“案例分解講演、項目實踐驅動”為核心的數據庫系統原理課程教學改革

胡海洋　李忠金

摘要：隨著大數據時代的到來，數據庫系統原理課程對于學生掌握數據理論和技術的重要作用更加凸顯。本文從該課程當前教學所存在的困境出發，研究與實施了基于“案例分解課堂講演、項目任務實踐開發”為核心的教學模式。該模式從課時分配、課堂授課、實驗教學、課外作業、課程考試與評價等方面對傳統的課程教學實施改革，本文給出了具體的實施方案。最后通過實際的教學效果對比，表明該教學模式可有效提高學生對課程基礎理論的掌握，并加強學生靈活運用所學基礎知識、提升對數據庫系統的使用和開發能力。

關鍵詞：數據庫系統原理；課程教學改革；案例分解講演；項目實踐驅動

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）50-0064-05

一、背景

數據庫系統原理是計算機專業的專業必修課，其教學目標是向學生介紹數據庫系統的基本概念及其構成，使學生掌握基本的關系數據庫理論和典型關系數據語言的編程，并結合具體的數據庫系統，介紹數據庫保護的有關概念及其實現手段，為學生進行數據庫設計及使用大型數據庫管理系統打下較扎實的理論基礎[1，2]。數據庫系統原理既是計算機學科各個專業的專業必修課，也是數據庫和軟件工程課程組中的第一門基礎課程。隨著大數據時代的到來，數據庫系統原理課程對于學生掌握數據理論和技術的重要作用更加凸顯。有效提升數據庫系統原理課程的教學質量，幫助學生掌握與運用所學的基礎理論在實際應用系統中的開發實踐與使用[3]，可以為學生后續專業課程學習以及工作奠定信息技術基礎，也為我校“電子信息特色突出”的人才培養這一目標的實現提供保證。

近年來，數據庫系統原理課程面臨的形勢不斷發生著變化，對課程教學提出了一些新的要求：一方面，數據庫技術的快速發展、及社會的廣泛需求，使得學生需要對數據庫的理論和實踐技術都需要有綜合的了解；另一方面，目前數據庫系統原理課程的講解仍以介紹理論知識點為主，并且各知識點分散在各小節，學生缺乏對數據庫理論與技術的宏觀掌握和綜合認知。在這樣的背景下，研究構建“教師為主導，學生為主體”的合作探討式教學模式，提高學生對課程基礎理論的掌握，加強學生靈活運用所學基礎知識的水平，提升對數據庫系統的使用、開發和創新能力，成為數據庫系統原理課程課堂教學改革的方向。

本文的第2節闡述數據庫系統原理這門課當前在教學過程中所存在的問題；第3節討論了“案例分解課堂講演、項目任務實踐驅動”的教學模式；第4節從課時分配、課堂授課環節、實驗教學環節、課外作業環節、課程考試與評價等方面探討了具體的教學改革實施方案；第5節通過具體的數據分析，討論了實施教學改革后教學質量、以及學生的學習效果情況，驗證了所提方案的有效性。

二、存在問題

當前數據庫系統原理教學存在著諸多問題和挑戰，主要體現在以下幾方面。

1.知識點分散，缺乏連貫。所講解的原理知識點，穿插在各章節，較為零碎[2，3]，各章節知識點的出現先后順序并不符合數據庫系統開發的生命周期，并且各知識的舉例比較簡單、抽象化，距離實際的數據庫系統應用還有一定的差距；此外，課本各章節很少使用統一的數據，甚至為了講解方便，隱去一些關聯數據，簡化問題舉例。學生學習時感覺知識點多且不好記，造成學生僅僅能掌握單獨的知識點，而無法從系統開發與應用層面將多個知識點融合起來，加以靈活地使用。

2.過于側重理論，知識實際應用場景缺失。課程講解時，教師大多按照課本的章節目錄進行編排教學大綱和授課計劃。然而，由于數據庫系統原理這門教材的編排特點，其中基礎理論較多，系統開發與應用占較小部分，而且書本知識點的安排順序也不符合數據庫系統的實際設計與開發流程[4，5]，各個知識點之間的出現先后關系僅僅按照章節進行劃分，這樣雖然有助于降低學生理解、學習的難度，但是沒有體現出數據庫系統設計與開發的整個生命周期中各知識點的內在邏輯關系。實際教學中，教師覺得教學時間不夠，學生學習時感覺內容不連貫、學習不透。

3.自主學習的氛圍不足。對數據庫系統的編程與開發能力的提高僅靠課內是遠遠不夠的，需要引導學生根據自己的學習情況在課外進行自主學習、動手實踐，才能到達提升實踐與創新能力的目的。目前的現狀是教師對學生自主學習缺乏必要的引導，學生自主學習的氛圍欠缺、自主學習的資源嚴重匱乏[6，7]。許多學生對課程學習缺乏興趣，很少在課外主動進行數據庫系統開發與編程訓練。構建課內外緊密結合的教學模式，有效提高學生對課程基礎理論的掌握，加強學生靈活運用所學基礎知識的水平，對于提高數據庫系統原理課程的教學效果尤為重要。

4.實驗教學成為薄弱環節。數據庫是一門理論與實踐并重的學科。但長期以來，實驗教學主要考查學生是否掌握以SQL查詢語言為主的基礎理論知識，知識點較為細碎。學生學習后，僅能知道SQL語法的特點，卻并不能從數據庫系統整體的創建、運行、維護、應用開發等全生命周期的角度來深入掌握SQL語言的綜合應用，無法進行持續、深入地學習數據庫基礎理論知識及其在新時期大數據時代的實踐與應用能力，這些成為數據庫系統原理教學的薄弱環節。

5.考核評價手段較為陳舊[3]。數據庫系統原理課程的考核需要能客觀、準確評價學生的綜合能力，以考核為手段、以提高能力作為目標，全面促進學生的自我學習能力和綜合素質的提升。目前這門課的考核評價方式仍以書面作業成績+期末試卷成績作為總評成績的構成，這樣的考核方式過于側重對理論知識的考核，而忽視了學生對數據庫系統應用與開發的實際問題的解決。

針對上述問題，本文以課程教學的實際案例分解講演、實驗教學的綜合項目任務開發為核心，從課堂授課、實驗教學、自主評價、考核評價等環節推進數據庫系統原理課程教學模式的改革。

三、教學改革內容

本文的目標是根據數據庫系統原理課程的特點和面臨的問題，研究與實施以“案例分解課堂講演、項目任務實踐開發”為核心的，以教師為主導、學生做主體的教學模式，激發學生學習的興趣和熱情，提高學生實踐和創新水平，具體教學改革內容包括以下三個方面。

1.在課堂授課環節，選擇和課程內容緊密相關的實際項目案例。我們首先對教材中各章節的知識點進行梳理，定位各個知識點在數據庫系統開發生命周期中的位置，然后按照教材中每個章節知識點進行分解講演，構建學生主動、師生互動的課堂氛圍。以現實的項目開發案例為基礎，將課本各個章節內容所包含的知識點、各項能力要求以及每個能力點所包含的知識點都要在案例中有所體現。教師為主導設計問題，并構建出一定的應用情境，學生對問題進行分析和研究。教師鼓勵學生積極查閱資料，參與討論，提出解決問題的方案，從而強化學生對所學理論知識的理解，并提高他們運用所學知識分析和解決實際問題的能力。

2.在實驗教學環節，實施以項目為主線、系統開發與文檔撰寫齊頭并進的組織方式。在實驗教學的過程中，圍繞共同的項目任務，學生組成團隊形式，并依據數據庫系統的開發流程，通過對學習知識點積極地、主動地應用，進行主動探索和技術研究，并在完成既定任務的同時，進行深入地學習與思考。在這一過程中，充分發揮學生的自主能動性，激發他們的求知欲望。我們還將重要知識點以及易錯點融入項目實驗任務，在注重實用性的同時兼顧趣味性，吸引學生主動探究學習，并且通過云平臺虛擬機的創建，鼓勵學生掌握多種商用數據庫的使用技術。

3.在課外作業的評價環節，推進“基于在線平臺，全面機試”的自主訓練方式。充分利用HDU.CJUDGE.NET的平臺優勢，以在線作業的方式來組織、實施、評價課外教學[8，9]，引導學生課外在平臺上多進行SQL語言的編程。這樣既可以激發學生自主編程、測試的興趣，提升SQL語言的使用能力，又可以更客觀地評價學生對SQL語言的編程能力，同時引導學生注重平時的編程訓練，從應試走向應用。充分利用HDU-Cloud云平臺的特點，通過平臺虛擬機的創建，鼓勵學生嘗試對多類操作系統下、多種商用數據庫的安裝與調試。

四、改革方案

根據上述改革目標和改革內容，本文從課時分配、課堂授課環節、實驗教學環節、課外作業環節、課程考試與評價等方面實施改革。

（一）課時分配

課時分配上，從“13∶3”向“9∶4∶3∶X”轉變，體現將案例討論融于課堂教學、將項目任務貫穿于實驗的理念。擬將長期以來實施的13周課堂理論教學、3周機房實驗教學模式，調整為在課堂理論教學周，每周2學時進行基礎理論講授、1學時進行案例講解討論，3個實驗教學周安排在機房進行項目任務的設計、實踐與討論。“X”則表示我們將傳統的實驗教學（例如對商業數據庫的熟悉、SQL語言編程）與平時作業安排在HDU.CJUDGE.NET、HDU-Cloud的在線平臺上，并由教師在線點評、服務器系統客觀評價。這樣既方便學生利用課余時間隨時登錄平臺完成作業，又可以實時掌握每個學生實驗中出現的問題，討論與拓展有針對性。這一安排的優勢在于將教學內容的學習、練習、實踐三個階段在課堂上結合起來，以增強學生的學習興趣和學習效率，從而提高課程的教學質量。

（二）授課環節

在課堂授課環節強化案例精講，強調互動性、循序漸進性。強化案例精講主要落實在突出主題的選擇、知識點的覆蓋，我們將選擇和課程內容緊密相關的案例。首先，我們先梳理課程各個章節內容所包含知識點，以及各個知識點在數據庫系統開發的生命周期中所處位置如下。

我們在選擇案例時，需要將每個知識點都在案例中有所體現，案例中涉及的知識點要能涵蓋教材中各章節的大部分內容。考慮到學生的能力水平參差不齊，及絕大多數學生的認知程度，所選取的案例應該難度適宜，這樣才能調動學生獨立解決問題的積極性和能力。

這些案例主要包括如下部分。

1.數據庫設計原則，包含：（1）規范命名；（2）控制字段的引用；（3）庫表重復控制；（4）并發控制；（5）必要的討論；（6）數據小組的審核；（7）頭文件處理。

2.數據庫設計技巧，包含：（1）分類拆分數據量大的表；（2）索引設計；（3）數據操作的優化。

3.數據庫設計過程，包含：（1）需求分析階段；

（2）概念設計階段；（3）邏輯設計階段；（4）物理設計階段；（5）實施階段；（6）運行與維護階段。

這些案例所覆蓋數據庫系統原理這門課的相關知識點如下。

此外，我們在設計案例時，貼近實際問題，結合課堂所需專業知識，使得案例具有一定趣味型。對每個實例，設計、規劃若干個子問題，上課時首先讓學生學習課本的基礎知識，然后讓他們在課堂思考如何排除這些問題，這樣讓學生主動思考、探索相應的解決方法，使得他們更能主動地投入到學習過程中。

（三）實驗環節

本文構建了基于“任務為驅動，教師為主導，學生為主體”方法的合作探究式實驗教學模式。圍繞實際軟件開發的流程，我們采用“以項目任務為主線，系統開發與文檔撰寫齊頭并進”的方式為學生提供實際項目開發感受，提供創建一個數據庫應用程序開發、理論聯系實踐的途徑，使學生掌握關系數據庫設計、開發與運行的具體步驟和方法，能夠與目前主流程序設計語言的結合使用，對數據庫技術及應用有一個全周期的理解、學習。具體而言，在實踐過程中，我們選用目前流行“B/S”架構，即系統架構由客戶機、應用服務器及數據庫服務器三部分組成，在客戶機和數據庫服務器之間增加了一個應用服務器（也稱為Web服務器的中間層）。學生在開發系統時，我們按照數據庫系統的開發流程，項目分解為多個可獨立完成的任務，即讓學生依次完成需求分析、概念結構設計、邏輯結構設計、物理結構設計和系統實現與維護這5個方面的任務。學生自己可合作探討解決問題的一系列解決措施和方法，并在此過程中依次完成四個開發文檔包括：需求規格、概要設計、詳細設計、用戶手冊。最后驗收時，將分別檢查系統的開發情況、及文檔的撰寫情況，這樣使得學生可以對原來課程內容進行深入學習，增加理論知識的實際應用能力。

具體而言，在實驗環節中，我們讓學生按照如下要求進行實驗。

1.開發工具：首先，各自選擇合適的開發環境完成課題，深入了解數據的組織、存儲、處理邏輯及數據的顯示。然后在完成課題的過程中去體會數據是如何組織和存儲的，數據是如何顯示的，數據的處理邏輯是什么。在此體會的基礎上，根據自己的知識背景以及語言的特點進行選擇，目的就是為了能夠盡快地開發出界面美觀、運行速度可行的系統。

2.實驗驗收基本要求：（1）完成各個課題陳述中提到的所有需求功能；（2）要求寫出相應的四個文檔：需求規格、概要設計、詳細設計、用戶手冊；（3）用戶界面設計：界面友好，操作簡單；（4）文檔和代碼要體現組內的分工（是組內各個同學的給分依據之一）；（5）各個課題中的數據錄入量是后續工作的基礎，是考查此次實踐課程的工作量主要依據之一，也是給分的主要依據之一。

3.文檔內容及格式：為了大家日后能夠更加順利、快速地完成畢業論文，此次實習報告的格式要求各級標題、字體、行間距、參考文獻的格式都需要符合杭州電子科技大學計算機學院對有關畢業設計論文的要求。

4.評分標準：系統驗收50%+報告文檔50%

（四）作業環節

在平時作業的布置與評價環節，實行“在線布置，全面機試”，引導學生在課外自主訓練。目前，我們使用了數據庫原理在線練習系統：http：//hdu.cjudge.net，建立以“自主訓練、實時反饋”為特征的層次化作業環境，從易到難，設置難度逐步遞增的題庫，以適應學生不同階段的學習要求。學生的每一次作業都在線提交，系統服務器端對提交的作業自動評判、實時反饋、記載成績、統計對比，從而使得教師能快速發現學生理解、掌握理論知識的程度，并能及時反饋學生學習中的問題，提高課后作業的效率。如圖1、圖2所示，圖1給出了學生解答作業的界面，圖2給出了教師評閱課程作業的界面。

我們還依托HDU—Cloud云平臺，為學生創建多虛擬機，鼓勵學生在虛擬機下構建Ubuntu、Windows 10等多種操作系統環境，并在里面安裝、調試多種商用數據庫，從而全面提升對商用數據庫的使用知識。

（五）考核與評價環節

在考核與評價環節，本文實行多視角方式，學生最終取得的成績包含平時和期終成績。學生平時成績的構成除了每一次在線提交的上機作業外，還包括學生對多種商用數據庫的安裝與調試報告以及由基于工程項目的大實驗作業構成，這樣的大實驗作業除了提交完整的文檔外，還需演示系統的實際運行情況。各部分的權重分別為15%、15%、30%和40%（期末考試的卷面成績），使得學生必須通過多訓練，多實踐，真正熟悉數據庫系統的各個環節。

此外，我們將在數據庫系統原理的課程教學的同時，在課堂上通過手機無線上網，安排幾次快速的知識測試，即可在http：//hdu.cjudge.net平臺上布置測試作業，學生規定期限內完成作業、在線提交，系統服務器端對提交的作業自動評判、實時反饋，并按照一定規則根據完成情況對學生進行排名，這樣可提高學生的學習興趣。

五、學生學習效果及對比

實施課堂教學改革以來，我們對學生的學習效果對比分析及課程目標達成度評價形成如下的統計表：

我們將開展課堂教學模式改革前的2015—2016學年第1學期和開展課堂教學模式改革后的2016—2017學年第2學期學生的期末考試試卷成績進行對比如下：從圖3、圖4的試卷成績分類統計中可看出，學生平均成績、優良人數比例均得到了大幅提升。

通過分析、對比，可以得出如下的結論。

1.對于考核數據庫系統的基本概念、基本原理的題目，前后兩班的學生的得分率沒有明顯變化，可見實施前后學生對基本概念均有良好的理解。

2.關系代數計算題和編程題，實施課程改革后這個班學生得分率較高，掌握較好；分析作圖題，考核學生對現實世界的數據抽象能力、數據庫系統的分析、設計及運用的能力，從學生答題情況顯示，實施課程改革后這個班級的得分率88%左右，這部分內容掌握得到了較好的提高。

3.應用題主要考察關系規范化理論、數據完整性的靈活判斷、SQL的編程改錯題，課程改革前這個班級的學生對這部分內容掌握比較欠缺，平時掌握的分析與設計方法不會靈活運用；而實施課程改革后，這個班的學生掌握情況提升了不少。

依據以上分析，我們需要在教學過程中注意培養學生分析問題的能力、善于思考的能力，可以以項目、案例為基礎，幫助學生學會分析不同的問題，加強師生之間以及學生之間的交流，不能僅僅死板地做題。因此，通過本文所提的課堂教學模式改革方案，使得這一方面大大增強。

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