数据库系统原理研究型教学模式探索

　　摘要：提出将数据库原理课程的内容模块化，根据模块的特点设计问题情景和研究型课程训练载体，采用以问题为导向的主动式学习方式来激发学生的思维和兴趣，辅以多元化的课程训练环节和面向过程的学习效果评价体系，帮助学生由被动接受者向自主学习者进行转变，从而培养学生的创新能力和综合素质。
　　关键词：研究型教学模式；数据库系统原理；内容模块化；课程训练载体；学习效果评价体系
　　基金项目：北京市重点学科共建项目计算机应用技术(XK100040519)。
　　
　　教育部在《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》中指出：“积极推动研究性教学，提高大学生的创新能力”。由于计算机科学的飞速发展，在高等院校特别是具有研究特征的高等院校计算机专业探讨和实践研究型和创新性人才的培养方法与有效途径就显得尤为迫切。为此，中国计算机专业教学指导委员会也在《高等学校计算机科学与技术专业发展战略研究报告暨专业规范》中专门强调了研究性教学和创新能力的培养问题。
　　目前，数据库系统原理课程不仅是计算机专业的核心课程，也已成为非计算机专业的必修课或选修课。随着计算机科学的发展，数据库技术在理论上不断得到创新，这就要求教学方法也要不断改革。传统的以老师为主导的讲授方法不利于学生建立对数据库课程的兴趣，进而影响学生对数据库系统知识的掌握和实践能力的提高。研究型教学模式对于培养学生的创新能力、主动学习能力和团队协作能力，以及提高学生的综合素质，有着积极的意义，因此成为了当前教育教学研究的热点之一。如何将这一模式有效地应用于数据库系统原理课程的教学之中，仍是一个值得引起关注和深入研究的问题。
　　我们在数据库系统原理课程的理论和实践教学中进行了研究型教学的尝试，首先将课程的内容模块化，根据模块的特点设计问题情景和研究型课程训练载体，用以问题为导向的主动式学习方式来激发学生的思维和兴趣，辅以多元化的课程训练环节和面向过程的学习效果评价体系，目的是使学生在主动探索求
　　
　　知的学习过程中，将外在知识转化为内在经验，从而增进学生的思考、分析和创新能力。
　　1教学内容模块化
　　美国教育心理学家和教育改革家布鲁纳在他的教学过程提出了学科基本结构的观点，强调掌握学科基本结构的重要性。我们通过将课程的内容模块化帮助学生掌握教材全貌，同时根据模块的不同特点设计问题情景和研究型课程训练载体。
　　数据库系统原理课程的内容涵盖数据库系统的基本概念、基本原理和基本技术[1-3]，我们将其主要内容分成12章、3个模块(关系模型、数据库设计与应用、数据库管理系统)进行讲述，如图1所示。
　　第一章是绪论，主要介绍数据库技术的发展历程和一些基本概念，为进一步学习奠定基础；第二章至第五章属于关系模型模块(下简称模块1)，通过讲授模型的三个要素(数据结构、数据操作、完整性约束)让学生建立扎实的关系数据库理论基础；第六章至第八章属于数据库设计与应用模块(下简称模块2)，通过讲授关系数据库规范化理论、数据库设计和编程方法，使学生掌握现代信息系统中数据库的设计和开发技术；第九章至第十一章属于数据库管理系统模块(下简称模块3)，通过讲授查询处理与查询优化、事务管理与数据保护，使学生掌握数据库管理系统的实现技术；第十二章是数据库新技术，通过介绍分布式数据库、XML数据库、数据仓库与联机分析处理等，使学生简单了解目前数据库发展的前沿技术。
　　图1课程总体框架
　　
　　2多元化的课程训练环节
　　课程训练载体是运用以问题为导向的研究性教学方法的实现手段，不同的课程内容将使用不同形式的训练载体以完成研究性教学目标。针对不同的模块，需要建立形式多样的课程训练环节。对于系统实
　　
　　现模块，讨论和撰写研究报告是实施研究型教学的重要手段；同时，研究型教学不能轻视实践技能的培养和训练，原先的实验模式已经不能满足培养创新性人才的需要，要按基础验证性实验、设计性实验和探索性实验等多个层次来分别设计。
　　针对数据库系统原理教学内容的特点，以及该课程理论联系实际的原则，我们安排了课堂讨论、专题研究、多层次的实验教学作为研究性教学的训练载体。其中，课堂讨论是一种多通道的知识信息传递交换，讨论式教学既要输出知识信息，又要从一个立体式的环境中输入更多的知识信息，这些信息都是属于探究性的，需要通过思维活动，对知识信息进行分析、综合、抽象、概括等一系列的“加工整理”，达到丰富知识、弄懂存疑的目的。专题研究要求学生课后围绕给定的专题收集和阅读相关资料，尝试对问题从广度和深度两个方面作相关的研究，该项训练不仅能培养学生的自主学习能力，而且能培养学生独立思考能力、综合分析能力和规范地撰写科研报告的能力。数据库原理课程是一门实践性较强的课程，实验是必不可少的。对于验证性实验，教师对学生的要求不仅是用实验验证原理，而且要研究有关问题，鼓励学生自己提出问题，并通过实验验证；对于设计性实验，重在培养学生搜集资料、实际解决问题、论文写作和团队协作等综合素质；而对于探索性实验，主要配合专题报告开展，着重培养学生自主学习能力和创新能力。
　　各种训练载体的组织形式不同。教师可在第一次上课时布置分组，每组由3～4位同学组成，设组长1名，学期内所有需要分组实施的训练载体(课堂讨论、专题研究、设计性实验)均采用同样的组员构成。
　　2.1课堂讨论
　　课堂讨论主要围绕模块3展开，模块3重点介绍数据库管理系统的实现原理，我们通过有效的训练载体培养学生发现问题、定义和解决问题，最后对解决方案评价论证的能力。讨论题的设计试图还原历史上的研究过程，逐步训练学生掌握研究问题的方法。讨论题分为以下两类：
　　第一类讨论题帮助学生在综合分析已学知识的基础上，学会发现问题，并进一步探讨如何解决问题的方法。例如：关系模型与层次和网状模型相比，最大的区别在哪里？这样的区别会带来怎样的好处？同时会产生怎样的问题？如何解决该问题？该讨论题旨在引导学生在体会关系模型好处的同时，发现关系模型带来的问题，即效率低下，从而引出对查询优化手段和方法的研究与学习。
　　第二类讨论题帮助学生在学习基本原理或实现技术的基础上，进一步发现问题，并提出改进的方法，使问题的解决方案更加完善。例如：如何达到数据库可靠性和高效率的平衡？该讨论题的目的是在学生学习了基本的恢复实现技术后，在进一步发现效率问题的基础上提出改进方案，为引出具有检查点的恢复技术和数据库镜像埋下伏笔。又如：如何达到系统并发度和并发控制的开销之间的平衡？该讨论题引导学生考虑封锁的粒度，通过在学习封锁和并发控制的基础上进一步思考问题，综合已学知识提出可行的方案。
　　为保证讨论效果，教师会在前一节课把讨论题布置给学生，同时，把需要阅读的资料提示学生。学生可预先阅读相关资料，进行一些思考，做好讨论准备。课堂讨论分组进行，由组长记录各方意见，并归纳总结。教师可随机参与讨论，并在讨论中正确地引导、提问以及产生自己的见解。讨论结束后，采用学生自愿与教师随机抽查的方式选取俩组学生，由组长报告讨论结果，其余学生可提问。教师点评是讨论课的重要环节，点评的意义在于一方面教会学生怎样从讨论的内容中，总结出有价值的规律或结论；另一方面便于引出后续的学习内容。
　　2.2专题研究
　　数据库系统原理课程的专题研究针对模块设计，着重训练学生综合运用知识分析和解决问题的能力。针对模块1和模块3，我们设计了关系模型实现、数据库性能调优两个专题。这两个专题以模型为主线，将从模型的三要素到深入数据库管理系统内部实现的递进性目标作为研究报告目标，引导学生通过完成研究专题，掌握规范的研究问题的方法。
　　
　　关系模型实现专题的研究目标是探究数据库管理系统对关系模型的实现方案，要求学生在学习模块1的基础上，选择一个主流的商品化数据库管理系统，探究该数据库管理系统对关系模型的三大要素(数据结构、数据操作和完整性约束)的实现方法，并与课本所学知识做比较。学生需要按小组提交规范的研究报告，报告中需要阐明所选择商品化数据库管理系统的发展历程及特点，讨论该数据库管理系统在关系模型的数据结构、数据操作和完整性约束的实现方面的特点，并比较与课本所学知识的不同之处。
　　数据库性能调优专题的研究目标是研究数据库管理系统的SQL调优方法，要求学生在学习模块3的基础上，按研究性学习指导书的提示查阅资料，自主学习SQL调优的有关知识，并选择一个主流的商品化数据库管理系统，在完成必要的实验的基础上，研究该数据库管理系统的SQL调优方法。学生需要按小组提交规范的研究报告，报告中需要阐明与数据库管理系统性能有关的因素，给出所选择的商品化数据库管理系统的SQL调优的原则，并分析SQL调优与DBMS查询优化器的关系。
　　专题研究分以下几步进行：
　　1) 研究专题的下达。讲完相应知识点之后，教师布置相关的研究专题，同时提供给学生相应的学习资料和具体要求。学习资料包括研究性学习指导书、相关的搜索路径，具体要求有论文格式和评分标准。
　　2) 学生进行课外学习。小组在研究专题下达的3日内确定组内各成员的分工，按照分工展开研究和讨论。遇到小组研究中无法解决的问题，可及时与教师沟通。小组最终需提交规范的研究报告，并注明每位成员在报告中所做的工作。
　　最后是成果展示和教师点评。采用学生自愿与教师随机抽查的方式选取2～3组学生展示研究成果。由组长报告研究结果，其他小组的学生可提问。每组学生报告完毕，教师必须点评。对正确的论点要予以肯定，必要时可以引导到更深的层次。对争论的问题，学术界有结论的，教师应介绍有关的结论，对于无结论的，教师可阐明自己的观点供学生参考，或指导学生查阅有关参考文献等。
　　2.3多层次的研究型实验教学
　　研究型教学不能轻视实践技能的培养和训练，研究型的实验教学应该从问题出发，激发学生通过动手实验探究问题的热情，同时鼓励学生对问题提出多种解决方案，并对各种方案进行评价和比较[6]。我院的研究型实验教学按基础验证性实验、设计性实验和探索性实验三个层次分别设计。
　　基础验证性实验主要针对模块1和模块3设计，不同于传统的实验模式，教师对学生的要求不仅局限于用实验验证原理，而且要研究有关问题，实现对知识的拓展。除研究性学习指导书给出的需要探究的问题外，特别鼓励学生自己提出问题，并通过实验验证。
　　设计性实验针对模块2设计，训练目的是让同学们对数据库设计的全过程有整体的认识，并提高学生搜集资料、解决实际问题、论文写作和团队协作等综合素质。在设计性实验的实施过程中，若干同学组成开发小组，每位同学承担不同的角色(如系统分析员、系统设计员、系统开发员、系统测试员等)，协作完成一个小型信息系统的开发，使学生深入理解数据库设计的基本方法、步骤和数据库设计各阶段的任务，掌握数据库应用系统分析、设计与实现的方法和相关技术。设计性实验的成果需要以小组为单位展示，展示过程中允许其他同学和老师提问。
　　探索性实验针对模块3设计，该实验配合数据库性能调优专题，要求学生在查阅资料、自主学习SQL调优相关知识的基础上，设计实验方案验证SQL调优规则，并鼓励学生提出新的SQL调优规则或发现已有规则存在的问题(如在不同的数据量或索引情况下执行代价不同等)。探索性实验的成果展示随专题报告进行。
　　3以科研项目驱动研究性学习
　　研究性学习需要应用的驱动，科研项目是课堂研究性教学活动的延伸。以项目驱动研究，以研究带动教学，科研活动能够培养学生的研究型思维、创新意识和实践动手能力[4-5]。
　　我们通过开展大学生创新活动，让部分学生参加到教师的科研项目中。这些项目在用到已学知识的同时，也会让学生面临新的挑战，他们必须学习以科学研究的方式主动搜集信息，获取知识，应用知识，最后解决问题的方法，该过程是一种独创性学习活动，可以激发学生研究性学习的兴趣。
　　与此同时，科研项目对研究型教学的开展也能起到积极的推动作用。在完成项目的过程中，教师需要学习新的前沿知识和技术，一方面可以丰富课堂教学，另一方面还可以从项目中抽取新的案例用于研究型教学。
　　4基于过程的学习效果评价体系
　　传统的以学生考试成绩为主的评价机制并不适用于研究型教学模式，研究型教学模式应侧重对过程的考核。
　　为配合研究型教学，北京交通大学对主干课程的学时进行了弹性化处理。以数据库系统原理课程为例，课程原本64学时，但实际安排80学时，其中的16学时是专为配合研究型教学设置的。我们将这些学时用于开展学术讨论、专题报告辅导、探索性实验的方案讨论、学生成果展示及教师点评。
　　在考核方式上，我们将期末考试成绩在最终成绩中的比例降至50%，另外50%用于对过程进行考核(各部分所占的比例见表1)。其中，研究报告和实验报告有详细的评分标准，期末考试采用开卷的方式，考题比较灵活，需要学生在理解的基础上解答问题。
　　
　　表1课程学习效果评价体系
　　研究型教学是当前教育教学研究的热点问题。我们对数据库系统原理课程进行了研究型教学的探索与实践，在对课程内容模块化的基础上，设计多元化的课程训练环节和面向过程的学习效果评价体系，用以问题为导向的主动式学习方式来激发学生的思维和兴趣，从而增强学生的思考能力、分析能力和创新能力。未来工作的重点在于进一步调动学生对研究性学习的积极性，充分发挥他们的主观能动性，最终提高人才培养质量。
　　
　　参考文献：
　　[1] 教育部高等学校计算机科学与技术专业教学指导分委员会. 高等学校计算机科学与技术专业发展战略研究报告暨专业规范(试行)[M]. 北京:高等教育