面向新工科的數據庫系統新形態課程建設實踐探索

李鴻岐，陸偉,2，李勇，馬春燕

(1.西北工業大學軟件學院，陜西西安 710072；2.西安財經大學信息學院，陜西西安 710100)

0 引言

近年來，為主動應對以人工智能技術為代表的新一輪科技革命與產業變革，支撐創新驅動發展、“中國制造2025”等國家戰略，我國工科人才培養逐漸進入了“新工科”教育階段，先后形成了“復旦共識”“天大行動”“北京指南”等一系列切實可行的工程教育改革方案[1]。以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念的“新工科”不僅要求建設新興的工科專業，也對現有的工科專業模式提出了新的改革要求。

數據庫技術是數據管理最有效的一種手段，是支持新經濟背景下數據賦能社會的核心技術之一。作為計算機軟件領域的一個重要分支，數據庫系統課程兼具理論與實踐，幾乎是當前所有高校信息類專業的本科核心必修課。課程主要講解數據庫的基本概念、基本知識、設計理論與操作方法。隨著需要管理的數據變化及社會對數據的應用需求不斷更新，數據庫技術、方法和系統也需要同步發展。然而，目前該課堂的教學中還普遍面臨著以下突出問題：一是課程內容具有一定的系統性，但缺乏時代性，課程內容大多沿用經典的國內外教材，教學重點的更新速度偏慢；二是實驗教學中，傳統典型案例的研究較多，缺乏對新理念、新領域、新技術的解析，同時未能與企業需求有效對接，偏離了國家與社會對數據化、網絡化建設的需求；三是課程的教學方法比較傳統和刻板，大多仍是線下授課，教學氣氛沉悶，學生只是機械地聽講，缺乏主動思考，導致課程教授的學生創造性偏弱，上課低頭族多、抬頭率低，難以達到啟發性教育的期望效果。

以上問題導致學生對課程的學習興趣不高，制約了教學發展，不能滿足新工科形勢下人才工程實踐能力與應用能力培養的要求。在國家大力倡導一流本科教育，全面深化教學改革，打造基于新工科的各類金課背景下[2]，面向信息學科基礎核心課程數據庫系統的新形態課程教學改革顯得極為重要與迫切。

1 新工科背景下相關課程的改革

眾多學者已經對新工科背景下“數據庫系統”相關課程的教學改革進行了探索。2018 年，趙永剛[3]對其所在學?，F行的數據庫課程教學情況進行了分析，并在其基礎上提出了微項目驅動的教學改革方案，從教學大綱、教學方式、評測手段等多方面進行了論證和方案建議。同年，劉曉慶與吳炎太針對信息管理與計算機類相關專業，從教學內容、教學方式和媒體手段等方面，探索了數據庫原理與應用課程的新方案[4]。許芳芳等則在改革思路中進一步補充了新工科對數據庫課程教學目標的明確要求，如綜合實踐能力及創新能力的培養等[5]?；凇皩W創融合”的教學模式，付森等對課程的教學內容與實驗環節進行了改革[6]，李宗妮也對借助多媒體設備的理論和實驗教學結合進行了論述[7]。此外，歐陽林艷[8]、杜小杰[9]及陳亞睿[10]等則針對成果導向教育(Outcome Based Education,OBE)下的數據庫課程教學改革模式與理念進行了探討。2022 年，李懷敏等融合傳統教學與網絡學習，利用智慧教學平臺構建了基于構思—設計—實施—運作的課程混合教學模式，并通過學生的卷面學習成績與課程體驗調查問卷進行了改革成效驗證[11]。白彥輝等也通過線上線下、課內課外、校內校外等多方面緊密結合的教學實踐，驗證了數據庫原理及應用課程混合式教學的可行性[12]。為響應高等學校課程思政的建設要求，龍娟深入挖掘了數據庫原理及應用課程中的思政元素，并探索了具體的教學實施方案[13]，劉玉葆等則提出了“數據庫+課程思政”的協同育人教學方法，并通過實例介紹說明了具體實施過程[14]。

上述圍繞新工科背景下數據庫系統課程的改革研究，在教學內容的更新、新型教學方式的探索等方面取得了一定的研究成果，為課程改革提供了充實的前期參考。但總體缺乏面向新工科的新形態課程建設的系統性改革框架。同時，也缺乏對課程改革成效的具體實踐評價。本文對面向新工科的數據庫系統進行課程教學的系統解析，以探索新形態課程的改革建設，并通過西北工業大學軟件學院的探索實踐及最新學生課程目標的達成情況評價其課程改革的實踐效果，以期為國內高校的相關課程的新時代系統化建設提供有益的借鑒。

2 面向新工科的新形態課程探索

數據庫的教學案例豐富，存在理論與實踐雙重要求的課程教學特點。面向新工科的數據庫系統新形態課程建設，更加強調數據庫的技術應用與創新能力培養，并把軟件工程的思想貫穿其中，以加強學生系統觀和工程能力的培養。具體地，課程教學中涉及的教學目標、知識體系、教學手段、考核方式等方面均需改進優化。

2.1 教學目標優化

傳統數據庫系統課程的教學目標過多關注于學生對基礎理論知識和基本操作的掌握，難以銜接新工科對學生工程實踐能力、創新能力與學習新知識的能力培養要求?；谛鹿た票尘皬娬{的“注重系統、強調實踐、培養能力”指導思想，需要優化調整課程教學目標。

優化的教學目標旨在加強培養學生的知識能力、實踐能力與職業能力。知識能力是指通過課程教學，使學生掌握數據庫的基本概念，關系數據庫的基本原理，關系規范化理論，數據庫設計方法學，事務管理與并發控制，索引等基礎知識的能力。依靠知識能力，學生能對軟件工程系統開發與過程管理中的數據管理相關復雜工程問題進行分析，并判別解決方案的合理性。實踐能力是學生能熟練使用關系數據庫標準化查詢語言SQL與關系數據庫進行交互操作，掌握按照工程化方法進行數據庫設計、使用和維護的步驟和過程的能力。基于實踐能力，學生能夠遵循軟件研發的全生命周期過程，針對復雜軟件工程問題中的數據組織與管理模塊，設計并實現滿足需求的系統。職業能力則包含兩方面，一方面為基于知識能力與實踐能力，學生可以掌握并熟練使用數據庫系統設計與開發的技術、過程與工具，并可以根據系統設計方案與同行或用戶進行交流，為將來進一步從事開發和設計大型信息系統的職業打下堅實的基礎。另一方面則讓學生能夠了解當前大數據管理與應用的NoSQL 技術和系統，并能夠根據技術發展趨勢自主學習。通過上述三項能力的重視，面向新工科的課程教學目標將能加強學生適應社會新技術與新經濟發展的需求。

2.2 知識體系重構

傳統課程內容中的工程教育知識陳舊，與實踐和社會需求脫節問題較為嚴重。面向新工科的新形態課程要求重構課程教學的內容知識體系，以解決上述問題，達到應對變化、塑造未來的知識傳授與能力培養目的。

新形態課程以支撐面向數據分析與應用的數據采集—數據處理—數據存取與管理—數據建?！獢祿嬎恪獢祿剿鳌獢祿故镜耐暾R和技術鏈為目標，重點針對其中的數據存取與管理環節。結合當前大數據時代下數據存取與管理的技術發展趨勢和應用需求，可將課程核心內容規劃為8個單元：關系模型、結構化查詢語言SQL、數據庫應用、數據庫設計、并發控制與事務設計、數據庫恢復、查詢性能分析與優化、NoSQL技術與系統。

根據新工科對教學內容的要求，課程知識體系中還可重點補充非結構化數據管理、大數據管理系統等新的基礎知識。同時，針對每個單元，新形態課程須遴選最不可或缺的核心知識點，并按照面向新工科的理論思維、工程能力、創新意識與終身學習四個方面的能力培養要求，重新整理規劃如圖1所示的課程知識點和核心內容。

課程的理論知識與實驗教學相輔相成，面向重構的課程核心內容，新形態課程對配套課程的實驗內容提出了相應的適配要求。相應地，可將配套實驗規劃為8個部分，并使實驗類型涵蓋驗證型（并發控制、數據庫恢復、NoSQL 技術實踐）、設計型（結構化查詢語言SQL、事務設計、查詢性能分析與優化）與綜合型（數據庫應用編程接口、數據庫設計）。豐富充實的實驗內容將能夠有效地幫助學生理解與掌握課程核心知識點，并引導學生靈活運用知識點通過良好設計解決實際問題，進而培養新工科背景下學生的工程能力和創新精神。

2.3 教學模式創新

在新形態的課程教學實施方面，基于授課教師長期的教學第一線經驗，可探索多種不同教學手段與方法的改革。新工科背景下，“科學與工程并重，理論與實踐結合”的教學思想可用于指導開展課程教學，并逐漸形成如圖2示的新形態課程的教學手段與方法。

圖1 面向新工科重構的數據庫系統課程知識體系

圖2 面向新工科的數據庫系統課程教學方法與手段

具體線下教學中，可采用啟發式教學方法，遵循提出問題—分析問題—解決問題—工程化—總結與討論的教學過程，從理論與技術講解、概念與原理討論、方法與過程論述、實驗指導交流等多個層面培養學生獨立思考、分析問題和解決問題的能力。針對課程核心內容，可采用案例教學方法，通過案例的演示與實現給學生提供示范，通過案例交流討論幫助學生理解。

數據庫系統課程的核心知識點涉及理論、技術、方法和工具四個方面。對于其中部分內容，學生在學習過程中，跟隨體驗會起到事半功倍的效果。當前實際教學中完全的線下教學模式并不能很好適應課程上述部分內容的學習。因此，可進行線上授課模式的嘗試，并不斷摸索與總結在線課堂的教學，積累豐富的線上授課經驗。為更好地適應線上、線下混合教學模式，新形態課程還可進一步針對課程核心知識點進行梳理和切片，為不同知識點及其切片賦予不同的教學模式標簽，并針對線上教學知識點和切片進行線上課程資料及教學的設計，豐富教學資源。

為便于師生實時在線交流，可借助各學校的在線課程平臺和作業系統，建立有關課程作業提交與問題交流的模塊。通過研究生助教的輔助，可實現課程教學過程中關鍵知識點的作業在線布置，學生則通過線上方式提交，完成及時測驗。上述教學手段可充分滿足線上教學的基本需求。

此外，新形態的課程建設還須堅持以產業需求為牽引，積極推進校企融合與課程共建，邀請企業工程師走進課堂，通過線下講座與線上交流的方式分享和交流工程技術?；谏鲜鼍€上線下結合、校企深度融合的教學方法與手段的改革探索，面向新工科的數據庫系統課程可逐步形成學生—教師—企業工程師—研究生助教的多方參與模式，助力新形態的課程順利推進。

2.4 自主產權融入

既有國內高校的數據庫課程中主要使用 的 數 據 庫 為MySQL、SQL Server 或Oracle 等，均不是國內自主研發的數據庫?！缎鹿た蒲芯颗c實踐項目指南》中加強了對工科學生家國情懷與“精益求精、追求卓越”的工匠精神的培養要求[13]。

因此，為深化課程對學生的思政教育，助力新工科的人才培養要求，課程建設須積極與國內IT知名企業（如華為技術有限公司）數據庫方向技術代表完成對接，并針對課程內容建設進行交流與討論，將國產開源數據庫技術（如華為OpenGauss 等）引入課程內容。具體地，可在事務機制、數據庫應用的編程接口、系統開發技術、NoSQL 技術與系統、大規模網絡圖數據管理與應用等多個知識點中進行相關國產開源核心技術的講解與演示。教學團隊的老師還可不斷參與國產開源數據庫的線上課程的學習與培訓，為后續課程改革中自主產權元素的深入融合打下堅實的基礎。

2.5 考核方式改進

面向新工科的人才培養明確了12項畢業要求，如工程知識、問題分析、設計/開發解決方案、使用現代工具、職業規范等[1]。為匹配上述新工科背景面向未來的、多元化的復合型人才培養目標，新形態課程要堅持以成果為導向，確立基于OBE理念的數據庫系統課程考核評價方式。具體可根據面向新工科的數據庫系統課程教學目標與畢業要求的能力培養對應要求，設置知識能力、實踐能力與職業能力的分項權重，并對課程改革的目標達成度進行計算評價。

在理論課程的考核方面，可對應優化的教學目標，確定由平時成績和期末成績組合而成的考核方式。例如，平時成績可占比30%，并通過考勤到課率、課堂提問和隨堂練習情況考核學生對每堂課知識點的理解和掌握程度。相應地，期末成績則占比70%，可為書面考試考核。為避免出現傳統閉卷考試中學生死記硬背知識點的情況，課程建設還需逐步革新改進考試題型，通過簡答題、數據查詢題、分析題和設計題的方式來考核學生對核心概念、理論、技術和方法知識的掌握程度。實驗課程考核則可由各占50%的實驗和機試表現組成。實驗表現是一種過程考核方式，考核學生對每次實驗內容的完成掌握情況和理解程度；機試表現則考核對核心技術、方法的掌握程度和應用熟練程度。

3 成效與反思

西北工業大學軟件工程專業自成立以來，一直開設數據庫系統課程，先后引進了iCarnegie 課程，并與IBM、Oracle等公司合作，豐富了教學案例。長期授課過程中，課程教學逐步形成了以系統分析、設計、應用實現過程為主線，理論與實踐并重的課程特點與分工明確、經驗豐富的課程教學團隊。2020 年以來，緊緊圍繞大數據時代下軟件工程新工科專業對人才培養的目標與定位，針對專業人才培養對數據管理與應用方面的新技術與方法需求，教學團隊聚焦于新形態的課程改革建設，在課程教學目標優化、知識體系重構、教學方式創新、自主產權元素融入與考核方式改進等多方面進行了系統性的課程深化改革探索與實踐。面向新工科的數據庫系統課程，采取改革建設與改革實施的方式滾動向前發展，教學團隊在課程實施過程中不斷調整與優化效果，取得了一定的成績。2020年度，數據庫系統實驗課程獲西北工業大學一流本科課程認定。

2021 年，面向自主產權軟件生態系統構建，西北工業大學軟件學院的教學團隊與華為有限技術公司展開了“智能基座”產教融合協同育人合作，并持續針對數據庫系統課程進行改革。在實驗環節，結合時代與技術發展，該院教學團隊以OpenGauss為實驗平臺，嘗試引入華為相關產品與工具，如華為云數據庫等自主產權元素，體現了科學與工程并重的教學理念。實驗與理論授課中，教學團隊老師堅持以工程實例為牽引，巧妙融入了國產數據庫系統的發展現狀與趨勢分析，并通過典型案例、國產化數據庫的應用需求加強了對學生家國情懷的培養。由此，數據庫系統課程獲華為技術有限公司“智能基座”產教融合協同育人合作聯合課程項目支持。

2022 年，受學校學院支持，教學團隊完善了從上述成績出發的課程目標達成度評價機制，從而有效評價學生的學習效果。同時，課程教學團隊開始建設線上MOOC課程資源，并申請獲批了校級教學改革項目——《新工科背景下數據庫系統新形態課程的探索與實踐》，進一步針對課程內容和組織形式進行了改革與探索。秉承立德樹人的理念，教學團隊老師還積極賦予了選課學生主動服務社會的思政教育，通過課程教授勉勵學生為國產大型開源的IT 產業生態鏈添磚加瓦，并提高學生解決關系國家發展重大問題的意識，鼓勵學生為實現中華民族偉大復興的中國夢作出貢獻。

3.1 實踐成效

以西北工業大學軟件學院最近一年課程教學（授課人次為323人）為例，分析課程改革中的實踐成效，具體如表1。以知識能力教學目標為例分析，考試中涉及知識能力的題目滿分值為32，學生實際考試平均值為21.9，則該項評價值為實際值與滿分值的比例，即0.68。以此類推，可得各項計算結果，各課程目標的達成值則為考慮分項權重與評價方式后的總體計算結果。

表1 2020級軟件工程專業學生數據庫系統課程目標達成情況

從該校2020級學生的各項評價結果可以看出，每一項課程目標的達成值均在0.65以上，說明學生對課程目標的各項要求評價結果為“達成”。此外，表中考試與作業的數值差反映出作業難度與考試難度的不一致?？傮w來看，期末考試的考核難度較之作業難度要大?；谏鲜鲈u價，該校教學團隊已進一步調整了新學年的授課方案，在課前向學生闡明教學目標，并根據其加強學生對課程理論知識的深入理解。

3.2 總結反思

經過該校課程教學團隊近幾年的改革探索，已經初步形成了面向新工科的數據庫系統課程學習目標—培養目標—培養方案—課程大綱—評價分析—課程品質報告—改進方案實施—學習目標的閉環質量持續改進體系，并取得了一定的成績。盡管如此，數據庫系統新形態課程的建成依然任重道遠，課程建設仍存在一些未來有待探索之處。例如，目前對新工科背景下的課程改革進行的探索與實踐總體依賴長期的教學經驗，缺乏理論支撐，特別是課程知識點學習與能力提升之間的轉化關系還有待進一步揭示。孫康寧等學者[15]對基于知識、能力、實踐、創新一體化的通用課程教學模式進行了探討，其分析的內在規律將對本課程未來探索知識與能力的轉化關系有很好的理論參考意義。

4 結論

新工科是應對新一輪科技革命的產物，也是我國工程教育改革的方向。數據庫系統是計算機、軟件等信息相關領域的基礎核心課，為滿足新工科形勢下人才工程實踐能力與應用能力培養的要求，各院校的數據庫課程改革方興未艾。面向新工科的數據庫系統新形態課程改革建設，包括教學目標、知識體系、教學模式、自主產權、考核方式等多環節、系統性地探索實踐。西北工業大學軟件學院教學團隊近些年的教改實踐驗證了新形態課程建設的成效與未來發展方向，可為國內高校相關類似課程的系統化建設提供有益參考。