基于計算思維的數據庫技術及應用課程教學研究

摘要：目前教育部啟動的大學計算機課程改革項目，旨在推動以大學生計算思維能力培養為重點的教學改革。文章結合北京工業大學數據庫技術與應用課程的實際教學情況，指出在教學活動中引入計算思維的重要性，從教學內容和教學方式方面探討培養學生計算思維能力的可行性。

關鍵詞：計算思維；數據庫；教學實踐

文章編號：1672-5913（2013）18-0048-04

中圖分類號：G642

1 計算思維和計算機教育

目前，對于非計算機專業的計算機基礎教學，教學目標定位在知識和技能的訓練。在教學過程中，教師往往會過分糾結于知識點細節的講解，使學生陷入一種怪圈，知識點講簡單了滿足不了學生的求知欲，講深了讓學生難以理解，而學生在專業學習和工作中又很少用到這些知識點。教學內容不能滿足專業需要和社會需求，許多課程被取消或課時被削減成為普遍現象。授人以魚而不授人以漁，這種教學理念不利于培養學生應用計算機求解問題的能力。

復旦大學校長楊玉良教授認為通識教育要傳遞科學精神和人文精神，要展現不同文化、不同學科的思維方式并充分展現學術魅力。《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》中明確指出：應該旗幟鮮明地把“計算思維能力的培養”作為計算機基礎教學的核心任務。計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。如同所有人具備閱讀、寫作、算術能力一樣，計算思維也應該為我們所具備。計算機技術的發展日新月異，計算機基礎課程的教學內容涉及面廣，更新快。以計算思維能力的培養作為計算機基礎教學的核心任務，不僅能夠擺脫計算機工具論的片面觀點，而且能夠更好地詮釋課程建設目標，體現計算機基礎課程的特征以及通識教育應有的特征。

2 數據庫技術中的計算思維

計算思維是通過約簡、嵌入、轉化和仿真等方法，把一個復雜的問題重新闡釋成我們知道的問題，然后一步步解決；是一種采用抽象和分解控制龐雜任務或進行巨大復雜系統設計的方法，是基于關注點分離的方法；是按照預防、保護及通過冗余、容錯、糾錯的方式，從最壞情況進行系統恢復的一種思維方法；是利用啟發式推理尋求答案，在不確定情況下規劃、學習和調度的思維方法；是利用海量數據加快計算，在時間和空間之間、在數據處理能力和存儲容量之間進行折衷的思維方法。數據庫技術既有堅實的理論基礎，又在實踐中應用廣泛，其中很多知識點都為計算思維提供了生動的案例。

2.1 抽象

我們在眾多科學研究中，首先都要對研究的現實事物進行抽象，可以說沒有抽象，就沒有科學理論和科學研究。抽象是指從眾多事物中抽取出共同的、本質性的特征。通過蘋果、桃子、香蕉等得出水果的概念是抽象；將神舟十號的運行軌跡轉化為數學運算是抽象。在教務管理信息系統的設計過程中，將現實世界中學生、教師與課程信息及其之間的關系轉化為E-R圖，是從現實世界到概念模型的抽象；由E-R圖轉換為二維表是從概念模型到關系模型的抽象。

抽象分為數據抽象和過程抽象，以上示例是數據抽象，對數據的操作是過程抽象，如對成績的統計分析轉換為集合運算就是一種過程抽象。數據庫應用系統的開發是利用計算機解決現實世界的問題，需要借助多次抽象才能實現，因此教師在課堂教學中應適時展現知識背后所蘊含的抽象思維，而在實踐教學中，則通過從現實問題中建立概念模型和數據模型的設計性實驗，強化學生的抽象能力。

2.2 關注點分離

關注點分離是一種處理復雜性問題的系統思維方法。哲學上的整體與個體、主要矛盾與次要矛盾的關系分析就是一種關注點分離的思維方式，先將復雜問題進行合理分解，再分別仔細研究問題的不同側面，最后合成整體分析。這種方法適用于任何學科，學會這種思維方式，將有助于人們很好地處理工作和生活中的復雜問題。

數據庫應用系統管理龐雜的數據，包括存儲數據、檢索數據、統計數據、維護數據等。Access2007通過6大數據庫對象管理數據，就是應用了關注點分離的思維方法。教師可在教學內容的展開上應用關注點分離方法，以數據庫設計為主線，在解決問題的過程中逐步引入知識點，避免學生在學習的過程中感到知識點繁雜零散；在實踐教學中引導學生遵循概念結構設計、邏輯結構設計、物理結構設計等數據庫應用系統設計過程，培養和提高學生處理復雜問題的能力。

2.3 折衷

在經濟學中，經濟效率指的是成本與收益之間的關系，在成本最低的情況下追求最高收益是經濟發展的追求；一個國家的可持續發展要求經濟、人口、資源、環境等協調發展，這都體現了折衷思想。折衷的中文含義是調和各方面的意見使之適中，人們在完成一項任務、制訂一項計劃時要考慮效益與成本問題。

數據庫技術中管理海量數據要考慮時間和空間成本、存儲與處理能力。索引雖然提高了查詢速度，但需要一定的存儲空間，因此不能無限制建立索引。設計關系數據庫時應用規范化理論，可以減少存儲空間，但增加了查詢時間。數據庫應用系統開發追求的是最合適而不是最完美，因此數據庫設計人員要充分了解用戶需求，折衷各項指標，使系統最適合用戶的需求。教師在實踐教學中應著重培養學生具有折衷思想，讓其了解需求分析的重要性并恰當地設計數據庫。

3 面向計算思維的教學實踐

培養學生的計算思維能力，注意不要讓計算思維成為空中樓閣，不是只講思維而忽略知識點，而是注意在講解知識點的同時有意識地轉向思維方法，使學生不僅知其然還知其所以然，在知識和技能的培養基礎上逐漸形成計算思維意識。

3.1 教學內容

數據庫技術及應用課程內容的主體是數據庫基本原理和基本設計方法，而不是數據庫軟件的使用說明。在課程內容組織上，軟件的介紹應該僅涉及與學習和理解數據庫基本概念、基本設計方法相關的內容，以保證學生所學知識可以應用于基于不同數據庫軟件的數據庫應用系統開發。數據庫技術及應用（Access版）課程教學安排見表1。

3.2 教學方法

1）以問題式教學及案例教學貫穿教學過程。

調整后的教學內容理論性更強，涉及的專業術語較多，對于非計算機專業學生來說理解不易。教師以提出問題、分析問題、解決問題為線索，將其貫穿教學始終，讓學生感受知識發現的過程，提高學生自主學習的積極性；以案例引導教學，幫助學生更好地理解知識，讓學生感到學有所用。例如，教師可在開課之初引入一個簡單完整的數據庫應用系統實例，使得學生對數據庫系統有一個真實認知，更易于理解數據庫的基本理論；選取學生常見的、感興趣的案例，利用軟件工程思想，從需求分析一總體設計一詳細設計一數據庫的建立與實施一運行與維護幾個階段出發，對解決問題過程中出現的知識點進行講解，同時注意展現知識背后蘊含的思維方式；知識點的引入要由淺入深，由表及里，以解決問題為主線，但最后要注意總結知識點并設計一些認知性、驗證性實驗供學生練習。

2）即學即練。

從2009年開始，北京工業大學將該門課程的授課地點安排在實驗室，教師每講授完一部分知識即讓學生上機練習。這樣可以轉移學生的注意力，避免“滿堂灌”，從而有利于學生更好地掌握課堂內容，也有利于教師隨時發現問題，調整課堂節奏。

3.3 考核方式

我們采用“機試+考勤+實驗+課程設計”的綜合考核方式，以強化學生的實踐能力。機試用來考查學生對理論知識的掌握程度；實驗主要針對知識點而設計；課程設計則是讓學生用VB語言和Access軟件獨立開發一個數據庫應用系統，完成后進行課堂展示，著重考查學生的綜合能力。

4 結語

目前，教育部啟動的大學計算機課程改革項目旨在提升大學生信息素養和應用能力，推動以大學生計算思維能力培養為重點的大學計算機課程改革。各高校教師積極參與并實踐，努力探索培養學生計算思維能力的有效途徑，筆者則在文中就如何在非計算機專業的數據庫技術與應用課程中引入計算思維理念進行探討。計算思維能力培養是一個長期的系統工程，還需要我們不斷研究與實踐。

參考文獻：

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[3]教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會，高等學校計算機基礎核心課程教學實施方案[M]，北京：高等教育出版社，2011：176-192

（編輯：宋文婷）