“案例分解讲演、项目实践驱动”为核心的数据库系统原理课程教学改革

2018-12-11胡海洋李忠金

教育教学论坛 2018年50期

胡海洋　李忠金

摘要：随着大数据时代的到来，数据库系统原理课程对于学生掌握数据理论和技术的重要作用更加凸显。本文从该课程当前教学所存在的困境出发，研究与实施了基于“案例分解课堂讲演、项目任务实践开发”为核心的教学模式。该模式从课时分配、课堂授课、实验教学、课外作业、课程考试与评价等方面对传统的课程教学实施改革，本文给出了具体的实施方案。最后通过实际的教学效果对比，表明该教学模式可有效提高学生对课程基础理论的掌握，并加强学生灵活运用所学基础知识、提升对数据库系统的使用和开发能力。

关键词：数据库系统原理；课程教学改革；案例分解讲演；项目实践驱动

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）50-0064-05

一、背景

数据库系统原理是计算机专业的专业必修课，其教学目标是向学生介绍数据库系统的基本概念及其构成，使学生掌握基本的关系数据库理论和典型关系数据语言的编程，并结合具体的数据库系統，介绍数据库保护的有关概念及其实现手段，为学生进行数据库设计及使用大型数据库管理系统打下较扎实的理论基础[1，2]。数据库系统原理既是计算机学科各个专业的专业必修课，也是数据库和软件工程课程组中的第一门基础课程。随着大数据时代的到来，数据库系统原理课程对于学生掌握数据理论和技术的重要作用更加凸显。有效提升数据库系统原理课程的教学质量，帮助学生掌握与运用所学的基础理论在实际应用系统中的开发实践与使用[3]，可以为学生后续专业课程学习以及工作奠定信息技术基础，也为我校“电子信息特色突出”的人才培养这一目标的实现提供保证。

近年来，数据库系统原理课程面临的形势不断发生着变化，对课程教学提出了一些新的要求：一方面，数据库技术的快速发展、及社会的广泛需求，使得学生需要对数据库的理论和实践技术都需要有综合的了解；另一方面，目前数据库系统原理课程的讲解仍以介绍理论知识点为主，并且各知识点分散在各小节，学生缺乏对数据库理论与技术的宏观掌握和综合认知。在这样的背景下，研究构建“教师为主导，学生为主体”的合作探讨式教学模式，提高学生对课程基础理论的掌握，加强学生灵活运用所学基础知识的水平，提升对数据库系统的使用、开发和创新能力，成为数据库系统原理课程课堂教学改革的方向。

本文的第2节阐述数据库系统原理这门课当前在教学过程中所存在的问题；第3节讨论了“案例分解课堂讲演、项目任务实践驱动”的教学模式；第4节从课时分配、课堂授课环节、实验教学环节、课外作业环节、课程考试与评价等方面探讨了具体的教学改革实施方案；第5节通过具体的数据分析，讨论了实施教学改革后教学质量、以及学生的学习效果情况，验证了所提方案的有效性。

二、存在问题

当前数据库系统原理教学存在着诸多问题和挑战，主要体现在以下几方面。

1.知识点分散，缺乏连贯。所讲解的原理知识点，穿插在各章节，较为零碎[2，3]，各章节知识点的出现先后顺序并不符合数据库系统开发的生命周期，并且各知识的举例比较简单、抽象化，距离实际的数据库系统应用还有一定的差距；此外，课本各章节很少使用统一的数据，甚至为了讲解方便，隐去一些关联数据，简化问题举例。学生学习时感觉知识点多且不好记，造成学生仅仅能掌握单独的知识点，而无法从系统开发与应用层面将多个知识点融合起来，加以灵活地使用。

2.过于侧重理论，知识实际应用场景缺失。课程讲解时，教师大多按照课本的章节目录进行编排教学大纲和授课计划。然而，由于数据库系统原理这门教材的编排特点，其中基础理论较多，系统开发与应用占较小部分，而且书本知识点的安排顺序也不符合数据库系统的实际设计与开发流程[4，5]，各个知识点之间的出现先后关系仅仅按照章节进行划分，这样虽然有助于降低学生理解、学习的难度，但是没有体现出数据库系统设计与开发的整个生命周期中各知识点的内在逻辑关系。实际教学中，教师觉得教学时间不够，学生学习时感觉内容不连贯、学习不透。

3.自主学习的氛围不足。对数据库系统的编程与开发能力的提高仅靠课内是远远不够的，需要引导学生根据自己的学习情况在课外进行自主学习、动手实践，才能到达提升实践与创新能力的目的。目前的现状是教师对学生自主学习缺乏必要的引导，学生自主学习的氛围欠缺、自主学习的资源严重匮乏[6，7]。许多学生对课程学习缺乏兴趣，很少在课外主动进行数据库系统开发与编程训练。构建课内外紧密结合的教学模式，有效提高学生对课程基础理论的掌握，加强学生灵活运用所学基础知识的水平，对于提高数据库系统原理课程的教学效果尤为重要。

4.实验教学成为薄弱环节。数据库是一门理论与实践并重的学科。但长期以来，实验教学主要考查学生是否掌握以SQL查询语言为主的基础理论知识，知识点较为细碎。学生学习后，仅能知道SQL语法的特点，却并不能从数据库系统整体的创建、运行、维护、应用开发等全生命周期的角度来深入掌握SQL语言的综合应用，无法进行持续、深入地学习数据库基础理论知识及其在新时期大数据时代的实践与应用能力，这些成为数据库系统原理教学的薄弱环节。

5.考核评价手段较为陈旧[3]。数据库系统原理课程的考核需要能客观、准确评价学生的综合能力，以考核为手段、以提高能力作为目标，全面促进学生的自我学习能力和综合素质的提升。目前这门课的考核评价方式仍以书面作业成绩+期末试卷成绩作为总评成绩的构成，这样的考核方式过于侧重对理论知识的考核，而忽视了学生对数据库系统应用与开发的实际问题的解决。

针对上述问题，本文以课程教学的实际案例分解讲演、实验教学的综合项目任务开发为核心，从课堂授课、实验教学、自主评价、考核评价等环节推进数据库系统原理课程教学模式的改革。

三、教学改革内容

本文的目标是根据数据库系统原理课程的特点和面临的问题，研究与实施以“案例分解课堂讲演、项目任务实践开发”为核心的，以教师为主导、学生做主体的教学模式，激发学生学习的兴趣和热情，提高学生实践和创新水平，具体教学改革内容包括以下三个方面。

1.在课堂授课环节，选择和课程内容紧密相关的实际项目案例。我们首先对教材中各章节的知识点进行梳理，定位各个知识点在数据库系统开发生命周期中的位置，然后按照教材中每个章节知识点进行分解讲演，构建学生主动、师生互动的课堂氛围。以现实的项目开发案例为基础，将课本各个章节内容所包含的知识点、各项能力要求以及每个能力点所包含的知识点都要在案例中有所体现。教师为主导设计问题，并构建出一定的应用情境，学生对问题进行分析和研究。教师鼓励学生积极查阅资料，参与讨论，提出解决问题的方案，从而强化学生对所学理论知识的理解，并提高他们运用所学知识分析和解决实际问题的能力。

2.在实验教学环节，实施以项目为主线、系统开发与文档撰写齐头并进的组织方式。在实验教学的过程中，围绕共同的项目任务，学生组成团队形式，并依据数据库系统的开发流程，通过对学习知识点积极地、主动地应用，进行主动探索和技术研究，并在完成既定任务的同时，进行深入地学习与思考。在这一过程中，充分發挥学生的自主能动性，激发他们的求知欲望。我们还将重要知识点以及易错点融入项目实验任务，在注重实用性的同时兼顾趣味性，吸引学生主动探究学习，并且通过云平台虚拟机的创建，鼓励学生掌握多种商用数据库的使用技术。

3.在课外作业的评价环节，推进“基于在线平台，全面机试”的自主训练方式。充分利用HDU.CJUDGE.NET的平台优势，以在线作业的方式来组织、实施、评价课外教学[8，9]，引导学生课外在平台上多进行SQL语言的编程。这样既可以激发学生自主编程、测试的兴趣，提升SQL语言的使用能力，又可以更客观地评价学生对SQL语言的编程能力，同时引导学生注重平时的编程训练，从应试走向应用。充分利用HDU-Cloud云平台的特点，通过平台虚拟机的创建，鼓励学生尝试对多类操作系统下、多种商用数据库的安装与调试。

四、改革方案

根据上述改革目标和改革内容，本文从课时分配、课堂授课环节、实验教学环节、课外作业环节、课程考试与评价等方面实施改革。

（一）课时分配

课时分配上，从“13∶3”向“9∶4∶3∶X”转变，体现将案例讨论融于课堂教学、将项目任务贯穿于实验的理念。拟将长期以来实施的13周课堂理论教学、3周机房实验教学模式，调整为在课堂理论教学周，每周2学时进行基础理论讲授、1学时进行案例讲解讨论，3个实验教学周安排在机房进行项目任务的设计、实践与讨论。“X”则表示我们将传统的实验教学（例如对商业数据库的熟悉、SQL语言编程）与平时作业安排在HDU.CJUDGE.NET、HDU-Cloud的在线平台上，并由教师在线点评、服务器系统客观评价。这样既方便学生利用课余时间随时登录平台完成作业，又可以实时掌握每个学生实验中出现的问题，讨论与拓展有针对性。这一安排的优势在于将教学内容的学习、练习、实践三个阶段在课堂上结合起来，以增强学生的学习兴趣和学习效率，从而提高课程的教学质量。

（二）授课环节

在课堂授课环节强化案例精讲，强调互动性、循序渐进性。强化案例精讲主要落实在突出主题的选择、知识点的覆盖，我们将选择和课程内容紧密相关的案例。首先，我们先梳理课程各个章节内容所包含知识点，以及各个知识点在数据库系统开发的生命周期中所处位置如下。

我们在选择案例时，需要将每个知识点都在案例中有所体现，案例中涉及的知识点要能涵盖教材中各章节的大部分内容。考虑到学生的能力水平参差不齐，及绝大多数学生的认知程度，所选取的案例应该难度适宜，这样才能调动学生独立解决问题的积极性和能力。

这些案例主要包括如下部分。

1.数据库设计原则，包含：（1）规范命名；（2）控制字段的引用；（3）库表重复控制；（4）并发控制；（5）必要的讨论；（6）数据小组的审核；（7）头文件处理。

2.数据库设计技巧，包含：（1）分类拆分数据量大的表；（2）索引设计；（3）数据操作的优化。

3.数据库设计过程，包含：（1）需求分析阶段；

（2）概念设计阶段；（3）逻辑设计阶段；（4）物理设计阶段；（5）实施阶段；（6）运行与维护阶段。

这些案例所覆盖数据库系统原理这门课的相关知识点如下。

此外，我们在设计案例时，贴近实际问题，结合课堂所需专业知识，使得案例具有一定趣味型。对每个实例，设计、规划若干个子问题，上课时首先让学生学习课本的基础知识，然后让他们在课堂思考如何排除这些问题，这样让学生主动思考、探索相应的解决方法，使得他们更能主动地投入到学习过程中。

（三）实验环节

本文构建了基于“任务为驱动，教师为主导，学生为主体”方法的合作探究式实验教学模式。围绕实际软件开发的流程，我们采用“以项目任务为主线，系统开发与文档撰写齐头并进”的方式为学生提供实际项目开发感受，提供创建一个数据库应用程序开发、理论联系实践的途径，使学生掌握关系数据库设计、开发与运行的具体步骤和方法，能够与目前主流程序设计语言的结合使用，对数据库技术及应用有一个全周期的理解、学习。具体而言，在实践过程中，我们选用目前流行“B/S”架构，即系统架构由客户机、应用服务器及数据库服务器三部分组成，在客户机和数据库服务器之间增加了一个应用服务器（也称为Web服务器的中间层）。学生在开发系统时，我们按照数据库系统的开发流程，项目分解为多个可独立完成的任务，即让学生依次完成需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计、物理结构设计和系统实现与维护这5个方面的任务。学生自己可合作探讨解决问题的一系列解决措施和方法，并在此过程中依次完成四个开发文档包括：需求规格、概要设计、详细设计、用户手册。最后验收时，将分别检查系统的开发情况、及文档的撰写情况，这样使得学生可以对原来课程内容进行深入学习，增加理论知识的实际应用能力。

具体而言，在实验环节中，我们让学生按照如下要求進行实验。

1.开发工具：首先，各自选择合适的开发环境完成课题，深入了解数据的组织、存储、处理逻辑及数据的显示。然后在完成课题的过程中去体会数据是如何组织和存储的，数据是如何显示的，数据的处理逻辑是什么。在此体会的基础上，根据自己的知识背景以及语言的特点进行选择，目的就是为了能够尽快地开发出界面美观、运行速度可行的系统。

2.实验验收基本要求：（1）完成各个课题陈述中提到的所有需求功能；（2）要求写出相应的四个文档：需求规格、概要设计、详细设计、用户手册；（3）用户界面设计：界面友好，操作简单；（4）文档和代码要体现组内的分工（是组内各个同学的给分依据之一）；（5）各个课题中的数据录入量是后续工作的基础，是考查此次实践课程的工作量主要依据之一，也是给分的主要依据之一。

3.文档内容及格式：为了大家日后能够更加顺利、快速地完成毕业论文，此次实习报告的格式要求各级标题、字体、行间距、参考文献的格式都需要符合杭州电子科技大学计算机学院对有关毕业设计论文的要求。

4.评分标准：系统验收50%+报告文档50%

（四）作业环节

在平时作业的布置与评价环节，实行“在线布置，全面机试”，引导学生在课外自主训练。目前，我们使用了数据库原理在线练习系统：http：//hdu.cjudge.net，建立以“自主训练、实时反馈”为特征的层次化作业环境，从易到难，设置难度逐步递增的题库，以适应学生不同阶段的学习要求。学生的每一次作业都在线提交，系统服务器端对提交的作业自动评判、实时反馈、记载成绩、统计对比，从而使得教师能快速发现学生理解、掌握理论知识的程度，并能及时反馈学生学习中的问题，提高课后作业的效率。如图1、图2所示，图1给出了学生解答作业的界面，图2给出了教师评阅课程作业的界面。

我们还依托HDU—Cloud云平台，为学生创建多虚拟机，鼓励学生在虚拟机下构建Ubuntu、Windows 10等多种操作系统环境，并在里面安装、调试多种商用数据库，从而全面提升对商用数据库的使用知识。

（五）考核与评价环节

在考核与评价环节，本文实行多视角方式，学生最终取得的成绩包含平时和期终成绩。学生平时成绩的构成除了每一次在线提交的上机作业外，还包括学生对多种商用数据库的安装与调试报告以及由基于工程项目的大实验作业构成，这样的大实验作业除了提交完整的文档外，还需演示系统的实际运行情况。各部分的权重分别为15%、15%、30%和40%（期末考试的卷面成绩），使得学生必须通过多训练，多实践，真正熟悉数据库系统的各个环节。

此外，我们将在数据库系统原理的课程教学的同时，在课堂上通过手机无线上网，安排几次快速的知识测试，即可在http：//hdu.cjudge.net平台上布置测试作业，学生规定期限内完成作业、在线提交，系统服务器端对提交的作业自动评判、实时反馈，并按照一定规则根据完成情况对学生进行排名，这样可提高学生的学习兴趣。

五、学生学习效果及对比

实施课堂教学改革以来，我们对学生的学习效果对比分析及课程目标达成度评价形成如下的统计表：

我们将开展课堂教学模式改革前的2015—2016学年第1学期和开展课堂教学模式改革后的2016—2017学年第2学期学生的期末考试试卷成绩进行对比如下：从图3、图4的试卷成绩分类统计中可看出，学生平均成绩、优良人数比例均得到了大幅提升。

通过分析、对比，可以得出如下的结论。

1.对于考核数据库系统的基本概念、基本原理的题目，前后两班的学生的得分率没有明显变化，可见实施前后学生对基本概念均有良好的理解。

2.关系代数计算题和编程题，实施课程改革后这个班学生得分率较高，掌握较好；分析作图题，考核学生对现实世界的数据抽象能力、数据库系统的分析、设计及运用的能力，从学生答题情况显示，实施课程改革后这个班级的得分率88%左右，这部分内容掌握得到了较好的提高。

3.应用题主要考察关系规范化理论、数据完整性的灵活判断、SQL的编程改错题，课程改革前这个班级的学生对这部分内容掌握比较欠缺，平时掌握的分析与设计方法不会灵活运用；而实施课程改革后，这个班的学生掌握情况提升了不少。

依据以上分析，我们需要在教学过程中注意培养学生分析问题的能力、善于思考的能力，可以以项目、案例为基础，帮助学生学会分析不同的问题，加强师生之间以及学生之间的交流，不能仅仅死板地做题。因此，通过本文所提的课堂教学模式改革方案，使得这一方面大大增强。

参考文献：

[1]牛新症，赵明，张凤荔.《数据库原理及应用》的多层次系统化实验教学研究[J].实验科学与技术，2013，11（6）：289-293.

[2]宁黎华，陈光喜.数据库原理实验教学改革研究——以桂林电子科技大学信息与计算科学专业为例[J].计算机教育，2014，16（1）：60-63.

[3]马力，时念云.基于“541”模式的数据库原理课程考试改革[J].计算机教育，2015，16（2）：36-39.