基于“翻轉課堂”的《數據庫應用技術》課程教學方法研究

金鑫

（長沙民政職業技術學院軟件學院，湖南長沙 410004）

基于“翻轉課堂”的《數據庫應用技術》課程教學方法研究

金鑫

（長沙民政職業技術學院軟件學院，湖南長沙 410004）

“翻轉課堂”作為一種全新的教學模式，改變了傳統教學模式中的師生角色，對課堂時間分配進行了重新規劃，反映了學生的主體作用。文中以《數據庫應用技術》課程為例，引入“翻轉課堂”教學模式，將微項目、合作機制等引入課堂，將抽象的理論具體化，活躍了課堂氣氛，最后總結了“翻轉課堂”模式實施要點。

翻轉課堂；教學方法；微項目；合作機制

1.“翻轉課堂”教學模式介紹

“翻轉課堂”（Flipped Class）[1]最早的探索者是孟加拉裔美國人薩爾曼汗，他將自己錄制的教學視頻傳到了YouTube網站上，讓數以萬計的學生通過網絡來參與課程學習。之后科羅拉多州林地公園高中的化學教師喬納森·伯爾曼和亞倫·薩姆斯則進行了顛覆傳統課堂的嘗試，把結合實時講解和PPT演示的視頻上傳到網絡，讓學生在家中或課外觀看視頻中教師的講解，把課堂的時間節省出來，進行面對面的討論和作業輔導。

“翻轉課堂”與傳統教學模式相比，具有以下三方面優點：

1.1 傳統教學模式中學習進度由教師安排；“翻轉課堂”中學習進度由學生自己安排，增強了學生的自我管理意識。

1.2 傳統教學模式師生聯絡方式存在局限性，教師了解學生學習困難滯后或存在盲區；“翻轉課堂”通過網絡實時反饋，教師對學生學習中的問題掌握較全面，便于做出針對性輔導。

1.3 傳統課堂教師主導，學生之間互動較少；“翻轉課堂”鼓勵學生之間的互動交流，有利于增加思考靈活度，從而提高學習效率。

2.《數據庫應用技術》課程介紹

《數據庫應用技術》是軟件技術專業的主干課程，講授數據庫的基本原理、表和列的管理、數據存儲與檢索、數據的設計等知識。本文以其中的一個內容“列數據庫”為例，介紹翻轉課堂的應用。列數據庫是近年來針對解決大數據問題的一種數據庫技術。列數據庫管理系統(Column-Oriented DBMS)是一種以列方式存儲數據的數據庫管理系統，亦稱為列存儲(C-Store,Column-Store)[2]。傳統的行數據庫管理系統(Row-Oriented DBMS)，亦稱為行存儲(R-Store, Row-Store)，如Oracle、SQLServer、DB2等。由于存儲方式的不同，列數據庫在系統結構、數據存儲、數據讀取、查詢等系統設計以及應用領域都與行數據庫存在著顯著的差異。

列數據庫是數據讀優化(Read-optimized)系統，而行數據庫是數據寫優化(write-optimized)系統[2]。行存儲將同一元組的所有屬性存放在相鄰的區域，一次磁盤寫操作便可將元組數據寫入磁盤，在寫數據時獲得較高的性能。行存儲適合于寫密集的OLTP(On-Line Transaction Processing)類型應用。列存儲將所有元組的相同屬性列存放在相鄰區域，查詢時只讀取投影屬性，對比行存儲讀取所有元組屬性而言性能較高。列存儲更適合于讀密集的OLAP(On-Line Analytical Processing)類型應用。另外，列存儲方面研究技術發展，如輕量級壓縮、后期物化和連接優化等，使列數據庫在OLAP等讀優化系統中性能對比明顯優于行數據庫。

列數據庫技術可追溯到上世紀七十年代。當時，行數據庫中垂直分區(Vertical Partitioning)技術[3][4]要求為數據表的每列建立單獨的表，由于每列都附加了列ID屬性，所以性能較差。上世紀八十年代中期，學術界提出行數據庫的N元存儲模型(NSM, N-ary Storage Model)[5]上的分解存儲模型(DSM,Decomposition Storage Model)[6]，相繼一些連接算法和投影索引技術擴展了DSM。盡管DSM適用于分析查詢，但當時由于市場需求有限，DSM仍然處于非主流技術趨勢，而行數據庫一直處于主導地位。直到2000年以后，隨著信息技術領域新技術層出不窮，包括CPU性能的大幅提升、內存容量的不斷增大、磁盤帶寬的限制和T比特級數據倉庫的興起等等，促使列數據庫的研究得到快速發展并隨之產生大量的列數據庫管理系統[7]。

3.“翻轉課堂”教學模式在數據庫課程中的實踐流程

3.1 制作精良的教學視頻（5分鐘以內）

視頻作為課程主題引入，涵蓋列數據庫存儲空間布局的發展現狀和列數據庫存儲空間布局的重點、難點，為接下來實施“翻轉課堂”打基礎。視頻制作過程分三步：第一步：研究教學內容確定教學任務，完成教學設計、教學流程；第二步：確定新知視頻內容及課堂教學流程；第三步：視頻錄制、剪輯及學生自主學習任務單的設計。

3.2 創設問題導向的微項目主題（5分鐘）

給出基于列數據庫存儲空間布局的微項目主題，該主題以世界大學城空間平臺優化為背景，給出世界大學城空間平臺現存的存儲空間不足的問題，啟發用本堂課程知識點解決此問題。

問題闡述過程如下：

我們日常使用的教學資源數量呈直線增長趨勢，訪問量也大幅提升。海量的教學資源，包括各類文檔、圖片、視頻、師生互動交流的信息等，給空間網站服務器帶來極大的數據存儲管理難度。同時，教學資源大量并發訪問需要快速的資源檢索和實時數據分析，對空間網絡服務器提出更高的數據處理要求。

列數據庫技術應用于大學城空間，將使訪問資源集中到用戶查詢所涉及的列，能夠有效降低系統I/O，每一列由一個線程來處理，而且由于同一列的數據類型一致，數據特征相似，極大地方便資源壓縮存儲。海量數據存儲及查詢所引發的客戶端問題，例如空間網頁響應延遲或網頁無法打開、空間資源訪問緩慢或無法訪問、資源存儲速度緩慢或丟失、多用戶同時訪問時無法響應等等，也能夠得到極大改善。

請用列數據存儲空間布局方法為世界大學城空間資源存儲結構建模。

3.3 建立高效合作機制（25分鐘）

學生根據列數據庫存儲空間布局的理論進行分組討論，給出微項目解決方案。

列數據庫存儲空間布局的知識點多且雜，給出的知識點應注意系統性、連貫性，而不能僅僅依照書本要點。結合多種參考資料及課本歸納后的列數據庫存儲空間布局知識點如下：

通常，數據庫存儲頁面布局方式分為三種：行存儲、列存儲以及復合行列存儲的布局方式。除上述三種存儲布局方式外，HYRICE結構可依據訪問數據的大小自動將數據表拆分成幾部分[8]。圖1所示是三種典型的存儲頁面布局方式。其中圖1.(a)為包含ID和三個屬性(SSN,Name,Age)的Employee表；圖1.(b)為行存儲布局方式NSM；圖1.(c)為列存儲布局方式DSM；圖1.(d)為復合行列存儲布局方式PAX。

圖1 三種頁面布局方式

傳統關系數據庫采用按行存儲的布局方式，使用N元存儲模型(NSM)。NSM按記錄(元組)順序將數據存儲于每個磁盤數據頁面(Slotted Page)。在每個頁面中，從最接近頁面頭的可用空間開始，逐個插入新的記錄，同時，在頁面尾端保存指向該新紀錄的指針。如圖1.(a)NSM存儲模式所示,每個記錄包含一個記錄頭(RH)，頁尾的指針指向相應的記錄頭。在查詢記錄時，從頁尾指針定位并讀取記錄，每次訪問都需要讀取該記錄的所有屬性。

按列存儲的頁面布局方式將記錄按屬性列分別存儲于不同磁盤頁面中，每個頁面只存儲同一屬性列的數據。列的分離存放避免了在訪問記錄時讀取不相關屬性，但需要額外的元組重建開銷。按列存儲布局方式可采用分解存儲模型(DSM)[6]或C-store [2]。世界大學城空間可采用DSM方式。DSM是一種垂直分區(每個屬性為一列)的完全分解形式，將包含n個屬性的關系垂直劃分為n個子關系，每個子關系包含兩個屬性：邏輯記錄ID、屬性值。子關系依照NSM中關系的存儲方式存儲于磁盤頁面(slotted page)。如圖1.(b)DSM存儲模式所示，Employee表(關系)劃分為三個屬性(子關系)，每個屬性中數據分別存放在不同的頁面文件中。C-store類似DSM，區別是每個子關系中只存儲屬性值而不需要邏輯記錄ID。

學生合作機制的建立應注意以下兩點：

3.3.1 教師給出的理論知識點應涵蓋微項目中所涉及的所有知識要點，并要簡潔概括，以便學生短時間閱讀和理解。

3.3.2 教師分組時，每組指定負責人，并按能力分工，4-6人一組為佳。

3.3.3 學生探討時，對于知識點較容易的課程主題，適合采用自主探究為主、團隊探討為輔的方式；對于難度較大的知識點，適合采用團隊探討為主、自主學習為輔的方式。

3.4 教師引導及總結（10分鐘）

學生經過團隊合作探討之后，給出的建模方案需要教師的高效指導。此時的指導基于微項目，并結合列數據庫存儲空間布局理論知識，對于學生是有目的的學習過程。有了合作機制階段的建模基礎，教師高效的指導有利于學生對微項目查缺補漏，并對知識形成連貫體系。

對于學生的微項目成果，教師可將典型的小組作品進行展示和探討，以便學生從中進一步拓寬思路。

此外，針對學生完成微項目過程中的缺陷和錯誤，教師應單獨輔導，指導學生改進和完善，做到舉一反三。

4.啟發和收獲

“列數據庫存儲空間布局的理論”等一系列信息技術理論課程具有抽象、枯燥等特點，通過借鑒“翻轉課堂”教學模式，改變了傳統教學模式中教師為中心的講授式方法，充分調動學生的學習自主性，課堂中的微項目將枯燥的理論知識和世界大學城空間中的實際問題相結合，使學生既能夠有目的地學習相關理論知識，又有利于實際問題的解決。另外，“翻轉課堂”中師生的互動、微項目展示及改進等能夠更真實地反映學生對知識點的掌握程度。

[1]劉曉路，邢立寧，楊振宇，孫凱.“反轉課堂”教學模式的實踐與思考[J].時代教育,2014,（9）:63-64.

[2]Mike Stonebraker,Daniel J.A,Adam Batkin,et al.C-Store:A Column-oriented DBMS[C].Proc of the 31st Very Large DataBase Conference(VLDB),Trondheim,Norway,2005.553-564.

[3]Weyl S,Fries J,Wiederhold G,et al.A modular self-describing clinical databank system[J].Comput.Biomed.Res,1975,8(3),273-93

[4]Illka K,Per S.Integrating Vertical and Horizontal Partitioning Into Automated Physical Database Design[C].Proc of the 2004 ACM SIGMOD conference on Management of data,Paris,ACM,2004:359-370.

[5]R.Ramakrishnan,J.Gehrke.Database management systems[M].Mc-Graw-Hill,2003.

[6]George P C,Setrag N K.A decomposition storage model[C].Proc of the 1985 ACM SIGMOD conference on Management of data,Texas, ACM,1985.268-279.

[7]Daniel J A,Peter A B,Stavros H.Column-oriented Database Systems [C].Proc of the 35st Very Large DataBase Conference(VLDB),Lyon, France,2009.

[8]Martin G,Jens K,Hasso P,et al.HYRISE:a main memory hybrid storage engine[C].Proc of the 36st Very Large DataBase Conference (VLDB),Singapore,2010.

[9]劉海武.信息技術課堂如何有效運用翻轉模式[J].教育教學論壇. 2014,(7):227.

G642

A

1671-5136(2014)02-0098-02

2014-06-15

金鑫（1980－），女，江蘇鎮江人，長沙民政職業技術學院軟件學院講師、碩士。