制的過程就是一個自動化的過程，因此在數據庫設計過程中貫穿了計算思維。另外，數據庫管理系統提供的一些管理工具，如表設計器、視圖設計器等，使得用戶不用編寫復雜的程序語句就能創建表和視圖，也體現了計算思維中自動化的思想。

數據庫系統開發過程分為需求分析、概念結構設計、邏輯結構設計、物理結構設計、實現、運行與維護等幾個階段，不同階段包含了不同層次的抽象。需求分析階段收集用戶的需求信息，用數據流圖和數據字典描述用戶需求，就是對現實世界的抽象。概念模型設計階段，在需求分析的基礎上對數據進行“分類”、“聚集”和“概括”等抽象處理，用實體聯系圖描述概念模型。邏輯設計階段，用關系模式表示實體，用關系模型表示數據庫的數據模型。實現階段，在定義表時，表中字段數據類型是對實際數據的抽象，字段的有效規則是對現實世界數據約束的抽象。

在教學過程中不僅要講述數據庫設計相關知識，還要引導學生領悟計算思維中抽象的思想和方法，體會抽象的方法在數據庫設計過程中的作用。

2.2 分解、遞歸、規約、冗余和約簡

在設計數據庫時，將整個設計任務按步驟分為：分析、設計、實施和維護等幾個不同階段，每個階段完成相關任務，將復雜的設計任務分解成容易實現的子任務，這就是計算思維中“分解”思想的應用。關系規范化理論中通過分解關系模式由低級范式向高級范式進行轉換，也體現了計算思維中“分解”的思想。當一個復雜問題的每一個局部與全局高度相似時，就容易設計出遞歸算法，從而實現求解方法的自動化，這是計算思維中的“遞歸”邏輯。例如關系數據理論中把一個關系模式分解為BC范式集合的問題就是一個遞歸問題。

數據庫系統開發的過程中需求分析有兩種策略：自上而下和自下而上的方法。其中，自上而下的方法從整體出發，先定義全局結構，然后逐步細化。由于系統是由相互聯系的部分組成的，可根據用戶需求，采用“抽象”、“分解”、“規約”和“冗余”等思維方法對其進行構造。自下而上的方法，先定義各局部結構，然后將它們集成起來，得到全局的概念結構，采用的是“聚類”、“約簡”、“冗余”等思維方法。

2.3 關注點分離和折中

數據庫管理系統中三級模式和二級映像保證數據的邏輯獨立性和物理獨立性，使得應用程序與數據相互獨立，體現了計算思維“關注點分離”的思想。

設計關系模型時，考慮數據的存儲和訪問效率，為避免因訪問多個表而使效率降低，允許表中部分數據冗余，體現了一種折中的思想。對數據表創建索引，有助于快速查找和排序記錄，但是過多的索引又會降低速度，而且創建索引會占用一定的物理存儲空間。因此，創建索引時就需要權衡時間效率和存儲空間占用問題，這就體現了計算思維中的“折中”思想。

2.4 預防、保護、容錯、糾錯和恢復

在數據庫系統中，數據庫管理系統提供了良好的安全措施、備份和恢復技術。數據庫管理系統能夠對事務、系統故障和介質故障進行恢復。通過身份認證和授權保護數據不被非法使用；提供實體完整性、參照完整性和用戶自定義完整性三類完整性約束來保證數據的完整性和一致性，在用戶更新、刪除和添加數據時，防止不合法的數據進入數據庫。

通過這些知識點的教學，結合一些日常生活中的實例，引導學生認識這些計算思維方法的重要性，在掌握數據庫知識的同時，掌握基本的計算思維方法，能夠自覺地運用計算思維方法解決實際問題。

3 實踐教學中引入CDIO工程教育方法

計算思維是以設計和構造為特征，在實踐教學環節中，結合CDIO工程方法，以計算思維為核心，以項目為主線組織實踐教學，引導學生學習運用“計算機系統的思維方法”設計和構造一個數據庫應用系統，運用計算思維方法獨立或協作的分析問題和解決問題，發現問題的本質，促使學生深刻理解計算思維的基本方法，達到鞏固知識和內化知識的目的。

在實驗教學過程中將數據庫項目的構思、設計、實施和運用貫穿于實踐教學，讓學生從解決問題出發，培養和訓練計算思維，掌握解決問題的途徑。實驗教學以開發一個數據庫應用系統為目標，以數據庫項目分析→設計數據庫→建立數據庫→管理數據庫→項目編程為主線，將一個完整的系統開發任務分解成幾個前后銜接的實驗任務，這本身也是計算思維“分解”思想的應用。按照CDIO模式將數據庫實驗分為七個實驗，將這七個實驗融合在一個具體的項目中，按照時間的先后順序實施。實驗項目設計如圖1所示。

基于項目的構思、設計、實施與操作的各個階段實施內容如下。

⑴ 構思階段。在構思階段教師引導學生在分配的項目中發現問題、解決問題，提供相似的數據庫應用系統教學案例幫助學生建立分析問題的思路，并且培養學生的團隊合作及溝通能力。

⑵ 設計階段。基于項目的構思結果，進行數據庫系統的概念模型設計，利用數據庫建模工具完成E-R模型和數據庫邏輯設計，引入規范化理論去除不良函數依賴，同時進行數據庫完整性設計及物理設計。

⑶ 實施階段。基于項目的設計結果，將數據庫物理設計的成果轉換成SQL數據定義語言，如創建表、視圖、索引等對象。在基表上運行插入、刪除、更改等SQL命令，并進行各種查詢功能測試。此外，對需要統計或復雜計算的數據處理，設計存儲過程和函數；采用觸發器維護自定義規則、完整性控制等功能；掌握權限、角色、用戶管理以及數據庫備份與恢復的技術。

⑷ 操作階段。基于前六次實驗的成果，結合程序設計語言（java、C#），設計數據庫應用界面，編寫相應的程序項目進行驗證與測試，記錄下出現問題并分析原因，進行小組討論、改進、反饋和交流。

在基于CDIO的實踐環節中，學生在設計和構造系統的過程中了解計算機能做什么，不能做什么，學會選取合適的模型反映求解的問題，掌握如何將一個復雜的問題分解成簡單問題的思維方法，并從中體會到計算思維的功用。

4 結束語

本文探討了將計算思維與CDIO工程教育模式相結合，在課堂教學中引入計算思維，實踐教學中采用CDIO工程教育模式，訓練和培養學生的計算思維能力，提高學生分析問題、解決問題的能力和創新能力。實踐教學表明，在數據庫課程中引入計算思維和工程教育模式，教學效果明顯提高。從所培養的畢業生來看，計算機專業的畢業生受到用人單位好評， 普遍反映學生基礎扎實、能力強、專業素質高，社會對我們培養的畢業生非常認可。隨著計算思維和工程教育模式的深入研究，以此為改革方向的數據庫原理課程教學，將在培養計算機專業創新人才進程中取得更大的成效。

參考文獻（References）：

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[3] 周煒.計算思維與“數據庫原理及應用”課程[J].計算機工程

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[5] 顧佩華，沈民奮，陸小華.重新認識工程教育：國際CDIO培養

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[6] 王珊，薩師煊.數據庫系統概論[M].高等教育出版社，2006.

[7] 董榮勝.計算思維與計算機導論[J].計算機科學，2009.36（4）：

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