面向產教融合的NoSQL數據庫課程教學改革實踐探析

陳娟 謝雪蓮

關鍵詞：NoSQL數據庫技術；教學-實驗-實踐融合；混合互動式教學；教學改革實踐

0引言

為了在新一輪科技革命和產業變革中搶占前沿技術領域的制高點[1]，教育部大力推動新工科建設，以支持和服務創新驅動發展、“中國制造2025”等國家戰略[1]。2017年以來，教育部先后形成了“復旦共識”“天大行動”“北京指南”，這三個文件共同構成了高等工程教育改革的“三部曲”，為我國工程教育的發展指明了方向[2]。在新工科背景下進行的教學改革實踐探析，需要著眼于當前經濟社會發展對工程技術人才的不同需求，規劃新工科專業建設，并加快培養能引領未來新興技術和新興產業的新型工程人才[3]。

當前，大數據領域仍在不斷發展，數據量與日俱增，數據的存儲方式愈發靈活多變，新興的業務需不斷地隨之革新才能緊跟發展。這些新需求使得數據庫及應用系統的形態變得越來越豐富，同時對數據庫的各類功能也提出新的場景需求。這也就造成了各大企業對NoSQL數據庫人才的需求持續上漲，而大多高校培養的NoSQL數據庫領域的人才質量持續走低的尷尬局面。據統計，全國高校開設NoSQL數據庫的計算機類專業點達4200多個，但實際大環境中仍兼具IT崗位“用工荒”和畢業生“就業難”的問題。究其根本是高校在課程教學和專業人才的培養上不太切合實際。

所以，改革NoSQL數據庫課程和人才培養模式勢在必行。各大高校應抓住新工科建設契機，基于產業實際發展情況，面向行業需求，以學生為中心，以課程理論知識為點、以產教融合實驗為線、以產教結合實踐為面，形成點線面的格局，促進學生對NoSQL數據庫原理和技能的理解和把握[4]，提升學生對大型企業數據集的分析和挖掘隱藏信息的能力，通過產教融合培養符合社會需求的工程性人才。

1學情分析

隨著非關系型數據庫技術的應用市場逐步繁榮，大多高校已經全面開設了NoSQL數據庫技術與應用的課程，但現行的NoSQL數據庫課程基本還停留在基礎理論教學和一些傳統的且僅限于書本習題的數據庫實驗，這些對數據庫或表的簡單操作已經遠不足以支持大數據環境下的學生實驗。即目前大部分高校在關于NoSQL數據庫課程的教學體系、教學資源、教學方式、教學目標以及師資能力等方面都存在著不能緊跟時代的問題，具體表現如下。

1.1教學難點

NoSQL數據庫課程的目標是理論聯系實際地展開教學，培養具備創新精神和多元化技能的優秀工程師。然而，在當前的NoSQL數據庫教學中，仍然存在一些挑戰。

1）缺乏成熟的教學體系。NoSQL數據庫作為計算機與軟件工程專業的一門具有較強的實踐性和工程性特點的非關系型數據庫課程，用以解決集群環境下的數據庫的設計、存儲和查詢業務以及大數據應用中的難題[5]。對NoSQL技術的充分掌握依賴于對NoSQL相關知識的整體把握，包括對操作系統、Shell、Linux基礎入門、Java程序設計、Java8新特征指南、數據庫系統原理等預備知識以及對業內主流的NoSQL數據庫類別（文檔存儲數據庫：如MongoDB、Couch?DB；鍵值對存儲數據庫：如Redis；列式存儲數據庫：如gHhB等as）e的、C把ass握an。dr雖a；然圖一形些數先據修庫課：如程已Ne經o4包j、A含ll了egr以oG上ra所p?提及的部分知識，但隨著大數據的快速發展，現行的NoSQL數據庫課程面對實時變換的需求明顯缺乏靈活性，學生無法在第一時間明確企業的需求動向，致使所學與所需無法銜接對應。因此，本課程迫切需要一個成熟的、順應時代的教學體系，在基于OBE的理念的人才培養模式之上與時俱進地設計該課程的能力培養目標[7]。

2）NoSQL技術種類多，技術差異大，課時有限，實驗教學難開展。新工科的人才培養目標要求學生得具有較強的工程實踐能力。大多高校現有NoSQL數據庫課程的工程培養效果并不是很好，其中一個非常重要的原因是NoSQL技術的種類多、差異大。根據DB-Engines最近公布的全球數據庫排名中可以看出，現存的NoSQL產品有上百種，給每種產品選擇適用的場景，且要在有限課時內針對不同類別的數據庫產品設計更貼合實際的案例，仍是需要攻克的教學難點。

1.2存在問題

L數據庫課程，其教學模式比較傳統，教學資源也比較單一。通常仍然是就指定的一本教材按照傳統的教學方法完成教學，實驗教學部分也常常是一以貫之地使用課本上現有的例子，缺乏時效性，不夠貼合產業發展現狀。例如，姜罕盛等人在幾年前就已經研發出首次大范圍應用的氣象業務的基于Cassandra的Micaps4系統[7]，DB-Engines最新公布的數據庫排名中MongoDB、Cassandra和Redis相較于去年上升趨勢明顯，不難看出Cassandra列族數據庫的在產業內的地位已經越來越高。而目前，NoSQl數據庫課程還沒有普遍涵蓋Cassandra列族數據庫的知識內容，圖數據庫部分的內容也不夠突出、實踐不夠深入。新工科需要培養的是具備運用工程科學及系統思維能力，并能夠熟練運用相關工具技術與理論解決工程問題的專業型人才。這就要求高校的教學需要引導學生基于自身專業特點進行專業領域設計和創新，培養學生解決工程問題的系統分析和處理能力。而不僅僅是將學生的思維局限在某一本書的理論知識和基礎的簡單的操作上。

2）課程教學方式落后。高校的大部分教師對于NoSQL數據庫課程的教學都是采用線下課堂的形式，忽略了課前課后環節的重要性。部分學生對于NoSQL的先修課程的知識點和實踐技能的把握不夠牢固，單是對課上新的基礎理論知識點的理解都成問題。通過了解，不少學生表示在學習NoSQL數據庫課程時僅僅是對MongoDB、Redis、Hbase、Neo4j的部署就耗費了大半學期的時間。學生還表示對于Java、Py?thon類的學習有所欠缺，課上操作過程比較吃力。由此可見，如果缺少了課前的預習和課后的跟進，再好的教學內容都難以達到預期的教學效果。所以，對現行舊的教學方式進行適當的改革是很有必要的。

3）需求匹配度不足。一些高校的NoSQL數據庫課程內容的設置與實際的市場需求不夠匹配。高校的課程內容通常浮于表面或過于深入，忽視了對學生切實所需要的應用技能的培養。從而導致學生在畢業時會頓感學無所用。例如，從區塊鏈被列入數字經濟重點產業開始，各領域對區塊鏈技術重視程度明顯提高，研究發現將區塊鏈與數據庫技術的特性相結合構建的新型數據庫存儲系統可以更好地滿足實際的業務需求[8]。然而，在當前NoSQL數據庫的知識體系中，NoSQL數據庫技術與區塊鏈數據分布式存儲技術的融合領域的人才培養還缺乏系統化專業化的課程學習[9]。國家對于區塊鏈技術人才的需求日益迫切和目前NoSQL數據庫課程尚未將區塊鏈存儲技術納入其中之間的矛盾造成了供需不匹配的問題，同時更進一步促成了“就業難”的局面。

4）缺乏行內實踐經驗。高校的教師團隊在NoSQL數據庫領域的行業實踐經驗相對較少。這導致教師無法將最新的實踐案例和經驗分享給學生，無法引導學生及時地了解行業動態和發展趨勢。

2產教融合構建NoSQL數據庫課程體系

為了解決現有NoSQL數據庫課程所存在的問題，再結合上NoSQL數據庫課程的特點，實現“產教融合”成為解決現有困境的有效途徑。一方面NoSQL數據庫知識體系本身具有很強的工程屬性以及與產業應用緊密結合的特征；另一方面大型互聯網企業在為大量用戶提供服務的過程中，積累了豐富的工程實踐經驗。通過產教融合，可以將這些實踐經驗引入課程教學，進一步豐富和完善NoSQL數據庫課程體系，為學生提供更多實際應用場景并培養工程思維。同時，也可以為培養區塊鏈技術人才提供有力支持，助力我國區塊鏈產業的發展。得益于西華大學與北京優锘科技股份有限公司的新工科產教融合，共建了更符合新工科人才培養要求的NoSQL數據庫課程知識和實踐體系。改革后的課程體系以新工科建設理念為基礎，以“產教融合”思想為導向，將理論知識與真實的企業案例有機結合，并展開進階式的系列實驗，旨在培養更符合“新工科”標準的工程性人才，為其能更好地為國家經濟建設服務提供有力支持。這種產教融合式的課程體系不僅能夠提高學生的理論素養，還能培養他們的實踐能力，使他們能夠更好地應對未來工作中的挑戰，為我國的經濟建設做出貢獻。

新的課程設計在理論和實踐、教學與應用的銜接上做得更好。通過與產業的全面協作，本課程設計了“教學-實驗-實踐”產教融合的課程體系。如圖1所示，在課程內容上結合最新的數據庫領域的排名選擇主流的數據庫技術進行設置，考慮到NoSQL數據庫技術種類多，技術差別大的特點，本課程對NoSQL課程的知識層次邏輯進行了再革新，在掌握基本原理的基礎之上利用相應的企業案例并采用行業最新的技術開展實驗教學。

從知識前后的連貫性與整體性的角度出發，將本課程分為“教學-實驗-實踐”三個大步驟。NoSQL數據庫產品類別多，相應的技術差別又比較大，選擇采用分類教學如圖2所示，NoSQL數據庫的每一類別都按照“三步驟”模式進行授課?；趯χ髁鲾祿斓睦碚撝R和原理的把握，并結合對應設計的課堂實驗幫助學生構建自己的NoSQL數據庫的知識結構，通過對課堂小實驗的總結和優化進一步加強對知識的消化與吸收。再在學生已經對知識點牢牢把握且已有實驗能力的基礎之上，引入切實的企業項目，并且在課堂上以真實案例為進階實驗，在難度螺旋上升的實驗過程中培養了學生的工程實踐能力，進一步滿足新工科人才培養的要求。

學生通過第一部分先對NoSQL數據庫技術的基本概念有一個全面的了解，特別是常用的CAP原則、BASE理論和最終一致性；第二部分學習四類主流數據庫對應的編程訪問技術（如：Java、Python等），為第三部分中的實驗部分打好基礎；第三部分將主要就NoSQL數據庫的四大主流分類由淺入深的學習，每一個類別都會開展相應的實驗和實踐環節；第四部分補充介紹其他類型的NoSQL數據庫技術和區塊鏈存儲關鍵技術。

2.2產教融合教學設計改革

在改革后的課程體系中，實驗和實踐部分的設計是關鍵核心，只有通過精心策劃和設計，將產教融合理念始終貫穿課堂，把理論知識、課堂實驗以及產教合作實踐充分融合在一起，學生才能真正深入地理解NoSQL技術的原理。在教學設計過程中主要秉持以下原則：

1）實驗貼合課堂。課堂小實驗內容要與課程內容穿插進行，在不同的知識學習鏈上精心設計實驗環節。如MongoDB作為文檔存儲數據庫的典型代表，在講授完MongoDB的理論知識之后，立即指導學生完成MongoDB的部署和相應的數據庫操作。運用理論來指導實踐，并從實踐經驗中提升對理論的深入認識。

2）實踐結合課堂貼合實際。產教融合實踐是在理論課程和小實驗都完成了之后才進入的環節。有了理論知識的儲備和小數據的小實驗基礎，再引入企業案例，讓學生的所學直接對接實際問題，逐步引導學生發展工程思維，從而提高解決實際問題的能力[10]。比如，完成了MongoDB的理論知識的學習以及對應的實驗之后，為學生提供產教融合平臺，通過合作項目中真實的海量數據去切實體會MongoDB的性能。

3）單線內容設計難度遞進。第三部分的分類學習中，每一類別的課程小實驗都是為產教融合大實踐做鋪墊的，產教融合實踐的設計必須與小實驗在內容上得循序漸進，難度上得由淺入深。先從實驗環境的搭建入手，搭建Java或者Python環境，然后在不同的平臺上（Windows或Linux）部署MongoDB，實現一些簡單操作如數據庫操作、集合操作、文檔的刪改和簡單查詢、聚合等操作；分別使用Java、Python和Robo3T來操作MongoDB；再在開啟了按安全認證的MongoDB副本集中實現對服務器NoSQL2和NoSQL3進行操作；最后再進一步完成與企業合作的項目，比如物流公司倉庫管理數據庫。由此引導學生從課本出發而最終走向產業。

3產教融合課程教學模式

本課程打破課堂“一本書”和教師“一言堂”的舊方式。在教學設計上，目前重要的教改研究方向是豐富教學資源以及圍繞課程的前、中、后的各個階段，實行線上和線下的混合互動式的教學模式，通過案例教學、激發學生興趣、加強互動測試以及時評估學生學習效果。針對NoSQL數據庫技術課程教學，Zinovieva等人為了優化教學資源主張將MongoDB等官方學習視頻融入教學體系當中；劉雯敏和胡瑞娟等主張高校課堂采用BOPPPS模式進行課堂教學的設計，并用其對在線教學的各個環節也進行了研究[11]。各種教學方法為NoSQL數據庫課程教學研究提供了寶貴的參考，因此需要根據NoSQL數據庫課程的特點，在校企協同育人的應用型人才的培養上進行多方面的探索與實踐[12]。針對“新工科”的需求設置人才培養目標，綜合優秀的資源和產教融合案例構建新的教學模式。

3.1企業線上教學

為了讓學生更深入地了解現實生產環境中的NoSQL技術，本課程邀請了北京優锘科技股份有限公司的專家進行專題演講。通過網絡直播互動的形式，向學生展示企業數據中心中NoSQL技術的實際應用，鼓勵學生在線提問，以激發他們對數據庫行業的熱情。通過實施企業專家在線的專題演講和實際經驗分享，在培養學生工程思維的同時[13]，也讓學生更進一步了解行業的最新發展，從而對自己的未來的就業方向有更確切的感知。

3.2產業案例教學

本課程以“產教融合”為導向，設計新的課堂教學和多重進階實驗，將企業案例充分融入課堂，從而加深學生對技術原理的理解。例如在介紹MongoDB基本理論知識時，與企業重點關注的方面（安全審計、備份恢復、數據同步以及彈性伸縮）相結合，強調企業級數據庫的細節處理，以北京優锘科技股份有限公司MongoDB部分細節處理為例，在安全審計的基礎之上MongoDB進行了TDE加密，為使備份的效率得以提升MongoDB增加了物理備份，還在備份的基礎之上增加了備份驗證和診斷分析的能力。又如在進行Redis部分教學時，介紹北京優锘科技股份有限公司Redis數據庫是如何解決運維困難、路由存在不確定性和不支持Multi-Key以及從主從模式遷移到集群模式的問題。另外，在課堂小實驗和產教融合實踐部分也設置了大量的企業真實的案例。學生在學習中了解實戰，進而在實戰中深化所學，在滿足學生成就感的同時也鍛煉了學生的工程思維和實踐能力。本課程的系列實驗和實踐特別重視過程，注重啟發式教學，倡導學生多多探索解決問題的不同途徑，培養發散思維。在進行產教融合實驗和工程性實踐的過程中鍛煉學生的知識的遷移和技能應用能力。

4結束語

NoSQL數據庫是解決大數據應用難題的關鍵一招。在新工科背景下，通過產教融合對NoSQL數據庫課程進行深入的教學改革實踐探析，實現了理論與實踐的緊密結合以及教學人才培養與產業人才需求的實時銜接。本課程采用多元化的教學方式，包括企業線上課堂和產業案例教學，由此來加深學生對理論知識的理解，進一步提高學生對課程的興趣度，并全面提升學生的工程實踐能力。這樣的教學設計不但有助于培養出更具系統思維和創新精神的高素質工程人才，同時也順應了“新工科”的發展趨勢，對其他相關課程的建設也起到了積極的推動作用。