面向新工科的数据库系统新形态课程建设实践探索

李鸿岐，陆伟,2，李勇，马春燕

(1.西北工业大学软件学院，陕西西安 710072；2.西安财经大学信息学院，陕西西安 710100)

0 引言

近年来，为主动应对以人工智能技术为代表的新一轮科技革命与产业变革，支撑创新驱动发展、“中国制造2025”等国家战略，我国工科人才培养逐渐进入了“新工科”教育阶段，先后形成了“复旦共识”“天大行动”“北京指南”等一系列切实可行的工程教育改革方案[1]。以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念的“新工科”不仅要求建设新兴的工科专业，也对现有的工科专业模式提出了新的改革要求。

数据库技术是数据管理最有效的一种手段，是支持新经济背景下数据赋能社会的核心技术之一。作为计算机软件领域的一个重要分支，数据库系统课程兼具理论与实践，几乎是当前所有高校信息类专业的本科核心必修课。课程主要讲解数据库的基本概念、基本知识、设计理论与操作方法。随着需要管理的数据变化及社会对数据的应用需求不断更新，数据库技术、方法和系统也需要同步发展。然而，目前该课堂的教学中还普遍面临着以下突出问题：一是课程内容具有一定的系统性，但缺乏时代性，课程内容大多沿用经典的国内外教材，教学重点的更新速度偏慢；二是实验教学中，传统典型案例的研究较多，缺乏对新理念、新领域、新技术的解析，同时未能与企业需求有效对接，偏离了国家与社会对数据化、网络化建设的需求；三是课程的教学方法比较传统和刻板，大多仍是线下授课，教学气氛沉闷，学生只是机械地听讲，缺乏主动思考，导致课程教授的学生创造性偏弱，上课低头族多、抬头率低，难以达到启发性教育的期望效果。

以上问题导致学生对课程的学习兴趣不高，制约了教学发展，不能满足新工科形势下人才工程实践能力与应用能力培养的要求。在国家大力倡导一流本科教育，全面深化教学改革，打造基于新工科的各类金课背景下[2]，面向信息学科基础核心课程数据库系统的新形态课程教学改革显得极为重要与迫切。

1 新工科背景下相关课程的改革

众多学者已经对新工科背景下“数据库系统”相关课程的教学改革进行了探索。2018 年，赵永刚[3]对其所在学校现行的数据库课程教学情况进行了分析，并在其基础上提出了微项目驱动的教学改革方案，从教学大纲、教学方式、评测手段等多方面进行了论证和方案建议。同年，刘晓庆与吴炎太针对信息管理与计算机类相关专业，从教学内容、教学方式和媒体手段等方面，探索了数据库原理与应用课程的新方案[4]。许芳芳等则在改革思路中进一步补充了新工科对数据库课程教学目标的明确要求，如综合实践能力及创新能力的培养等[5]。基于“学创融合”的教学模式，付森等对课程的教学内容与实验环节进行了改革[6]，李宗妮也对借助多媒体设备的理论和实验教学结合进行了论述[7]。此外，欧阳林艳[8]、杜小杰[9]及陈亚睿[10]等则针对成果导向教育(Outcome Based Education,OBE)下的数据库课程教学改革模式与理念进行了探讨。2022 年，李怀敏等融合传统教学与网络学习，利用智慧教学平台构建了基于构思—设计—实施—运作的课程混合教学模式，并通过学生的卷面学习成绩与课程体验调查问卷进行了改革成效验证[11]。白彦辉等也通过线上线下、课内课外、校内校外等多方面紧密结合的教学实践，验证了数据库原理及应用课程混合式教学的可行性[12]。为响应高等学校课程思政的建设要求，龙娟深入挖掘了数据库原理及应用课程中的思政元素，并探索了具体的教学实施方案[13]，刘玉葆等则提出了“数据库+课程思政”的协同育人教学方法，并通过实例介绍说明了具体实施过程[14]。

上述围绕新工科背景下数据库系统课程的改革研究，在教学内容的更新、新型教学方式的探索等方面取得了一定的研究成果，为课程改革提供了充实的前期参考。但总体缺乏面向新工科的新形态课程建设的系统性改革框架。同时，也缺乏对课程改革成效的具体实践评价。本文对面向新工科的数据库系统进行课程教学的系统解析，以探索新形态课程的改革建设，并通过西北工业大学软件学院的探索实践及最新学生课程目标的达成情况评价其课程改革的实践效果，以期为国内高校的相关课程的新时代系统化建设提供有益的借鉴。

2 面向新工科的新形态课程探索

数据库的教学案例丰富，存在理论与实践双重要求的课程教学特点。面向新工科的数据库系统新形态课程建设，更加强调数据库的技术应用与创新能力培养，并把软件工程的思想贯穿其中，以加强学生系统观和工程能力的培养。具体地，课程教学中涉及的教学目标、知识体系、教学手段、考核方式等方面均需改进优化。

2.1 教学目标优化

传统数据库系统课程的教学目标过多关注于学生对基础理论知识和基本操作的掌握，难以衔接新工科对学生工程实践能力、创新能力与学习新知识的能力培养要求。基于新工科背景强调的“注重系统、强调实践、培养能力”指导思想，需要优化调整课程教学目标。

优化的教学目标旨在加强培养学生的知识能力、实践能力与职业能力。知识能力是指通过课程教学，使学生掌握数据库的基本概念，关系数据库的基本原理，关系规范化理论，数据库设计方法学，事务管理与并发控制，索引等基础知识的能力。依靠知识能力，学生能对软件工程系统开发与过程管理中的数据管理相关复杂工程问题进行分析，并判别解决方案的合理性。实践能力是学生能熟练使用关系数据库标准化查询语言SQL与关系数据库进行交互操作，掌握按照工程化方法进行数据库设计、使用和维护的步骤和过程的能力。基于实践能力，学生能够遵循软件研发的全生命周期过程，针对复杂软件工程问题中的数据组织与管理模块，设计并实现满足需求的系统。职业能力则包含两方面，一方面为基于知识能力与实践能力，学生可以掌握并熟练使用数据库系统设计与开发的技术、过程与工具，并可以根据系统设计方案与同行或用户进行交流，为将来进一步从事开发和设计大型信息系统的职业打下坚实的基础。另一方面则让学生能够了解当前大数据管理与应用的NoSQL 技术和系统，并能够根据技术发展趋势自主学习。通过上述三项能力的重视，面向新工科的课程教学目标将能加强学生适应社会新技术与新经济发展的需求。

2.2 知识体系重构

传统课程内容中的工程教育知识陈旧，与实践和社会需求脱节问题较为严重。面向新工科的新形态课程要求重构课程教学的内容知识体系，以解决上述问题，达到应对变化、塑造未来的知识传授与能力培养目的。

新形态课程以支撑面向数据分析与应用的数据采集—数据处理—数据存取与管理—数据建模—数据计算—数据探索—数据展示的完整知识和技术链为目标，重点针对其中的数据存取与管理环节。结合当前大数据时代下数据存取与管理的技术发展趋势和应用需求，可将课程核心内容规划为8个单元：关系模型、结构化查询语言SQL、数据库应用、数据库设计、并发控制与事务设计、数据库恢复、查询性能分析与优化、NoSQL技术与系统。

根据新工科对教学内容的要求，课程知识体系中还可重点补充非结构化数据管理、大数据管理系统等新的基础知识。同时，针对每个单元，新形态课程须遴选最不可或缺的核心知识点，并按照面向新工科的理论思维、工程能力、创新意识与终身学习四个方面的能力培养要求，重新整理规划如图1所示的课程知识点和核心内容。

课程的理论知识与实验教学相辅相成，面向重构的课程核心内容，新形态课程对配套课程的实验内容提出了相应的适配要求。相应地，可将配套实验规划为8个部分，并使实验类型涵盖验证型（并发控制、数据库恢复、NoSQL 技术实践）、设计型（结构化查询语言SQL、事务设计、查询性能分析与优化）与综合型（数据库应用编程接口、数据库设计）。丰富充实的实验内容将能够有效地帮助学生理解与掌握课程核心知识点，并引导学生灵活运用知识点通过良好设计解决实际问题，进而培养新工科背景下学生的工程能力和创新精神。

2.3 教学模式创新

在新形态的课程教学实施方面，基于授课教师长期的教学第一线经验，可探索多种不同教学手段与方法的改革。新工科背景下，“科学与工程并重，理论与实践结合”的教学思想可用于指导开展课程教学，并逐渐形成如图2示的新形态课程的教学手段与方法。

图1 面向新工科重构的数据库系统课程知识体系

图2 面向新工科的数据库系统课程教学方法与手段

具体线下教学中，可采用启发式教学方法，遵循提出问题—分析问题—解决问题—工程化—总结与讨论的教学过程，从理论与技术讲解、概念与原理讨论、方法与过程论述、实验指导交流等多个层面培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力。针对课程核心内容，可采用案例教学方法，通过案例的演示与实现给学生提供示范，通过案例交流讨论帮助学生理解。

数据库系统课程的核心知识点涉及理论、技术、方法和工具四个方面。对于其中部分内容，学生在学习过程中，跟随体验会起到事半功倍的效果。当前实际教学中完全的线下教学模式并不能很好适应课程上述部分内容的学习。因此，可进行线上授课模式的尝试，并不断摸索与总结在线课堂的教学，积累丰富的线上授课经验。为更好地适应线上、线下混合教学模式，新形态课程还可进一步针对课程核心知识点进行梳理和切片，为不同知识点及其切片赋予不同的教学模式标签，并针对线上教学知识点和切片进行线上课程资料及教学的设计，丰富教学资源。

为便于师生实时在线交流，可借助各学校的在线课程平台和作业系统，建立有关课程作业提交与问题交流的模块。通过研究生助教的辅助，可实现课程教学过程中关键知识点的作业在线布置，学生则通过线上方式提交，完成及时测验。上述教学手段可充分满足线上教学的基本需求。

此外，新形态的课程建设还须坚持以产业需求为牵引，积极推进校企融合与课程共建，邀请企业工程师走进课堂，通过线下讲座与线上交流的方式分享和交流工程技术。基于上述线上线下结合、校企深度融合的教学方法与手段的改革探索，面向新工科的数据库系统课程可逐步形成学生—教师—企业工程师—研究生助教的多方参与模式，助力新形态的课程顺利推进。

2.4 自主产权融入

既有国内高校的数据库课程中主要使用 的 数 据 库 为MySQL、SQL Server 或Oracle 等，均不是国内自主研发的数据库。《新工科研究与实践项目指南》中加强了对工科学生家国情怀与“精益求精、追求卓越”的工匠精神的培养要求[13]。

因此，为深化课程对学生的思政教育，助力新工科的人才培养要求，课程建设须积极与国内IT知名企业（如华为技术有限公司）数据库方向技术代表完成对接，并针对课程内容建设进行交流与讨论，将国产开源数据库技术（如华为OpenGauss 等）引入课程内容。具体地，可在事务机制、数据库应用的编程接口、系统开发技术、NoSQL 技术与系统、大规模网络图数据管理与应用等多个知识点中进行相关国产开源核心技术的讲解与演示。教学团队的老师还可不断参与国产开源数据库的线上课程的学习与培训，为后续课程改革中自主产权元素的深入融合打下坚实的基础。

2.5 考核方式改进

面向新工科的人才培养明确了12项毕业要求，如工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、使用现代工具、职业规范等[1]。为匹配上述新工科背景面向未来的、多元化的复合型人才培养目标，新形态课程要坚持以成果为导向，确立基于OBE理念的数据库系统课程考核评价方式。具体可根据面向新工科的数据库系统课程教学目标与毕业要求的能力培养对应要求，设置知识能力、实践能力与职业能力的分项权重，并对课程改革的目标达成度进行计算评价。

在理论课程的考核方面，可对应优化的教学目标，确定由平时成绩和期末成绩组合而成的考核方式。例如，平时成绩可占比30%，并通过考勤到课率、课堂提问和随堂练习情况考核学生对每堂课知识点的理解和掌握程度。相应地，期末成绩则占比70%，可为书面考试考核。为避免出现传统闭卷考试中学生死记硬背知识点的情况，课程建设还需逐步革新改进考试题型，通过简答题、数据查询题、分析题和设计题的方式来考核学生对核心概念、理论、技术和方法知识的掌握程度。实验课程考核则可由各占50%的实验和机试表现组成。实验表现是一种过程考核方式，考核学生对每次实验内容的完成掌握情况和理解程度；机试表现则考核对核心技术、方法的掌握程度和应用熟练程度。

3 成效与反思

西北工业大学软件工程专业自成立以来，一直开设数据库系统课程，先后引进了iCarnegie 课程，并与IBM、Oracle等公司合作，丰富了教学案例。长期授课过程中，课程教学逐步形成了以系统分析、设计、应用实现过程为主线，理论与实践并重的课程特点与分工明确、经验丰富的课程教学团队。2020 年以来，紧紧围绕大数据时代下软件工程新工科专业对人才培养的目标与定位，针对专业人才培养对数据管理与应用方面的新技术与方法需求，教学团队聚焦于新形态的课程改革建设，在课程教学目标优化、知识体系重构、教学方式创新、自主产权元素融入与考核方式改进等多方面进行了系统性的课程深化改革探索与实践。面向新工科的数据库系统课程，采取改革建设与改革实施的方式滚动向前发展，教学团队在课程实施过程中不断调整与优化效果，取得了一定的成绩。2020年度，数据库系统实验课程获西北工业大学一流本科课程认定。

2021 年，面向自主产权软件生态系统构建，西北工业大学软件学院的教学团队与华为有限技术公司展开了“智能基座”产教融合协同育人合作，并持续针对数据库系统课程进行改革。在实验环节，结合时代与技术发展，该院教学团队以OpenGauss为实验平台，尝试引入华为相关产品与工具，如华为云数据库等自主产权元素，体现了科学与工程并重的教学理念。实验与理论授课中，教学团队老师坚持以工程实例为牵引，巧妙融入了国产数据库系统的发展现状与趋势分析，并通过典型案例、国产化数据库的应用需求加强了对学生家国情怀的培养。由此，数据库系统课程获华为技术有限公司“智能基座”产教融合协同育人合作联合课程项目支持。

2022 年，受学校学院支持，教学团队完善了从上述成绩出发的课程目标达成度评价机制，从而有效评价学生的学习效果。同时，课程教学团队开始建设线上MOOC课程资源，并申请获批了校级教学改革项目——《新工科背景下数据库系统新形态课程的探索与实践》，进一步针对课程内容和组织形式进行了改革与探索。秉承立德树人的理念，教学团队老师还积极赋予了选课学生主动服务社会的思政教育，通过课程教授勉励学生为国产大型开源的IT 产业生态链添砖加瓦，并提高学生解决关系国家发展重大问题的意识，鼓励学生为实现中华民族伟大复兴的中国梦作出贡献。

3.1 实践成效

以西北工业大学软件学院最近一年课程教学（授课人次为323人）为例，分析课程改革中的实践成效，具体如表1。以知识能力教学目标为例分析，考试中涉及知识能力的题目满分值为32，学生实际考试平均值为21.9，则该项评价值为实际值与满分值的比例，即0.68。以此类推，可得各项计算结果，各课程目标的达成值则为考虑分项权重与评价方式后的总体计算结果。

表1 2020级软件工程专业学生数据库系统课程目标达成情况

从该校2020级学生的各项评价结果可以看出，每一项课程目标的达成值均在0.65以上，说明学生对课程目标的各项要求评价结果为“达成”。此外，表中考试与作业的数值差反映出作业难度与考试难度的不一致。总体来看，期末考试的考核难度较之作业难度要大。基于上述评价，该校教学团队已进一步调整了新学年的授课方案，在课前向学生阐明教学目标，并根据其加强学生对课程理论知识的深入理解。

3.2 总结反思

经过该校课程教学团队近几年的改革探索，已经初步形成了面向新工科的数据库系统课程学习目标—培养目标—培养方案—课程大纲—评价分析—课程品质报告—改进方案实施—学习目标的闭环质量持续改进体系，并取得了一定的成绩。尽管如此，数据库系统新形态课程的建成依然任重道远，课程建设仍存在一些未来有待探索之处。例如，目前对新工科背景下的课程改革进行的探索与实践总体依赖长期的教学经验，缺乏理论支撑，特别是课程知识点学习与能力提升之间的转化关系还有待进一步揭示。孙康宁等学者[15]对基于知识、能力、实践、创新一体化的通用课程教学模式进行了探讨，其分析的内在规律将对本课程未来探索知识与能力的转化关系有很好的理论参考意义。

4 结论

新工科是应对新一轮科技革命的产物，也是我国工程教育改革的方向。数据库系统是计算机、软件等信息相关领域的基础核心课，为满足新工科形势下人才工程实践能力与应用能力培养的要求，各院校的数据库课程改革方兴未艾。面向新工科的数据库系统新形态课程改革建设，包括教学目标、知识体系、教学模式、自主产权、考核方式等多环节、系统性地探索实践。西北工业大学软件学院教学团队近些年的教改实践验证了新形态课程建设的成效与未来发展方向，可为国内高校相关类似课程的系统化建设提供有益参考。