大數據環境下的數據庫課程教學改革研究

劉予飛 蔣玖川

摘? 要：大數據技術作為當前的熱門技術，對高等教育專業課程產生了明顯的影響，推動高校課程改革是必然趨勢。數據庫是計算機科學與技術等相關專業的一門重要課程，文章闡述并分析了大數據背景下該課程面臨的問題，結合社會對數據庫人才的需求從教學內容、教學模式和實踐平臺探討了大數據背景下數據庫課程的教學改革思路，并以實際應用案例證實該方法提高了學生的自主創新思想和實踐能力，能更好地培養實用型數據庫創新人才。

關鍵詞：大數據;數據庫課程;NoSQL;教學改革

中圖分類號：TP311.13-4;G642? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）20-0178-04

Research on Teaching Reform of Database Course in the Big Data Environment

LIU Yufei，JIANG Jiuchuan

（College of Information Engineering，Nanjing University of Finance and Economics，Nanjing? 210023，China）

Abstract：As a current hot technology，big data technology has had a significant impact on higher education professional courses，and it is an inevitable trend to promote university curriculum reform. Database is an important course of computer science and technology and other related majors. This paper expounds and analyzes the problems faced by the course under the background of big data，and discusses the teaching reform ideas of database course under the background of big data from the teaching content，teaching mode and practice platform combined with the social demand for database talents. And practical application cases prove that this method improves studentsindependent innovation thinking and practical ability，and can better cultivate practical database innovation talents.

Keywords：big data;database course;NoSQL;teaching reform

0? 引? 言

20世紀80年代以來，數據庫技術不斷發展壯大，關系數據模型、查詢處理與優化技術、事務管理技術等都是數據庫開發領域的里程碑。由于關系數據庫模型簡單，理論完備，關系數據庫廣為人知，在目前的數據庫技術應用領域達到了數百億美元的市場。查詢處理與優化技術通過訪問優化路徑來保證CPU、存儲空間等成本的性能優化。而事務管理技術實現了大量用戶并發訪問數據庫，促進了數據庫中恢復和保護機制的完善，從而提高了數據庫系統的綜合性和使用性。數據庫的概念得到了廣泛的支持，作為數據處理的核心技術之一，數據庫建設的重要性毋庸置疑。

大數據是大量的異構數據，獨立的數據庫之間沒有直接關系，通過計算模型對數據進行統計、比較和解析，得到客觀的結果[1]。而數據庫是大數據應用的基礎，現有的數據庫無法滿足大數據時代的不斷增長的計算需求，大數據必然推動數據庫技術的變革。大數據時代對數據信息有新的要求和內涵，以更先進的技術支撐、更開放的計算和存儲技術來構建數據庫;更快地更新數據庫的數據信息;更加頻繁地通信、溝通和應用不同類型的數據源[2]。大數據時代不僅意味著更多的信息，同時也意味著人類行為的常規模式甚至是思想都受其影響，其影響力延伸至社會各行各業，高校也不例外。在當前大數據背景下，高校各類課程都受到了影響，課程體系改革勢在必行。近年來，根據有關數據[3]，中國大多數高校已經完成了數據庫課程的建設。例如計算機專業數據庫課程的建設實現了學生計算機能力的培養，解決了相應計算機存儲大量數據的問題，但是，整體數據庫課程教學的發展仍然存在與云計算和新的數據處理技術不匹配的問題，例如教學不能滿足當前大量數據處理任務。

因此，在大數據背景下，高校應該對數據庫課程進行創新和改革，從多角度出發優化教學內容和方法。南京財經大學計算機科學與技術及相關專業本科生的數據庫教學需求調整教學內容成為一個重要問題，本課題針對這一問題進行教學改革，使新的教學模式適應現代發展的需要，為社會培養更多的數據庫創新人才。

1? 大數據時代下數據庫課程面臨的問題

數據庫課程是教育部計算機科學與技術指導委員會確定的八大專業核心課程之一，也是計算機專業學生必修課程之一，重點培養學生的信息處理能力[4]。數據庫技術是現代軟件技術的重要支撐，是信息系統、決策支持系統等諸多研究方向的基礎，還是人工智能、辦公自動化軟件、計算機輔助工程軟件等強有力的工具，是計算機領域中應用最廣泛的技術之一[5]。隨著當前大數據技術的快速發展，數據呈現爆發式增長，傳統數據庫已經難以支撐，不足以解決Web日志、視頻、音頻、圖像等非結構化數據。

在大數據背景下，計算機數據庫課程存在實踐教學平臺不足的問題。傳統的數據庫課程教學主要使用SQL Server、Oracle等商業關系型數據庫管理系統。但在當前大數據背景下，結構化和非結構化數據同時存在，非結構化數據逐漸占主導地位，這使得傳統的數據庫管理系統作為數據庫課程實踐平臺產生明顯缺陷。因此，在當前“互聯網+”的大規模應用開發中，數據庫課程實踐平臺的創新也是必然的，大數據時代中分布式存儲和并行計算方式以及開放式系統逐漸取代集中式數據庫管理系統。

數據庫課程改革順應當前形勢。由于HBase是典型的NoSQL數據庫，其中表的屬性可以根據需求動態增加，而且沒有表與表之間的關聯，用戶能夠給行定義各種不同的列，這些功能在大項目中非常實用，特別適用于MapReduce處理和云計算環境。采用HBase簡化了實踐教學設計和升級成本，并且學生們容易上手實操。南京財經大學數據庫教學課題組已采用Hadoop框架中的HBase作為實踐教學平臺。

2? 大數據時代的數據庫課程教學改革

在當前大數據的時代，根據大數據時代的特點和人才培養的需求，從計算機專業理論教學和實踐教學兩個方面的教學內容探討數據庫課程的教學改革、教學方法和教學實踐平臺，并提出了新的教學方法、內容和實踐平臺以滿足大數據的需求，希望學生通過系統的學習能夠明確自己未來職業的發展方向，為企業提供促進未來大數據產業發展所需的人力資源，下文主要論述改革目標。

2.1? 教學方法改革

避免傳統的“灌輸式”傳授知識的方法，樹立新的教學方法例如“教師為指導，學生為主導”，根據數據庫課程的教學目標、教學內容、教學條件和學生的特點，并充分利用慕課的共享資源，選擇靈活多樣的教學方法進行啟發式教學等，實現以學生自主學習為主、教師引導為輔的教學模式改革。

2.2? 教學內容改革

以大數據時代為背景，結合計算機行業需求，探索數據管理、分析和應用方面的數據庫課程教學內容改革。

2.2.1? 理論教學內容改革

NoSQL通常是指與傳統關系數據庫不同的所有技術，其中包括非關系數據模型（即非模式數據庫，非結構化數據等），大規模集群的DBMS或類DBMS實現等。NoSQL數據庫技術解決了傳統關系數據庫無法處理網頁URL的問題，尤其是Web2.0純動態的SNS類型的大規模、高并發性問題，適應了當前大數據時代數據庫技術的要求，適應了大規模數據集的多種數據類型的挑戰。NoSQL數據庫技術是關系數據庫技術的有效補充，滿足了計算機系統體系結構在數據存儲方面的需求，可伸縮性大，可以存儲、查詢和分析異構數據，是當前信息檢索的關鍵技術，在數據挖掘、機器學習等領域廣泛應用。

因此，針對以數據為中心的新應用和大數據時代數據管理的新要求，在傳統數據庫課程內容中引入NoSQL數據庫，以Hadoop為核心建立新數據庫的教學內容，并結合現有的數據庫技術整合內容，已使用的HBase如圖1所示。

2.2.2? 理論教學模式改革

將慕課引入傳統的教學模式，讓學生充分利用慕課的網絡開放性、共享性和網絡資源學習數據庫技術，課題組建立的慕課如圖2所示，結合其他相關慕課，具體有以下兩點：

（1）利用慕課資源開展混合教學，首先轉變觀念，從共享角度出發布置課后作業，學生自行學習慕課中與課堂教學內容有關的知識。學生可以把課堂上老師提出的問題直接應用到慕課學習上，進行反復思考。留出課堂討論、答疑的學時，保證學生深度掌握知識。

（2）將慕課作為選修課，由課題組老師擔任在線學習指導教師，要求選擇與數據課課程相同或相近的國內外名校慕課，除了組織集體上網學習外，學生自主選擇學習，老師定期組織討論和答疑，學生獲得慕課學習證書。

2.3? 加強學生的實踐能力培養

數據庫技術的新發展給傳統的數據庫課程帶來了沖擊，高校數據庫課程建設中存在著如何處理數據庫技術的新發展與教學內容之間的關系問題。鑒于計算機專業學生應用型人才的培養目標更側重于數據庫技術的應用，計算機專業數據庫課程的理論與實踐教學再次進行調整，加強提高學生實踐能力的實踐學習，培養學生運用所學知識分析和解決問題的能力。數據庫課程總學時增加24學時。在理論學時不變的基礎上，基本實踐學時由原來的16學時增加到24學時，綜合實踐學時由原來的16學時增加到32學時，如表1所示。

實踐是檢驗真理的唯一標準，只有通過實踐，學生才能進一步了解數據庫系統的工作原理，更好地利用數據庫應用系統完成對數據信息的處理[6]。因此，在數據庫課程教學改革的理論基礎上進行實踐教學改革是大勢所趨，具體安排如表2所示。

2.3.1? 實踐教學內容更新

數據庫課程的實踐內容必須根據數據庫的發展趨勢不斷更新，將較為成熟的技術運用到實踐教學中，以保證數據庫課程實踐內容的科學性、先進性和實用性。將NoSQL引入數據庫課程的理論中，因此也需要引入NoSQL數據庫到數據庫課程的實踐教學內容中。

2.3.2? 實踐教學模式改革

在以往的實踐教學中，通常是一些基礎性實驗或驗證性實驗，如數據庫或表的創建、數據查詢操作等，這些實驗明顯缺乏當前數據庫新技術實踐，同時也缺乏對學生數據庫開發創新能力的培養，不足以滿足計算機專業學生的需求。因此，根據實踐教學類型，可將實踐教學模式分為基本實踐和綜合實踐。

2.3.2.1? 基本實踐

基本實踐要求學生掌握數據庫的數據定義、控制和操作，了解數據庫的模型結構，在不同學期學習數據庫課程時使用的軟件是SQL Server或Oracle平臺。由于數據庫平臺提供了企業管理器和查詢分析器組件，實驗操作以兩種不同的方式完成，以培養學生靈活的思維方式，以及多角度解決問題的能力。

2.3.2.2? 綜合實踐

綜合實踐要求學生設計并建立一個主題數據庫，學生獨立完成整個實驗設計。實驗題目優先選擇學生熟悉的商業模式，要求學生通過實驗鞏固數據庫的基本原理、關系數據庫的設計理論以及其他主要相關知識。圖3是引導學生建立的一個NoSQL數據庫。

在綜合實踐選題的深度和廣度符合教學要求的前提下，選題可以從學生熟悉的現實生活、學習和社會工作中選擇，既可以由學生自己選擇，也可以由教師確定范圍主題。同時，難度要適中，以學生在規定的時間內通過自身努力完成為宜。教師不再對實驗進行詳細的指導，而是根據學生的設計思想和實驗結果進行必要的指導和引導，以充分發揮學生的主觀能動性，增強學生的創新和應用能力，同時引導學生轉變教育觀念，激發學生的學習興趣，由被動學習轉變為主動學習。

綜合實踐以課程設計的方式實現，通常設置2周（即32學時），可以使用SQL Server或Oracle創建一個中小型數據庫管理系統，也可以通過MapReduce計算模型或HBase非關系數據庫平臺來完成一個大型數據庫管理系統。

2.3.2.3? 實踐教學平臺改革

傳統的關系型數據庫管理系統作為數據庫課程的實踐平臺不足以處理NoSQL數據，需要將NoSQL數據庫引入到數據庫課程中。因此，在實踐平臺的選擇上除了采用經典的關系型DBMS之外，還應該增加開源系統和相應的開發平臺，以實現對非結構化數據的信息管理。課題組在Hadoop平臺中配置HBase數據庫，平臺如圖4所示。

在期末考核中，除了傳統的平時成績（出勤、回答問題、課后作業、期末考試）以外，還有上機實踐報告和綜合課程設計等多種考核方式。與以往的教學效果相比，學生的自主創新思想和實踐能力有了很大提高，更好地掌握了數據庫技術。

總之，通過數據庫課程改革，課題組設計的實踐平臺更加符合計算機科學與技術，及相關專業本科生的培養目標以及社會對人才的需求。

3? 結? 論

大數據作為一種熱門技術，其影響正在滲透到社會的各個方面，包括高校的課程教學。本文針對大數據時代計算機專業數據庫課程面臨的問題，采用Hadoop系統的HBase技術，從教學內容、教學模式、教學實踐平臺等方面探討了計算機專業數據庫課程的理論與實踐教學改革，實際教學效果良好。本課題著眼于教與學兩個環節，未來從多維度進一步分析教學模式，探索數據庫立體化教學模式。

參考文獻：

[1] 顏清，苗壯，賴鑫生，等.大數據背景下數據庫原理課程實踐教學改革探索 [J].創新創業理論研究與實踐，2020，3（17）：40-41.

[2] 吳婷，孫璨.基于加拿大工程教育啟示的數據庫課程項目實訓式教學改革 [J].教育教學論壇，2020（27）：172-174.

[3] 雷小鋒.大數據時代的數據庫原理課程革新 [J].計算機教育，2019（7）：10-14.

[4] 教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會.高等學校計算機科學與技術專業核心課程教學實施方案 [M].北京：高等教育出版社，2009.

[5] 馬忠貴.大數據背景下“數據庫技術及應用”課程體系優化與實踐 [J].教育現代化，2019，6（68）：95-97+106.

[6] 竇亮，徐飛，谷林濤.大數據背景下數據庫系統實踐課程的教學改革 [J].計算機教育，2018（4）：117-120.

作者簡介：劉予飛（1983—），男，漢族，河南洛陽人，博士，講師，研究方向：社會計算與數據挖掘。