面向产教融合的NoSQL数据库课程教学改革实践探析

陈娟 谢雪莲

关键词：NoSQL数据库技术；教学-实验-实践融合；混合互动式教学；教学改革实践

0引言

为了在新一轮科技革命和产业变革中抢占前沿技术领域的制高点[1]，教育部大力推动新工科建设，以支持和服务创新驱动发展、“中国制造2025”等国家战略[1]。2017年以来，教育部先后形成了“复旦共识”“天大行动”“北京指南”，这三个文件共同构成了高等工程教育改革的“三部曲”，为我国工程教育的发展指明了方向[2]。在新工科背景下进行的教学改革实践探析，需要着眼于当前经济社会发展对工程技术人才的不同需求，规划新工科专业建设，并加快培养能引领未来新兴技术和新兴产业的新型工程人才[3]。

当前，大数据领域仍在不断发展，数据量与日俱增，数据的存储方式愈发灵活多变，新兴的业务需不断地随之革新才能紧跟发展。这些新需求使得数据库及应用系统的形态变得越来越丰富，同时对数据库的各类功能也提出新的场景需求。这也就造成了各大企业对NoSQL数据库人才的需求持续上涨，而大多高校培养的NoSQL数据库领域的人才质量持续走低的尴尬局面。据统计，全国高校开设NoSQL数据库的计算机类专业点达4200多个，但实际大环境中仍兼具IT岗位“用工荒”和毕业生“就业难”的问题。究其根本是高校在课程教学和专业人才的培养上不太切合实际。

所以，改革NoSQL数据库课程和人才培养模式势在必行。各大高校应抓住新工科建设契机，基于产业实际发展情况，面向行业需求，以学生为中心，以课程理论知识为点、以产教融合实验为线、以产教结合实践为面，形成点线面的格局，促进学生对NoSQL数据库原理和技能的理解和把握[4]，提升学生对大型企业数据集的分析和挖掘隐藏信息的能力，通过产教融合培养符合社会需求的工程性人才。

1学情分析

随着非关系型数据库技术的应用市场逐步繁荣，大多高校已经全面开设了NoSQL数据库技术与应用的课程，但现行的NoSQL数据库课程基本还停留在基础理论教学和一些传统的且仅限于书本习题的数据库实验，这些对数据库或表的简单操作已经远不足以支持大数据环境下的学生实验。即目前大部分高校在关于NoSQL数据库课程的教学体系、教学资源、教学方式、教学目标以及师资能力等方面都存在着不能紧跟时代的问题，具体表现如下。

1.1教学难点

NoSQL数据库课程的目标是理论联系实际地展开教学，培养具备创新精神和多元化技能的优秀工程师。然而，在当前的NoSQL数据库教学中，仍然存在一些挑战。

1）缺乏成熟的教学体系。NoSQL数据库作为计算机与软件工程专业的一门具有较强的实践性和工程性特点的非关系型数据库课程，用以解决集群环境下的数据库的设计、存储和查询业务以及大数据应用中的难题[5]。对NoSQL技术的充分掌握依赖于对NoSQL相关知识的整体把握，包括对操作系统、Shell、Linux基础入门、Java程序设计、Java8新特征指南、数据库系统原理等预备知识以及对业内主流的NoSQL数据库类别（文档存储数据库：如MongoDB、Couch?DB；键值对存储数据库：如Redis；列式存储数据库：如gHhB等as）e的、C把ass握an。dr虽a；然图一形些数先据修库课：如程已Ne经o4包j、A含ll了egr以oG上ra所p?提及的部分知识，但随着大数据的快速发展，现行的NoSQL数据库课程面对实时变换的需求明显缺乏灵活性，学生无法在第一时间明确企业的需求动向，致使所学与所需无法衔接对应。因此，本课程迫切需要一个成熟的、顺应时代的教学体系，在基于OBE的理念的人才培养模式之上与时俱进地设计该课程的能力培养目标[7]。

2）NoSQL技术种类多，技术差异大，课时有限，实验教学难开展。新工科的人才培养目标要求学生得具有较强的工程实践能力。大多高校现有NoSQL数据库课程的工程培养效果并不是很好，其中一个非常重要的原因是NoSQL技术的种类多、差异大。根据DB-Engines最近公布的全球数据库排名中可以看出，现存的NoSQL产品有上百种，给每种产品选择适用的场景，且要在有限课时内针对不同类别的数据库产品设计更贴合实际的案例，仍是需要攻克的教学难点。

1.2存在问题

L数据库课程，其教学模式比较传统，教学资源也比较单一。通常仍然是就指定的一本教材按照传统的教学方法完成教学，实验教学部分也常常是一以贯之地使用课本上现有的例子，缺乏时效性，不够贴合产业发展现状。例如，姜罕盛等人在几年前就已经研发出首次大范围应用的气象业务的基于Cassandra的Micaps4系统[7]，DB-Engines最新公布的数据库排名中MongoDB、Cassandra和Redis相较于去年上升趋势明显，不难看出Cassandra列族数据库的在产业内的地位已经越来越高。而目前，NoSQl数据库课程还没有普遍涵盖Cassandra列族数据库的知识内容，图数据库部分的内容也不够突出、实践不够深入。新工科需要培养的是具备运用工程科学及系统思维能力，并能够熟练运用相关工具技术与理论解决工程问题的专业型人才。这就要求高校的教学需要引导学生基于自身专业特点进行专业领域设计和创新，培养学生解决工程问题的系统分析和处理能力。而不仅仅是将学生的思维局限在某一本书的理论知识和基础的简单的操作上。

2）课程教学方式落后。高校的大部分教师对于NoSQL数据库课程的教学都是采用线下课堂的形式，忽略了课前课后环节的重要性。部分学生对于NoSQL的先修课程的知识点和实践技能的把握不够牢固，单是对课上新的基础理论知识点的理解都成问题。通过了解，不少学生表示在学习NoSQL数据库课程时仅仅是对MongoDB、Redis、Hbase、Neo4j的部署就耗费了大半学期的时间。学生还表示对于Java、Py?thon类的学习有所欠缺，课上操作过程比较吃力。由此可见，如果缺少了课前的预习和课后的跟进，再好的教学内容都难以达到预期的教学效果。所以，对现行旧的教学方式进行适当的改革是很有必要的。

3）需求匹配度不足。一些高校的NoSQL数据库课程内容的设置与实际的市场需求不够匹配。高校的课程内容通常浮于表面或过于深入，忽视了对学生切实所需要的应用技能的培养。从而导致学生在毕业时会顿感学无所用。例如，从区块链被列入数字经济重点产业开始，各领域对区块链技术重视程度明显提高，研究发现将区块链与数据库技术的特性相结合构建的新型数据库存储系统可以更好地满足实际的业务需求[8]。然而，在当前NoSQL数据库的知识体系中，NoSQL数据库技术与区块链数据分布式存储技术的融合领域的人才培养还缺乏系统化专业化的课程学习[9]。国家对于区块链技术人才的需求日益迫切和目前NoSQL数据库课程尚未将区块链存储技术纳入其中之间的矛盾造成了供需不匹配的问题，同时更进一步促成了“就业难”的局面。

4）缺乏行内实践经验。高校的教师团队在NoSQL数据库领域的行业实践经验相对较少。这导致教师无法将最新的实践案例和经验分享给学生，无法引导学生及时地了解行业动态和发展趋势。

2产教融合构建NoSQL数据库课程体系

为了解决现有NoSQL数据库课程所存在的问题，再结合上NoSQL数据库课程的特点，实现“产教融合”成为解决现有困境的有效途径。一方面NoSQL数据库知识体系本身具有很强的工程属性以及与产业应用紧密结合的特征；另一方面大型互联网企业在为大量用户提供服务的过程中，积累了丰富的工程实践经验。通过产教融合，可以将这些实践经验引入课程教学，进一步丰富和完善NoSQL数据库课程体系，为学生提供更多实际应用场景并培养工程思维。同时，也可以为培养区块链技术人才提供有力支持，助力我国区块链产业的发展。得益于西华大学与北京优锘科技股份有限公司的新工科产教融合，共建了更符合新工科人才培养要求的NoSQL数据库课程知识和实践体系。改革后的课程体系以新工科建设理念为基础，以“产教融合”思想为导向，将理论知识与真实的企业案例有机结合，并展开进阶式的系列实验，旨在培养更符合“新工科”标准的工程性人才，为其能更好地为国家经济建设服务提供有力支持。这种产教融合式的课程体系不仅能够提高学生的理论素养，还能培养他们的实践能力，使他们能够更好地应对未来工作中的挑战，为我国的经济建设做出贡献。

新的课程设计在理论和实践、教学与应用的衔接上做得更好。通过与产业的全面协作，本课程设计了“教学-实验-实践”产教融合的课程体系。如图1所示，在课程内容上结合最新的数据库领域的排名选择主流的数据库技术进行设置，考虑到NoSQL数据库技术种类多，技术差别大的特点，本课程对NoSQL课程的知识层次逻辑进行了再革新，在掌握基本原理的基础之上利用相应的企业案例并采用行业最新的技术开展实验教学。

从知识前后的连贯性与整体性的角度出发，将本课程分为“教学-实验-实践”三个大步骤。NoSQL数据库产品类别多，相应的技术差别又比较大，选择采用分类教学如图2所示，NoSQL数据库的每一类别都按照“三步骤”模式进行授课。基于对主流数据库的理论知识和原理的把握，并结合对应设计的课堂实验帮助学生构建自己的NoSQL数据库的知识结构，通过对课堂小实验的总结和优化进一步加强对知识的消化与吸收。再在学生已经对知识点牢牢把握且已有实验能力的基础之上，引入切实的企业项目，并且在课堂上以真实案例为进阶实验，在难度螺旋上升的实验过程中培养了学生的工程实践能力，进一步满足新工科人才培养的要求。

学生通过第一部分先对NoSQL数据库技术的基本概念有一个全面的了解，特别是常用的CAP原则、BASE理论和最终一致性；第二部分学习四类主流数据库对应的编程访问技术（如：Java、Python等），为第三部分中的实验部分打好基础；第三部分将主要就NoSQL数据库的四大主流分类由浅入深的学习，每一个类别都会开展相应的实验和实践环节；第四部分补充介绍其他类型的NoSQL数据库技术和区块链存储关键技术。

2.2产教融合教学设计改革

在改革后的课程体系中，实验和实践部分的设计是关键核心，只有通过精心策划和设计，将产教融合理念始终贯穿课堂，把理论知识、课堂实验以及产教合作实践充分融合在一起，学生才能真正深入地理解NoSQL技术的原理。在教学设计过程中主要秉持以下原则：

1）实验贴合课堂。课堂小实验内容要与课程内容穿插进行，在不同的知识学习链上精心设计实验环节。如MongoDB作为文档存储数据库的典型代表，在讲授完MongoDB的理论知识之后，立即指导学生完成MongoDB的部署和相应的数据库操作。运用理论来指导实践，并从实践经验中提升对理论的深入认识。

2）实践结合课堂贴合实际。产教融合实践是在理论课程和小实验都完成了之后才进入的环节。有了理论知识的储备和小数据的小实验基础，再引入企业案例，让学生的所学直接对接实际问题，逐步引导学生发展工程思维，从而提高解决实际问题的能力[10]。比如，完成了MongoDB的理论知识的学习以及对应的实验之后，为学生提供产教融合平台，通过合作项目中真实的海量数据去切实体会MongoDB的性能。

3）单线内容设计难度递进。第三部分的分类学习中，每一类别的课程小实验都是为产教融合大实践做铺垫的，产教融合实践的设计必须与小实验在内容上得循序渐进，难度上得由浅入深。先从实验环境的搭建入手，搭建Java或者Python环境，然后在不同的平台上（Windows或Linux）部署MongoDB，实现一些简单操作如数据库操作、集合操作、文档的删改和简单查询、聚合等操作；分别使用Java、Python和Robo3T来操作MongoDB；再在开启了按安全认证的MongoDB副本集中实现对服务器NoSQL2和NoSQL3进行操作；最后再进一步完成与企业合作的项目，比如物流公司仓库管理数据库。由此引导学生从课本出发而最终走向产业。

3产教融合课程教学模式

本课程打破课堂“一本书”和教师“一言堂”的旧方式。在教学设计上，目前重要的教改研究方向是丰富教学资源以及围绕课程的前、中、后的各个阶段，实行线上和线下的混合互动式的教学模式，通过案例教学、激发学生兴趣、加强互动测试以及时评估学生学习效果。针对NoSQL数据库技术课程教学，Zinovieva等人为了优化教学资源主张将MongoDB等官方学习视频融入教学体系当中；刘雯敏和胡瑞娟等主张高校课堂采用BOPPPS模式进行课堂教学的设计，并用其对在线教学的各个环节也进行了研究[11]。各种教学方法为NoSQL数据库课程教学研究提供了宝贵的参考，因此需要根据NoSQL数据库课程的特点，在校企协同育人的应用型人才的培养上进行多方面的探索与实践[12]。针对“新工科”的需求设置人才培养目标，综合优秀的资源和产教融合案例构建新的教学模式。

3.1企业线上教学

为了让学生更深入地了解现实生产环境中的NoSQL技术，本课程邀请了北京优锘科技股份有限公司的专家进行专题演讲。通过网络直播互动的形式，向学生展示企业数据中心中NoSQL技术的实际应用，鼓励学生在线提问，以激发他们对数据库行业的热情。通过实施企业专家在线的专题演讲和实际经验分享，在培养学生工程思维的同时[13]，也让学生更进一步了解行业的最新发展，从而对自己的未来的就业方向有更确切的感知。

3.2产业案例教学

本课程以“产教融合”为导向，设计新的课堂教学和多重进阶实验，将企业案例充分融入课堂，从而加深学生对技术原理的理解。例如在介绍MongoDB基本理论知识时，与企业重点关注的方面（安全审计、备份恢复、数据同步以及弹性伸缩）相结合，强调企业级数据库的细节处理，以北京优锘科技股份有限公司MongoDB部分细节处理为例，在安全审计的基础之上MongoDB进行了TDE加密，为使备份的效率得以提升MongoDB增加了物理备份，还在备份的基础之上增加了备份验证和诊断分析的能力。又如在进行Redis部分教学时，介绍北京优锘科技股份有限公司Redis数据库是如何解决运维困难、路由存在不确定性和不支持Multi-Key以及从主从模式迁移到集群模式的问题。另外，在课堂小实验和产教融合实践部分也设置了大量的企业真实的案例。学生在学习中了解实战，进而在实战中深化所学，在满足学生成就感的同时也锻炼了学生的工程思维和实践能力。本课程的系列实验和实践特别重视过程，注重启发式教学，倡导学生多多探索解决问题的不同途径，培养发散思维。在进行产教融合实验和工程性实践的过程中锻炼学生的知识的迁移和技能应用能力。

4结束语

NoSQL数据库是解决大数据应用难题的关键一招。在新工科背景下，通过产教融合对NoSQL数据库课程进行深入的教学改革实践探析，实现了理论与实践的紧密结合以及教学人才培养与产业人才需求的实时衔接。本课程采用多元化的教学方式，包括企业线上课堂和产业案例教学，由此来加深学生对理论知识的理解，进一步提高学生对课程的兴趣度，并全面提升学生的工程实践能力。这样的教学设计不但有助于培养出更具系统思维和创新精神的高素质工程人才，同时也顺应了“新工科”的发展趋势，对其他相关课程的建设也起到了积极的推动作用。