盧 衛,程一艦,趙展浩,杜小勇
(1. 中國人民大學 數據工程與知識工程教育部重點實驗室,北京100872;2. 中國人民大學 信息學院,北京 100872)
范曉云
(蘇州技師學院 創意服務系,江蘇 蘇州 215009)
MOOC模式下數據庫系統概論課程實驗平臺的建設與實踐
盧 衛1,2,程一艦1,2,趙展浩1,2,杜小勇1,2
(1. 中國人民大學 數據工程與知識工程教育部重點實驗室,北京100872;2. 中國人民大學 信息學院,北京 100872)
數據庫系統概論作為實踐性較強的計算機專業課,如何支持在線實驗,如何自動、準確、快速地量化學生對相關知識點的掌握程度,是實施MOOC教學的關鍵挑戰。文章介紹數據庫在線實驗系統的設計與實現,探討如何通過課程實驗平臺的建設與實踐有效支撐MOOC教學。
MOOC;在線實驗;數據庫系統概論;自動評分;數據分析
MOOC(Massive Open Online Course,大規模開放在線課程)的出現,給高等教育的發展帶來了新機遇。優質且豐富的在線課程資源、低廉的學習成本、靈活自主的學習方式、多樣的互動交流方式等,使MOOC課程大受歡迎,并得到了人們的廣泛參與。例如,中國人民大學數據庫教學團隊在中國大學MOOC平臺上[1]開設的數據庫系統概論MOOC課程(包括基礎篇、高級篇和新技術篇3部分),自2016年4月開始選課人數已累計9萬余人。然而,MOOC教學仍然面臨諸多挑戰,如學習者的高輟學率和低完成率、專業課程的在線實驗如何實施等。
數據庫系統概論全面地闡述了數據庫系統的基礎理論、基本技術和基本方法。作為實踐性較強的一門計算機專業課,數據庫系統概論課程的培養目標不僅要求學生具備復雜工程問題建模(數據庫設計)所需的理論知識(關系數據理論),還要求學生掌握計算機編程與軟件開發相關的工程基礎和專業知識(包括關系數據庫標準語言SQL、數據庫安全性與完整性、關系查詢處理與查詢優化、數據庫恢復技術、并發控制),最終能夠應用數據庫的專業知識進行復雜問題的求解。為了實現這一培養目標,除了平時的課堂教學之外,筆者還需要建設課程實驗,強化學生對基本技術、基本方法的實踐,也為教師了解學生對知識的掌握程度提供教學上的參考。
與配套的教材[2]、習題解析與實驗手冊[3]和MOOC在線課程[45]內容相對應,筆者從數據庫的創建、維護、查詢處理與優化3個角度出發,設計了數據操縱語言、數據控制語言、數據定義語言、存儲過程與觸發器的管理、索引的創建、事務、數據一致性7個實驗,這7個實驗構成了數據庫系統的基本技術體系。其中,關系數據庫的創建包括數據操縱語言、數據控制語言和數據定義語言3個實驗;查詢處理與優化包括存儲過程與觸發器的管理、索引創建、數據一致性3個實驗;關系數據庫維護包括事務實驗。
針對上述7個實驗,根據課程的教學要求,筆者設計了表1的考核內容。
以往的實驗課程,學生撰寫實驗報告,教師審閱報告內容,實驗的評價主要依據實驗結果的截圖,這種純手工、易主觀、粗粒度的評價方式無法滿足MOOC教學模式下教師對自動、準確、快速量化實驗結果的要求。實驗自動評價的挑戰具體表現在以下幾個方面。
難點1:解決同一個問題的SQL語句存在多種寫法,系統無法使用基于模式匹配的方式進行結果的正確性判斷。例如,在學生選課系統中,查詢學號為“2017001212”的學生選修的課程名,使用如下語句均可獲得正確的運行結果。

表1 實驗的考核內容

難點2:不同用戶操作同一個數據對象可能存在沖突或相互影響。例如,實驗考核內容要求用戶創建學生、課程、學生選課3個關系模式。這樣,不同的學生會創建同名的數據對象。除了第一個用戶創建成功之外,其他用戶均創建失敗。很明顯,不同的人執行相同的語句其結果的正確性不同,這與實驗的初衷相違背。此外,基本表中記錄的插入和刪除操作,會影響其他用戶對該基本表的操作。當要求用戶插入一條記錄時,由于所有用戶均插入內容相同的記錄,除了第一個用戶操作成功之外,其他用戶操作均失敗。為了解決這個問題,需要設計不同用戶之間操作的隔離性機制。
難點3:用戶操作需要保持狀態延續性。在課程實驗考核內容中,不同的實驗存在互相依賴關系。例如,記錄的增、刪、改操作,需要用戶事先完成基本表的創建;數據查詢要求表中存在一定的數據量。因此,在線實驗平臺的設計要求能夠物化用戶每一個階段的操作結果。
難點4:并發控制實驗需要避免系統頻繁的重啟問題。并發控制實驗設計的目標是為了驗證并發操作在不同隔離級別下數據的不一致性問題。需要注意的是,每次為數據庫設置不同的隔離級別,都要重啟數據庫管理系統,而系統的每次重啟,都會造成在線實驗平臺服務的不可用。因此,頻繁重啟系統會影響用戶的使用體驗,應盡可能避免。
針對實驗建設過程中遇到的上述4個難點,筆者提出了如下的對應解決方案。
針對難點1,筆者提出了基于結果集比對的解決方案。雖然同一個問題的SQL語句存在多種寫法,但其執行結果是唯一的。為此,筆者事先錄入正確的SQL語句,并對用戶提交SQL語句與正確SQL語句的執行結果進行比對,如果比對一致,則表明用戶提交的SQL語句是正確的。需要注意的是,必須保證實驗的執行結果不為空,否則,就有可能造成誤判。此外,筆者也考慮到學生在做題過程中可能存在的失誤,也提供了一定程度的容錯處理。例如,在某個題目中,要求學生編寫SQL語句返回計算機系學生的英語成績,并按成績降序排序。學生在提交SQL語句時,雖然結果集能夠正確包含計算機系學生的英語成績,但成績未按降序排序。在這種情況下,應該給予一定的分數。為了實現這一要求,應事先錄入學生可能提交的答案,并對每個答案設置一定的分數。當學生提交SQL語句的執行結果,與系統預期的執行結果一致,則按照事先設置的分數進行評分,從而保證系統具有一定的容錯性。
針對難點2,筆者提出了基于模式(schema)的操作隔離機制。數據庫中模式的作用類似于文件系統中文件夾的作用。同一模式下,數據對象的命名是唯一的,而不同模式下,數據對象可以有相同的命名。為此,為每個用戶創建各自的模式,其針對基本表、索引、視圖、存儲過程與觸發器的創建、修改、刪除都在其對應的模式下操作。因此,不同用戶之間對上述5類數據對象的創建、修改、刪除具有隔離性。通過查詢數據字典,可以判斷用戶是否成功創建了相應的數據對象,并檢查該對象是否滿足事先設置的創建條件,進行相應的打分。
針對難點3,筆者提出了基于事務回滾的機制。為了保持用戶操作狀態的延續性,一方面,對于基本表、索引、視圖、存儲過程與觸發器的創建、修改、刪除操作,利用基于模式的操作隔離機制,保證不同用戶之間操作不互相干擾;另一方面,對于基本表中記錄的增、刪、改、查操作,提出基于事務回滾的的機制。根據實驗內容的考核要求,可以事先創建相應的基本表,并插入一定數量的記錄,對于數據操縱語言實驗,所有用戶對記錄的增、刪、改、查操作,全部都在這些基本表上操作。這樣設計的好處是避免每個用戶重復導入數據,從而節省存儲和計算資源。然而,之前提到,同一個基本表中記錄的插入和刪除操作,會影響其他用戶對該基本表的操作。為了解決這一問題,筆者作了如下的設計:用戶對基本表的插入和刪除操作,只做正確性判斷,但不會真正地對基本表插入或刪除實際的數據,從而保證任何用戶執行操作之前和之后,數據庫中的數據是一致的。為了實現這一設計,引入事務的概念,把用戶的操作封裝在同一個事務中,在事務中對用戶的操作進行正確性的判斷,在事務結尾進行回滾,使用戶的操作不會對數據庫造成任何影響,從而保證用戶操作的隔離性。
針對難點4,筆者事先構建不同隔離級別下的數據庫,并在在線實驗平臺的客戶端創建多個窗口,每兩個窗口連向同一個數據庫(具有相同隔離級別),從而測試在某一個隔離級別下的數據一致性檢驗。
根據實驗的考核要求,筆者開發了在線實驗平臺[6]輔助MOOC教學。
學生必須填寫相關信息并注冊到某一個教學班中;通過審核后,該學生可以登錄系統,進行相關知識點題目的選擇和作答。平臺為每個實驗內容生成一個或多個功能模塊,每個功能模塊覆蓋部分或全部的實驗內容。例如,在數據操縱語言實驗中,設置了3個功能模塊,分別是單表查詢、多表查詢和數據更新。在單表查詢和多表查詢中,分別給定了具體的應用場景,并各自設計了包含9道題的實驗案例。要求學生能夠分析用戶查詢要求,設計帶有條件表達式和集合統計的單表查詢和帶有條件的自連接查詢、多表連接查詢、嵌套查詢和集合查詢(多表查詢)。當學生進行相應題目的作答并提交后,實驗平臺進行實時、自動打分,并將最終的判分結果返回給學生。圖1給出了多表查詢的應用場景及第一道題的題目描述。

圖1 多表查詢功能模塊
教師負責審批教學班學生的加入、管理以及分析學生答題情況。教師端的功能可以分為審核、分析、導出統計的答題或行為信息3個模塊(在本小節中,僅介紹審核模塊,分析和導出模塊將在第三節中介紹)。教師負責審核本班學生注冊申請請求,通過查看學生提交的實名注冊信息,如果屬于本班同學,則給予通過,否則,拒絕學生的申請,見圖2。

圖2 教師審批模塊
通過收集學生在答題過程中的行為和提交的答案,系統給教師提供本班學生總體和個體的分析,并進行可視化展示。
學生答題數據包括學生在答題過程中的行為和提交的答案。學生的答題數據發生在學生提交自己的實驗答案之后,平臺對學生提交上來的答案以及判分結果進行存儲。學生的行為數據發生在學生答題的過程之中,平臺采集學生在每一道題目中的思考停留時間并存儲。
學生答題情況分析可分為整體分析和個體分析,如圖3所示。
通過整體分析,教師可以查看本班學生每個實驗的完成情況:①有多少學生提交了答案,有多少學生已經開始答題、但尚未提交答案,有多少學生尚未開始答題;②班級的平均成績及方差,哪些學生成績高于平均成績、哪些學生低于平均成績;③對于每一道題,哪些學生回答對了,哪些學生回答錯了,哪些學生部分回答正確;④班級學生的平均完成時間,哪些學生完成時間低于平均完成時間,哪些學生高于平均完成時間。
通過個體分析,教師可以查看本班每個學生的完成情況,特別是其中提交錯誤答案的學生個體。例如,在圖3的成績統計柱狀圖中,通過點擊“0分”紅色柱子,可以查詢得零分的學生姓名。在此基礎上,通過查詢該學生,獲得該學生的答題詳情,分析出該學生答錯題的原因。另外,教師也可以查詢學生完成每個實驗和每道題的用時。
通過整體和個體分析,教師可以細粒度地獲取學生答題情況信息:哪些題學生得分普遍偏低,哪些題學生用時較多,哪些學生學習態度不端正(包括不提交作業以及每道題出錯且用時明顯低于平均時間),哪些學生學習成績不甚理想。對于得分較低、用時較長的題目,要進行重點講解,對于學習態度不端正、學習成績不理想的學生,可以根據其錯誤的原因,有針對性地講解,真正地做到因材施教。

圖3 實驗統計分析圖
中國人民大學數據庫團隊自主開發的數據庫系統概論課程在線實驗平臺已經上線,并在數據庫系統概論MOOC建設與應用第二屆研討會、第二屆面向計算機類MOOC的大規模在線學習支撐工具研討會中,向來自全國各個高校從事數據庫教學的200多位一線教師進行了介紹,得到了大家的認可。平臺目前已經得到了來自石家莊鐵道大學、北京信息科技大學、重慶科技大學等10多所高校的使用申請。由于準備時間比較倉促,在實施MOOC教學模式時,筆者采用邊探索邊建設的模式,功能上將繼續完善改進,也請同行們批評指正。
致 謝
中國人民大學數據庫系統概論教學小組的王珊老師、陳紅老師、博士生王童童、人大金倉信息技術股份有限公司的冷健全參與了課程實驗的設計。
[1] 中國大學MOOC. 首頁[EB/OL]. [2017-09-08].http://www.icourse163.org/.
[2] 王珊, 薩師煊. 數據庫系統概論[M]. 5版. 北京: 高等教育出版社, 2014.
[3] 王珊, 張俊. 數據庫系統概論習題解析與實驗指導[M]. 5版. 北京: 高等教育出版社,2015.
[4] 王珊, 杜小勇, 陳紅. 數據庫系統概論基礎篇[EB/OL]. [2017-09-08]. http://www.icourse163.org/course/RUC-488001.
[5] 王珊, 杜小勇, 陳紅. 數據庫系統概論基礎篇[EB/OL]. [2017-09-08]. ttp://www.icourse163.org/course/RUC-1001655006.
[6] 盧衛, 杜小勇. 數據庫系統概論在線實驗平臺[EB/OL]. [2017-09-08]. http://dbm.ruc.edu.cn/rucdbcourse/.
1672-5913(2017)11-0028-05
G642
國家自然科學基金青年科學基金項目(61502504);教育部2016年課程教材改革研究項目“在線開放課程大數據研究項目(一期)”“MOOC課程有效學習的分析與對策研究”;中國人民大學教師教學發展改革項目“基于數據庫MOOC教學的在線實驗平臺研究”。
盧衛,男,副教授,研究方向為云計算與大數據管理、空間與文本數據庫管理、索引技術,luwei@ruc.edu.cn;

盧 衛

杜小勇
(編輯:孫怡銘)
人才培養
范曉云
(蘇州技師學院 創意服務系,江蘇 蘇州 215009)
文章編號:1672-5913(2017)11-0033-03
中圖分類號:G642
摘 要:互聯網+對各行各業產生深遠影響,也對培養各行業高技能人才的技工院校的教學產生巨大影響。文章通過對江蘇省各專業高技能人才和相關人員的調研,探討互聯網+對技工院校哪些專業高技能人才的計算機技能需求帶來較大影響,進而根據這些影響分析今后各專業計算機技能教學策略,以培養出具備互聯網+所需計算機技能的各行業高技能人才。
關鍵詞:互聯網+;技工院校; 高技能人才;計算機技能需求
基金項目:2017年江蘇省技工院校第三批教育教學課題項目“互聯網+對技工院校多專業計算機技能需求影響及教學對策研究”(17SJY0904);2016—2017年度蘇州市“高技能人才培養研發”課題項目“高技能人才狀況分析與探索之計算機技能需求研究”(GJNP201601)。
作者簡介:范曉云,女,高級講師,研究方向為計算機軟件應用及教學,fxyzy36@sina.com。
互聯網+即互聯網+各傳統行業,但并非簡單相加,而是利用信息通信技術,如云計算、大數據和互聯網平臺等,讓互聯網與傳統行業深度融合,形成更廣泛的以互聯網為基礎設施和實現工具的經濟發展新形態[1]?;ヂ摼W+對各行各業產生深遠影響,也對培養各行業高技能人才的技工院校的教學產生巨大影響。技工院校如何培養出具備互聯網+所需計算機技能的各行業高技能人才?為此,蘇州技師學院成立了課題組并開展了調研,確定了互聯網+對技工院校78個專業的計算機技能需求帶來較大影響,為后續選擇各專業計算機技能教學策略,進而培養具備互聯網+所需計算機技能的各行業高技能人才做好準備。
調研的專業范圍是《2013年全國技工院校專業目錄》公布的七大類專業中的168小類專業;調研地域、單位范圍是江蘇省內各企業和技工院校;調查對象有3類,包括不同企業中不同專業的高級技工、技師和高級技師等高技能人才,不同行業企業中的初、中、高級管理人員,多家技工院校不同專業的教師。
此次調研主要采用問卷調查方法。問卷調查主要采取面談(包括座談會和一對一)并答卷、電話訪談代填卷、網上(包括手機、電腦等)答卷等形式。調查問卷中的問題,除被調查者的單位、行業、專業、崗位、職務(等級)等基本信息外,企業人員的問題如“互聯網+對您公司有無影響及怎樣的影響”“互聯網+對您個人專業崗位的計算機技能有無新的需求?具體有哪些新需求”;企業管理人員的問題如“互聯網+使您所在行業、所在部門需要掌握哪些新的計算機技能”“您認為哪些專業崗位需要哪些計算機技能”;技工院校專業教師的問題如“互聯網+對您所授專業有無影響”“若有影響,該專業對計算機技能有哪些新的需求”。
調研持續4個月左右,共發放調查問卷800份,回收786份,其中有效問卷753份?;厥胀瓿珊髮τ行柧矸中袠I和專業進行了統計、匯總和分析。
通過對調查問卷的統計、匯總和分析,了解到互聯網+對七大類168個專業中大部分專業的計算機技能需求都帶來影響,但影響程度不同。經認真對比、篩選和整理,確定有較大影響的專業有78個,占全部168個專業的46.4%,見表1。
為便于理解以上結論,下面對互聯網+影響較大的幾個行業進行分類,舉例說明為何互聯網+會對表1部分專業的計算機技能需求帶來影響。
互聯網+商務:互聯網+商務=電商,如淘寶、京東等。這些電商平臺上有眾多網上店鋪,這些網上店鋪的設計、商品的網上推廣營銷需要原來從事廣告、營銷、商務工作的人學會使用計算機處理圖形、圖像、制作動畫,會運用云計算、大數據結果進行營銷。因此對技工院校中廣告設計與制作、美術設計與制作[2]、服裝制作與營銷、市場營銷、郵政業務(市場營銷方向)、汽車營銷[3]、珠寶首飾鑒定與營銷、商務文秘等專業的計算機技能提出了新的要求。本來與電商對口的電子商務、計算機廣告制作、計算機動畫制作、多媒體制作等專業更要熟練掌握網絡應用和眾多應用軟件為電商提供技術上的支持。另外,電商也帶動了物流業的蓬勃發展,對現代物流、郵政業務(速遞物流業務方向)等專業的計算機技能也帶來了新需求,如物聯網、無人機、倉儲機器人的應用。
互聯網+通信:互聯網+通信就有了即時通信,如人們常用的微信、QQ、Facebook等均可以進行語音、文字、視頻交流。為此,通信類專業和一些復合專業需要學習移動網絡、物聯網、程序設計等知識來適應此變化,并力爭成為復合型高技能人才,如技工院校的通信終端設備制造與維修、通信網絡應用、通信運營服務、電子技術應用、樓宇自動控制設備安裝與維護、音像電子設備應用與維修、辦公設備維修等專業。
互聯網+交通:移動互聯網和傳統交通出行相結合,推動了互聯網共享經濟的發展,其融合的成果有打車軟件、導航系統、無人駕駛(汽車、輕軌)、共享單車及汽車、網上購票等。因此,交通類專業需要及時補充交通方面應用軟件、人工智能、大數據等知識技能來跟上社會發展步伐,如交通客運服務、水運業務、鐵道運輸管理、城市軌道交通運輸與管理[4]、汽車制造與裝配、汽車駕駛、船舶駕駛等專業。
互聯網+金融:互聯網+金融激活并提升了傳統金融,創造出了支付寶、花唄、微信支付、京東支付、電商小貸、眾籌、P2P網貸等模式的互聯網金融。這要求技工院校中會計、郵政業務(金融業務方向)等專業具備更多互聯網金融開發和應用軟件相關知識。

表1 互聯網+對其計算機技能需求帶來較大影響的專業
互聯網+制造業:即智能制造,傳統制造業將會采用先進的信息通信技術,改造企業管理和產品的生產、研發、營銷,如使用工業機器人進行生產;利用云計算、大數據分析市場需求、確定生產品種和產品各項性能指標;借助B2B、B2C等電商平臺實現網絡銷售、宣傳、推廣。這促使制造類專業對工業機器人編程及維護、云計算、大數據、互聯網商務等技能的需求大大增加。涉及技工院校以下專業:工業機器人應用與維護、數控加工類、數控編程、模具制造、模具設計、機械設備裝配與自動控制、機電產品檢測技術應用、汽車檢測、制冷設備制造安裝與維修、電氣自動化設備安裝與維修、工業自動化儀器儀表裝配與維護、化工儀表及自動化、鋼鐵冶煉、礦物開采與處理、煤礦技術(綜合機械化采煤方向、掘進方向)、供用電技術、紡織技術、食品加工與檢驗、精細化工、生物化工等。
互聯網+農林業:通過信息技術對地塊的土壤、肥力、市場供需等進行大數據分析,據此提供種植品種選擇和施肥解決方案,提升農林業生產效率;通過互聯網交易減少農林產品買賣中間環節,增加收益,擴大銷量。面對中國萬億元以上的農資市場及近七億的農村人口,農林業電商面臨著巨大的市場空間。因此,技工院校以下專業要掌握更多計算機技能才能應對未來發展:農村能源開發與利用、棉花加工檢驗與經營、農副產品加工、農藝、種植、養殖、水產養殖、航海捕撈、林業、林產品加工、木材加工等。
互聯網+服務商:此服務商即在政府與企業之間的第三方服務企業,幫助線上線下雙方協作和對接,服務涉及的領域有大數據、云系統、電商平臺、O2O服務商、CRM軟件服務商、智能設備商、機器人、3D打印等,還提供培訓、招聘、資源尋找、方案設計、設備引進、車間改造等增值服務。這要求計算機網絡應用[5]、計算機程序設計、計算機信息管理、多媒體制作、計算機動畫制作、計算機廣告制作、電子商務、商務文秘、印刷(圖文信息處理)、人力資源管理等專業具備最新的、緊跟科技發展的計算機相關技能才能勝任工作。
此次調研確定了互聯網+對技工院校78個專業的計算機技能需求有較大影響,調研目的是為了據此確定今后各專業計算機技能教學策略,從而培養出具備互聯網+所需計算機技能的各行業高技能人才。為此,對調研結論的使用有如下建議。
(1)此次調研結論是基礎的和寬泛的,若要應用于各專業教學實踐,還需要進一步分專業細化研究互聯網+對每個專業計算機技能的新需求,具體到每個專業需要學習哪些軟件或硬件知識,甚至細致到哪些知識點。
(2)細化研究時要有長遠眼光和預見性。密切關注最新科技發展以及互聯網+與該專業適用行業的最新融合情況及未來發展預期,科學、合理地推斷和預測該專業近幾年還可能用到的計算機技能,一并列入該專業教學內容中,力求每個專業與未來應用無縫接軌。
(3)根據細化研究結果進行教學實踐前,要分析和確定每個專業適宜的教學策略,如面對互聯網+對該專業新的計算機技能需求,是采取增設某幾門計算機課程還是在公共計算機課程中通過側重講授所需知識來增補?是否需要根據教學內容的變化,對教學模式、教學方法等進行改變和調整?
(4)開展有的放矢的教學實踐??梢愿鶕總€專業的計算機技能需求自編適用的校本教材、操作指導書、課件、微課、視頻及教學軟件等;也可以把計算機各門課程眾多知識拆分成一個個小的知識模塊,按照各專業的不同需求進行靈活裁剪、組合,突出每個專業教學的側重點,提高各專業教學的針對性。
培養高技能人才是技工院校肩負的使命和責任,院校要緊跟社會發展步伐,以未來專業崗位需求為目標,培養出社會所需的各行業高技能人才。
參考文獻:
[1] 360百科. 互聯網+[EB/OL]. [2017-08-09]. https://baike.so.com/doc/7869991-8144086.html.
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[3] 黃漢龍.“互聯網+”時代技工院校汽車營銷專業學生職業能力培養的應對策略[J]. 職業, 2017(4): 78-80.
[4] 王曉霞, 蔣薇. 鮮明朗. 互聯網時代城市軌道交通車輛專業建設的思考[J]. 四川勞動保障, 2016(7): 32-33.
[5] 王植. 基于“互聯網 +”時代背景下高職計算機專業教學改革探究[J]. 電子測試, 2016(13): 87-88.
(編輯:孫怡銘)