基于探究式教学的数据库设计教学方法研究

刘爱红　万常选　吴京慧　廖国琼　刘喜平

摘要：提出“创设情境、设疑激趣，提出问题、分析需求，设计模型、分析论证，反思评价、表达交流”的探究式教学方法；根据数据库设计各个阶段的主要任务，阐述并实践不同阶段相适应的探究式教学方法。

关键词：探究式教学模式；数据库设计；反馈检查；探究创新

0 引言

数据库系统是计算机系统的重要组成部分，是企业、机构、互联网乃至整个信息社会赖以运转的基础。数据库理论与技术教育已成为现代计算机科学和相关学科教育的核心部分。因此，数据库系统原理课程是高校计算机及相关专业的必修课程。该课程要求培养学生具有较强的数据抽象和数据建模能力，即具有较强的数据库设计和应用开发能力。

数据库设计的核心是在不同的抽象级别上通过不同的数据模型对现实世界中应用功能的数据需求进行建模，分析应用功能的数据需求，表达数据及数据之间联系语义、数据操作和数据完整性约束，实现从现实世界到信息世界、信息世界到逻辑机器世界、逻辑机器世界到物理机器世界的逐步转换。这就要求在教学过程中师生积极交流互动，共同探索、共同发展，使学生能够通过自己的知识储备，结合教师的引导，探究和解决学习过程中产生的一系列问题，从而充分发挥学生的主体作用和教师的主导作用。

1 探究式教学模式

靳玉乐在《探究教学的学习与辅导》一书中将探究式教学模式定义为：在探究教学理论的指导下，在探究教学实验经验的基础上，为发展学生的探究能力，培养其科学态度及精神，按卡模式分析等方法建构起来的一种教学活动结构和策略体系。因此，我们可以认为探究式教学在实质上是一种科学模拟性的研究活动。它主要包含两个方面：一是教师作为探究式教学的主导，要为学生设置探究学习的情境，营造探究的氛围，给学生提供必要的帮助和指导，使学生在探究中明确方向；二是学生作为探究式教学的主体，要有真正独立探究的机会和愿望，能明确教师提出的探究目标，掌握探究的正确方法，开拓探究的思路，进而培养学生的创造性思维和创新能力，学会科学学习，为终身学习奠定基础。

为此，教师可以有意识、有步骤、有指导地促进学生独立自主地发现问题、分析问题与解决问题，进而促进学生知识的掌握、能力的发挥、探索与创新能力的培养。探究式学习过程前需要进行有理论指导的假设，在学习实践过程中要进行有逻辑和批判性的思考，促进多元化教育教学目标的最终实现。

2 探究式教学在数据库设计中的实施方案

数据库设计是根据各种应用处理的要求、硬件环境及操作系统的特性等，将现实世界中的数据进行合理组织，并利用已有的数据库管理系统来建立数据库系统的过程。具体地说，是对于一个给定的应用环境，构造出最优的数据库逻辑模式和物理模式，并以此来建立数据库及其应用系统，使之能够有效地存储和管理数据，满足用户的信息要求和处理要求。

在数据库设计教学过程中，我们主要通过“创设情境、设疑激趣，提出问题、分析需求，设计模型、分析论证，反思评价、表达交流”4个环节进行探究式教学方法的探索与实践，并以网上书店系统的数据库设计为例，探讨探究式的教学手段和教学方法。

2.1 创设情境、设疑激趣

数据库设计的第1个阶段是需求分析，教师应创设与数据库设计选题相关的业务情境、问题情境等，把要探究的问题蕴含在各种情境之中。因此，这一阶段采用创设情境、设疑激趣的探究方法，其教学目的是：结合实际业务背景，了解并分析系统功能和业务流程。

这个阶段的教学手段和教学方法具体如下：

（1）利用现实的网络资源导入案例，创设相近的业务情境。将学生分为若干小组，利用课前空余时间分别登录卓越亚马逊网、当当图书、京东商城图书、99网上书城、中国图书网等网站，每个小组实际完成一个网上购书的业务流程。

（2）在实际网上购书的业务情境中，启发各组学生在执行购物的过程中认真分析该系统的主要功能及业务流程。

（3）各小组学生对购书平台的功能进行信息收集、整理和分析，并讨论不同购书平台在系统功能、业务流程等方面的差异。

（4）分析并总结一个网上购书系统的主要业务流程和功能需求。

为了进一步激发学生对数据库设计的兴趣，教师应当结合系统功能启发学生学会巧思设疑。例如，网上购书系统中的书（商品）从哪里来的？如何存放？客户下单后如何完成配送工作？如何跟踪订单状态？订单状态如何变化？

上述探究方法能够为学生设置探究学习的情境，营造探究氛围，充分激发学生学习的兴趣，引导学生带着疑问去分析网上书店的主要业务流程并归纳出所开发系统的具体功能需求。

2.2 提出问题、分析需求

数据库设计第2个阶段的探究方法是通过提出问题，进而分析系统需求。因此，该阶段的教学目的是提出问题并引导学生思考：①业务流程和系统功能的实现要依靠数据需求和业务规则来支持；②不同的业务流程和系统功能，它们的数据需求、业务规则和性能需求也是不一样的。

这个阶段的教学手段和教学方法具体如下：

（1）依托江西财经大学毕博网络教学平台（http：∥bb1.jxufe.cn/webapps/login/），在数据库系统原理课程的教学网站中开设讨论版，教师或学生均可以自由地提出问题或就某个问题进行探讨。

（2）教师可以抛砖引玉，提出学生没有关注或不能发现的问题，以此激发学生发现问题、提出问题的探究意识，如配送单的图书从何而来，配送后如何跟踪订单状态。

（3）引导学生结合业务情境并联系实际需求，探讨更为科学合理的数据需求、业务规则和性能需求。

（4）以订单生成与订单受理业务为例，分析其主要数据需求和业务规则。

（5）当系统功能或业务流程发生变化时，数据需求、业务规则或性能需求等如何修改才能满足这些变化的要求。endprint

上述方法可以引导学生根据系统功能需求和业务流程，分析数据管理的业务规则和约束条件，提升学生独立思考、互相研究的能力，帮助学生在认知、讨论、理解问题的过程中学习并形成自己的知识。

2.3 设计模型、分析论证

数据库设计第3个阶段的探究方法是设计模型、分析论证，教学目的是在分析系统的数据需求、业务规则和约束条件的基础上，学生根据自己对问题的理解和已掌握的知识，提出解决问题的方案，设计概念模型、逻辑模型和物理模型，并通过团队讨论、理论分析、实验验证等方法进行分析论证，提高学生的分析探究能力和模型设计能力。

这个阶段的教学手段和教学方法具体如下：

（1）根据需求分析设计合理的概念模型，主要完成如下任务：

①定义实体集及属性、实体集的主码，用E-R图及数据字典描述被建模的实体集。

②定义联系集及属性、联系集的主码、联系的映射基数及参与约束、实体的角色，用E-R图描述被建模的联系集。

③分析初步E-R图中是否存在依赖约束、多值联系。

④利用扩展E-R特征对对象进行分类及聚合。

（2）设计订单生成业务的概念模型，如图l所示。

该E-R模型存在如下问题：

①当一个会员订购同一图书多次时，会员与图书之间是多值联系，导致主码值不能唯一，这违背了E-R模型关于联系集主码的确定原则。

②可能导致大量数据冗余，如订购业务中由于一次可以购买多种商品，导致订购日期、订单总金额等数据出现冗余。

为了解决这些问题，可以将上述多对多的多值依赖联系抽象为派生实体订单，并建立订单与图书之间、订单与会员之间的联系。为此，我们重新分析概念模型的设计方案，如图2所示。

（3）通过团队讨论、理论分析等不同方法，对概念模型进行进一步的分析论证。

①对照需求分析规格说明书，检查E-R模型，看其是否包含了所有数据、能否满足所有功能需求等。

②分析所建概念模型是否合理？如是否表达了正确的业务处理信息，是否需要一单多送，是否需要图书出库管理。

（4）逻辑模型设计。E-R模型是对现实世界的抽象，若要被关系数据库所接受，必须将E-R模型转化为关系数据库所支持的逻辑模式。

（5）物理模型设计。考虑数据库要支持的负载和应用需求，为逻辑数据库选取一个最适合现实应用的物理结构，主要包括数据存储结构和数据存取路径等。

上述探究方法可以帮助学生重点掌握数据库各种模型设计的一般方法，指出数据库模型设计的优点和不足，并给出改进的方法和措施，从正反两方面帮助学生加深对数据库设计理论的理解和认识，提高数据库分析和设计的能力。

2.4 反思评价、表达交流

数据库设计探究式教学的第4个阶段是反思评价、表达交流，其教学目的是教师安排每个小组对已经设计好的概念模型、逻辑模型、物理模型等进行反思评价。

这个阶段的教学手段和教学方法具体如下：

（1）每一个阶段结束后，组织学生对设计的模型进行自评和互评。即使各阶段设计的模型能够基本包含网上购书系统的功能需求及数据需求、业务规则、数据约束等要求，但经过小组自评和互评，仍然可以进一步发现考虑不够深入、脱离现实需求等问题。这就需要将相关功能进行扩充或修改，以满足现实业务要求。

（2）在自评和互评过程中，教师或学生对设计的模型质疑，设计人员解答，然后进一步探讨。如当数据约束条件不能在E-R模型中完整地表达时，可以考虑用触发器来帮助实现关系的完整性定义。

（3）教师需要对每个小组的设计过程、设计结果、答辩等各个教学环节进行客观公正的评价，及时指出学生在数据库设计过程中出现的问题，并对学生的学习情况作出一个概括性的评价。

上述探究式教学方法可以引导学生对自己的模型设计、理解程度、思维过程等方面自我认识、自我评价以及对自己学习进度自我监控，达到提高学生的表达交流能力，促使学生养成批判性思维的教学效果。

3 数据库设计的反馈检查

由于数据库设计不是一蹴而就的，还需要对数据库设计的各个环节进行反馈检查：一方面，对照前一阶段的要求检查在后一阶段的设计中是否全部实现了；另一方面，通过后一阶段的设计也能发现前一阶段设计工作的不足。因此，数据库设计是一个反复的过程，结合探究式教学实施的4个阶段和数据库设计的反馈检查工作，构造基于探究式教学模式的整个数据库设计教学实施流程，如图3所示。

图3中，实线部分表示探究式教学实施的各个阶段及每个阶段数据库设计的主要任务；虚线部分表示各个阶段可能出现的反馈检查任务。主要反馈检查任务包括：当系统功能或业务流程发生变化时，数据需求、业务需求和性能需求都可能发生变化；若数据需求和业务规则发生变化，则概念模型、逻辑模型、物理模型也应作相应修改；当然，概念设计的不同也同样会导致逻辑设计和物理设计的变化。总之，在数据库设计的各个阶段及其各项设计步骤中都可能根据实际应用功能和需求的变化经过不断的反思评价和反馈检查得到进一步的改进和完善。

3.1 系统功能、业务流程的改变

网上书店系统的系统功能因实际应用需求的变化，可能导致业务流程也必须相应改变，从而使数据需求、业务规则和性能需求也要相应改变。

例如，业务处理中关于订单配送的流程变为：会员可以根据需要将一个订单进行拆分配送，或根据所订购图书的库存情况而选择自动拆分配送，即一个订单可以有多个配送单来完成图书配送业务。那么，主要业务流程应增加配送设置与图书配送业务，系统功能部分可以增加配送管理功能和配送公司管理功能。因此，数据需求和业务规则也应相应改变为：

①会员在生成订单后需要进一步进行配送设置，包括填写配送信息，定义配送明细，同时还需要选择如果一个配送单中的所有图书不是同时有货，是否需要自动拆送。endprint

②每张配送单要求记录下列信息：配送单号、配送日期、是否拆送、发票编号、配送状态、配送信息（收货人、送货地址、邮政编码、联系电话等）和配送明细（ISBN、书名、配送数量等）。

③配送状态用于记录该配送单的当前配送状态：未发货、已发货、已送到等。订单中的订单状态记录了该订单的当前处理情况：未审核、退回、已审核、已部分配送、已全部配送、已处理结束等。

④订单明细的配送状态记录了该图书的当前配送情况：未配送、已部分配送、已全部配送等。

⑤当订单中的某种图书全部送到后，要更新该图书的配送状态为“已全部送到”。当订单内全部图书的配送状态为“已全部送到”时，则更新该订单的订单状态为“已处理结束”。

⑥一个配送单只能由一个配送公司进行配送（不同配送单可以由不同配送公司配送）；一个配送公司可以承接多次配送业务。

3.2 数据需求、业务规则的改变

南于支持系统功能和业务流程的数据需求、业务规则发生变化，其对应的概念模型也可能改变，从而逻辑模型、物理模型会相应变化：

①伴随着配送设置会生成配送单和配送明细。

②配送单是依附于订单的，可将配送单建模为订单的弱实体集，属性有配送单号、收货人、送货地址、邮政编码、联系电话、发票编号、是否拆送等，配送单号为部分码，是否拆送为新增属性。

③订单实体集与配送单弱实体集之间存在一对多的包含标识联系集。

④配送单弱实体集与图书实体集之间存在多对多的图书配送（即配送明细）联系集，联系属性有配送数量。

⑤在配送单弱实体集与职员实体集之间存在多对一的分派联系集；在配送单弱实体集与配送公司实体集之间存在多对一的配送联系集，联系属性有配送日期、配送状态。

实践表明，采用探究式教学模式的教学效果较以前有很大的改进。学生通过基于探究式教学的数据库设计学习，获得了极大的成就感和数据库应用系统设计与开发的信心。在反思评价及反馈检查过程中，很多学生感觉学习印象深刻、收获很大，尤其是教师对不同概念模型的设计与分析论证方法，让学生从不同角度深刻理解了数据库设计的基本原则和方法，从而加深了学生对抽象理论的理解和认识，提高了数据库分析和设计的能力。

4 结语

在实际教学过程中，教师应利用现代信息技术设置各种情景，精心设计有助于学生开拓思维能力的导学问题，采用启发式、讨论式、参与式等多种教学方法引导学生的学习和探究，在设疑、启发、讨论和反思过程中逐步培养学生探究创新的意识和能力。

参考文献：

[1]靳玉乐探究教学的学习与辅导[M].北京：中国人事出版社，2002：24-25.

[2]贾娟.浅析探究式学习对于提升高校美术教学效果的重要意义[J].教学研究，2011（8）：60.

[3]万常选，廖国琼，吴京慧，等.数据库系统原理与设计[M].2版.北京：清华大学出版社，2012：182-185.

[4]万常选，廖国琼，刘喜平，等.依赖约束与多值联系的E-R建模方法[J].计算机教育，2012（22）：76-82.

[5]吴京慧，刘爱红，廖国琼，等.数据库系统原理与设计实验教程[M].2版.北京：清华大学出版社，2012：127-130.

（见习编辑：刘丽丽；编辑：郭田珍）endprint