基于頂峰課程理念的“數(shù)據(jù)庫原理”課程綜合改革

于明遠,范 菁,陸億紅,李甜甜

（浙江工業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院&軟件學(xué)院,浙江 杭州310023）

0 引言

歷次工業(yè)革命都推動了技術(shù)的革新及工業(yè)的繁榮發(fā)展。隨著新工業(yè)革命的深入,技術(shù)的提升與工業(yè)發(fā)展之大變局撲面而來,國際經(jīng)濟、科技和產(chǎn)業(yè)競爭日趨激烈,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整及科技的高標準需求變得更加緊迫。而掌握相應(yīng)技能與知識的高端人才起著關(guān)鍵的基礎(chǔ)作用,尤其是具有社會責任感、創(chuàng)新精神和實踐能力的創(chuàng)新人才[1]。這給我國肩負著重要的歷史使命的高等教育提供了歷史性機遇與挑戰(zhàn)。

我國高等教育體系和課程體系,都是在發(fā)展過程中不斷汲取他國的成功經(jīng)驗并參照他國模式以及專業(yè)設(shè)置,并結(jié)合我國的實際構(gòu)建起來的。但隨著經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展與國際競爭的日趨激烈,特別是我國的高等教育在較短時間內(nèi)從精英教育跨入大眾化教育后,高等教育質(zhì)量與社會的實際需求日趨不適應(yīng)。2016年,我國正式加入倡導(dǎo)以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向和持續(xù)改進三大教育理念的《華盛頓協(xié)議》,在國際工程認證教育中取得了具有里程碑意義的突破。2018年我國首次召開的全國本科教育工作會議,明確指出一定要把本科教育放在人才培養(yǎng)體系的核心地位、教育教學(xué)的基礎(chǔ)地位和新時代教育發(fā)展的前沿地位。2018年,教育部印發(fā)了《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育 全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》的“新時代高教40條”。《關(guān)于高等學(xué)校加快“雙一流”建設(shè)的指導(dǎo)意見》[2]的出臺,更是為提升我國教育發(fā)展水平、增強國家核心競爭力提供了有力的保障。

美國學(xué)習并借鑒德國大學(xué)模式,創(chuàng)立了霍普金斯大學(xué)。哈佛、耶魯和普林斯頓等高校以霍普金斯大學(xué)的教育理念與模式為基礎(chǔ)進一步深入改革,克拉克大學(xué)和芝加哥大學(xué)等新型現(xiàn)代大學(xué)的建立,都促進了美國高校科研水平和育人質(zhì)量的顯著提升,培養(yǎng)了大批高新技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新型領(lǐng)軍人才,使美國高校大踏步進入了研究型大學(xué)時代。雖然美國高等教育取得了令人稱頌的成果,但隨著國際經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)競爭的日趨激烈,美國高等教育質(zhì)量也飽受社會各界的猛烈抨擊與質(zhì)疑。美國博耶研究型大學(xué)本科生教育委員會在1998年針對本科教育中存在的問題,發(fā)表了《重建本科生教育:美國研究型大學(xué)發(fā)展藍圖》的研究報告,明確提出“探索、調(diào)查、發(fā)現(xiàn)是大學(xué)的核心”,其中第七項是設(shè)置頂峰體驗課程,意在提高學(xué)生解決實際問題的能力[4]。

1 本科教育與頂峰課程理念

教育質(zhì)量的提高是高等教育不斷追求的永恒“不動點”。對于后起之秀的我國而言,目前正處于以規(guī)模擴張為主的外延式發(fā)展模式向以質(zhì)量提高為主的內(nèi)涵式發(fā)展模式轉(zhuǎn)型過程中,這個“不動點”的地位更加突出[5]。我國的高等教育從粗放型到內(nèi)涵式發(fā)展與改革過程中,傳統(tǒng)課堂教學(xué)存在的各種弊病,制約了教育質(zhì)量的提升,如教學(xué)內(nèi)容更新緩慢、理論教學(xué)未能深度融入實踐中、創(chuàng)新動力不足、學(xué)生參與度不夠等。

工程教育認證強調(diào)要培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力,強化內(nèi)涵發(fā)展,提高質(zhì)量,促進教育觀念的更新、標準意識的建立和質(zhì)量意識的強化。目前我國推進的新工科建設(shè),旨在提高高等工程教育質(zhì)量主動適應(yīng)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新經(jīng)濟發(fā)展和建成工程教育強國的需要。新工科建設(shè)正在改變高校教與學(xué)的行為、高校人才培養(yǎng)方案以及學(xué)校的評價體系與資源配置方式,也正在改變產(chǎn)業(yè)的競爭格局。

基于頂峰課程理念,本科教育應(yīng)把相對零碎的知識整合起來,通過研究性學(xué)習,深入到一個與專業(yè)相關(guān)且具有一定難度和深度的項目中,從而實現(xiàn)學(xué)生解決實際問題能力的提高[6]。工科本科教育的基本定位是解決“復(fù)雜工程問題”,既不是“廣義工程問題”,也不是“狹義工程問題”,而是“復(fù)雜工程問題”[7]。《華盛頓協(xié)議》中通過7個特征來刻畫復(fù)雜工程問題,其中第一個特征是復(fù)雜工程問題的本質(zhì):需深入運用工程原理經(jīng)過分析才解決的。這與頂峰課程理念中要求的項目難度與深度相一致。通過頂峰課程的回顧和綜合學(xué)習內(nèi)容,幫助學(xué)生拓展和應(yīng)用所學(xué)內(nèi)容,為研究作鋪墊,把本科工程教育的本質(zhì)即解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)統(tǒng)一起來,進一步強化了高等教育追求的永恒“不動點”。

本文提出把頂峰課程的基本理念引入課堂,通過把具有一定復(fù)雜度的項目分解到“數(shù)據(jù)庫原理”課程的各個部分,最后完成整個項目,達到提高學(xué)生解決實際問題的能力的目的,從而提升課堂教學(xué)和課程建設(shè)的內(nèi)涵。下面以軟件工程專業(yè)的“數(shù)據(jù)庫原理”課程為例,對課程目標、課程理論教學(xué)、實踐教學(xué)、教學(xué)方法和教學(xué)評價等方面進行具體的實施,以適應(yīng)新時代變化的需要。

2 頂峰課程理念在“數(shù)據(jù)庫原理”課程中的實施

把頂峰課程的理念融入“數(shù)據(jù)庫原理”課程課堂,貫穿于整個教學(xué)實踐中,以產(chǎn)出為導(dǎo)向,以任務(wù)驅(qū)動方式,把復(fù)雜的教學(xué)教務(wù)系統(tǒng)作為實踐項目,將其重要功能分解到按理論教學(xué)的知識與技能組織模塊中,理解具體理論的應(yīng)用,圍繞教學(xué)教務(wù)系統(tǒng)展開探究性學(xué)習與討論。每一部分的實驗內(nèi)容都是教學(xué)教務(wù)系統(tǒng)的組成部分,以小組為基礎(chǔ),分析實驗內(nèi)容,提出實驗方案,以個性化方式實現(xiàn)。最后,在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)課程設(shè)計中進一步以小組討論分析為基礎(chǔ),把數(shù)據(jù)庫原理中相對零碎的知識整合起來,通過探究性、合作性和針對性的學(xué)習,完成個性化教學(xué)教務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)。本文通過課程的目標設(shè)置、內(nèi)容編排、組織過程、評價反饋等環(huán)節(jié)的安排,實現(xiàn)學(xué)生理論與實踐的高度融合,獲得頂峰課程的體驗,實現(xiàn)綜合素質(zhì)的提升。

2.1 課程目標

通過復(fù)雜的教學(xué)教務(wù)系統(tǒng)的分解與整合的具體實踐與探究性學(xué)習,使學(xué)生系統(tǒng)地掌握數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本原理和基本技術(shù)。要求在掌握數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)基本概念的基礎(chǔ)上,能熟練使用SQL語言在某一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)上進行數(shù)據(jù)庫操作；掌握數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法和步驟,具有設(shè)計數(shù)據(jù)庫模式以及開發(fā)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的基本能力。該課程對應(yīng)專業(yè)的要求有四個主要目標[8]:

【目標1】掌握和理解SQL語言的應(yīng)用、數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)知識和數(shù)據(jù)庫設(shè)計與實施技術(shù),從而讓學(xué)生能夠按照工程化要求對軟件系統(tǒng)的子模塊、子單元或部件進行設(shè)計。

【目標2】以實際工程應(yīng)用需求為導(dǎo)向,學(xué)生根據(jù)特定需求對數(shù)據(jù)庫進行分析和設(shè)計,把數(shù)據(jù)模型、關(guān)系代數(shù)和模式規(guī)范化等理論深入應(yīng)用到工程項目中,從而理解軟件領(lǐng)域復(fù)雜工程實踐對外部環(huán)境以及社會可持續(xù)發(fā)展的影響,并具有基于科學(xué)原理和科學(xué)方法設(shè)計軟件實驗項目的能力。

【目標3】理解范式和模式分解特性以及并發(fā)控制理論,促進數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的商品化,培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新意識,鼓勵學(xué)生進行探索。

【目標4】掌握數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的分析與設(shè)計方法,能夠?qū)栴}的各種解決途徑的可行性和有效性進行對比,以得出有效結(jié)論。

該課程支撐以下畢業(yè)要求和具體細分指標點:

【畢業(yè)要求2】問題分析:能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理,識別、表達并通過文獻研究分析復(fù)雜軟件工程問題,以獲得有效結(jié)論。

支撐指標點2-4:能夠?qū)栴}的各種解決途徑的可行性和有效性進行對比,以得出有效結(jié)論。

【畢業(yè)要求3】設(shè)計/開發(fā)解決方案:能夠設(shè)計針對復(fù)雜軟件工程問題的解決方案,設(shè)計滿足特定需求的系統(tǒng)、單元（部件）或工藝流程,并能夠在設(shè)計環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識,考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素。

支撐指標點3-3:按照工程化要求對軟件系統(tǒng)的子模塊、子單元或部件進行設(shè)計。

【畢業(yè)要求4】能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對復(fù)雜軟件工程問題進行研究,包括設(shè)計實驗、分析與解釋數(shù)據(jù),并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。

支撐指標點4-1:具有基于科學(xué)原理和科學(xué)方法設(shè)計復(fù)雜軟件實驗項目的能力。

【畢業(yè)要求7】環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展:能夠理解和評價針對復(fù)雜軟件工程問題的專業(yè)工程實踐對環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的影響。

支撐指標點7-1:理解軟件領(lǐng)域復(fù)雜工程實踐對外部環(huán)境以及社會可持續(xù)發(fā)展的影響。

2.2 課程內(nèi)容編排

本課程主要講述數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論、基本技術(shù)和基本方法。第一,基于頂峰課程理念,把復(fù)雜的教學(xué)教務(wù)系統(tǒng)融入如下的數(shù)據(jù)庫原理知識點中,如關(guān)系數(shù)據(jù)庫標準語言—SQL,數(shù)據(jù)模型,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的模式結(jié)構(gòu),關(guān)系模型與關(guān)系代數(shù)運算,關(guān)系模式的規(guī)范化設(shè)計理論,數(shù)據(jù)庫的安全管理、完整性策略、恢復(fù)技術(shù)、并發(fā)控制方法、觸發(fā)器和存儲過程,數(shù)據(jù)庫設(shè)計的步驟和數(shù)據(jù)庫實施,數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)庫技術(shù)的新發(fā)展。如表1所示是理論教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時分配。第二,在學(xué)習中圍繞工程實踐進行討論分析,深入理解原理。第三,在實踐中把零碎的原理知識點應(yīng)用其中。最后,完成該系統(tǒng)的開發(fā),從而提高學(xué)生解決實際復(fù)雜問題的能力。

表1 理論教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時分配Table 1 Theoretical teaching content and class hours distribution

在整個課程改革中,壓縮理論教學(xué)學(xué)時,增加學(xué)生的實踐。課內(nèi)外教學(xué)根據(jù)理論教學(xué)的每個知識模塊明確教學(xué)的重點、難點和教學(xué)方法,給出學(xué)生的學(xué)習任務(wù),如作業(yè)要求以及自學(xué)與討論的內(nèi)容。

把相對復(fù)雜的教學(xué)教務(wù)管理系統(tǒng)作為實踐教學(xué)項目,分割為不同的實踐單元,在小組基礎(chǔ)上進行需求分析、設(shè)計和個性化實施。實驗?zāi)K總共15個,按照實驗的性質(zhì)分為引導(dǎo)性、基礎(chǔ)性、過渡性和創(chuàng)新性。必修課內(nèi)實驗8學(xué)時,完成4個實驗,其余的10個實驗以及教材中所給例題全部需要課外實驗作為補充,其中必須完成4個課外實驗。最后一個創(chuàng)新性的綜合項目是以小組合作模式完成的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)課程設(shè)計內(nèi)容。實驗教學(xué)模塊見表2。

表2 實驗教學(xué)模塊Table 2 Experimental teaching modules

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)課程設(shè)計采用教師在實驗室指導(dǎo)與學(xué)生課外自主實驗相結(jié)合的方式,以2～4人組成小組,要求學(xué)生以SQL SERVER等數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為平臺,通過重新梳理理論教學(xué)與實驗教學(xué)中的教學(xué)教務(wù)管理系統(tǒng),結(jié)合實際應(yīng)用的系統(tǒng),進一步討論和探究需求分析內(nèi)容,設(shè)計數(shù)據(jù)庫的概念模型、邏輯模型、物理模型,選擇一種程序設(shè)計語言（如VC++,C#.NET,VB,Java/JSP等）,開發(fā)并完成一個相對完整的教學(xué)教務(wù)管理系統(tǒng),并撰寫課程設(shè)計報告。

學(xué)生在小組合作交流過程中,通過互助與協(xié)作學(xué)習不僅可以針對已有問題尋找解決方案,還可以生成一些新的問題和應(yīng)對措施,通過問題的解決,提升學(xué)生的自我效能感,并最終獲得頂峰體驗。

2.3 課程評價與考核

“數(shù)據(jù)庫原理”課程的考核強調(diào)過程化考核。其總成績分為進程性成績和期末考試成績兩大部分。進程性成績主要考核學(xué)生的作業(yè)、實驗?zāi)芰驼n堂討論表現(xiàn)幾個方面。各個環(huán)節(jié)所占比例及基本要求如下:

期末考試占總成績的50%,原則上要求填空、選擇、判斷、名詞解釋、簡答等基礎(chǔ)性和記憶性題目,分值不超過總試卷分值的30%；加大綜合性題目的比例,重在考查學(xué)生運用知識解決復(fù)雜軟件工程問題的能力。

課內(nèi)外實驗占總成績的24%,考查學(xué)生軟件領(lǐng)域復(fù)雜工程實踐的分析能力、資料搜索能力、綜合運用計算機科學(xué)和工程技術(shù)完成實驗設(shè)計與實施并對實驗結(jié)果進行分析的能力。

作業(yè)占總成績的15%,考查學(xué)生運用數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)知識和本專業(yè)基本理論解決實際工程問題的能力。

課堂表現(xiàn)占總成績的11%,從學(xué)生上課是否專心聽講,回答教師提問是否正確,課堂小測驗和分組討論是否積極、正確、有獨特見解等幾方面進行考核,以活躍課堂氣氛,提高課堂教學(xué)效果。

3 總結(jié)與展望

為了便于評價頂峰課程理念在“數(shù)據(jù)庫原理”課程中的效果,針對教學(xué)環(huán)節(jié),給出了課程目標與畢業(yè)要求（指標點）對應(yīng)關(guān)系,見表3。

表3 教學(xué)環(huán)節(jié)對畢業(yè)要求的支撐Table 3 Support of teaching links to graduation requirements

針對考試試卷,給出了試卷內(nèi)容及其對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系,見表4。

表4 試卷內(nèi)容及其對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系Table 4 Test paper content and its supporting relationship to graduation requirements

從近3年來的教學(xué)班級的成績來看,第三、四大題的得分率較高,表明學(xué)生能夠掌握常用數(shù)據(jù)庫的基本知識、工作原理和使用方法,能夠從數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用角度厘清復(fù)雜數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的子系統(tǒng)之間的分工和邏輯,具有一定的使用、選擇和開發(fā)現(xiàn)代工具和資源的能力,以及系統(tǒng)總體解決方案的構(gòu)建能力和軟件詳細設(shè)計能力。但第一、二大題得分率相對較低,說明學(xué)生對數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用的難點與重點知識的理解掌握還有所欠缺,表明學(xué)生在應(yīng)對計算機和軟件工程復(fù)雜問題時精準解決問題的能力還有待進一步提高。

把頂峰課程理念融入“數(shù)據(jù)庫原理”課程教學(xué)綜合改革中,注重激發(fā)學(xué)生的自主意識,從而提升了學(xué)生參與實踐教育的主體能動性,維持了學(xué)生獨立精神與合作精神之間的平衡[9],培養(yǎng)了學(xué)生持續(xù)終身學(xué)習和解決復(fù)雜工程應(yīng)用的能力,給學(xué)生提供了一個展現(xiàn)自身教育、智慧和才能的平臺,獲得頂峰體驗的同時,也為未來走向更加廣闊的平臺做好準備。