大数据环境下的数据库课程教学改革研究

刘予飞 蒋玖川

摘  要：大数据技术作为当前的热门技术，对高等教育专业课程产生了明显的影响，推动高校课程改革是必然趋势。数据库是计算机科学与技术等相关专业的一门重要课程，文章阐述并分析了大数据背景下该课程面临的问题，结合社会对数据库人才的需求从教学内容、教学模式和实践平台探讨了大数据背景下数据库课程的教学改革思路，并以实际应用案例证实该方法提高了学生的自主创新思想和实践能力，能更好地培养实用型数据库创新人才。

关键词：大数据;数据库课程;NoSQL;教学改革

中图分类号：TP311.13-4;G642       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）20-0178-04

Research on Teaching Reform of Database Course in the Big Data Environment

LIU Yufei，JIANG Jiuchuan

（College of Information Engineering，Nanjing University of Finance and Economics，Nanjing  210023，China）

Abstract：As a current hot technology，big data technology has had a significant impact on higher education professional courses，and it is an inevitable trend to promote university curriculum reform. Database is an important course of computer science and technology and other related majors. This paper expounds and analyzes the problems faced by the course under the background of big data，and discusses the teaching reform ideas of database course under the background of big data from the teaching content，teaching mode and practice platform combined with the social demand for database talents. And practical application cases prove that this method improves studentsindependent innovation thinking and practical ability，and can better cultivate practical database innovation talents.

Keywords：big data;database course;NoSQL;teaching reform

0  引  言

20世紀80年代以来，数据库技术不断发展壮大，关系数据模型、查询处理与优化技术、事务管理技术等都是数据库开发领域的里程碑。由于关系数据库模型简单，理论完备，关系数据库广为人知，在目前的数据库技术应用领域达到了数百亿美元的市场。查询处理与优化技术通过访问优化路径来保证CPU、存储空间等成本的性能优化。而事务管理技术实现了大量用户并发访问数据库，促进了数据库中恢复和保护机制的完善，从而提高了数据库系统的综合性和使用性。数据库的概念得到了广泛的支持，作为数据处理的核心技术之一，数据库建设的重要性毋庸置疑。

大数据是大量的异构数据，独立的数据库之间没有直接关系，通过计算模型对数据进行统计、比较和解析，得到客观的结果[1]。而数据库是大数据应用的基础，现有的数据库无法满足大数据时代的不断增长的计算需求，大数据必然推动数据库技术的变革。大数据时代对数据信息有新的要求和内涵，以更先进的技术支撑、更开放的计算和存储技术来构建数据库;更快地更新数据库的数据信息;更加频繁地通信、沟通和应用不同类型的数据源[2]。大数据时代不仅意味着更多的信息，同时也意味着人类行为的常规模式甚至是思想都受其影响，其影响力延伸至社会各行各业，高校也不例外。在当前大数据背景下，高校各类课程都受到了影响，课程体系改革势在必行。近年来，根据有关数据[3]，中国大多数高校已经完成了数据库课程的建设。例如计算机专业数据库课程的建设实现了学生计算机能力的培养，解决了相应计算机存储大量数据的问题，但是，整体数据库课程教学的发展仍然存在与云计算和新的数据处理技术不匹配的问题，例如教学不能满足当前大量数据处理任务。

因此，在大数据背景下，高校应该对数据库课程进行创新和改革，从多角度出发优化教学内容和方法。南京财经大学计算机科学与技术及相关专业本科生的数据库教学需求调整教学内容成为一个重要问题，本课题针对这一问题进行教学改革，使新的教学模式适应现代发展的需要，为社会培养更多的数据库创新人才。

1  大数据时代下数据库课程面临的问题

数据库课程是教育部计算机科学与技术指导委员会确定的八大专业核心课程之一，也是计算机专业学生必修课程之一，重点培养学生的信息处理能力[4]。数据库技术是现代软件技术的重要支撑，是信息系统、决策支持系统等诸多研究方向的基础，还是人工智能、办公自动化软件、计算机辅助工程软件等强有力的工具，是计算机领域中应用最广泛的技术之一[5]。随着当前大数据技术的快速发展，数据呈现爆发式增长，传统数据库已经难以支撑，不足以解决Web日志、视频、音频、图像等非结构化数据。

在大数据背景下，计算机数据库课程存在实践教学平台不足的问题。传统的数据库课程教学主要使用SQL Server、Oracle等商业关系型数据库管理系统。但在当前大数据背景下，结构化和非结构化数据同时存在，非结构化数据逐渐占主导地位，这使得传统的数据库管理系统作为数据库课程实践平台产生明显缺陷。因此，在当前“互联网+”的大规模应用开发中，数据库课程实践平台的创新也是必然的，大数据时代中分布式存储和并行计算方式以及开放式系统逐渐取代集中式数据库管理系统。

数据库课程改革顺应当前形势。由于HBase是典型的NoSQL数据库，其中表的属性可以根据需求动态增加，而且没有表与表之间的关联，用户能够给行定义各种不同的列，这些功能在大项目中非常实用，特别适用于MapReduce处理和云计算环境。采用HBase简化了实践教学设计和升级成本，并且学生们容易上手实操。南京财经大学数据库教学课题组已采用Hadoop框架中的HBase作为实践教学平台。

2  大数据时代的数据库课程教学改革

在当前大数据的时代，根据大数据时代的特点和人才培养的需求，从计算机专业理论教学和实践教学两个方面的教学内容探讨数据库课程的教学改革、教学方法和教学实践平台，并提出了新的教学方法、内容和实践平台以满足大数据的需求，希望学生通过系统的学习能够明确自己未来职业的发展方向，为企业提供促进未来大数据产业发展所需的人力资源，下文主要论述改革目标。

2.1  教学方法改革

避免传统的“灌输式”传授知识的方法，树立新的教学方法例如“教师为指导，学生为主导”，根据数据库课程的教学目标、教学内容、教学条件和学生的特点，并充分利用慕课的共享资源，选择灵活多样的教学方法进行启发式教学等，实现以学生自主学习为主、教师引导为辅的教学模式改革。

2.2  教学内容改革

以大数据时代为背景，结合计算机行业需求，探索数据管理、分析和应用方面的数据库课程教学内容改革。

2.2.1  理论教学内容改革

NoSQL通常是指与传统关系数据库不同的所有技术，其中包括非关系数据模型（即非模式数据库，非结构化数据等），大规模集群的DBMS或类DBMS实现等。NoSQL数据库技术解决了传统关系数据库无法处理网页URL的问题，尤其是Web2.0纯动态的SNS类型的大规模、高并发性问题，适应了当前大数据时代数据库技术的要求，适应了大规模数据集的多种数据类型的挑战。NoSQL数据库技术是关系数据库技术的有效补充，满足了计算机系统体系结构在数据存储方面的需求，可伸缩性大，可以存储、查询和分析异构数据，是当前信息检索的关键技术，在数据挖掘、机器学习等领域广泛应用。

因此，针对以数据为中心的新应用和大数据时代数据管理的新要求，在传统数据库课程内容中引入NoSQL数据库，以Hadoop为核心建立新数据库的教学内容，并结合现有的数据库技术整合内容，已使用的HBase如圖1所示。

2.2.2  理论教学模式改革

将慕课引入传统的教学模式，让学生充分利用慕课的网络开放性、共享性和网络资源学习数据库技术，课题组建立的慕课如图2所示，结合其他相关慕课，具体有以下两点：

（1）利用慕课资源开展混合教学，首先转变观念，从共享角度出发布置课后作业，学生自行学习慕课中与课堂教学内容有关的知识。学生可以把课堂上老师提出的问题直接应用到慕课学习上，进行反复思考。留出课堂讨论、答疑的学时，保证学生深度掌握知识。

（2）将慕课作为选修课，由课题组老师担任在线学习指导教师，要求选择与数据课课程相同或相近的国内外名校慕课，除了组织集体上网学习外，学生自主选择学习，老师定期组织讨论和答疑，学生获得慕课学习证书。

2.3  加强学生的实践能力培养

数据库技术的新发展给传统的数据库课程带来了冲击，高校数据库课程建设中存在着如何处理数据库技术的新发展与教学内容之间的关系问题。鉴于计算机专业学生应用型人才的培养目标更侧重于数据库技术的应用，计算机专业数据库课程的理论与实践教学再次进行调整，加强提高学生实践能力的实践学习，培养学生运用所学知识分析和解决问题的能力。数据库课程总学时增加24学时。在理论学时不变的基础上，基本实践学时由原来的16学时增加到24学时，综合实践学时由原来的16学时增加到32学时，如表1所示。

实践是检验真理的唯一标准，只有通过实践，学生才能进一步了解数据库系统的工作原理，更好地利用数据库应用系统完成对数据信息的处理[6]。因此，在数据库课程教学改革的理论基础上进行实践教学改革是大势所趋，具体安排如表2所示。

2.3.1  实践教学内容更新

数据库课程的实践内容必须根据数据库的发展趋势不断更新，将较为成熟的技术运用到实践教学中，以保证数据库课程实践内容的科学性、先进性和实用性。将NoSQL引入数据库课程的理论中，因此也需要引入NoSQL数据库到数据库课程的实践教学内容中。

2.3.2  实践教学模式改革

在以往的实践教学中，通常是一些基础性实验或验证性实验，如数据库或表的创建、数据查询操作等，这些实验明显缺乏当前数据库新技术实践，同时也缺乏对学生数据库开发创新能力的培养，不足以满足计算机专业学生的需求。因此，根据实践教学类型，可将实践教学模式分为基本实践和综合实践。

2.3.2.1  基本实践

基本实践要求学生掌握数据库的数据定义、控制和操作，了解数据库的模型结构，在不同学期学习数据库课程时使用的软件是SQL Server或Oracle平台。由于数据库平台提供了企业管理器和查询分析器组件，实验操作以两种不同的方式完成，以培养学生灵活的思维方式，以及多角度解决问题的能力。

2.3.2.2  综合实践

综合实践要求学生设计并建立一个主题数据库，学生独立完成整个实验设计。实验题目优先选择学生熟悉的商业模式，要求学生通过实验巩固数据库的基本原理、关系数据库的设计理论以及其他主要相关知识。图3是引导学生建立的一个NoSQL数据库。

在综合实践选题的深度和广度符合教学要求的前提下，选题可以从学生熟悉的现实生活、学习和社会工作中选择，既可以由学生自己选择，也可以由教师确定范围主题。同时，难度要适中，以學生在规定的时间内通过自身努力完成为宜。教师不再对实验进行详细的指导，而是根据学生的设计思想和实验结果进行必要的指导和引导，以充分发挥学生的主观能动性，增强学生的创新和应用能力，同时引导学生转变教育观念，激发学生的学习兴趣，由被动学习转变为主动学习。

综合实践以课程设计的方式实现，通常设置2周（即32学时），可以使用SQL Server或Oracle创建一个中小型数据库管理系统，也可以通过MapReduce计算模型或HBase非关系数据库平台来完成一个大型数据库管理系统。

2.3.2.3  实践教学平台改革

传统的关系型数据库管理系统作为数据库课程的实践平台不足以处理NoSQL数据，需要将NoSQL数据库引入到数据库课程中。因此，在实践平台的选择上除了采用经典的关系型DBMS之外，还应该增加开源系统和相应的开发平台，以实现对非结构化数据的信息管理。课题组在Hadoop平台中配置HBase数据库，平台如图4所示。

在期末考核中，除了传统的平时成绩（出勤、回答问题、课后作业、期末考试）以外，还有上机实践报告和综合课程设计等多种考核方式。与以往的教学效果相比，学生的自主创新思想和实践能力有了很大提高，更好地掌握了数据库技术。

总之，通过数据库课程改革，课题组设计的实践平台更加符合计算机科学与技术，及相关专业本科生的培养目标以及社会对人才的需求。

3  结  论

大数据作为一种热门技术，其影响正在渗透到社会的各个方面，包括高校的课程教学。本文针对大数据时代计算机专业数据库课程面临的问题，采用Hadoop系统的HBase技术，从教学内容、教学模式、教学实践平台等方面探讨了计算机专业数据库课程的理论与实践教学改革，实际教学效果良好。本课题着眼于教与学两个环节，未来从多维度进一步分析教学模式，探索数据库立体化教学模式。

参考文献：

[1] 颜清，苗壮，赖鑫生，等.大数据背景下数据库原理课程实践教学改革探索 [J].创新创业理论研究与实践，2020，3（17）：40-41.

[2] 吴婷，孙璨.基于加拿大工程教育启示的数据库课程项目实训式教学改革 [J].教育教学论坛，2020（27）：172-174.

[3] 雷小锋.大数据时代的数据库原理课程革新 [J].计算机教育，2019（7）：10-14.

[4] 教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会.高等学校计算机科学与技术专业核心课程教学实施方案 [M].北京：高等教育出版社，2009.

[5] 马忠贵.大数据背景下“数据库技术及应用”课程体系优化与实践 [J].教育现代化，2019，6（68）：95-97+106.

[6] 窦亮，徐飞，谷林涛.大数据背景下数据库系统实践课程的教学改革 [J].计算机教育，2018（4）：117-120.

作者简介：刘予飞（1983—），男，汉族，河南洛阳人，博士，讲师，研究方向：社会计算与数据挖掘。