數據庫系統理論與實踐同堂融合教學方法研究與實踐

黃永慧，孫為軍，王春茹

（廣東工業大學自動化學院，廣東 廣州 510006）

0 引言

數據庫技術是現代信息領域中的重要支撐技術，具有廣泛的應用和重要的影響[1]。對于計算機類專業的學生而言，數據庫系統是必修課程，它不僅是學習數據結構與算法、操作系統等課程的基礎，更是學習大數據、人工智能等新技術的前提條件[2]。在整個課程體系中，數據庫系統起著橋梁的作用，輔助各個相關專業應用的協同發展，可以說，數據庫技術對學生的未來學習、工作甚至事業都產生著深遠的影響[3]。

數據庫的理論教學大多是一種單向的教學方式，重點介紹數據庫的基本概念、功能特征等核心理論知識點，這種方式往往難以讓學生真正理解數據庫原理，并將抽象的理論轉化為具體的認知，從而會降低他們對數據庫的學習興趣。此外，數據庫實驗課程的實踐內容通常基于理論課所學的SQL語句，涉及數據庫建立、更新和基本查詢、函數查詢、分組查詢、嵌套查詢等基本操作，但對于數據庫原理的理解和實際問題的解決來說，這些內容遠遠不夠。此外，由于數據庫課程與上機實踐之間存在時間差，學生容易忘記理論知識，甚至在理論課程還未結束時就開始上機實踐課程，這樣極大地降低了學生對數據庫原理和實踐動手能力的融合理解和貫通。

針對數據庫理論教學中存在的問題，近些年已有很多學者陸續提出了能力導向教學法[4]、項目教學法[5]、翻轉課堂教學法[6]以及團隊分組討論法[7]等,擴展了數據庫實驗內容,結合了數據庫理論知識，幫助學生深入理解數據庫的內部原理。除此之外,部分學者還充分利用計算機技術,以更為形象具體的實踐形式闡釋數據庫相關概念和原理。如陳慧萍提出的“研究性教學”理念，在實驗教學中創設具體的問題情境,引導學生深入研究、分析并求解問題[8]，胡旺在數據庫教學時,引入貼近生活的多個數據庫應用實例,讓學生感知數據庫技術具體真實的應用,啟發學生深入思考，接著總結這些實例的共性,提出使用中會遇到的問題來介紹數據庫課程的主要內容,達到“啟發式教學”的教學效果[9]。石義金提出基于虛擬仿真技術的數據庫認知實驗教學[10]，楊春蕾等認為傳統的數據庫實驗課堂,缺少數據演示的融合,提出將無聲演示視頻嵌入課堂教學,增進實踐與原理的融合,幫助學生更好地理解知識點和提升實驗效果[11]，胡海洋等將案例演示，項目實施驅動與理論知識一起考慮，提高學生對課程基礎理論的掌握，提升對數據庫系統的使用和開發能力[12]。

以上學者的教改方法的確對理論知識的掌握，實踐課的能力提升起到了很大作用，不過仍然沒有從設計到過程全面融合考慮，本文提出了統一設計數據庫理論教學和上機實踐的方法，并設計了教學輔助工具——數據庫SQL案例庫（包含基本型SQL案例和高階型SQL案例）教學和在線實驗平臺。在理論教學過程中，同步演示案例，為學生提供了實驗環境。通過過去幾年的實踐，學生不僅能夠靈活運用數據庫相關知識，還能夠深入了解其背后的原理和邏輯，從而達到綜合應用能力整體提升的目的。

1 同堂融合教學模式

本文的目標是基于同堂教學的自主學習教學模式，激發學生學習的興趣和熱情，提高學生實踐和創新水平，具體的教學改革內容如下：1）基于數據庫開發主線，融合實驗一起，重新梳理和重構設計數據庫知識點；2）結合數據庫知識點，設計基本型SQL 案例和高階型SQL案例，理解講解時，同步演示案例；3）設計在線實驗平臺，方便學生同堂實驗和課后實驗。

對比傳統教學模式，數據庫理論與實驗同堂教學具有以下優勢，如表1所示：

表1 教學模式比較分析

通過理論精講、案例演示、學生同堂動手實踐等理論與實踐的深度融合，強化學生對所學理論知識的理解，提升他們上機實踐操作水平，提高他們運用所學知識分析和解決實際問題的能力。

2 同堂融合教學詳細設計方案

從課堂授課、課時分配兩個方面重點重新梳理，其中課堂授課又包含課前預習和檢測、課間參與式學習，同堂實驗、課外實驗與測試等方面實施改革。

2.1 理論與實踐深度融合，重構授課內容

基于數據庫開發過程主線，在重構數據庫授課內容過程中，重新梳理課程各個章節內容所包含知識點，以及各個知識點對應的案例，同堂實驗內容。其中案例的選擇主要突出知識點的覆蓋，以及與授課內容緊密相關的且當前流行的實用案例，實驗的選擇除了傳統的數據庫實踐以外，拓展了廣度和深度，增加了熟悉原理的實驗和管理備份恢復試驗，詳細的內容及對應關系如表2所示。

表2 同堂教學模式案例設計

2.2 能力與興趣并重，重新設計授課流程

為了讓學生在理論學習的階段除了學習抽象的數據庫概念外，同步在案例庫中感受到具體的數據庫，表，約束，關系操作等，并且同堂實踐課時，能真正通過SQL語句的設計，執行過程理解數據庫各種元素（如索引、主鍵、外鍵等）怎樣工作的？筆者將理論與實踐課程統一考慮，結合筆者設計的數據庫SQL案例庫和手機實踐平臺，課程安排主要包含課前預習和檢測，課間參與式學習，同堂融合上機實踐，課后鞏固試驗與測試，如圖1所示：

圖1 同堂教學模式流程設計

課前預習和檢測是了解學生對基本知識的掌握情況，對應的案例了解和學習情況，例如在學習數據庫基本概念前，讓同學們先去教學平臺上了解和感受一下什么是數據庫，什么是數據等，這個步驟非常重要，是課間參與式學習的基礎。

課間參與式學習是將抽象概念和具體數據庫元素操作結合的最重要的部分，包含知識精講，案例庫對應案例演示，教師答疑，同堂試驗四個部分。開始設計數據庫精講課程的內容是跟進以前上課學生比較難以掌握的知識部分；后來是根據課前預習和檢測以及往屆課程同學收集上來的各種掌握情況設計精講內容，并且內容更加聚焦。以前設計的精講課程，對于數據庫性能和索引，聚類函數是分開的講解的；數據庫性能主要講解與哪些因素相關，索引主要講解索引的建立和存儲。后來根據學生的情況，更加側重索引是怎樣工作的，聚類函數是怎樣工作的，大數據量情況下聚類函數查詢時，索引的效率和影響。

同堂實踐除了讓學生再次鞏固基礎SQL 的上機實踐以外，更多實踐是讓學生模擬通過不同的SQL語句試驗了解和學習數據庫的工作原理，激發學生的興趣。例如筆者設計了如索引工作原理對比試驗；讓學生探索沒有索引時查詢的性能以及有索引情況下查詢的性能，包含查詢訪問的數據庫Page 數量，消耗的時間情況等，且大數據量查詢代價估算試驗；跟蹤全庫、單表、列、相關性多列的統計信息。

課后試驗與測試是為了檢測學生課間是否真正掌握，除了讓部分學生可以在案例庫中進一步參照自行學習，查漏補缺以外，還同步要求學生在實踐平臺上完成對應的SQL實踐，真正做到將理論課程與實踐課程統一考慮。

通過讓學生既掌握了數據庫的原理，也通過試驗掌握了真正適用的數據庫技能，還激發了學習深入研究數據庫的好奇心和興趣。

2.3 線上和線下結合，重新分配課時

原來32課時的數據庫原理課和16課時的上機實踐課，統一為48課時，課時分配上，由原來的理論課與實踐課3∶1 轉為5∶2∶3∶X，其中5 表示理論知識精講占比總課時50%，2 表示課堂案例演示占比總課時20%，3 表示同堂實驗占課時30%，X 則表示學生線下實驗和作業提交，整體上高效融合理論與實踐教學，將案例演示融于課堂理論知識教學、將實際項目的數據庫設計貫穿于同堂實驗中。即將長期以來實施的8周（每周4 個課時）課堂理論教學、4 周機房實驗教學模式，調整為在課堂理論與實際同步教學周16周，每周2 學時進行基礎理論講授、0.8學時進行案例講解討論，1.2 個學時進行同堂上機實踐。“X”則表示我們將傳統的實驗教學與平時作業安排在在線平臺上，并由教師在線點評、系統客觀評價。這樣既方便學生利用課余時間隨時進行試驗和完成理論作業，又方便老師了解每個學生實驗中出現的具體問題，討論與拓展更具有針對性。這一安排的優勢在于將教學內容的學習、案例模仿、實踐提高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。

3 教學結果分析

新的教學方法更加關注理論與實踐的結合，更加注重綜合能力的培養，為了檢驗新的教學方法與傳統方法的差別，且方便對比，我們取期中期末考試對知識的掌握與上機實驗對知識的應用進行對比，對比方法是將二部分的成績都按照百分比放大到100分。并且課程采用了相同教材和大綱、相同課時，兩種模式的班級都先后由筆者來執教。筆者將傳統模式2020下半年-2021年上半年2個學期4個班級的學生成績，與2021年下半年-2022年上半年采用該模式下1年2學期4個班級的成績進行對比，從圖2、圖3可以看出，學生的優良人數比例以及平均成績均得到了較大幅度的提升。

圖2 平均成績分析圖

圖3 優良人數比例分析圖

通過深入分析，發現綜合應用題的分數比改革前大幅度提高，如圖4所示，課程改革前班級的學生對這類綜合應用能力的掌握基本上集中在少部分同學中，大部分學生平時了解的分析與設計方法不會靈活運用，整個學生的平均成績較差；實施課程改革后，大部分學生能夠靈活應用，整體學生的平均成績有所提高。

圖4 綜合應用成績對比圖

綜上，在數據庫系統教學過程中應注重培養學生的深入理解工作原理的能力，綜合應用的能力以及客觀事物的整體思考能力。我們采取了以實際項目和案例為基礎、同堂融合理論知識的教學模式，幫助學生分析不同情境下的問題，深入思考問題本質，并提高綜合應用能力。通過過去三年考試的綜合題成績表明，學生的這方面能力提高很多。

4 結論

數據庫理論課程概念多，抽象、不易理解，上機實驗內容深度不足，且與理論課程缺乏深度融合的問題,本文將數據庫理論教學和上機實踐統一設計，構建了數據庫SQL案例（包含基本類型SQL案例和高階SQL 案例）教學和實踐平臺,在理論教學的過程中，同步演示案例，同時提供同堂融合的上機實踐環境，實踐證明該方法,加深對數據庫理論的理解,提升學生綜合設計數據庫的能力。

該方法增強了數據庫教學的趣味性，使教學方式更為多元化，對促進學生數據庫技能提升，培養高質量人才具有重要意義。其中數據庫SQL 案例教學和實踐平臺，一定程度上激發學生的創新學習思維。未來研究中將增加更多實踐案例，探索更優秀的案例實驗教學，增強理論知識與實踐的融合，提升數據庫教學質量。