數據庫原理及應用課程中創新能力培養的教學研究

李明勇，游應德

（宜賓學院 計算機與信息工程學院，四川 宜賓 644007）

0 引 言

21 世紀是信息時代，各個行業存在大量的數據，但需要信息化才能體現數據價值，信息化的技術支撐是數據庫應用技術，普通高等學校人才培養目標是創新型應用人才。在計算機學科的專業中，核心課程數據庫原理及應用的內容包含數據庫應用技術，它具有自然科學和工程技術屬性，如何挖掘該課程的創新因素，培養學生的創新能力，達到高等學校人才培養要求和符合時代需要的數據庫應用技術人才，是教育者需要思考的課題。

1 創新因素組成

該課程的內涵可概括為將數據庫原理結合到DBMS 中進行有效的應用數據庫設計，并對已經完成的應用數據庫進行訪問，因此該課程內容有關系數據庫理論、數據庫設計、DBMS操作平臺、數據保護策略、SQL 等。

創新包括基礎創新和應用創新，其中應用創新是學生在明確的實驗平臺前提下，沿著清晰的技術路線進行特定的工程實踐活動[1]，在本課程中，主要培養學生應用創新思維和能力，如用SQL 解決實際問題、應用數據庫的設計等。

創新因素應在課程內容中進行充分挖掘，創新因素基本結構如圖1 所示。

圖1 創新因素結構

2 教學研究

2.1 SQL 的教學

SQL 對數據庫定義、訪問、控制的核心地位是無法撼動的，SQL 是非過程化語言，語法簡潔。計算機科學與技術專業學生必須牢固掌握SQL，通過學習，培養學生邏輯（程序）思維能力和應用創新能力，在教學過程中，如何培養學生應用創新能力，有以下方面。

1）代碼編寫規范與創新。

一個問題對應SQL 代碼并不多，但需要注意代碼的書寫格式，如開始處的注釋要完整和詳細，雖然SQL 不區分大小寫，但SQL 命令動詞應盡量大寫，其他標識符應遵守Pascal 或Camel命名規則，兩個SQL 語句之間有空行，SQL 有嵌套時寫成向右遞縮形式等，DBMS 的代碼編輯器有代碼編寫規范輔助功能，讓學生了解并自覺使用。

學生在學習各種計算機語言時，SQL 的學習較早，應養成良好的代碼書寫習慣。習慣的養成越早越好，它是創新的基礎，隨意書寫代碼不是創新。

2）基本思維與創新。

雖然SQL 是非過程化語言，但并不意味著用SQL 求解問題時不考慮問題處理的細節，相反，還應該對問題的處理細節作深入分析，有助于編寫正確的SQL。

在學習SQL 之前，應有充分知識準備處理問題的細節，這就是關系代數知識的學習，尤其關系代數中的專門運算：選擇、投影和除運算，其中除運算的學習是一個難點，在開始學習中應注意它與集合包含的關系，通過“查詢學習了所有課程的學生”等問題讓學生了解除運算的作用，激發學生的學習興趣，在學習SQL 中，遇到邏輯蘊涵時，就能理解求解過程的邏輯，從而寫出正確的SQL 代碼。

基本思維就是對問題的分析過程和處理過程，其中處理過程要細化到程序級，SQL 僅表現結果，但通過結果分析處理細節，不斷培養逆向思維。

3）結構化思維與創新。

SQL 是結構化查詢語言，很多復雜查詢都要用到嵌套查詢，例如，求解“查詢選修課程數最多的學生”時，首先查詢每位學生的選修課程數（作為子查詢），再找出選修課程數最多的學生（作為父查詢），子查詢要完整地嵌套在父查詢中，怎么嵌套值得研究，其中要有分組的思路。

把問題結構化是一種求解思路，像上述問題，先考慮宏觀的查詢（編寫父查詢SQL），再考慮細節（父查詢的條件設置）。

在學生學習嵌套查詢時，要從簡單的問題求解開始，有意識地向嵌套求解方向引導，逐步培養學生結構化思維，用結構化思維解決新問題。

4）用分類、歸納、聯想的思維方式學習SQL。

數據訪問可分為查詢與更新兩類，對應的SQL 命令也不多，但查詢的問題五花八門，這需要將問題分類、歸納，從過程中找出求解規律和新的方法。

例如，以上兩問題“查詢學習了所有課程的學生”“查詢選修課程數最多的學生”，兩者之間是否有關聯，仔細分析后發現，前者用邏輯蘊涵求解，后者用嵌套方式求解，但后者是前者的一般情形，后者的求解思路可用于前者，就會發現前者有一個嵌套求解新方法，甚至可以聯想到除法運算，思考它的復合過程。

SQL 的學習可延伸在課外，給學生大量的SQL 習題，這些習題的涉及范圍是學生相對熟悉的，例如，學分統計計算查詢、課程成績、操行分排名等。

2.2 應用數據庫設計的教學

應用數據庫設計是本課程應用核心，其目標就是設計高質量的應用數據庫，在設計的步驟中，最重要的三大步驟是分析用戶的數據需求、設計數據模型、轉換數據模型。分析用戶需求是學生難以掌握，需要在后續課程（軟件工程）中反復錘煉才能掌握；設計數據模型也是有一定難度，一般情況下，模型的形式是E-R 模型（實體—關系圖），實體是通過不同抽象方法在用戶提供的用戶需求中分離出數據需求后，進行必要的分析才可能得到，實體之間的聯系及其類型需要反復論證才能確認，而且設計數據模型需要經過分E-R 圖到集成E-R 圖過程，其中還要消除各種類型的沖突；轉換數據模型一般將E-R 圖轉換成關系模型，在這一過程中，將實體與聯系按照轉換規則進行轉換，尤其聯系的轉換，聯系的類型不同，轉換方式不同。

綜上所述，以上三大步驟的難度依次遞減，從學生能力角度來看，能夠掌握的步驟是轉換數據模型，但在教學過程中發現學生往往是憑感覺得到關系模式，而不是根據E-R 圖轉換成關系模式，造成這一現象的原因主要有三點：一是學生要解決的數據庫設計問題相對簡單，可以憑感覺做，但這樣做會丟失數據庫中數據或達不到功能要求；二是學生無法理解E-R 圖與關系模式之間的對應關系，即使理解了，將E-R 圖轉換成關系模式也有一定困難；三是很難建立準確的E-R圖，跳過E-R 圖，直接得到關系模式。

在教學過程中，用案例驅動法分層次進行教學，以學生相對較熟悉的應用系統為例，例如學生信息系統、選課系統、考試系統、圖書管理系統、工資管理系統、物資管理系統，甚至是其中的一個子系統，分析其中存在的若干實體及其聯系，建立相應的概念模型E-R 圖。然后再給學生相對不熟悉的案例，引導分析其中可能存在的實體和聯系，試圖建立概念模型。在實踐過程中，可以將學生分成若干小組進行項目設計，每一個小組做一個相對真實的項目，教師可提供必要的文檔或需求分析。在此基礎上，要求學生建立E-R數據模型，總之幫助學生建立先有E-R 數據模型，再有關系模型的邏輯思維，摒棄憑感覺做的陋習，養成嚴謹做事習慣，從而建立創新思維。

2.3 DBMS 操作平臺的教學

DBMS 操作平臺中可以建立應用數據庫，但會給學生帶來一個錯誤觀念，以為在其中能完成應用數據庫設計，殊不知，那只是應用數據庫設計的最后操作步驟。另外，在DBMS 中做實驗，確實需要先建立一個應用數據庫，這就進一步加深了學生的錯誤觀念。為了糾正學生的錯誤，在教學過程中，我們運用CDIO 教學法。學生在學習數據庫設計的基本知識時應注意，關系模式（表）來源于現實的實體，實體之間的聯系，除了實體有屬性外，聯系也有屬性，例如，數據項“成績”既不是學生實體的屬性，也不是課程實體的屬性，而是兩者之間聯系的屬性。在實驗后續階段，學生分小組做應用數據庫設計實驗，才能弄清數據庫設計的方法、步驟，這是一個倒置的學習過程，但要建立正確的數據庫設計思想，為將來應用數據庫設計奠定基礎。

本課程的概念非常多，有些概念要進行實驗才能理解掌握，如“外碼”就是對關系模式之間數據進行規范，首先應該使學生理解外碼的現實意義，再說明外碼概念，參照完整性概念。最后讓學生進入實驗室，定義外碼，準備好數據，當出現違反參照完整性時，觀察數據管理系統的反映，從而進一步理解外碼的作用，防止錯誤和無效數據進入數據庫，始終使數據處于正確、有效、相容狀態[2]。

2.4 關系數據庫理論的教學

關系數據庫理論的應用之一是評價應用數據庫的質量，尤其對數據的更新異常進行評價，這涉及關系模式的范式級別，尤其第三范式。學生學習范式過程中，應該從一個相對熟悉的實例開始，從中觀察存在的各種異?，F象，分析產生這些現象的原因是存在不合理的數據依賴，指出第一范式存在問題，從而自然地提高范式級別到第二范式，直到第三范式。在學習過程中，一定要讓學生充分理解完全函數依賴和傳遞函數依賴等概念及之間的關系，可以從第三范式的概念出發，證明一個關系模式如果是第三范式，則一定是第二范式，進一步理解兩者之間的關系，也可培養學生嚴密的推理思維。最后指出第三范式并不是徹底消除了各種異常現象，但使異?，F象的嚴重程度大大降低。

使應用數據庫達到第三范式是數據庫質量的一個基本指標，意味著要消除數據庫中存在的第一范式和第二范式，消除的方法主要是分解方法。對關系模式的分解要用到保持函數依賴和無損連接，要正確地分解關系模式，多數學生做不到，但應能判斷關系模式達到第幾范式。

關系數據庫理論教學的一個內容就是證明Armstrong 公理系統的有效性和完備性，雖然它是模式分解算法的理論基礎，但在學生學習過程中，能培養嚴謹的推理思維和抽象思維。還能得到一些非常有用的結果：屬性集閉包算法，該算法可以讓學生編寫程序實現，這是一個創新內容。

2.5 基本概念的教學

在本課程中，基本概念很多，學生對這些概念的理解有困難，應在后續學習中反復領悟，分散學習。在學習數據庫原理中，有一些基本概念，例如以函數依賴為中心的各種依賴，適時提出超出函數依賴范疇的連接依賴或理想的范式級別，引導學生在基礎理論領域有新的發現培養學生基礎創新意識和能力；可以對概念進行分層次學習，培養學生應用創新能力。例如，候選碼這個概念就是其中的典型代表，為了便于理解，第一層次是：能唯一標識實體的屬性集稱為候選碼，該描述淺顯易懂，但不準確；教學時應舉例說明不準確，并引導學生分析為什么不準確。第二層次：設K 為關系模式R中的屬性集，若屬性全集完全函數依賴于K，則K 為R 的候選碼[1]，該描述是準確的，但比較難懂，涉及函數依賴等概念，但一定要讓學生理解掌握，并能用屬性集閉包算法證明一個屬性集為關系模式的候選碼，有了這些基本知識后，給出一個問題，如何進行程序設計，找到復雜關系模式的全部候選碼。

3 創新能力培養的有效途徑

在新時代新工科大背景下，“數據庫原理及應用”如何培養學生創新能力是值得研究的課題，教師教什么、怎么教，學生學什么、怎么學等問題，一定要圍繞學生的學為中心進行，要注重培養學生的創新意識和創新能力。

3.1 明確教學內容

如前所述，課程中對很多基本概念、基本知識要進行取舍，分層次進行教學和學習，例如，圍繞以關系模式R(U，F)為中心的概念教學模式，舍棄數據庫技術的發展史中涉及的概念等，培養學生的抽象思維；以SQL 為中心的學習模式，但要保留關系代數，有利于培養學生計算和邏輯思維；在DBMS 環境中，采用CDIO 方式學習數據庫的保護策略，而不是單純介紹基本知識；以第三范式為中心學習關系數據庫理論，培養學生嚴密的推理能力和學習興趣；讓學生熟練掌握一個DBMS 操作，提高學生對數據庫的操作能力；分小組完成一個應用數據庫設計，重點掌握從概念模型設計到邏輯結構的轉換方法，培養學生應用創新能力與合作能力；可以將DBMS 中的并和數據恢復作為選學內容。

3.2 采用線上線下的教學模式

為了有利于開展教學，充分利用網絡，進行線上線下教學模式。線上，精心編寫用于檢驗基本知識、基本概念的考試試題庫，學生在線上完成答題，并可以多次重復做，直到達到優秀等級；將要完成學習時，準備好大量的綜合試題庫，以“一人一題”方式進行上機考試，這樣，可以培養學生獨立思考能力。線下，精心準備上課內容，以培養學生思維為向導，引導學生思考學習內容，拓展思考空間，以問題為向導，最大限度地培養學生分析問題和解決問題的能力；在實驗室中示范解決問題的細節過程，先讓學生在實驗環境中學會模仿，逐步形成思維模式，形成發現新問題和解決新問題的能力。

4 結 語

由于“數據庫原理及應用”開設學期較早，我們從該課程中挖掘創新因素，在后續課程中力求做到創新因素的挖掘，培養學生創新思維和創新能力，將這些看似碎片化創新因素組成有機整體，最終形成學生專業核心能力。