数据库系统理论与实践同堂融合教学方法研究与实践

黄永慧，孙为军，王春茹

（广东工业大学自动化学院，广东 广州 510006）

0 引言

数据库技术是现代信息领域中的重要支撑技术，具有广泛的应用和重要的影响[1]。对于计算机类专业的学生而言，数据库系统是必修课程，它不仅是学习数据结构与算法、操作系统等课程的基础，更是学习大数据、人工智能等新技术的前提条件[2]。在整个课程体系中，数据库系统起着桥梁的作用，辅助各个相关专业应用的协同发展，可以说，数据库技术对学生的未来学习、工作甚至事业都产生着深远的影响[3]。

数据库的理论教学大多是一种单向的教学方式，重点介绍数据库的基本概念、功能特征等核心理论知识点，这种方式往往难以让学生真正理解数据库原理，并将抽象的理论转化为具体的认知，从而会降低他们对数据库的学习兴趣。此外，数据库实验课程的实践内容通常基于理论课所学的SQL语句，涉及数据库建立、更新和基本查询、函数查询、分组查询、嵌套查询等基本操作，但对于数据库原理的理解和实际问题的解决来说，这些内容远远不够。此外，由于数据库课程与上机实践之间存在时间差，学生容易忘记理论知识，甚至在理论课程还未结束时就开始上机实践课程，这样极大地降低了学生对数据库原理和实践动手能力的融合理解和贯通。

针对数据库理论教学中存在的问题，近些年已有很多学者陆续提出了能力导向教学法[4]、项目教学法[5]、翻转课堂教学法[6]以及团队分组讨论法[7]等,扩展了数据库实验内容,结合了数据库理论知识，帮助学生深入理解数据库的内部原理。除此之外,部分学者还充分利用计算机技术,以更为形象具体的实践形式阐释数据库相关概念和原理。如陈慧萍提出的“研究性教学”理念，在实验教学中创设具体的问题情境,引导学生深入研究、分析并求解问题[8]，胡旺在数据库教学时,引入贴近生活的多个数据库应用实例,让学生感知数据库技术具体真实的应用,启发学生深入思考，接着总结这些实例的共性,提出使用中会遇到的问题来介绍数据库课程的主要内容,达到“启发式教学”的教学效果[9]。石义金提出基于虚拟仿真技术的数据库认知实验教学[10]，杨春蕾等认为传统的数据库实验课堂,缺少数据演示的融合,提出将无声演示视频嵌入课堂教学,增进实践与原理的融合,帮助学生更好地理解知识点和提升实验效果[11]，胡海洋等将案例演示，项目实施驱动与理论知识一起考虑，提高学生对课程基础理论的掌握，提升对数据库系统的使用和开发能力[12]。

以上学者的教改方法的确对理论知识的掌握，实践课的能力提升起到了很大作用，不过仍然没有从设计到过程全面融合考虑，本文提出了统一设计数据库理论教学和上机实践的方法，并设计了教学辅助工具——数据库SQL案例库（包含基本型SQL案例和高阶型SQL案例）教学和在线实验平台。在理论教学过程中，同步演示案例，为学生提供了实验环境。通过过去几年的实践，学生不仅能够灵活运用数据库相关知识，还能够深入了解其背后的原理和逻辑，从而达到综合应用能力整体提升的目的。

1 同堂融合教学模式

本文的目标是基于同堂教学的自主学习教学模式，激发学生学习的兴趣和热情，提高学生实践和创新水平，具体的教学改革内容如下：1）基于数据库开发主线，融合实验一起，重新梳理和重构设计数据库知识点；2）结合数据库知识点，设计基本型SQL 案例和高阶型SQL案例，理解讲解时，同步演示案例；3）设计在线实验平台，方便学生同堂实验和课后实验。

对比传统教学模式，数据库理论与实验同堂教学具有以下优势，如表1所示：

表1 教学模式比较分析

通过理论精讲、案例演示、学生同堂动手实践等理论与实践的深度融合，强化学生对所学理论知识的理解，提升他们上机实践操作水平，提高他们运用所学知识分析和解决实际问题的能力。

2 同堂融合教学详细设计方案

从课堂授课、课时分配两个方面重点重新梳理，其中课堂授课又包含课前预习和检测、课间参与式学习，同堂实验、课外实验与测试等方面实施改革。

2.1 理论与实践深度融合，重构授课内容

基于数据库开发过程主线，在重构数据库授课内容过程中，重新梳理课程各个章节内容所包含知识点，以及各个知识点对应的案例，同堂实验内容。其中案例的选择主要突出知识点的覆盖，以及与授课内容紧密相关的且当前流行的实用案例，实验的选择除了传统的数据库实践以外，拓展了广度和深度，增加了熟悉原理的实验和管理备份恢复试验，详细的内容及对应关系如表2所示。

表2 同堂教学模式案例设计

2.2 能力与兴趣并重，重新设计授课流程

为了让学生在理论学习的阶段除了学习抽象的数据库概念外，同步在案例库中感受到具体的数据库，表，约束，关系操作等，并且同堂实践课时，能真正通过SQL语句的设计，执行过程理解数据库各种元素（如索引、主键、外键等）怎样工作的？笔者将理论与实践课程统一考虑，结合笔者设计的数据库SQL案例库和手机实践平台，课程安排主要包含课前预习和检测，课间参与式学习，同堂融合上机实践，课后巩固试验与测试，如图1所示：

图1 同堂教学模式流程设计

课前预习和检测是了解学生对基本知识的掌握情况，对应的案例了解和学习情况，例如在学习数据库基本概念前，让同学们先去教学平台上了解和感受一下什么是数据库，什么是数据等，这个步骤非常重要，是课间参与式学习的基础。

课间参与式学习是将抽象概念和具体数据库元素操作结合的最重要的部分，包含知识精讲，案例库对应案例演示，教师答疑，同堂试验四个部分。开始设计数据库精讲课程的内容是跟进以前上课学生比较难以掌握的知识部分；后来是根据课前预习和检测以及往届课程同学收集上来的各种掌握情况设计精讲内容，并且内容更加聚焦。以前设计的精讲课程，对于数据库性能和索引，聚类函数是分开的讲解的；数据库性能主要讲解与哪些因素相关，索引主要讲解索引的建立和存储。后来根据学生的情况，更加侧重索引是怎样工作的，聚类函数是怎样工作的，大数据量情况下聚类函数查询时，索引的效率和影响。

同堂实践除了让学生再次巩固基础SQL 的上机实践以外，更多实践是让学生模拟通过不同的SQL语句试验了解和学习数据库的工作原理，激发学生的兴趣。例如笔者设计了如索引工作原理对比试验；让学生探索没有索引时查询的性能以及有索引情况下查询的性能，包含查询访问的数据库Page 数量，消耗的时间情况等，且大数据量查询代价估算试验；跟踪全库、单表、列、相关性多列的统计信息。

课后试验与测试是为了检测学生课间是否真正掌握，除了让部分学生可以在案例库中进一步参照自行学习，查漏补缺以外，还同步要求学生在实践平台上完成对应的SQL实践，真正做到将理论课程与实践课程统一考虑。

通过让学生既掌握了数据库的原理，也通过试验掌握了真正适用的数据库技能，还激发了学习深入研究数据库的好奇心和兴趣。

2.3 线上和线下结合，重新分配课时

原来32课时的数据库原理课和16课时的上机实践课，统一为48课时，课时分配上，由原来的理论课与实践课3∶1 转为5∶2∶3∶X，其中5 表示理论知识精讲占比总课时50%，2 表示课堂案例演示占比总课时20%，3 表示同堂实验占课时30%，X 则表示学生线下实验和作业提交，整体上高效融合理论与实践教学，将案例演示融于课堂理论知识教学、将实际项目的数据库设计贯穿于同堂实验中。即将长期以来实施的8周（每周4 个课时）课堂理论教学、4 周机房实验教学模式，调整为在课堂理论与实际同步教学周16周，每周2 学时进行基础理论讲授、0.8学时进行案例讲解讨论，1.2 个学时进行同堂上机实践。“X”则表示我们将传统的实验教学与平时作业安排在在线平台上，并由教师在线点评、系统客观评价。这样既方便学生利用课余时间随时进行试验和完成理论作业，又方便老师了解每个学生实验中出现的具体问题，讨论与拓展更具有针对性。这一安排的优势在于将教学内容的学习、案例模仿、实践提高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。

3 教学结果分析

新的教学方法更加关注理论与实践的结合，更加注重综合能力的培养，为了检验新的教学方法与传统方法的差别，且方便对比，我们取期中期末考试对知识的掌握与上机实验对知识的应用进行对比，对比方法是将二部分的成绩都按照百分比放大到100分。并且课程采用了相同教材和大纲、相同课时，两种模式的班级都先后由笔者来执教。笔者将传统模式2020下半年-2021年上半年2个学期4个班级的学生成绩，与2021年下半年-2022年上半年采用该模式下1年2学期4个班级的成绩进行对比，从图2、图3可以看出，学生的优良人数比例以及平均成绩均得到了较大幅度的提升。

图2 平均成绩分析图

图3 优良人数比例分析图

通过深入分析，发现综合应用题的分数比改革前大幅度提高，如图4所示，课程改革前班级的学生对这类综合应用能力的掌握基本上集中在少部分同学中，大部分学生平时了解的分析与设计方法不会灵活运用，整个学生的平均成绩较差；实施课程改革后，大部分学生能够灵活应用，整体学生的平均成绩有所提高。

图4 综合应用成绩对比图

综上，在数据库系统教学过程中应注重培养学生的深入理解工作原理的能力，综合应用的能力以及客观事物的整体思考能力。我们采取了以实际项目和案例为基础、同堂融合理论知识的教学模式，帮助学生分析不同情境下的问题，深入思考问题本质，并提高综合应用能力。通过过去三年考试的综合题成绩表明，学生的这方面能力提高很多。

4 结论

数据库理论课程概念多，抽象、不易理解，上机实验内容深度不足，且与理论课程缺乏深度融合的问题,本文将数据库理论教学和上机实践统一设计，构建了数据库SQL案例（包含基本类型SQL案例和高阶SQL 案例）教学和实践平台,在理论教学的过程中，同步演示案例，同时提供同堂融合的上机实践环境，实践证明该方法,加深对数据库理论的理解,提升学生综合设计数据库的能力。

该方法增强了数据库教学的趣味性，使教学方式更为多元化，对促进学生数据库技能提升，培养高质量人才具有重要意义。其中数据库SQL 案例教学和实践平台，一定程度上激发学生的创新学习思维。未来研究中将增加更多实践案例，探索更优秀的案例实验教学，增强理论知识与实践的融合，提升数据库教学质量。