基于計算思維的數(shù)據(jù)庫課程教學改革

摘要：針對當前高校數(shù)據(jù)庫課程教學的狀況，在分析“數(shù)據(jù)庫原理及其應用技術”課程與計算思維關系的基礎上，筆者提出采用IPR-CDIO、案例教學法、“大班上課、小班討論”和任務驅動教學法等模式，從而達成訓練學生計算思維的目標。實踐表明，采取有效的計算思維訓練可以顯著提高數(shù)據(jù)庫課程的教學效果。

關鍵詞：計算思維；IPR-CDIO；數(shù)據(jù)庫課程；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B/A 論文編號：1674-2117（2016）10-0079-04

引言

目前數(shù)據(jù)庫技術已經(jīng)應用到各行各業(yè)中，各種數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)都離不開數(shù)據(jù)庫技術強有力的支持。筆者所在學校的數(shù)據(jù)庫課程統(tǒng)稱為“數(shù)據(jù)庫原理及其應用技術”，它不僅是計算機專業(yè)的主干課，而且是信息與計算科學、信息管理與信息系統(tǒng)等理工科、管理類專業(yè)的必（選）修課程，如何讓學生通過本課程的學習，了解數(shù)據(jù)庫技術在社會各領域中的作用，掌握基本的數(shù)據(jù)庫知識，學會分析和使用各種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，掌握數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)的設計、開發(fā)和維護等方面的技能，對學生來說是十分重要的。

計算思維是運用計算科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計、人類行為理解等涵蓋計算科學之廣度的一系列思維活動，是除理論思維、實驗思維外的第三大思維。[1]

對學生計算思維能力的培養(yǎng)已成為大學計算機基礎課程的主要任務之一，它強調在學生學習計算機知識與技能的同時培養(yǎng)其計算思維，而計算思維的培養(yǎng)又能有效促進學生對計算機知識與技能的學習。[2]鑒于以上原因，筆者將計算思維理念引入“數(shù)據(jù)庫原理及其應用技術”課程的教學中，在整個教學過程貫穿計算思維的方法，在教授不同知識點時，運用不同的計算思維的方法，培養(yǎng)學生利用計算思維解決本領域問題的能力。最終，不僅教師形成了新的教學思路和良好的教學方法，同時學生也提升了其求知能力和創(chuàng)新能力。

CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）和運作（Operate）。IPR是指興趣（Interest）、毅力（Perseverance）和責任（Responsibility），IPR-CDIO就是將學生的探索興趣、解決問題的毅力和社會責任感的培養(yǎng)，融入到項目研發(fā)的CDIO過程。教師通過不同級別的項目設計，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)其獲取知識（自主學習）、共享知識（團隊合作）、運用知識（解決問題）、總結知識（技術創(chuàng)新）和傳播知識（溝通交流）的能力與素質，同時訓練他們的職業(yè)道德修養(yǎng)和社會責任意識。[3]

筆者結合“數(shù)據(jù)庫原理及其應用技術”課程進行教學改革，探索創(chuàng)新可行的計算思維的培養(yǎng)模式，在教學中以培養(yǎng)學生的計算思維為目標，通過使用IPR-CDIO工程教學方法進行課程實踐應用拓展，培養(yǎng)學生的計算思維能力和創(chuàng)新應用能力，從而提高數(shù)據(jù)庫課程的教學效率。

教學改革內(nèi)容

1.基于計算思維的數(shù)據(jù)庫課程體系構建

針對不同專業(yè)的學生教授數(shù)據(jù)庫課程時，教師設計課程體系不僅要考慮如何兼顧課時和教學深度，同時還要考慮實用性。課程體系的設計以數(shù)據(jù)庫應用技術為基礎和出發(fā)點，涵蓋數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘等相關概念和方法，將數(shù)據(jù)庫技術和數(shù)據(jù)挖掘技術結合在一起，讓學生掌握基本的數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)分析技術。在計算思維理念的指導下，讓學生真正能用數(shù)據(jù)庫的相關方法和工具解決將來在工作和研究中遇到的問題。

根據(jù)不同專業(yè)在數(shù)據(jù)庫教學方面的教學內(nèi)容和教學時間的要求，在保證能夠體現(xiàn)數(shù)據(jù)管理完整過程的基礎上，筆者最大限度地精簡了課程內(nèi)容，精選了必要的知識點，減少甚至去掉不必要的內(nèi)容，將課程內(nèi)容劃分為如下圖所示的幾個部分。

在教學過程中，教師針對不同專業(yè)的學生，要合理取舍講授的內(nèi)容。可選擇性講解的內(nèi)容包括關系的完整性、視圖、索引、存儲過程、觸發(fā)器、事務處理、備份恢復、安全性等。例如，對安全工程等專業(yè)的學生，安全性部分應重點介紹。

對于學生必須掌握的知識和技術，應重點講解。例如，對關系數(shù)據(jù)庫來說，SQL命令是最重要、最基本的訪問方式，從建庫、建表、數(shù)據(jù)操縱到數(shù)據(jù)查詢以及基本的數(shù)據(jù)分析都要用到SQL語言，數(shù)據(jù)挖掘前的數(shù)據(jù)整理和清理，也要用到SQL語言，所以對這部分應該講透、講到位。

2.基于計算思維的數(shù)據(jù)庫課程資源構建

為了適應不同專業(yè)的多種需求，以及在有限的時間內(nèi)完成教學任務的要求，需要多種在線和離線的多元化教學資源相配套。在全國都在縮減公共課課時的大背景下，為了保證教學質量，筆者設計與實施了基于MOOC平臺的教學模式，通過MOOC平臺呈現(xiàn)課程內(nèi)容。課下學生完成線上學習、習題與作業(yè)，與教師線上交流、討論；課上教師檢查學生學習情況、答疑、輔導、討論，實現(xiàn)傳統(tǒng)教學與網(wǎng)絡教學相結合的多元化教學模式。筆者與浙江財經(jīng)大學、浙江農(nóng)林大學和浙江傳媒學院等高校聯(lián)合制作的MOOC視頻課程（第一版）已經(jīng)在玩課網(wǎng)（http：//www.wanke001.com/）上線，在線注冊學習人數(shù)達2300余人，有東北師范大學、上海海洋大學等多所省內(nèi)外高校使用了本課程教學資源，教學效果良好。

3.基于計算思維的數(shù)據(jù)庫課程教學方法

基于計算思維的教學，應以思維訓練和提高問題求解能力為目標。在教學過程中，教師應以計算思維為切入點，針對不同的教學內(nèi)容，采用適當?shù)慕虒W方法，訓練學生的計算思維，使其在掌握數(shù)據(jù)庫原理和應用技術的同時，掌握基本的計算思維方法。由于各專業(yè)的人才培養(yǎng)目標和內(nèi)容不同，對計算思維和計算機能力的要求也不同，因此，除了傳統(tǒng)教學中使用的講授模式之外，教師還需要結合不同專業(yè)的特點，探索與計算思維相結合的多元化教學模式。

如表1所示，針對表1中的課程體系，在基礎理論、基本操作和系統(tǒng)開發(fā)中，教師分別對涉及的重點知識，引入計算思維中相應的方法。在相關知識點講解和計算思維引入的過程中，根據(jù)具體的情況，筆者分別使用基于問題教學模式、任務驅動式教學模式、案例教學模式、課堂講授+網(wǎng)絡學習的教學模式中的一種或者多種模式，激發(fā)了學生的學習興趣、啟發(fā)了思維，取得了較好的教學效果。

（1）采用案例教學模式

從激發(fā)學生學習的積極性的角度來看，與專業(yè)方向相融合的案例教學是一種重要的教學方法。“數(shù)據(jù)庫原理及其應用技術”是一門理論和實踐相結合的課程，教學方式中包括課堂教學和實驗教學，兩種教學方式都可以引入案例教學法。在理論教學中筆者引入案例教學，重在讓學生深刻理解數(shù)據(jù)庫的基本原理，培養(yǎng)學生的計算思維意識，從而從本質上和全局上進行思考并給出問題的解決思路。例如，針對金融工程專業(yè)的學生，在講解實體聯(lián)系模型時，讓其設計一個網(wǎng)站管理會員制客戶的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概念模型。在實驗教學中引入案例教學，重在激發(fā)學生的學習興趣和熱情，培養(yǎng)學生的知識運用能力和動手實踐能力，從而幫助其將知識“內(nèi)化”為能力。實驗教學案例的設計要注重趣味性，只有貼近生活并融入專業(yè)知識的案例，才能最大程度地激發(fā)學生的學習興趣。

課堂教學是整個數(shù)據(jù)庫課程教學的第一個環(huán)節(jié)，筆者將案例滲透到課堂教學的每個環(huán)節(jié)，以傳統(tǒng)的學生選課數(shù)據(jù)庫為基礎講解基本知識點，然后聯(lián)系實際中使用的“學生教務管理系統(tǒng)”的設計與開發(fā)，講解知識點在實際中的應用。同時，采用分組教學模式，即在課程教學開始前將學生按照每組3～5人進行分組，并為每個組分配不同的項目。筆者考慮到學生目前的認知能力和知識水平，主要從功能需求、數(shù)據(jù)管理需求和信息安全需求三個方面盡可能清晰地描述每個案例，使每個小組看到案例描述都能清楚地知道自己應該完成的工作。這種做法可以有效地縮短學生在明確案例需求方面花費的時間，使他們把主要的精力放在數(shù)據(jù)庫設計上，從而突出了數(shù)據(jù)庫課程的重點。

課后作業(yè)的布置也采用分組的形式，每組的作業(yè)知識點相同，但是具體的作業(yè)內(nèi)容根據(jù)項目不同也有所不同。對普遍出錯的知識點在習題課上集中講解，對個別組出現(xiàn)的個別錯誤則采用課后答疑的方式解決。

教師通過這種方式不僅可以加強和學生的交流，幫助學生鞏固知識點，使他們更加正確地把握案例，而且還可以引導他們設計出合理的數(shù)據(jù)庫，從而為后面的實驗和課程設計打下良好的基礎。

（2）采用“大班授課、小班討論”模式

首先，教師在課堂上結合教學內(nèi)容給出一些與具體理論知識聯(lián)系緊密的案例，讓學生以小組的形式進行自由討論，充分發(fā)揮學生的主觀能動性。其次，學生通過小班討論，消化理解知識點，加深對案例的理解。最后，鼓勵學生通過實際的項目案例來檢驗課堂所學知識，并通過上機操作來加深對技術的理解和掌握。

（3）基于問題教學模式

在課堂教學中，采用基于問題的教學法，能使師生在“提出問題、探究問題、解決問題、引發(fā)新問題”的螺旋式遞進問題情境中進行交流和學習，啟發(fā)思考。

基于問題教學法，就是以問題為載體貫穿教學過程，使學生在設問和釋問的過程中萌生自主學習的動機和欲望，進而逐漸養(yǎng)成自主學習的習慣，并在實踐中不斷優(yōu)化自主學習方法，提高自主學習能力。基于問題教學法充分體現(xiàn)了學生的主體地位，能有效激發(fā)學生學習的主動性和積極性。

（4）任務驅動式教學模式

在教學中采用任務驅動教學法，為學生提供實踐情境和感悟問題情境的體驗，圍繞任務展開學習，以任務的完成結果檢驗和總結學習過程，使學生主動建構一個從探究問題到實踐、思考、運用相關技能解決問題的學習體系。

（5）“課堂講授+網(wǎng)絡學習”的教學模式

采用“課堂講授+網(wǎng)絡學習”的教學模式可以進一步激發(fā)學生學習的自主性。在課堂上講授數(shù)據(jù)庫核心的理論知識和關鍵技術及方法，培養(yǎng)和訓練學生用計算思維的核心思想考慮問題和解決問題。利用網(wǎng)絡課程向學生講授數(shù)據(jù)庫具體的操作方法，如表的創(chuàng)建和操作、報表的查詢和創(chuàng)建、界面設計以及數(shù)據(jù)庫操作的編程實現(xiàn)等。網(wǎng)絡課程不受課堂學時限制，有利于學生拓展知識范圍，對于重難點問題學生也可進行反復學習，有效解決了他們學習進度不同步的問題，在一定程度上起到了因材施教的作用。

4.基于計算思維的數(shù)據(jù)庫課程考核方法

為了體現(xiàn)計算思維的培養(yǎng)效果，可采用過程性評價與結果性評價相結合的方法。該方法需要重視提高平時成績在總成績中的比例，規(guī)范平時成績的考核指標，包括學生在教學平臺上的表現(xiàn)、參與討論的積極性、提出問題和解決問題的深度和創(chuàng)新性、作業(yè)和實驗的完成情況、創(chuàng)新性作品的質量、出勤考核、階段測試的成績等，并且采用等級評分制，淡化分數(shù)，注重能力和素質的評價。同時也要重視考試的重要性，規(guī)范考試制度，建立試題庫，采用上機考試系統(tǒng)統(tǒng)一考試、評卷，保證考試的公平性和公正性，保證不同班級、不同任課教師考核評價的一致性。

在課程考核方面，實現(xiàn)根據(jù)培養(yǎng)計劃和大綱要求，對課程需要掌握的知識和計算思維能力培養(yǎng)按照重要程度進行分級，然后在日常教學過程中，根據(jù)學生的表現(xiàn)進行評分，并根據(jù)其重要程度作為評分的權重，在綜合平時成績和期末考核成績的基礎上，給予總體的科學評價。筆者所在學校現(xiàn)在主要采用MOOC和翻轉課堂的形式，考核比例如表2所示。

結語

計算思維是提高學生專業(yè)素質的有效途徑，其數(shù)學思維和工程方法對數(shù)據(jù)庫學習非常有幫助。筆者通過對“數(shù)據(jù)庫原理及其應用技術”課程中基于計算思維的教學模式和教學方式進行研究，形成了適合高校學生數(shù)據(jù)庫課程學習的一整套課程體系、資源庫、支持平臺、教學方法和成果，從而提高了學生對計算機領域相關知識的掌握和理解，增強了其利用計算思維解決本領域實際問題的能力。

參考文獻：

[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(yǎng)——《九校聯(lián)盟（C9）計算機基礎教學發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》解讀[J].中國大學教學，2010（09）：5-7.

[2]李廉.計算思維——概念與挑戰(zhàn)[J].中國大學教學，2012（01）：7-12.

[3]陸慧娟，關偉，高波涌，何靈敏.基于IPR-CDIO理念的數(shù)據(jù)庫課程教學改革研究[C].浙江省高校計算機教學研究會——2015學術年會論文集.杭州：浙江大學出版社，2015（08）.

作者簡介：陸慧娟，女，教授，浙江省高校教學名師，研究方向為模式識別、生物信息學等；高波涌，男，副教授，研究方向為模式識別、圖像檢索等；何靈敏，男，副教授，研究方向為模式識別、地理信息系統(tǒng)等；關偉，男，講師，研究方向為模式識別、數(shù)據(jù)庫應用等。

基金項目：本項目得到全國教育信息技術研究“十二五”規(guī)劃2014年度重點課題（146221930）、中國計量大學校級教改項目（HEX2014008）和量院〔2014〕93號（“計算機專業(yè)實踐教學質量提升教學團隊”）的資助。