大數據時代信息安全專業數據庫課程教學探索

衛琳 趙偉 石磊 高宇飛

關鍵詞：混合式教學;大數據;數據庫課程;信息安全專業

一、概述

大數據在各行各業都有極其廣泛的應用，與各應用領域也有比較高的重疊度，因此，如何培養符合大數據技術發展要求、面向應用、能夠提供大數據解決方案的人才，既是現實需求，也是高校教學改革的一個重要使命。

“大數據”概念的誕生、內涵、外延和傳統數據庫有著密不可分的關系，同時大數據理論與應用關系密切，這就要求我們在數據庫原理課程的教學過程中要從實際應用出發，以解決問題為導向。

我國信息安全專業近幾年得到了蓬勃發展，但是，相對于發達國家，我國信息安全專業教學仍處于建設階段，在大數據時代背景下，信息安全專業對數據庫技術的應用和分析能力在逐步提高，要求從多方面獲取信息、存儲信息和保護信息的安全。信息安全專業尤其是在安全方面對大數據做出了不同角度的理解。在數據庫原理的教學中，可以應用一些大數據技術從收集數據、分析數據等多方面的實踐來提高學生對數據庫技術的應用技能，同時借助這些實踐教學，讓學生對大數據有較全面的認識，同時讓他們知道大數據的信息安全存在著漏洞，以問題人手，讓他們在數據庫安全方面形成自己的思索和創新，提升應用型人才在信息安全專業的探索能力。鑒于大數據發展過程中的人才需求和創新契機，如何從大數據人才需求戰略角度出發，優化信息安全專業課程建設，是信息安全專業教學改革的主要著力點。

本文針對大數據發展需求，面向信息安全專業的數據庫課程體系提出了改革設想，提出將大數據新技術和新平臺融人數據庫課程的教學實踐中，培養學生的大數據思維能力和創新能力。鄭州大學軟件學院信息安全專業聚焦應用型人才培養，針對數據庫教學進行了一系列的改革措施。本文就從數據庫課程教學改革這一具體的著眼點，闡述信息安全專業在大數據人才培養上的嘗試和努力。

二、現狀與問題

“數據庫原理及應用”是信息安全專業的必修專業課，總學時56，是“云計算與大數據安全”與“網絡攻防技術”的前導課。

在“數據庫原理及應用”課程的教學過程中，一般高校都采用課堂理論講授和上機操作相結合的模式。本課程的考核一般采用上機操作與期末考試筆試相結合的方式，基礎理論占32個學時，上機操作占24個學時。理論課堂中，老師會邊講理論邊上機操作，給學生們進行演示，受時間限制，課堂上能傳授的知識并不多，學生真正能掌握和消化的知識和技能就更少了。由于課程所包含的專業知識多而且抽象，需要學生花費大量的精力去體會和理解，如果老師在課堂上不能講深講透，學生課下就很難消化。

目前，該課程的理論教學環節存在的主要問題有：（1）課時少，學習內容多，學起來難度大;（2）教學方法單一，在課堂教學中無法有效提高學生的學習興趣;（3）偏理論輕實踐。實踐教學環節存在的主要問題有：（1）實驗內容呈現離散性，缺乏系統和連續性，沒有呈現課程間的實踐互動;（2）實驗內容過于傳統化，缺乏新穎性，對新知識的反應不夠充分;（3）以實驗室訓練為主，缺乏創新實驗環境和課外訓練的配合，沒有發揮網絡實驗平臺的作用。概括起來，有以下原因。

（一）偏理論輕實踐

本課程涉及較多的理論知識，但由于是應用類課程，不能僅停留在理論，還有諸多實踐內容，例如，數據表的創建，數據庫的創建，索引、視圖、觸發器、存儲過程等一系列數據庫對象的創建，還包括數據庫的備份與恢復、數據庫的審計與加密。所有這些內容都需要經過上機操作才能掌握，所以沒有大量的上機實踐做保證，掌握這些內容就如“紙上談兵”。而很多高校本課程教學的理論與實踐之比是7：3，偏理論輕實踐，造成實踐課時嚴重不足，形成高分低能現象。

（二）人才培養方案定位不清

有些高校不能立足專業培養方案，過高的理論要求和專業培養定位相互矛盾。例如，很多數據庫教師并不清楚信息安全專業人才培養定位，沒有讓學生在學習中獲得相應能力，或者在課程教學中對學生應用開發能力的培養關注度不夠，同時在考核中過度側重理論知識的考查，忽視了對學生實踐能力的評估，對學生的實踐技能是一種忽視，偏離了應用型人才培養的軌道。

（三）課程體系不完善

數據庫課程的內容主要以教師的課堂教學為主，教師的“教”與學生的“學”缺乏互動。傳統的教學模式多數采用教師理論授課加實驗教師講解上機操作技能。學生在實驗課上通過模仿進行上機實習，實驗課上大部分時間都是教師演示，學生自主發揮的時間很少，違背了以學生為主體的授課思想。學生上機操作的實踐內容也基本上是教師上課時舉的例子，或者是課本上的案例內容，沒有深度廣泛地挖掘學生感觸更深、功能更豐富的案例，做不到舉一反三，更談不上發揮學生主動性了，實驗的難度不大，多是驗證性的實驗，設計性或創新性實驗很少，導致學生不能夠很好地將實踐和理論知識相結合，最終沒有完全掌握相應的技能。

（四）教材選取不科學

“數據庫原理及應用”課程包含內容非常廣，包含著如數據管理、數據編程、安全管理、備份恢復等方面的技術，是一門實踐性較強的技術性課程，這些技術與實際應用關系密切。因此，數據庫教材必須從需求分析到邏輯結構設計、從數據定義到物理設計、從數據庫實施與維護到安全管理等各個環節形成嚴謹清晰的體系，不僅各個部分要有機結合，而且也要和實際應用緊密結合。但很多高校所選教材都存在章節內容聯系松散，與實際聯系較少，沒有或較少體現工學結合和任務驅動等問題，用這樣的教材授課，教師在講授過程中有難度，學生學習也具有盲目性。

（五）實驗教學與專業應用脫節

很多計算機相關專業都會學“數據庫原理及應用”這門課，但側重點不同，而信息安全專業對數據庫原理課程的培養要求有特殊性，如果脫離專業應用，使信息安全專業和其他專業講授得完全一樣，將會導致很多問題的產生和積累，進一步會影響信息安全專業的培養目標。對于“數據庫原理及應用”這門課程，信息安全專業應增加數據安全實踐能力的培養，但目前安全性實驗很少，具備實戰性的數據安全實驗更是少之又少。學生很難通過實驗課對數據庫安全的相關技能形成整體認識，缺乏系統性，不足以訓練學生安全性技能的掌握。

三、教學體系構建與改革

針對數據庫教學中存在的上述問題，本文從四個角度進行探索，如圖1所示。

（一）多種形式并存的教學模式

多種教學模式并存，意味著采用多種不同的教學方法和手段，目的只有一個，就是為了提高學生的學習興趣。鄭州大學目前使用的在線教學平臺有雨課堂、后山學堂等，實際上這些平臺也可以成為線下教學的輔助工具。就拿雨課堂為例，這個平臺的功能十分豐富，可以用它來課前預習、課中答疑、課后復習，這就要求教師在授課前提前將教學資料上傳到雨課堂的資源庫里，比如視頻、課件以及測試試卷等。還可以將各個章節的知識點以單選題的形式展現在多媒體課件中，在講完某個知識點之后，以選擇題的形式進行測試，了解學生掌握的程度。學生則可以得心應手地使用這些工具和平臺，例如，查看老師發布的任務和課件進行自主學習，遇到不懂的問題，首先選擇反復回看教學視頻。其次可通過平臺中的留言功能給老師留言，還可以通過雨課堂以彈幕的方式或信息的方式向老師提問，如果當場沒有解決，還可以將問題記錄下來，到課堂上當面請教老師或群里發問。師生之間的互動，在任何教學過程中都是必不可少的，少了這個環節將直接影響到課程的教學質量。

通過將傳統的教學手段和現代化的教學平臺相融合，有機結合、優勢互補，就能夠滿足不同“口味”學生的興趣點，將多種教學形式很好地融合在一起。主要目的在于讓學生多維度、多角度地掌握知識點和應用技能，而不是單一、片面地理解，這才是真正以學生為本，幫助其對所學知識進行體系化、結構化構建。當然，也不是完全依賴在線平臺或數字化教育，是以多種教學形式相融合為手段，來實現對傳統教學模式的有益補充，最終提升教學效果和學生的學習積極性。

（二）以問題為導向的實踐課程設計

針對實踐內容的離散性和單一性，采取以問題為導向的實驗內容設計策略，更好地滿足大數據人才培養需求。

提出問題一：“給定一個具體應用場景（如借書管理）和需要扮演的一個角色（如借書者），你最想通過數據庫幫你解決的問題是什么？”類似這樣的問題誘發學生在以下三個層面開展綜合思考：

①你需要解決的問題通過什么樣的查詢可以實現？②如何設計數據庫才能更好地滿足你的查詢需求？③是否存在查詢優化的空間，優化后的查詢效率可以提高多少？

相對于傳統的實驗內容，改進后的實驗內容能更好地啟發學生的綜合思考，提高他們的知識應用能力，學生們看到的不再是知識點和實驗內容的單一堆砌，而是一個相互關聯的現實問題擺在面前，解決了這些實際問題，數據庫原理中的問題也迎刃而解，更有利于學生將所學知識在應用中升華。

提出問題二：“數據庫規模增大時，或出現大量迸發，所設計方案需要考慮哪些改變或改善”，引發學生開展更深層次的思考。讓學生對同一個實驗呈現出多個不同的方案，保證了實驗內容的豐富性，通過舉一反三，得到更好的訓練，還可以通過多個解決方案的比較分析，深化對知識的理解和對技能的掌握。

提出問題三：“當前數據庫可能存在哪些薄弱環節，容易讓敵方攻破，造成數據泄露或丟失，應當采取怎樣的防護技術防止非法用戶的入侵，在數據庫安全方面還可以做哪些完善”，引發學生開展信息安全方面的思考。

（三）多渠道、層次化的實踐體系搭建

信息安全專業的“數據庫原理及應用”課程實踐教學涉及多個不同層面，需要采用多層次實踐教學體系和教學管理平臺來實現。實踐教學平臺共由三個渠道構成。

1.第一渠道為實驗方式，該渠道分為三個層次

第一層次為驗證性實驗，主要功能是對數據庫基本理論的驗證。該層次實驗應當與基礎理論緊密結合，利用功能性實驗對所學理論知識進行驗證，以此來增強學生對數據庫的感性認識。

第二層次為綜合性實驗，主要是通過綜合型、設計型實驗來開拓學生思維，以及提高創新能力，這部分實驗往往具有綜合性、可擴展性或二次開發等特點，在驗證基本理論的基礎上，需要分析、整理、設計、構思方能完成。

第三層次為開放型實驗。教學環節又分兩個方面，一方面是綜合型、設計型和應用型開放式大作業，還能夠與后續的專業課（比如“云計算與大數據安全”）結合在一起，開展綜合系統設計訓練;另一方面是與大數據應用相結合，使學生所學知識與當前前沿課題相關聯，讓他們提前感受與專業相關的最新信息。

2.第二渠道為自主實踐方式，主要面向有自主意愿的學生，以課外方式開展，分為兩個層次

第一層次為SRT訓練實驗，采用學生自主申報，教師加以指導的方式，其目的是鍛煉學生將所學的基本理論做一些基礎性的應用。

第二層次為大學生創新性實驗，同樣是采用學生申報，教師指導的形式。其目的是挖掘學生的發明創造能力，推廣以學生為主體的“漁”式主動實踐，杜絕填鴨式引領，培養學生個性化研究能力，造就創新教育的良好氛圍。

3.第三渠道是綜合設計實踐方式，主要面向優秀生，以課外方式開展，分為兩個層次

第一層次是課程設計，第二層次是畢業設計，圍繞指定的或自選的課題，將所學數據庫知識應用于實踐，提高學生整體架構和綜合思維能力。

同時，建立多渠道多層次的教學互動關系，如圖2所示，采用“教師一組長一學生”的三層指導模式來實現教學互動。

三層指導模式的構建是由三類實體形成，第一類實體是老師，第二類實體是成績較好、動手能力強的學生，把他們設為組長，第三類實體是普通學生，具體實現過程是：第一步，將全班分為多個小組，實踐教學前，先由教師指導組長進行教學準備，并完成實踐;第二步，組長帶領各組同學進行實踐。當遇到組長不能解決的問題，先在組內、組間討論，解決不了的問題，再請教老師。

四、研究與實踐融合，促進教學創新

上述關于“數據庫原理及應用”課程的改革，讓學生在數據庫課程學習中很好地踐行了學習技術、應用技術、創新思維的理念。同時，為了進一步加強研究創新方面的訓練。隨著高校科研項目的增多和實驗環境的完善，很多學生開始在指導老師的帶領下走入研究所和實驗室參與科學研究及其基礎工作。圍繞大數據帶來的研究契機，以大數據在異構數據管理、存儲與查詢優化、分布式處理以及安全防控等方面帶來的挑戰為主題，讓學生基于數據庫、大數據技術基礎深入探索實踐。實踐和研究是相輔相成的兩個環節，將兩者融合，能夠更好地補充數據庫教學實踐體系。

結語

數據庫課程作為信息安全專業與大數據人才培養的一個重要銜接點，不管是理論還是實踐教學，都是重要環節。本文在綜合分析大數據人才需求和數據庫課程教學現狀的基礎上，提出了數據庫課程體系改革策略，在本院的實踐過程中已經展現了對大數據庫人才培養的良好效果。

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