CDIO 理念及產(chǎn)學(xué)結(jié)合的數(shù)據(jù)庫(kù)課程教改實(shí)踐

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)課程教學(xué)實(shí)踐性不足的問題，該文基于 CDIO（構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)-運(yùn)行） 理念，探討了數(shù)據(jù)庫(kù)課程教學(xué)改革的思路與方法。通過(guò)引入在線判題編程實(shí)踐、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開發(fā)、互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)在線判題以及互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景理論教學(xué)等措施，構(gòu)建了更加貼近產(chǎn)業(yè)需求的課程體系，旨在培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才。實(shí)踐結(jié)果表明，該改革方案有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：CDIO；數(shù)據(jù)庫(kù)課程；SQL編程；在線判題；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）02-0127-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識(shí)碼（OSID） ：

0 引言

當(dāng)前，我國(guó)正積極推進(jìn)“一帶一路”“中國(guó)制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略，旨在促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)和動(dòng)能轉(zhuǎn)換。在此背景下，新興產(chǎn)業(yè)面臨的一大挑戰(zhàn)是應(yīng)用型工程人才短缺[1]。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，教育部于2017年啟動(dòng)新工科建設(shè)，發(fā)布了“復(fù)旦共識(shí)”[2]、“天大行動(dòng)”[3]和“北京指南”[4] ，旨在構(gòu)建適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)需求的教育體系。自2017年2月起，教育部發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》等一系列文件，推動(dòng)新工科研究與實(shí)踐，力求打造具有全球影響力的中國(guó)工程教育模式。新工科專業(yè)聚焦互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能，涵蓋大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等領(lǐng)域，旨在培養(yǎng)具有實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力及國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的復(fù)合型人才[5]。

CDIO 教育理念由美國(guó)麻省理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)于2004年提出，是一種現(xiàn)代工程教育模式，強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐相結(jié)合[6]。該理念已在全球多所大學(xué)推廣，這種教育模式與我國(guó)的新工科建設(shè)理念不謀而合。CDIO 模式通過(guò)一體化課程體系，讓學(xué)生在實(shí)際產(chǎn)品或系統(tǒng)的“構(gòu)思－設(shè)計(jì)－實(shí)現(xiàn)－運(yùn)行”過(guò)程中，學(xué)習(xí)工程知識(shí)，提升職業(yè)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，培育新一代工程技術(shù)人才。軟件信息化、數(shù)據(jù)化、智能化依然在不斷滲透全球的所有產(chǎn)業(yè)，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)均是其中必不可少且關(guān)鍵的系統(tǒng)組成部分，而數(shù)據(jù)時(shí)代下為提高新工科高層次應(yīng)用型人才未來(lái)的就業(yè)技能，課程內(nèi)容需要緊貼時(shí)代，符合當(dāng)下數(shù)據(jù)時(shí)代的背景。

1 CDIO 理念在數(shù)據(jù)庫(kù)教學(xué)中的應(yīng)用

CDIO理念是一種將工程教育與實(shí)踐緊密結(jié)合的教學(xué)模式，它強(qiáng)調(diào)通過(guò)完整的項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。在數(shù)據(jù)庫(kù)課程教學(xué)中，CDIO理念的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

第一 ，構(gòu)思（Conceive） 階段。學(xué)生需要根據(jù)實(shí)際需求或行業(yè)背景，構(gòu)思數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的整體架構(gòu)和設(shè)計(jì)思路，這一過(guò)程培養(yǎng)了學(xué)生的問題識(shí)別能力和創(chuàng)新思維；第二，設(shè)計(jì)（Design） 階段。學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)，如數(shù)據(jù)表的創(chuàng)建、索引的優(yōu)化、安全性的考慮等，這一階段鍛煉了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和問題解決能力；第三，實(shí)現(xiàn)（Implement） 階段。學(xué)生動(dòng)手編寫SQL語(yǔ)句、創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)、導(dǎo)入數(shù)據(jù)，并進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行，通過(guò)實(shí)際操作，學(xué)生能夠加深對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的理解，提升實(shí)踐能力；第四，運(yùn)行（Op?erate） 階段。學(xué)生需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行性能監(jiān)控、維護(hù)和管理，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，這一過(guò)程能夠培養(yǎng)學(xué)生的運(yùn)維能力和持續(xù)改進(jìn)意識(shí)。

2 數(shù)據(jù)庫(kù)教學(xué)存在的不足

2.1 編程實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱

SQL編程語(yǔ)言的語(yǔ)法比較特殊，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中入門容易但深度掌握較難。如果缺乏線上判題實(shí)驗(yàn)課和線上判題編程作業(yè)，則不利于學(xué)生掌握SQL編程實(shí)踐能力。目前業(yè)界主流的開源或商用線上判題系統(tǒng)均不支持SQL編程語(yǔ)言，不利于學(xué)生即時(shí)通過(guò)自動(dòng)判題更好地進(jìn)行編程實(shí)踐，也不利于學(xué)生未來(lái)承擔(dān)數(shù)據(jù)類開發(fā)、分析等工作。

2.2 缺乏項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是編程題目，相對(duì)缺乏創(chuàng)新性和探索性實(shí)驗(yàn)。為增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和培養(yǎng)探索精神，需要調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增加數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)類軟件開發(fā)項(xiàng)目，通過(guò)實(shí)踐鍛煉學(xué)生解決實(shí)際問題的綜合能力。

2.3 與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景脫節(jié)

目前的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)主流教材，即使首版日期很新的教材，業(yè)務(wù)分析也主要圍繞傳統(tǒng)簡(jiǎn)單的信息數(shù)據(jù)庫(kù)展開。雖然便于學(xué)生理解和入門，但基本沒有涉及互聯(lián)網(wǎng)類業(yè)務(wù)章節(jié)，如日活躍用戶、月活躍用戶、活躍時(shí)段、用戶多日留存等互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下的典型分析業(yè)務(wù)，難以讓學(xué)生理解互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代實(shí)際的數(shù)據(jù)庫(kù)業(yè)務(wù)。

2.4 與互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景應(yīng)用脫節(jié)

目前的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)主流教材與當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模、高可用、海量并發(fā)應(yīng)用有一定脫節(jié)，對(duì)于云場(chǎng)景的運(yùn)維、保障、容災(zāi)、數(shù)據(jù)安全等很少涉及。需要針對(duì)企業(yè)應(yīng)用的典型場(chǎng)景，在理論課中增加關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)支持高并發(fā)、高性能的原理，如存儲(chǔ)引擎、緩存、樂觀鎖、分庫(kù)分表等減少表容量、減少磁盤I/O吞吐次數(shù)、減少并發(fā)鎖的原理。同時(shí)，理論課還需增加容災(zāi)、數(shù)據(jù)庫(kù)安全等內(nèi)容。

3 教學(xué)改革具體實(shí)施

在數(shù)據(jù)庫(kù)課程的教學(xué)改革中，為了更緊密地結(jié)合理論與實(shí)踐，提升學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，提出并實(shí)施了以下具體改革措施（見圖1） 。這些措施旨在通過(guò)引入在線判題編程實(shí)踐、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開發(fā)、互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)在線判題以及互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景理論教學(xué)，全面優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)課程體系，使之更加符合現(xiàn)代行業(yè)需求，從而培養(yǎng)出高水平的應(yīng)用型人才。

3.1 增加在線判題編程實(shí)踐

為了解決課程與編程實(shí)踐脫節(jié)的問題，我們引入了支持SQL在線判題的商用平臺(tái)——EduCoder（中文名“頭歌”） ，這是一個(gè)在國(guó)內(nèi)高校中廣泛使用的線上實(shí)踐教學(xué)服務(wù)平臺(tái)。通過(guò)頭歌平臺(tái)，學(xué)生可以在每道編程題目中經(jīng)歷構(gòu)思（題目分析） 、設(shè)計(jì)（題目編程設(shè)計(jì)） 、實(shí)現(xiàn)（SQL編程） 和運(yùn)行（學(xué)生總結(jié)） 的全過(guò)程，從而形成一個(gè)完整的CDIO（構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)-運(yùn)行） 閉環(huán)。

在線判題系統(tǒng)的引入不僅使學(xué)生能夠即時(shí)獲得編程反饋，提高編程效率，還能通過(guò)豐富的題目庫(kù)和多樣化的題目類型，幫助學(xué)生全面掌握SQL編程技能。同時(shí)，平臺(tái)上的題目難度分級(jí)和逐步引導(dǎo)，有助于學(xué)生循序漸進(jìn)地提升編程能力，為后續(xù)的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件開發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2 增加數(shù)據(jù)庫(kù)軟件綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開發(fā)

為改進(jìn)課程與項(xiàng)目脫節(jié)的問題，根據(jù)科研與企業(yè)典型業(yè)務(wù)，設(shè)計(jì)和選擇具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的問題或項(xiàng)目供學(xué)生選擇或參考自擬類似項(xiàng)目，涵蓋構(gòu)思（項(xiàng)目需求分析） 、設(shè)計(jì)（項(xiàng)目E-R圖設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)） 、實(shí)現(xiàn)（SQL編程開發(fā)與測(cè)試，結(jié)合前后端軟件開發(fā)） 、運(yùn)行（系統(tǒng)角度可操作性、安全性等） ，通過(guò)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)軟件項(xiàng)目開發(fā)實(shí)現(xiàn)了CDIO閉環(huán)。

在項(xiàng)目實(shí)踐中，學(xué)生需要分組進(jìn)行，完成從需求分析、E-R 圖設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、SQL 編程開發(fā)與測(cè)試，到前后端軟件開發(fā)的整個(gè)過(guò)程。通過(guò)這一過(guò)程，學(xué)生不僅能夠加深對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)原理和技術(shù)的理解，還能鍛煉團(tuán)隊(duì)協(xié)作、項(xiàng)目管理和軟件開發(fā)等多方面的能力。

這種項(xiàng)目開發(fā)的實(shí)踐模式（見圖2） 不僅注重理論聯(lián)系實(shí)際，更強(qiáng)調(diào)實(shí)踐能力的實(shí)訓(xùn)，旨在幫助學(xué)生建立系統(tǒng)、全面的數(shù)據(jù)庫(kù)技能體系。

學(xué)生分組的項(xiàng)目開發(fā)需完成相關(guān)文檔及宣講/演示，并對(duì)此項(xiàng)目實(shí)踐進(jìn)行多元化的實(shí)踐成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)維度（見表1） 涵蓋了學(xué)生在實(shí)踐活動(dòng)中所表現(xiàn)出的多個(gè)方面，從而為課程提供全面評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)成果和能力的依據(jù)。

3.3 增加互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)在線判題

為了改進(jìn)課程與互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代業(yè)務(wù)脫節(jié)的問題，在課程中增加了SQL庫(kù)函數(shù)、窗口函數(shù)等理論授課內(nèi)容，并引入了日/月活躍用戶分析、條件推薦系統(tǒng)、留存率計(jì)算、訂單完成率分析、組合條件查詢等互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下的典型數(shù)據(jù)分析編程題目。通過(guò)這些題目的實(shí)踐，學(xué)生可以掌握派生表、子查詢、分組等SELECT 語(yǔ)句的語(yǔ)法，熟練運(yùn)用聚集函數(shù)、庫(kù)函數(shù)、窗口函數(shù)等，從而能夠舉一反三地應(yīng)對(duì)企業(yè)面試和未來(lái)的數(shù)據(jù)開發(fā)/分析工作。

互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)在線判題的引入不僅使學(xué)生能夠更直觀地理解SQL編程在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析中的應(yīng)用，還能通過(guò)實(shí)踐提高他們的數(shù)據(jù)分析和處理能力。同時(shí)，這些題目也反映了當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的實(shí)際需求，有助于學(xué)生更好地適應(yīng)未來(lái)的工作環(huán)境。

3.4 增加互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景理論教學(xué)

為了改進(jìn)課程與互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景應(yīng)用脫節(jié)的問題，在課程中增加了存儲(chǔ)引擎原理、性能瓶頸及調(diào)優(yōu)底層原理、緩存/樂觀鎖/分表技術(shù)在大規(guī)模海量并發(fā)場(chǎng)景中的理解、容災(zāi)/災(zāi)備/數(shù)據(jù)庫(kù)安全在高可用性中的理解等互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景理論教學(xué)內(nèi)容。這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)有助于學(xué)生更深入地理解數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中的應(yīng)用，掌握數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的性能優(yōu)化、并發(fā)控制、數(shù)據(jù)安全和容災(zāi)備份等關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)增加互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景理論教學(xué)，我們不僅能夠提升學(xué)生的理論素養(yǎng)，還能幫助他們更好地理解和應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。同時(shí)，這些理論知識(shí)也是學(xué)生未來(lái)從事數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)工作時(shí)不可或缺的基礎(chǔ)。

4 教學(xué)改革實(shí)施效果

通過(guò)以上教學(xué)改革的實(shí)施，學(xué)生的出勤率、教學(xué)評(píng)價(jià)均有所提高，實(shí)驗(yàn)課上學(xué)生提問更積極，上課時(shí)的精神面貌也有所改善，課堂互動(dòng)增多，學(xué)生項(xiàng)目宣講時(shí)表現(xiàn)出更強(qiáng)的成就感等，這些都佐證了教學(xué)改革產(chǎn)生了積極效果。

基于CDIO理念及貼近產(chǎn)業(yè)的課程教學(xué)改革，相比原有的課程教學(xué)有如下優(yōu)勢(shì)：

1） CDIO理念強(qiáng)調(diào)實(shí)踐教育與理論教育相結(jié)合，以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)。這種教學(xué)模式能夠幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)理論知識(shí)，通過(guò)實(shí)際操作和項(xiàng)目實(shí)踐，提升學(xué)生的實(shí)踐能力和解決問題的能力。

2） 有助于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐，學(xué)生能夠鍛煉團(tuán)隊(duì)合作、溝通協(xié)調(diào)和項(xiàng)目管理等多方面能力，這些能力對(duì)于未來(lái)的職業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。同時(shí)，課程還注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和自主學(xué)習(xí)能力，以適應(yīng)快速變化的技術(shù)環(huán)境。

3） CDIO理念強(qiáng)調(diào)一體化教學(xué)計(jì)劃，將個(gè)人能力、人際能力和對(duì)產(chǎn)品、過(guò)程和系統(tǒng)的構(gòu)建能力融入培養(yǎng)計(jì)劃中。在數(shù)據(jù)庫(kù)課程中，這意味著學(xué)生不僅要掌握數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)本身，還要學(xué)會(huì)如何將這些技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中，解決復(fù)雜工程問題。這種綜合性的培養(yǎng)方式有助于提升學(xué)生的整體工程素質(zhì)。

4） 基于CDIO理念及產(chǎn)學(xué)結(jié)合的數(shù)據(jù)庫(kù)課程教學(xué)還具有靈活性和可擴(kuò)展性。隨著數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的不斷發(fā)展和更新，課程可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，引入新的教學(xué)內(nèi)容和技術(shù)案例，確保學(xué)生始終掌握最前沿的知識(shí)和技能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于CDIO理念，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)課程教學(xué)進(jìn)行了改革，并取得了良好的效果。實(shí)踐證明，CDIO理念能夠有效提升學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)，符合新工科人才培養(yǎng)的目標(biāo)。未來(lái)研究可以進(jìn)一步探索如何將CDIO理念與其他新興技術(shù)相結(jié)合，例如人工智能、大數(shù)據(jù)等，以構(gòu)建更加完善的數(shù)據(jù)庫(kù)課程體系。

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【通聯(lián)編輯：代影】

基金項(xiàng)目：深圳技術(shù)大學(xué)2023 年校級(jí)教學(xué)改革項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：20231013）