“数据库原理”教材改革研究

2019-12-30孟凡荣闫秋艳

煤炭高等教育 2019年3期

孟凡荣，闫秋艳，袁冠，徐慧

一、前言

数据库技术代表数据管理技术的最高发展水平，从20个世纪60年代开始，先后经历了三个发展阶段：一是初期的层次、网状数据库在个别领域的应用；二是关系数据库对市场的垄断，三是各种类型数据库形式的百花齐放。数据库技术一路。伴随21世纪初数据获取方式的历史性变革，大数据为数据库技术的发展带来了前所未有的机遇和挑战[1-2]。同时，根据人才培养和专业发展的需要，中国矿业大学计算机学院于2017年展开计算机科学与技术专业的工程教育专业认证工作，并依据工程教育专业认证的要求对计算机科学与技术专业培养方案进行了全面的改革，对课程建设目标和教材建设内容都提出了新的要求[3-4]。在上述背景下，如何从适应技术发展的具体问题出发，发现大数据时代数据库课程存在的共性问题；同时从人才培养及专业发展的角度，满足工程教育专业认证工作需求，撰写具有推广价值的数据库教材，是新形式下教材建设亟待解决的重要问题。

面对技术的进步和教育需求的变化，课程改革势在必行。作为课程改革的必备要素，教材建设和教材改革历来是课程建设的重要环节和内容。目前，市场上出现了一些体现大数据时代特色的数据库教材。其中，比较有代表性的包括：（1）高等教育出版社的《数据库系统概论》（第五版）。作者萨师煊和王珊教授都是中国数据库领域的杰出学者，这是一部最早将数据库理论引入国内的经典教材[5]，第一版于1983年出版，至今已修订至第五版。该书从第五版开始，引入了大数据管理技术，给出了大数据技术与传统数据库技术之间的相互关系。（2）《数据库系统概念》（第6版）。这是经典的数据库系统教科书《Database System Concepts》的中文版，它丰富了“分布式数据库”、“并行数据库”等大数据环境下的数据库管理系统形式。另一方面，针对专业认证要求，体现“面向教育产出的教育模式”（Outcomes-based Education，OBE）的数据库教材还未多见。通过对市场上的数据库相关教材进行调研后发现，目前数据库技术相关的教材建设存在下面一些问题：

1.缺乏以“数据管理”为主线，循序渐进介绍大数据库相关技术的本科教材

不同于职业教育，本科教育强调基础理论向新领域的拓展能力，单纯从学习理论、学习数据库管理系统或学习数据库应用程序开发的角度进行介绍，都无法全面理解数据管理技术的发展脉络。而要理解大数据管理技术，必须从大数据技术的基础理论出发，沿着数据管理技术的发展脉络，再结合当前的新形势和新问题，才能达到“知其然，也知其所以然”的目的。因此，单一的学习框架和线索，都无法满足学习大数据管理技术的需要。

2.缺乏与工程教育专业认证理念紧密结合的数据库本科教材

工程教育专业认证是中国工程教育面临的重大改革，对高校专业建设、培养具有国际等效认证的工程技术人才，以及促进相关专业的可持续发展都具有重要意义。在各大院校积极开展工程认证的过程中，缺少体现工程教育理念的教材成为困扰广大教师的一个重要难题。“数据库原理”课程具有典型的理论与实践相结合的属性，承担了专业培养目标中“工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、研究”四个方面的毕业要求，具有重要的示范作用。既能梳理数据库技术相关的知识点，又能建立知识点与毕业达成目标之间的关系，并充分利用教材内容体现“面向教育产出”的教育理念，是教材建设过程中需要思考的关键问题。

“数据库原理”课程，自中国矿业大学计算机科学与技术学院建院以来一直是学院的专业核心课程，课程团队同时为全院和学校的相关专业提供该课程的教学工作。“数据库原理”又是中国矿业大学的校级精品课程，课程团队围绕教学改革和专业发展实际，在教材建设方面做了大量卓有成效的工作，先后出版了《关系数据库原理及应用》（中国矿业大学出版社1993年出版）、《数据库原理与应用》（中国矿业大学出版社2004年出版）、《数据库原理与应用》（清华大学出版社2010年出版）等系列教材。2018年，学院获准成立了数据科学与大数据技术专业，并且对学院两个传统专业计算机科学与技术和信息安全两个专业开展了工程教育专业认证。作为学院唯一的校级精品课程，“数据库原理”教学团队围绕“传统数据管理向大数据管理的过渡与升级、工程专业认证教材建设”两大主题，开展了新一轮的教材规划和编写。新教材《数据库原理与应用（MySQL版）》从编写内容、架构体系和结构安排等方面体现了较好的创新思路，于2018年立项江苏省重点规划教材，2019年2月正式出版，2019年6月获得省重点规划教材的正式审定。本文对教材建设中的一些经验进行总结，希望起到抛砖引玉的作用。

二、教材改革的主要举措

教材是课程教学内容的载体，教材建设包含课程内容、展现手段、教学队伍、资金保障等方面，新教材在上述这些方面都针对性地给出了一些改革的举措。首先，新编教材（《数据库原理与应用（MySQL版）》）的编写工作，围绕以“数据管理”为中心的课程内容体系和以“面向教育产出”为理念的实验平台及案例设计两个核心内容，对教材进行了改革。

1.以“数据管理”为中心构建课程体系

“数据管理”是指对数据的分类、组织编码、存储、查询和维护等活动，是数据处理的中心环节。从早期的人工管理、到文件管理、再到数据库管理、直至今天的大数据管理，都体现了对数据的组织编码、存储、查询和维护等功能，大数据技术并非是一蹴而就的，它是数据管理技术，在硬件发展和市场需求共同推动下，历经半个多世纪的演变，逐渐形成了今天的技术形态。在这个发展历程当中，关系数据库技术是体现数据管理的最高发展水平，因此，以“关系数据库理论”为重点，理解数据管理技术的理论和方法，对大数据技术的学习能够起到承上启下、追本溯源的效果。

基于上述思考，新教材在体现大数据管理技术的发展方面，对教材内容做了如下调整：

（1）保留经典数据库理论。老版教材在内容架构上包含五个部分：基础篇，介绍数据库基本概念、关系数据库、SQL语句、关系规范化理论；设计篇，介绍数据库设计原理及方法；系统篇，介绍数据库管理系统提供的数据库保护功能；应用篇，介绍数据库设计实例及具体的DBMS平台；新技术篇，介绍先进的数据库类型及数据处理技术。在本次教材建设过程中，我们保留了基础篇、设计篇和系统篇三部分经典内容，主要针对应用篇和新技术篇进行了调整。

（2）增加大数据技术概述知识。传统面向结构化数据的关系数据库技术制约了海量数据的快速访问能力，缺乏海量数据访问的灵活性和高效性，同时对互联网上的非结构化数据处理能力薄弱。在数据库新技术篇中，增加了“大数据技术概述”，重点对大数据的概念、特点、传统关系型数据库面临的挑战以及新型大数据库类型（NoSQL数据库）四个方面的内容进行介绍。其中，通过介绍大数据具有的“5V”特点：Volume（容量）、Velocity（速度）、Variety（多样性）、Value（价值）和Veracity（真实性），可以使读者认识到数据结构、数据操作及数据约束条件都会随之发生改变。通过这些内容的介绍，会使读者站在经典数据库理论的基石上，看清大数据的产生的原因；同时在关系数据模型的基础上，再看NoSQL数据库技术，就会产生很多迁移知识，理解也会更为透彻。

2.以“面向教育产出”为理念的实验平台及设计案例建设

在计算机科学于技术专业开展工程教育专业认证的推动下，从教材建设的角度明确课程内容与毕业要求的支撑关系，并通过实验平台和设计案例，强化学生解决复杂工程问题的能力，体现“面向教育产出”的工程教育理念。教材建设的具体内容体现在以下方面：

（1）建立“数据库原理”教学内容对毕业要求的支撑指标点，并在此基础上重新组织和整理教材相应的章节知识点，细化和梳理知识点与指标点之间的对应关系，具体内容见表1和表2。

（2）MySQL实验平台的介绍。在之前的教材中，我们选择大部分教材采用的SQLServer数据库管理系统为实验平台进行介绍。随着开源数据库技术的不断发展和壮大，越来越多的企业更愿意选择开源数据库开发数据库应用业务。通过毕业生反馈的信息显示，MySQL在开源数据库中所占市场份额与年递增，它的体积小、系统功能完善，同时具有支持分布式数据存储的功能，对大数据存储具有良好的扩展性，受到越来越多企业追捧。因此，在新版教材中，我们选择了MySQL这个数据库管理系统进行介绍，并且详细介绍了软件的安装及配置过程；同时，将第三章SQL的标准语法迁移至MySQL平台，让读者能够在这个环境下正确执行数据库定义及查询操作。上述两方面能够为学生自主实验的顺利开展提供良好的平台支撑。

（3）数据库设计案例的建设。在数据库原理课程中，针对“解决复杂工程问题”能力的培养，重点体现在数据库应用系统的设计与实现环节。但是，大部分读者都缺乏亲自参与数据库应用系统设计的经验，因此很难体会和理解数据库设计部分所介绍的原理及方法，从而产生“理论无法联系实际”的困惑。如何能够通过教材，给读者搭建一个虚拟的工程问题空间，这是新版教材需要解决的又一核心问题。在之前的教材中，也给出过数据库设计案例，但是多以学生自拟的课程设计或者毕业设计题目为主，缺乏实际问题的复杂性，因此在新教材中，特意选择了三个来自教学团队教师主持的实际工程项目：“楼盘销售系统”、“数据库精品课程学习系统”以及“煤矿采掘衔接计划管理系统”。

实际数据库应用系统的开发，涉及软件工程的诸多环节和内容，为了体现教材的主题和对毕业培养目标的支撑，选择以应用程序的结构设计为主要线索，按照数据库开发流程，以“需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计”为重点，支撑“问题分析、设计/开发解决方案、研究”等三个方面的毕业指标点。其中，需求分析部分侧重“数据流图”和“数据字典”等设计工具的理解和使用，概念结构设计部分侧重“E_R图”的概念结构建模，逻辑结构部分侧重“关系数据模型的设计、模式优化和评价”，实现了对上述毕业指标点的良好支撑作用。

通过以“数据管理”为中心的内容体系和以“面向教育产出”为理念的实验平台及设计案例两个方面的教材建设，新教材较好地满足了技术发展和人才培养两方面的需求，这是本次教材改革最突出的两项内容。除此之外，为了适应教材建设带来的新变化，教学团队也从人员储备和资金投入两个方面，保障教材建设的顺利开展。

3.团队建设

为了保证教材内容的先进性，紧跟数据管理前沿技术的发展，“数据库原理”教学团队一直以来都非常重视团队的师资储备。在保证团队每位成员都具有博士学位的基础上，特别注重学缘结构的多样性及合理性。目前团队中共有教师8人，包括教授2人、副教授5人，讲师1人。博士毕业学校包括：中国矿业大学、北京大学和同济大学；博士专业包括：计算机应用技术、信号与信息处理、电力电子与电力传动、通信与信息系统等。团队成员不同的专业领域和研究方向，为教材内容引入了丰富多样的应用问题空间，他们将自己主持的项目或课题进行总结和归纳，作为教材中的设计案例，成为本次教材改革的又一特色。同时，将科研工作与教学工作紧密结合，可以很好地促进教材建设。作者团队先后在面向对象数据库、并行数据库系统、数据仓库与联机分析处理技术、内存数据库等方面的科研工作取得了一些成绩，这些内容均作为“新技术篇”内容体现在新教材中。

4.资金保障

在教材编写过程中，教材改革思路的确立、编写经验的分享以及改革效果的反馈等，这些内容需要通过教师参加会议和以专业论文的形式进行总结和讨论，从而保证教材改革在科学、正确的方向上不断前进。上述活动的顺利开展需要充足的资金保障。本次新教材编写的资金主要有两个来源：一方面，作为计算机学院的传统专业基础课程，“数据库原理”的课程建设工作始终得到学院学科建设的大力支持。计算机科学与技术专业是省级品牌专业（培育）、江苏省卓越工程师（软件类）教育培养计划试点专业，教材编写过程中学科建设经费资助团队教师参加相关会议，向兄弟院校学习学习交流教材建设经验，并把我们自身的经验与同行分享，通过交流不断发现问题、不断进步。另一方面，教改项目的资助经费保障了教材建设的顺利开展。“数据库原理”课程的教学团队成员经过不断努力探索，立项了一批教改项目，如：数据库原理校精品资源共享课建设（GX13015）、“数据库原理”微课资源协同共建创新机制的研究与实践（2015YB24）、“新工科”背景下计算机专业学位研究生创新能力培养的目标体系与培育机制研究（JGLX19_115）等。教改项目的资助经费也保障了教材建设过程中教师能够及时总结和发表教学成果。

三、教材改革的应用效果

新编教材《数据库原理与应用（MySQL版）》于2019年2月印刷完成，并于2019年6月被审定为“江苏省十三五重点规划教材”。新版教材在我院2017级本科“数据库原理”授课过程中开始使用，学生普遍反映新教材内容丰富、详略得当，既包含了数据库的经典理论和方法，又体现了数据库领域发展的新技术和新趋势；MySQL平台的介绍，能够帮助学生快速了解这个平台的操作方法，在进行数据库实验时节省了查阅工具书的时间，提高了学习效率。同时，使用该教材的其他院校任课教师反映，新版教材体现了工程认证的思想，书中章节对应的知识点非常明确地体现了对毕业达成指标的支撑作用，对于贯彻工程认证思想开展该课程的教学具有重要作用。