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面向卓越工程师教育的数据库技术教学方法 摘要：随着云计算技术和物联网应用的开展，海量信息的存储与管理对传统的面向工程化教育的数据库技术教学模式提出挑战如何在学时缩短、注重基础设计技术、引进数据库新技术、工程化实训等因素之间做出有效平衡，是文章探讨的主要问题；同时，在面向卓越工程师教育的数据库技术教学架构、实现方法以及实践检验等方面，文章也进行了论述 关键词：卓越工程师教育；数据库技术；教学模式；网络数据库 0.引言 随着互联网技术的普及应用，信息呈爆炸性增长，数据量的急剧膨胀为海量信息的存储和应用带来了挑战数据库、存储和网络计算等技术在应对挑战的过程中逐渐成熟，导致了云计算应用和物联网产业的诞生云计算和物联网技术的应用打破了传统的数据存储和管理技术架构，急需掌握全新数据库技术的应用人才另一方面，普通高校作为信息社会建设的后备人才培养基地，必须紧跟社会发展当下，我国高校所开设的数据库原理及应用课程滞后于社会实际需求，教学模式主要分为两大类：一是侧重理论、模型、方法，主要讲解传统的数据库模型、数据库设计、数据库管理，对网络环境下的数据库技术探讨甚少；二是侧重应用技术，比如单一数据库软件技术，如SQL SERVER数据库或ORACLE数据库等的培训，缺乏设计理论。

近年来，上海理工大学光电信息与计算机工程学院对网络环境下的数据库理论、设计、应用等内容进行研究，编写了国家十一五规划教材《数据库原理及应用》，并进行了教学检验然而，在教学实践中，还面临着很多问题：（1）教学课时减少，而教学内容却越来越复杂和新颖，如何解决二者之间的矛盾需要仔细探讨；（2）传统的数据库理论模型与新的应用技术的引用之间如何平衡选取；（3）全新的数据存储、管理和应用模型还没有适宜的教材和资料可借鉴；（4）如何在较短的学时内使学生掌握有效的网络数据库操作技能，更是一个难题本文提出了一套新颖的教学模式和方法，核心思想是注重网络应用的数据库设计技术、与时俱进的数据库新技术的引进以及丰富完整的数据库设计实践方案 1.课程架构 传统的数据库原理和数据库技术课程往往走向两个极端，要么重视原理，要么重视技术如何将二者融为一体，进一步引入数据库新技术，并且在缩短学时的情况下提高学生的实际动手设计能力，是一个有挑战性的难题上述问题使我们认识到：（1）基础原理不能放松因为这些原理能够让学生认识到数据库模型的理论价值，这就需要教师挑选有代表意义的数据库模型进行讲解2）数据库技术是本课程的主要内容，目标是培养学生的数据库应用分析、设计、开发等技术，因此在加强技术内容的同时必须强化分析、设计和实践等教学过程。

3）数据库技术应用性很强，必须与时俱进特别是近年来，随着云计算技术和物联网应用的逐步展开，与此相关的数据库新技术被引入本科教学中尤为迫切，这些技术包括集群数据库技术、列数据库技术，以及计算机集群架构、存储区域网络、网络计算架构等4）数据库实践的全局性和完整性越来越重要过去的数据库教学实践往往围绕基础的SQL、安全性、数据库备份等基础技术来进行，这些是一个个知识点的简单实践，无法体现数据库设计与应用的全局性和完整性，学生无法感受到网络环境下一个数据库是如何设计与实现的所以，必须构建能够覆盖数据库设计的各个阶段、融合各个知识点、适应网络环境应用的数据库设计教学模型根据上述思想，我们构建了面向卓越工程师教育的数据库原理及应用课程架构，如图1所示 2.课程内容安排 围绕图1所示架构，我们对该课程学时进行了安排总学时为48，其中理论教学学时为32，实践学时为16按照上述4个问题，具体教学内容及学时安排如下 1）简明的数据库模型板块 该板块主要分4个部分：第1部分是数据库引论架构，主要介绍数据库的概念和架构，通过数据库存储模式的变迁，介绍数据库的三层结构和二个映射，进而介绍数据库物理的独立性和逻辑的独立性，使学生对数据库的整体有一个完整的直观认识。

这一部分的教学学时为2 第2部分是关系模型介绍首先通过关系代数直观地介绍数据库模型构建的数学基础，通过关系的集合、选择、投影、连接和除法等运算，建立学生的数据库模型空间，需要2学时；通过关系代数介绍关系数据库的核心概念，包括码、外码、实体的完整性、参照的完整性、自定义完整性，描述关系数据库设计的抽象模型，通过事例描述让学生直观感受关系数据库，需要2学时；进一步引进范式的定义、模式分解方法，通过简单事例描述问题本质，重点对概念进行直观讲解，略去繁琐的推导和证明，主要目的是使学生掌握模式分解技术，需要3学时；SQL语言部分简单介绍，学生自己阅读，并上机实践，需要4学时 第3部分介绍对象数据库模型利用关系模型为基础，根据对象存储和访问的特点，讲解对象数据库基本技术，主要通过对象一关系扩展模型介绍一个应用案例，需要3学时 第4部分介绍列数据库应用通过无线传感网产生的海量数据存储的需要，讲解列数据存储模型的优缺点，进而引进HBASE的数据库的基本介绍，给出参考资料，需要2学时 2）完备的数据库分析与设计技术板块 本板块分为3个部分：第1部分介绍新型数据库存储架构，从单磁盘、多磁盘RAID、计算机集群存储和存储区域网络等环境，介绍数据库应用网络化的过程和存储模式的基本原理，需要2学时；第2部分为数据库分析与设计，主要包括数据库需求分析方法、用E-R模型构建概念模型、用数据库模型实现数据库、概念模型到数据库模型的转换技术等，需要6学时；第3部分主要讲解数据库的完整性、并发一致性、安全与数据库恢复技术，这里要结合本板块前两部分的内容，把这些技术渗透到数据库设计及应用的各个阶段，需要4学时。

3）完整的实践模型 为了适合网络环境下数据库的应用，需要构建相应的数据库应用实践模型，针对分布式存储、全局信息目录、网络数据服务获取技术等方面来设计案例案例首先要考虑在网络环境下的多个数据库服务器模式，通过各个服务器上的数据存储模型的构建，逐步形成全局数据库模型，引进副本机制、容错机制，探讨数据库的一致性和完整性应用其次，要考虑分布与集中存储的网络通信代价、存储代价、数据一致性维护代价、实时性要求、并发规模要求以及实现技术代价之间的平衡，使学生初步掌握网络环境下数据库设计的核心框架第三，通过一种数据库模型（关系模型、对象存储模型和列数据存储模型）在一个模拟网络环境下实现来锻炼学生设计开发能力如果试验资源有限，可以把学生分成小组，小组内的学生共享计算机，构成网络数据库存储环境16学时的实践内容分配如下：基础试验环境配置和基本语言环境熟悉需要4学时，数据库案例实现需要12学时考虑学生的基础不同，可以为每个试验小组配一名员，员可以是做过相关实践工作的研究生 4）数据库新技术 主要介绍集群数据库产品和列数据库系统例如，初步介绍Oracle RAC和HBase数据库。

然后，列出完整的参考资料，供学生课后阅读这一部分用2学时 3.构建试验模型 如何在32个理论教学学时和16个实践教学学时内完成上述教学内容是一个难题我们运用形象直观法进行理论教学，运用现代教学手段，构建完整的实验模型锻炼学生的应用能力这些改革措施在上海理工大学近2年的教学实践探索中获得了良好的效果 1）运用形象直观法进行理论教学 数据库原理理论教学是本课程实施的难点，如何在较短的时间内讲授庞杂、抽象的理论是一个难题随着本科学生与社会需求对接的迫切，各个学校纷纷调整教学计划，缩短教学时数，提出第4年全实习的概念，把4年的课程压缩至3年由于时间的压缩，首先导致各个课程学时的缩短，进而导致原有的先修课关系受到影响例如计算机体系结构、数据库原理、计算机网络、软件工程课程并行开设，致使数据库原理所需的网络知识、体系结构知识、软件工程知识得不到有效的时间保证因此，形象直观法尤为重要本文介绍数据库三层结构、二层映射机制的形象教学方法 数据库架构是采用内模式、模式、外模式3层模式，通过模式/内模式映射实现了数据库的物理独立性，通过模式/外模式映射实现了数据库的逻辑独立性。

这些概念需要在绪论中讲解，如何使初次学习数据库的学生能理解这些概念以及明晓该架构的优势，我们运用形象直观法解决了这个问题 假设一个数据库的模式是一个大象，大象的体重就是数据库内容；数据库的外模式就是盲人摸象所得到的一个个局部信息；内模式就是大象所站立的基础，例如大象初始站在一条小船上，大象的四只脚站在小船上的形式就是内模式（存储模式）时间慢慢流逝，大象在长大（比喻数据库的内容在增加），原有的小船（存储系统）已经无法承受大象的重量，需要把大象（数据库）移到两条小船上（2个存储系统），而大象的形态保持不变（数据库的完整性、一致性），把大象迁移到2个船上的机制，就是模式/内模式映射这种机制表现了数据库的物理独立性另一方面，每个盲人所摸到的位置面积比例在放大，但还是在大象的原有部位，这种保持盲人原有认识不变的机制为模式/外模式映射同样，盲人无需知道也不会感知到大象在几条船上，并且大象的其他部位发生变化，对盲人是没有影响的，这种机制体现了数据库的逻辑独立性具体内容如图2所示 2）通过现代教学手段提高教学效率 动画技术和网络浏览Flash技术为数据库技术的理论讲授提供了基础。

针对数据库内容理论教学任务重的现实，我们对关键技术实现了Flash动画，学生只需一个浏览器就可以观看该课件，同时教师在讲授原理时可以充分利用这些动画，提高教学效率和教学效果目前我们已经完成了关系代数的形象化教学课件，其他教学动画还在陆续研制中 3）构建完整的实验模型锻炼学生的应用能力 针对上海豫园商城财务监管项目的实践，我们抽象出面向数据库原理及应用的实验模型该模型从企业信息监管的现状出发，设计出了一种融合多种财务软件的数据汇集框架根据子公司分布在不同城区而形成的跨Internet的特点，设计出了多级分布式存储模式的数据库模型，对数据库融合的有利因素和不利因素进行了细致分析根据监管数据的业务情况，对集团企业的存储数据量、通信数据量、数据库事务处理规模给出定量分析按照软件工程规范和数据库设计技术给出了总体设计、详细设计、数据库约束以及服务器配置等技术方法用SQL语言实现了数据定义、用ODBC实现了远程数据访问机制最终，实现了多个数据库存储的分布式网络数据存储模式该事例的财务数据及其结构关系如图3所示 4）合理组织学生参加实践组 由于网络数据库的实习需要多台计算机方可完成，要构建这样的专有环境势必给教学资源带来压力。

为了有效解决这个问题，我们设计了学生实践组，组内每个学生的计算机都构成了网络数据库存储环境组的规模不宜过大，设一个教学班为60人，每个组由5人构成，共12组每个组配置一个实验员，员可以是具有开发经验的研究生，他们必须熟悉系统的各个方面为了充分发挥个人优势，组内每个成员分配以不同的任务，如图4所示 在图4中，系统配置人员应该熟悉计算机网络、熟悉IP配置和服务器参数配置，主要负责各个机器上的数据库安装与设置数据库设计人员的核心任务是根据模型要求，对数据库的功能、性能和物理处理环境进行分析，并实现上述环境下的数据库应用模型远程数据获取人员必须具备ODBC或相似支持软件的程序设计能力，其主要职责是书写数据服务系统及接口通信程序设计人员主要熟悉TCP通信模块，编写机器间的数据传输数据库配置分析人员要结合数据库设计人员、系统配置人员的工作结果，给出数据库应用过程中的性能、扩展性问题分析所有人员在完成本工作后，轮换工作角色，对上一。