竇 亮，徐 飛，谷林濤

（華東師范大學(xué) 計算機科學(xué)技術(shù)系，上海 200062）

0 引 言

隨著Web2.0網(wǎng)站的興起，各領(lǐng)域數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，大數(shù)據(jù)時代業(yè)已來臨。傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫在存儲和處理高并發(fā)和多樣的海量數(shù)據(jù)時，或是成本代價過高，或是難以給出令人滿意的解決方案，NoSQL（Not only SQL）技術(shù)為解決這些問題提供了新的方案。NoSQL數(shù)據(jù)庫具有多種類型，特點各不相同，更加適合大數(shù)據(jù)的存儲和管理，應(yīng)用于不同的Web2.0場景獲得了巨大的成功。根據(jù)業(yè)內(nèi)權(quán)威的DB Engines排行榜[1]數(shù)據(jù)顯示，雖然目前排名前三的數(shù)據(jù)庫仍是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（Oracle、MySQL和SQL Server），但典型的NoSQL數(shù)據(jù)庫MongoDB、Cassandra、Redis等已進(jìn)入前十位的排名，且市場占有率的增長非常穩(wěn)定。

在現(xiàn)今大數(shù)據(jù)的背景之下，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫已不再是唯一的選擇，但NoSQL數(shù)據(jù)庫也不會直接取代關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域正進(jìn)入“混合持久化”（polyglot persistence）的時代[2]，應(yīng)用程序可以使用多種技術(shù)來管理數(shù)據(jù)。

1 課程現(xiàn)狀及分析

作為數(shù)據(jù)庫原理課程的延伸，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實踐課程開設(shè)的目的是培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)庫設(shè)計、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的管理和應(yīng)用開發(fā)能力，使學(xué)生能夠靈活地運用數(shù)據(jù)庫技術(shù)解決實際的應(yīng)用問題。原有的課程內(nèi)容包括：以主流的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Microsoft SQL Server作為實驗環(huán)境，要求學(xué)生掌握SQL Server數(shù)據(jù)庫的基本操作；教師給出典型的數(shù)據(jù)庫設(shè)計案例和應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)實例，通過分析講解，讓學(xué)生掌握數(shù)據(jù)庫建模和設(shè)計的基本方法，要求學(xué)生自選題目完成一個完整的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。

在較長的時期中，課程教學(xué)內(nèi)容以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用實踐為主，在目前大數(shù)據(jù)背景下，需要引入NoSQL數(shù)據(jù)庫的教學(xué)內(nèi)容，更好地適應(yīng)時代的需求，但引入這部分教學(xué)內(nèi)容并非輕而易舉，主要面臨以下問題。

（1）大數(shù)據(jù)處理和NoSQL技術(shù)涉及的內(nèi)容繁多，市場上NoSQL數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品也十分繁雜，不同產(chǎn)品適合不同的應(yīng)用場景，在學(xué)習(xí)的初始階段需要進(jìn)行大量的摸索和實踐，然而目前這方面系統(tǒng)的參考資料卻非常少，適合本科生學(xué)習(xí)和實踐的教材更加稀少。

（2）引入NoSQL技術(shù)教學(xué)內(nèi)容之后，課程涉及的內(nèi)容顯得更加多層次，對于專業(yè)水平尚在提升階段的本科生而言，同時理解關(guān)系型和非關(guān)系型這兩種完全不同的數(shù)據(jù)庫技術(shù)會是一個難點。

可見，教師需要精心選取合適的教學(xué)案例，科學(xué)地設(shè)計課程實施方法，才能更好地激發(fā)學(xué)生對新技術(shù)、新趨勢的熱情，滿足不同層次學(xué)生的需求，擁抱大數(shù)據(jù)時代。

2 教學(xué)改革實踐

2.1 調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，適應(yīng)時代需求

數(shù)據(jù)庫技術(shù)涉及的內(nèi)容是多層次的，可從數(shù)據(jù)庫應(yīng)用、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)理論和數(shù)據(jù)庫新技術(shù)等多個角度來看[3]，引入的NoSQL數(shù)據(jù)庫內(nèi)容屬于數(shù)據(jù)庫新技術(shù)部分。引入新內(nèi)容后，本課程涉及的內(nèi)容更加豐富，但總體課時數(shù)有限，因此，針對本科生的教學(xué)需求調(diào)整教學(xué)內(nèi)容成為首要問題。華東師范大學(xué)計算機科學(xué)技術(shù)系此門課程為2個學(xué)分，18個課時上課，36個課時上機實驗。經(jīng)過討論，課程組大大簡化了原來和特定DBMS比較相關(guān)的數(shù)據(jù)庫備份與恢復(fù)、安全控制的內(nèi)容，只對這部分內(nèi)容做基本介紹，而增加了對NoSQL數(shù)據(jù)庫應(yīng)用技術(shù)的介紹。

調(diào)整后課程知識模塊分成4部分。第1部分主題是SQL Server數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，通過大量驗證型的上機練習(xí)，使學(xué)生對關(guān)系型數(shù)據(jù)庫理論有更加實際和深入的理解。第2部分主題是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，介紹4個典型的數(shù)據(jù)庫設(shè)計案例，對數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法學(xué)進(jìn)行解說，分析常見問題和錯誤，使學(xué)生能夠具備設(shè)計出符合實際業(yè)務(wù)需求的數(shù)據(jù)庫的核心素養(yǎng)。第3部分主題是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用開發(fā)，介紹數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和常見數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，完整地演示一個數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的小型案例，要求學(xué)生根據(jù)自己的情況，至少掌握一種數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)。第4部分主題是NoSQL數(shù)據(jù)庫，這部分對NoSQL技術(shù)的介紹不求面面俱到，也不對各種NoSQL技術(shù)的理論做深入剖析，只做基本的介紹，選取文檔型數(shù)據(jù)庫MongoDB作為代表進(jìn)行介紹，通過分析兩個案例，讓學(xué)生了解NoSQL數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用場景和解決方案。調(diào)整后的知識模塊和課時分配見表1。

表1 課程知識模塊和課時分配

2.2 精選典型案例，拓展學(xué)生視野

數(shù)據(jù)庫技術(shù)課程是實踐課，要求學(xué)生動手實踐并在實踐中學(xué)習(xí)與培養(yǎng)能力，但學(xué)生大多只掌握兩門左右的編程語言，欠缺完整的實際性的軟件項目的開發(fā)經(jīng)驗，因此，項目采用案例式教學(xué)的方法，使用典型案例供學(xué)生學(xué)習(xí)思考以及分析。事實證明案例式教學(xué)法在實踐類課程中是行之有效的，可以讓學(xué)生真正體會數(shù)據(jù)庫的內(nèi)涵與實質(zhì)[4]。

在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫設(shè)計部分，講解分析4個典型的數(shù)據(jù)庫設(shè)計案例，分別是圖書館信息管理數(shù)據(jù)庫、教學(xué)信息管理數(shù)據(jù)庫、航班信息管理數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)上書店系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，這些案例的需求和背景都是學(xué)生在日常生活中可以接觸和深入了解到的，規(guī)模適中，適合本科生進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計的學(xué)習(xí)。在講解分析數(shù)據(jù)庫設(shè)計的過程中，對數(shù)據(jù)庫設(shè)計中的常見問題和錯誤進(jìn)行總結(jié)分析，包括確定系統(tǒng)邊界的重要性；設(shè)計過程中選擇實體還是屬性，選擇實體還是聯(lián)系，選擇二元聯(lián)系還是多元聯(lián)系[5]；如何區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)需求和系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求，兩者如何互相影響；優(yōu)化關(guān)系數(shù)據(jù)模型的方法等。這些常見問題都是在歷年學(xué)生的數(shù)據(jù)庫設(shè)計作品中反映出來的，通過對這些問題的總結(jié)分析，讓學(xué)生認(rèn)識到理論與實踐的距離，對數(shù)據(jù)庫設(shè)計的準(zhǔn)確性和合理性有更深入的認(rèn)識。

在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫應(yīng)用開發(fā)部分，演示一個完整的、基于ASP.Net技術(shù)和SQL Server數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)案例——新聞管理發(fā)布系統(tǒng)。該案例系統(tǒng)涵蓋了各種典型功能，普通用戶可以查閱新聞和搜索新聞，用戶查閱新聞會增加點擊率；管理員可以登錄后臺管理系統(tǒng)，對新聞的類別、標(biāo)題、內(nèi)容、發(fā)布者等信息進(jìn)行增加、刪除和修改操作。此案例開發(fā)使用Visual Studio工具，由于該工具提供了諸多ASP.NET控件，且測試環(huán)境簡單易用，通過案例演示，學(xué)生可以在很短的時間內(nèi)快速上手，對基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)基本過程有一個直觀的認(rèn)識。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)庫應(yīng)用開發(fā)技術(shù)日新月異，軟件開發(fā)體系結(jié)構(gòu)不斷演變，此部分要求學(xué)生通過課內(nèi)或課外的學(xué)習(xí)，至少掌握一種數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，具備數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的基本能力，對MVC設(shè)計模式和應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)中的分層思想有基本認(rèn)識。

在NoSQL數(shù)據(jù)庫應(yīng)用開發(fā)部分，以MongoDB為例進(jìn)行介紹，MongoDB是一個可擴展的高性能、開源、模式自由、面向文檔的數(shù)據(jù)庫[6]，是NoSQL數(shù)據(jù)庫的典型代表，具有網(wǎng)站實時數(shù)據(jù)存儲所需的高度伸縮性。課程主要介紹MongoDB的特點和適用場景，重點介紹從數(shù)據(jù)庫設(shè)計的角度，如何能夠滿足應(yīng)用程序的需求，表現(xiàn)為一對一、一對多、多對多模式。兩個基于MongoDB的應(yīng)用開發(fā)案例，各有側(cè)重點。第一個案例結(jié)合使用Node.js技術(shù)[7]和MongoDB數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)用戶登錄驗證模塊，功能簡單，學(xué)生可以較容易地跟隨案例步驟，完成整個開發(fā)環(huán)境的搭建，學(xué)會使用Node.js連接MongoDB數(shù)據(jù)庫的方法。由于Node.js能夠處理龐大并且高吞吐量的并發(fā)連接，和存儲速度快的MongoDB數(shù)據(jù)庫結(jié)合使用，可以處理實時交互的數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用，會是未來解決大規(guī)模I/O問題的技術(shù)選型趨勢，對于學(xué)生了解這類應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)方法很有益處。另一個案例是一個經(jīng)過裁剪的有實際應(yīng)用背景的MongoDB應(yīng)用案例，為一個網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量分析系統(tǒng)。該案例系統(tǒng)以圖形化的方式直觀地呈現(xiàn)分析結(jié)果，可以對網(wǎng)絡(luò)的流量、速率、并發(fā)量和包速率等信息進(jìn)行曲線圖的單獨顯示，有效地為企業(yè)和單位提供網(wǎng)絡(luò)性能分析結(jié)果。該系統(tǒng)在前端可視化部分采用了Amcharts圖表，以曲線圖的方式展現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的各個指標(biāo)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)展現(xiàn)。通過此案例的學(xué)習(xí)，可以幫助學(xué)生理解在大數(shù)據(jù)時代，除了需要快速有效地存取大規(guī)模量的數(shù)據(jù)，提高大數(shù)據(jù)的可視化水平也是一個非常重要的工作。

2.3 豐富教學(xué)方法，優(yōu)化評價手段

2.3.1 多種教學(xué)方法的應(yīng)用

在教學(xué)過程中，除了大量使用案例式教學(xué)法，還可采用對比式教學(xué)法和項目驅(qū)動教學(xué)法。

1）對比式教學(xué)法的應(yīng)用。

對比式教學(xué)法將具有一定聯(lián)系和區(qū)別的教學(xué)內(nèi)容放在一起，進(jìn)行對比和分析，使學(xué)生更能深刻理解教學(xué)內(nèi)容[8]。大數(shù)據(jù)處理和NoSQL技術(shù)涉及的內(nèi)容繁多，不同公司有不同的NoSQL數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，而且某一產(chǎn)品往往是為特定的應(yīng)用而設(shè)計的，并不一定能夠適用于所有的場景。在教學(xué)過程中，可將不同的NoSQL數(shù)據(jù)庫的開發(fā)語言、特性和應(yīng)用場景進(jìn)行對比說明，幫助學(xué)生掌握這一知識點。同時，NoSQL數(shù)據(jù)庫的“非關(guān)系型”特性，與傳統(tǒng)的“關(guān)系型”數(shù)據(jù)庫形成了鮮明的特點，在掌握這兩種具有一定對立特性的數(shù)據(jù)庫的時候，需要深刻理解背后的原因和發(fā)展背景，也需要教師進(jìn)行對比解說。

2）項目驅(qū)動的教學(xué)法的應(yīng)用。

課程要求學(xué)生開發(fā)完成一個數(shù)據(jù)庫課程設(shè)計作品，由1～2人成立小組完成，可以選擇關(guān)系型數(shù)據(jù)庫或NoSQL數(shù)據(jù)庫，也可以混合使用這兩類數(shù)據(jù)庫，開發(fā)語言和平臺不作限定。教師在項目選題初期給予一定的指導(dǎo)，幫助學(xué)生確定系統(tǒng)邊界和技術(shù)選型，具體的需求分析、數(shù)據(jù)庫設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)以及測試和實施都由學(xué)生自行完成。項目驅(qū)動的教學(xué)法可充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生自覺學(xué)習(xí)的能力，項目的完成有利于學(xué)生對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和軟件項目開發(fā)過程有一個整體的把握。

2.3.2 評價手段的優(yōu)化

在評價方法上，力求從多角度全面客觀地評價學(xué)生掌握知識和技能的情況。綜合成績由3部分組成：平時成績占20%，成績來源于課程第一模塊的SQL Server的上機作業(yè)題平均分；開卷筆試和上機考試占40%，筆試部分考查關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，上機考試考查對SQL Server的綜合使用；課程設(shè)計作品占40%，從選題、數(shù)據(jù)庫設(shè)計、應(yīng)用軟件設(shè)計、程序運行情況和測試數(shù)據(jù)量、課程報告5個維度進(jìn)行評價，要求學(xué)生對作品進(jìn)行解說和演示，回答教師問題，并提交一套完整的課程設(shè)計報告、數(shù)據(jù)庫文件和應(yīng)用系統(tǒng)程序。

為優(yōu)化評價手段，我們開發(fā)了一套SQL作業(yè)的自動化批改平臺，用于對課程第一模塊的SQL Server上機實驗題進(jìn)行自動批改，也用于上機考試判卷。較傳統(tǒng)的人工批改的方式，自動化批改提高了效率，降低了誤判率。系統(tǒng)主要包含批改模塊和成績展示模塊，其中批改模塊負(fù)責(zé)對學(xué)生提交的SQL作業(yè)文檔進(jìn)行解析和批改，開發(fā)語言為Java，學(xué)生實驗數(shù)據(jù)庫為教師指定的SQL Server案例數(shù)據(jù)庫，成績數(shù)據(jù)庫使用MySQL數(shù)據(jù)庫；成績展示模塊提供Web訪問方式，用于學(xué)生查詢作業(yè)成績和詳細(xì)情況，開發(fā)語言為PHP，使用ThinkPHP框架。通過此模塊，學(xué)生登錄后即可清楚每次作業(yè)完成的具體情況和錯誤原因（邏輯錯誤或SQL語法出錯），從而提高對各個知識點的掌握水平。

3 教學(xué)改革實踐效果

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實踐課程是計算機專業(yè)重要的實踐類必修課，在大數(shù)據(jù)時代的背景之下，華東師范大學(xué)計算機科學(xué)技術(shù)系課程組引入前沿的教學(xué)內(nèi)容，在教學(xué)方法和評價手段等方面進(jìn)行改革實踐，得到了學(xué)生的廣泛好評。評教結(jié)果顯示，此課程在2016-2017年下學(xué)期的評教中得到了4.92分的成績（滿分5分），院系有效相對排名為2/45，學(xué)生的反饋積極正面，如“老師備課充分，教學(xué)目標(biāo)明確，教學(xué)內(nèi)容豐富，教學(xué)方法與手段適當(dāng)”“能擴展知識面”以及“通過學(xué)習(xí)實踐，自己的綜合能力有所提高”等。學(xué)生們普遍認(rèn)為自己在數(shù)據(jù)庫設(shè)計和應(yīng)用開發(fā)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的使用以及對大數(shù)據(jù)的存取技術(shù)方面的知識和能力得到了提高。

4 結(jié) 語

華東師范大學(xué)的教學(xué)改革表明了改革實施的可行性和有效性，但實踐過程中仍存在一些問題。由于學(xué)生開發(fā)經(jīng)驗和實踐經(jīng)驗都比較缺乏，有些同學(xué)在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計時容易把題目設(shè)計得很大，或者選一些自己不太熟悉的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行設(shè)計，特別在引入NoSQL數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容后，學(xué)生仍然對哪些場景可以且應(yīng)該使用NoSQL數(shù)據(jù)庫缺乏思路，這些問題也是今后的教學(xué)改革和實踐應(yīng)該注意解決的重點。

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