馬竹根

摘 要： 探討了數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生計算思維的問題，分析了數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用課程中所體現(xiàn)的計算思維。在課程教學(xué)過程中，將計算思維培養(yǎng)滲透到教學(xué)內(nèi)容中，通過使用CDIO工程教學(xué)方法進行課程實踐教學(xué)，強化對學(xué)生的計算思維能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 計算思維； CDIO； 數(shù)據(jù)庫原理； 教學(xué)方法

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）01-91-03

Teaching of database principle and application course based on

CDIO and computational thinking

Ma Zhugen

（School of computer science and engineering， Huaihua University， Huaihua， Hunan 418008， China）

Abstract： Cultivation of computational thinking ability in teaching of database principle and application course is discussed； the computational thinking embodied in the course is analyzed in this paper. In the process of teaching， the training of computational thinking is seeped into the teaching content， and the cultivation of student's computational thinking ability is strengthened by using the CDIO engineering teaching method.

Key words： computational thinking； CDIO； database principle； teaching method

0 引言

在計算機科學(xué)中，數(shù)據(jù)庫技術(shù)是十分重要且發(fā)展迅速的一個分支，在應(yīng)用上遍及各個行業(yè)?！皵?shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用”課程的重要性也日益顯現(xiàn)，課程要求學(xué)生掌握數(shù)據(jù)庫的基本原理和數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)與維護。計算思維是學(xué)生應(yīng)該具備的一種核心能力，作為控制、管理、認(rèn)知活動的基礎(chǔ)，能夠幫助學(xué)生提高在各個學(xué)科領(lǐng)域解決問題的能力[1]。陳國良院士指出：“在大學(xué)中，計算思維不僅能振興大學(xué)計算教育，而且會令科學(xué)與工程領(lǐng)域創(chuàng)造出革命性的研究成果”[2]。計算思維是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的一個重要方面，有助于正確理解計算和計算機。在數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用課程教學(xué)中引入計算思維的理念，探索培養(yǎng)計算思維能力的教學(xué)模式，對提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出時代發(fā)展所需要的創(chuàng)新性人才具有重要的意義。

1 計算思維與CDIO工程教育模式

計算思維的概念是美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計算機系主任周以真教授于2006年首次提出的，計算思維定義為：運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計和人類行為理解等廣泛涵蓋計算機科學(xué)的一系列思維活動，其本質(zhì)是抽象和自動化；如同所有人都具備“讀、寫、算”能力一樣，計算思維也是所有人都必須具備的一種思維能力[3]。周以真教授指出，計算思維的核心概念可用外延的形式給出，如約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真、遞歸、并行、抽象、分解、建模、預(yù)防、保護、恢復(fù)、冗余、容錯、糾錯、啟發(fā)式推理、規(guī)劃、學(xué)習(xí)、調(diào)度等[4]。

為了在數(shù)據(jù)庫教學(xué)中融入計算思維教學(xué)，我們主要從課堂教學(xué)和實踐教學(xué)兩個方面探討。在教學(xué)過程中，貫穿抽象和自動化的思想，從計算思維層面對課程內(nèi)容中蘊含的計算思維方法進行分析和梳理，根據(jù)講授的具體知識點適時引入計算思維中的抽象、自動化、分解、規(guī)約、冗余、約簡、關(guān)注點分離、折中、嵌入、 轉(zhuǎn)化、 保護、容錯、糾錯和恢復(fù)等基本概念和思維方法，引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)會計算思維的方法。計算思維是以設(shè)計和構(gòu)造為特征，因此在實踐環(huán)節(jié)中，應(yīng)結(jié)合CDIO工程教學(xué)方法，即構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運行（Operate）[5]，讓學(xué)生開發(fā)一個小型的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)。實踐環(huán)節(jié)中，學(xué)生通過獨立或者小組協(xié)作的方式運用計算思維的系列方法解決實際問題，從中探索解決問題的方法，發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)，提高其獨立思考問題和解決問題的能力，最終培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力和創(chuàng)新思維能力。

2 課堂教學(xué)中引入計算思維

“數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用”是一門討論如何設(shè)計和構(gòu)造數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的課程，課程教學(xué)內(nèi)容主要包括關(guān)系數(shù)據(jù)庫、SQL基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)庫的安全性和完整性、關(guān)系數(shù)據(jù)理論、數(shù)據(jù)庫編程、數(shù)據(jù)庫設(shè)計、數(shù)據(jù)庫恢復(fù)技術(shù)和并發(fā)控制等[6]，其中很多知識點都蘊含計算思維方法。課堂教學(xué)中要將有關(guān)計算思維的思維特征和方法分解到一個個具體的知識點中，在教學(xué)中表述出各知識點對應(yīng)的計算思維核心概念，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)知識的同時，逐步理解和掌握計算思維，通過滲透和強化這些核心概念，讓學(xué)生將這些核心概念內(nèi)化成自己的知識。下面主要從抽象、自動化、遞歸、分解、規(guī)約、冗余、約簡、關(guān)注點分離、折中、預(yù)防、保護、容錯、糾錯和恢復(fù)等方面分析數(shù)據(jù)庫原理課程中蘊含的計算思維。

2.1 抽象和自動化

計算思維的本質(zhì)是抽象和自動化[7]。建立關(guān)系數(shù)據(jù)模型是一個抽象的過程，而將關(guān)系模式實現(xiàn)為基本表并運用SQL語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、修改、刪除和數(shù)據(jù)完整性控制的過程就是一個自動化的過程，因此在數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程中貫穿了計算思維。另外，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供的一些管理工具，如表設(shè)計器、視圖設(shè)計器等，使得用戶不用編寫復(fù)雜的程序語句就能創(chuàng)建表和視圖，也體現(xiàn)了計算思維中自動化的思想。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)過程分為需求分析、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計、物理結(jié)構(gòu)設(shè)計、實現(xiàn)、運行與維護等幾個階段，不同階段包含了不同層次的抽象。需求分析階段收集用戶的需求信息，用數(shù)據(jù)流圖和數(shù)據(jù)字典描述用戶需求，就是對現(xiàn)實世界的抽象。概念模型設(shè)計階段，在需求分析的基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)進行“分類”、“聚集”和“概括”等抽象處理，用實體聯(lián)系圖描述概念模型。邏輯設(shè)計階段，用關(guān)系模式表示實體，用關(guān)系模型表示數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型。實現(xiàn)階段，在定義表時，表中字段數(shù)據(jù)類型是對實際數(shù)據(jù)的抽象，字段的有效規(guī)則是對現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)約束的抽象。

在教學(xué)過程中不僅要講述數(shù)據(jù)庫設(shè)計相關(guān)知識，還要引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟計算思維中抽象的思想和方法，體會抽象的方法在數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程中的作用。

2.2 分解、遞歸、規(guī)約、冗余和約簡

在設(shè)計數(shù)據(jù)庫時，將整個設(shè)計任務(wù)按步驟分為：分析、設(shè)計、實施和維護等幾個不同階段，每個階段完成相關(guān)任務(wù)，將復(fù)雜的設(shè)計任務(wù)分解成容易實現(xiàn)的子任務(wù)，這就是計算思維中“分解”思想的應(yīng)用。關(guān)系規(guī)范化理論中通過分解關(guān)系模式由低級范式向高級范式進行轉(zhuǎn)換，也體現(xiàn)了計算思維中“分解”的思想。當(dāng)一個復(fù)雜問題的每一個局部與全局高度相似時，就容易設(shè)計出遞歸算法，從而實現(xiàn)求解方法的自動化，這是計算思維中的“遞歸”邏輯。例如關(guān)系數(shù)據(jù)理論中把一個關(guān)系模式分解為BC范式集合的問題就是一個遞歸問題。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)的過程中需求分析有兩種策略：自上而下和自下而上的方法。其中，自上而下的方法從整體出發(fā)，先定義全局結(jié)構(gòu)，然后逐步細(xì)化。由于系統(tǒng)是由相互聯(lián)系的部分組成的，可根據(jù)用戶需求，采用“抽象”、“分解”、“規(guī)約”和“冗余”等思維方法對其進行構(gòu)造。自下而上的方法，先定義各局部結(jié)構(gòu)，然后將它們集成起來，得到全局的概念結(jié)構(gòu)，采用的是“聚類”、“約簡”、“冗余”等思維方法。

2.3 關(guān)注點分離和折中

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中三級模式和二級映像保證數(shù)據(jù)的邏輯獨立性和物理獨立性，使得應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)相互獨立，體現(xiàn)了計算思維“關(guān)注點分離”的思想。

設(shè)計關(guān)系模型時，考慮數(shù)據(jù)的存儲和訪問效率，為避免因訪問多個表而使效率降低，允許表中部分?jǐn)?shù)據(jù)冗余，體現(xiàn)了一種折中的思想。對數(shù)據(jù)表創(chuàng)建索引，有助于快速查找和排序記錄，但是過多的索引又會降低速度，而且創(chuàng)建索引會占用一定的物理存儲空間。因此，創(chuàng)建索引時就需要權(quán)衡時間效率和存儲空間占用問題，這就體現(xiàn)了計算思維中的“折中”思想。

2.4 預(yù)防、保護、容錯、糾錯和恢復(fù)

在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供了良好的安全措施、備份和恢復(fù)技術(shù)。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)能夠?qū)κ聞?wù)、系統(tǒng)故障和介質(zhì)故障進行恢復(fù)。通過身份認(rèn)證和授權(quán)保護數(shù)據(jù)不被非法使用；提供實體完整性、參照完整性和用戶自定義完整性三類完整性約束來保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性，在用戶更新、刪除和添加數(shù)據(jù)時，防止不合法的數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)庫。

通過這些知識點的教學(xué)，結(jié)合一些日常生活中的實例，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識這些計算思維方法的重要性，在掌握數(shù)據(jù)庫知識的同時，掌握基本的計算思維方法，能夠自覺地運用計算思維方法解決實際問題。

3 實踐教學(xué)中引入CDIO工程教育方法

計算思維是以設(shè)計和構(gòu)造為特征，在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，結(jié)合CDIO工程方法，以計算思維為核心，以項目為主線組織實踐教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)運用“計算機系統(tǒng)的思維方法”設(shè)計和構(gòu)造一個數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)，運用計算思維方法獨立或協(xié)作的分析問題和解決問題，發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)，促使學(xué)生深刻理解計算思維的基本方法，達到鞏固知識和內(nèi)化知識的目的。

在實驗教學(xué)過程中將數(shù)據(jù)庫項目的構(gòu)思、設(shè)計、實施和運用貫穿于實踐教學(xué)，讓學(xué)生從解決問題出發(fā)，培養(yǎng)和訓(xùn)練計算思維，掌握解決問題的途徑。實驗教學(xué)以開發(fā)一個數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)為目標(biāo)，以數(shù)據(jù)庫項目分析→設(shè)計數(shù)據(jù)庫→建立數(shù)據(jù)庫→管理數(shù)據(jù)庫→項目編程為主線，將一個完整的系統(tǒng)開發(fā)任務(wù)分解成幾個前后銜接的實驗任務(wù)，這本身也是計算思維“分解”思想的應(yīng)用。按照CDIO模式將數(shù)據(jù)庫實驗分為七個實驗，將這七個實驗融合在一個具體的項目中，按照時間的先后順序?qū)嵤嶒烅椖吭O(shè)計如圖1所示。

基于項目的構(gòu)思、設(shè)計、實施與操作的各個階段實施內(nèi)容如下。

⑴ 構(gòu)思階段。在構(gòu)思階段教師引導(dǎo)學(xué)生在分配的項目中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，提供相似的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)教學(xué)案例幫助學(xué)生建立分析問題的思路，并且培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作及溝通能力。

⑵ 設(shè)計階段?；陧椖康臉?gòu)思結(jié)果，進行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的概念模型設(shè)計，利用數(shù)據(jù)庫建模工具完成E-R模型和數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計，引入規(guī)范化理論去除不良函數(shù)依賴，同時進行數(shù)據(jù)庫完整性設(shè)計及物理設(shè)計。

⑶ 實施階段?；陧椖康脑O(shè)計結(jié)果，將數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計的成果轉(zhuǎn)換成SQL數(shù)據(jù)定義語言，如創(chuàng)建表、視圖、索引等對象。在基表上運行插入、刪除、更改等SQL命令，并進行各種查詢功能測試。此外，對需要統(tǒng)計或復(fù)雜計算的數(shù)據(jù)處理，設(shè)計存儲過程和函數(shù)；采用觸發(fā)器維護自定義規(guī)則、完整性控制等功能；掌握權(quán)限、角色、用戶管理以及數(shù)據(jù)庫備份與恢復(fù)的技術(shù)。

⑷ 操作階段?；谇傲螌嶒灥某晒?，結(jié)合程序設(shè)計語言（java、C#），設(shè)計數(shù)據(jù)庫應(yīng)用界面，編寫相應(yīng)的程序項目進行驗證與測試，記錄下出現(xiàn)問題并分析原因，進行小組討論、改進、反饋和交流。

在基于CDIO的實踐環(huán)節(jié)中，學(xué)生在設(shè)計和構(gòu)造系統(tǒng)的過程中了解計算機能做什么，不能做什么，學(xué)會選取合適的模型反映求解的問題，掌握如何將一個復(fù)雜的問題分解成簡單問題的思維方法，并從中體會到計算思維的功用。

4 結(jié)束語

本文探討了將計算思維與CDIO工程教育模式相結(jié)合，在課堂教學(xué)中引入計算思維，實踐教學(xué)中采用CDIO工程教育模式，訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力和創(chuàng)新能力。實踐教學(xué)表明，在數(shù)據(jù)庫課程中引入計算思維和工程教育模式，教學(xué)效果明顯提高。從所培養(yǎng)的畢業(yè)生來看，計算機專業(yè)的畢業(yè)生受到用人單位好評， 普遍反映學(xué)生基礎(chǔ)扎實、能力強、專業(yè)素質(zhì)高，社會對我們培養(yǎng)的畢業(yè)生非常認(rèn)可。隨著計算思維和工程教育模式的深入研究，以此為改革方向的數(shù)據(jù)庫原理課程教學(xué)，將在培養(yǎng)計算機專業(yè)創(chuàng)新人才進程中取得更大的成效。

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