CDIO 理念及產學結合的數據庫課程教改實踐

摘要：針對傳統關系型數據庫課程教學實踐性不足的問題，該文基于 CDIO（構思-設計-實現-運行） 理念，探討了數據庫課程教學改革的思路與方法。通過引入在線判題編程實踐、數據庫軟件綜合項目設計與開發、互聯網業務在線判題以及互聯網場景理論教學等措施，構建了更加貼近產業需求的課程體系，旨在培養高素質復合型新工科人才。實踐結果表明，該改革方案有效提高了學生的學習興趣、實踐能力和綜合素質。

關鍵詞：CDIO；數據庫課程；SQL編程；在線判題；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）02-0127-03 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0 引言

當前，我國正積極推進“一帶一路”“中國制造2025”“互聯網+”等重大戰略，旨在促進產業結構升級和動能轉換。在此背景下，新興產業面臨的一大挑戰是應用型工程人才短缺[1]。為應對這一挑戰，教育部于2017年啟動新工科建設，發布了“復旦共識”[2]、“天大行動”[3]和“北京指南”[4] ，旨在構建適應新經濟需求的教育體系。自2017年2月起，教育部發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》等一系列文件，推動新工科研究與實踐，力求打造具有全球影響力的中國工程教育模式。新工科專業聚焦互聯網和工業智能，涵蓋大數據、云計算、人工智能等領域，旨在培養具有實踐能力、創新能力及國際競爭力的復合型人才[5]。

CDIO 教育理念由美國麻省理工學院等機構于2004年提出，是一種現代工程教育模式，強調理論與實踐相結合[6]。該理念已在全球多所大學推廣，這種教育模式與我國的新工科建設理念不謀而合。CDIO 模式通過一體化課程體系，讓學生在實際產品或系統的“構思－設計－實現－運行”過程中，學習工程知識，提升職業能力和團隊協作能力，培育新一代工程技術人才。軟件信息化、數據化、智能化依然在不斷滲透全球的所有產業，數據庫系統均是其中必不可少且關鍵的系統組成部分，而數據時代下為提高新工科高層次應用型人才未來的就業技能，課程內容需要緊貼時代，符合當下數據時代的背景。

1 CDIO 理念在數據庫教學中的應用

CDIO理念是一種將工程教育與實踐緊密結合的教學模式，它強調通過完整的項目實施過程來培養學生的工程實踐能力、創新思維和團隊協作能力。在數據庫課程教學中，CDIO理念的應用主要體現在以下幾個方面：

第一 ，構思（Conceive） 階段。學生需要根據實際需求或行業背景，構思數據庫系統的整體架構和設計思路，這一過程培養了學生的問題識別能力和創新思維；第二，設計（Design） 階段。學生運用所學知識，進行數據庫的邏輯設計和物理設計，如數據表的創建、索引的優化、安全性的考慮等，這一階段鍛煉了學生的設計能力和問題解決能力；第三，實現（Implement） 階段。學生動手編寫SQL語句、創建數據庫、導入數據，并進行調試和運行，通過實際操作，學生能夠加深對數據庫技術的理解，提升實踐能力；第四，運行（Op?erate） 階段。學生需要對數據庫系統進行性能監控、維護和管理，確保系統的穩定運行，這一過程能夠培養學生的運維能力和持續改進意識。

2 數據庫教學存在的不足

2.1 編程實踐環節薄弱

SQL編程語言的語法比較特殊，學生在學習過程中入門容易但深度掌握較難。如果缺乏線上判題實驗課和線上判題編程作業，則不利于學生掌握SQL編程實踐能力。目前業界主流的開源或商用線上判題系統均不支持SQL編程語言，不利于學生即時通過自動判題更好地進行編程實踐，也不利于學生未來承擔數據類開發、分析等工作。

2.2 缺乏項目實戰經驗

傳統的數據庫實驗內容主要是編程題目，相對缺乏創新性和探索性實驗。為增強學生的創新能力和培養探索精神，需要調整實驗內容，增加數據庫系統類軟件開發項目，通過實踐鍛煉學生解決實際問題的綜合能力。

2.3 與互聯網業務場景脫節

目前的關系型數據庫主流教材，即使首版日期很新的教材，業務分析也主要圍繞傳統簡單的信息數據庫展開。雖然便于學生理解和入門，但基本沒有涉及互聯網類業務章節，如日活躍用戶、月活躍用戶、活躍時段、用戶多日留存等互聯網場景下的典型分析業務，難以讓學生理解互聯網時代實際的數據庫業務。

2.4 與互聯網場景應用脫節

目前的關系型數據庫主流教材與當前互聯網大規模、高可用、海量并發應用有一定脫節，對于云場景的運維、保障、容災、數據安全等很少涉及。需要針對企業應用的典型場景，在理論課中增加關系型數據庫支持高并發、高性能的原理，如存儲引擎、緩存、樂觀鎖、分庫分表等減少表容量、減少磁盤I/O吞吐次數、減少并發鎖的原理。同時，理論課還需增加容災、數據庫安全等內容。

3 教學改革具體實施

在數據庫課程的教學改革中，為了更緊密地結合理論與實踐，提升學生的實踐能力和創新能力，提出并實施了以下具體改革措施（見圖1） 。這些措施旨在通過引入在線判題編程實踐、數據庫軟件綜合項目設計與開發、互聯網業務在線判題以及互聯網場景理論教學，全面優化數據庫課程體系，使之更加符合現代行業需求，從而培養出高水平的應用型人才。

3.1 增加在線判題編程實踐

為了解決課程與編程實踐脫節的問題，我們引入了支持SQL在線判題的商用平臺——EduCoder（中文名“頭歌”） ，這是一個在國內高校中廣泛使用的線上實踐教學服務平臺。通過頭歌平臺，學生可以在每道編程題目中經歷構思（題目分析） 、設計（題目編程設計） 、實現（SQL編程） 和運行（學生總結） 的全過程，從而形成一個完整的CDIO（構思-設計-實現-運行） 閉環。

在線判題系統的引入不僅使學生能夠即時獲得編程反饋，提高編程效率，還能通過豐富的題目庫和多樣化的題目類型，幫助學生全面掌握SQL編程技能。同時，平臺上的題目難度分級和逐步引導，有助于學生循序漸進地提升編程能力，為后續的數據庫軟件開發打下堅實的基礎。

3.2 增加數據庫軟件綜合項目設計與開發

為改進課程與項目脫節的問題，根據科研與企業典型業務，設計和選擇具有實際應用價值的問題或項目供學生選擇或參考自擬類似項目，涵蓋構思（項目需求分析） 、設計（項目E-R圖設計、數據庫設計） 、實現（SQL編程開發與測試，結合前后端軟件開發） 、運行（系統角度可操作性、安全性等） ，通過綜合數據庫軟件項目開發實現了CDIO閉環。

在項目實踐中，學生需要分組進行，完成從需求分析、E-R 圖設計、數據庫設計、SQL 編程開發與測試，到前后端軟件開發的整個過程。通過這一過程，學生不僅能夠加深對數據庫原理和技術的理解，還能鍛煉團隊協作、項目管理和軟件開發等多方面的能力。

這種項目開發的實踐模式（見圖2） 不僅注重理論聯系實際，更強調實踐能力的實訓，旨在幫助學生建立系統、全面的數據庫技能體系。

學生分組的項目開發需完成相關文檔及宣講/演示，并對此項目實踐進行多元化的實踐成績評價，評價維度（見表1） 涵蓋了學生在實踐活動中所表現出的多個方面，從而為課程提供全面評價學生學習成果和能力的依據。

3.3 增加互聯網業務在線判題

為了改進課程與互聯網時代業務脫節的問題，在課程中增加了SQL庫函數、窗口函數等理論授課內容，并引入了日/月活躍用戶分析、條件推薦系統、留存率計算、訂單完成率分析、組合條件查詢等互聯網場景下的典型數據分析編程題目。通過這些題目的實踐，學生可以掌握派生表、子查詢、分組等SELECT 語句的語法，熟練運用聚集函數、庫函數、窗口函數等，從而能夠舉一反三地應對企業面試和未來的數據開發/分析工作。

互聯網業務在線判題的引入不僅使學生能夠更直觀地理解SQL編程在互聯網數據分析中的應用，還能通過實踐提高他們的數據分析和處理能力。同時，這些題目也反映了當前互聯網行業對數據庫技術的實際需求，有助于學生更好地適應未來的工作環境。

3.4 增加互聯網場景理論教學

為了改進課程與互聯網場景應用脫節的問題，在課程中增加了存儲引擎原理、性能瓶頸及調優底層原理、緩存/樂觀鎖/分表技術在大規模海量并發場景中的理解、容災/災備/數據庫安全在高可用性中的理解等互聯網場景理論教學內容。這些內容的學習有助于學生更深入地理解數據庫技術在互聯網場景中的應用，掌握數據庫系統的性能優化、并發控制、數據安全和容災備份等關鍵技術。通過增加互聯網場景理論教學，我們不僅能夠提升學生的理論素養，還能幫助他們更好地理解和應用數據庫技術。同時，這些理論知識也是學生未來從事數據庫相關工作時不可或缺的基礎。

4 教學改革實施效果

通過以上教學改革的實施，學生的出勤率、教學評價均有所提高，實驗課上學生提問更積極，上課時的精神面貌也有所改善，課堂互動增多，學生項目宣講時表現出更強的成就感等，這些都佐證了教學改革產生了積極效果。

基于CDIO理念及貼近產業的課程教學改革，相比原有的課程教學有如下優勢：

1） CDIO理念強調實踐教育與理論教育相結合，以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習。這種教學模式能夠幫助學生更好地理解和應用數據庫理論知識，通過實際操作和項目實踐，提升學生的實踐能力和解決問題的能力。

2） 有助于培養學生的綜合素質。通過項目實踐，學生能夠鍛煉團隊合作、溝通協調和項目管理等多方面能力，這些能力對于未來的職業發展至關重要。同時，課程還注重培養學生的創新思維和自主學習能力，以適應快速變化的技術環境。

3） CDIO理念強調一體化教學計劃，將個人能力、人際能力和對產品、過程和系統的構建能力融入培養計劃中。在數據庫課程中，這意味著學生不僅要掌握數據庫技術本身，還要學會如何將這些技術應用于實際項目中，解決復雜工程問題。這種綜合性的培養方式有助于提升學生的整體工程素質。

4） 基于CDIO理念及產學結合的數據庫課程教學還具有靈活性和可擴展性。隨著數據庫技術的不斷發展和更新，課程可以根據實際需求進行調整和優化，引入新的教學內容和技術案例，確保學生始終掌握最前沿的知識和技能。

5 結束語

本文基于CDIO理念，對數據庫課程教學進行了改革，并取得了良好的效果。實踐證明，CDIO理念能夠有效提升學生的實踐能力、創新能力和綜合素質，符合新工科人才培養的目標。未來研究可以進一步探索如何將CDIO理念與其他新興技術相結合，例如人工智能、大數據等，以構建更加完善的數據庫課程體系。

參考文獻：

[1] 鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2]“ 新工科” 建設復旦共識[J].高等工程教育研究，2017（1）：10-11.

[3]“ 新工科” 建設行動路線“（ 天大行動”）[J].高等工程教育研究，2017（2）：24-25.

[4] 新工科建設指南“（ 北京指南”）[J].高等工程教育研究，2017（4）：20-21.

[5] 柯琦，新工科建設下軟件測試課程教學探索[J].電腦知識與技術， 2018（28）：137-138，153.

[6] 李小紅，常振云，朱旭育.基于OBE-CDIO的多元化課程考核模式研究：以“Java程序設計” 課程為例[J].現代信息科技，2020，4（15）：179-182.

【通聯編輯：代影】

基金項目：深圳技術大學2023 年校級教學改革項目（項目編號：20231013）