劉 斌，彭煜瑋，余 琍，彭智勇

（武漢大學計算機學院，湖北武漢 430072）

0 引言

數(shù)據(jù)庫原理是計算機專業(yè)的一門核心課程，數(shù)據(jù)庫技術(shù)的快速發(fā)展，給該課程教學帶來了許多新挑戰(zhàn)［1］。例如，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，人們可以使用手機等移動設(shè)備快速完成各種交易，與之對應(yīng)數(shù)據(jù)庫中的各種記錄規(guī)模都在百萬級以上。而且，近幾年來企業(yè)對數(shù)據(jù)的安全越來越重視，國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫替代國外數(shù)據(jù)庫成為一個很重要的趨勢［2］。數(shù)據(jù)庫課程的教學與實踐需要適應(yīng)這些新需求：首先，數(shù)據(jù)庫的實踐環(huán)境要過渡到使用國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫；其次，由于用戶數(shù)據(jù)庫中包含大量記錄，因此實踐環(huán)境需要模擬這種場景，才能使學生更深入地理解數(shù)據(jù)庫功能以及各種參數(shù)配置，使數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序的性能滿足用戶需求［3］；最后，國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫研發(fā)需要大量專業(yè)人員，需要培養(yǎng)掌握數(shù)據(jù)庫內(nèi)核技術(shù)的高端人才［4］。近年來，武漢大學數(shù)據(jù)庫課程組在教學與實踐中作出與之相適應(yīng)的改革，通過加深和拓寬原理性知識傳授，設(shè)計多層次的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實踐方案，培養(yǎng)了一批適應(yīng)數(shù)據(jù)庫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的合格人才。

1 融合式教學

融合式教學，是指將數(shù)據(jù)庫原理與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能進行關(guān)聯(lián)［5］。數(shù)據(jù)庫原理重點介紹關(guān)系數(shù)據(jù)庫相關(guān)知識，比較抽象。數(shù)據(jù)庫軟件給用戶呈現(xiàn)的是各種豐富的功能，每一個功能背后都隱藏著數(shù)據(jù)庫原理的核心知識，將兩者在課堂教學中進行有機關(guān)聯(lián)可以幫助學生更好地掌握相應(yīng)的原理知識，使基礎(chǔ)理論學習不空洞，實踐環(huán)節(jié)有準備。

在數(shù)據(jù)庫原理知識點與課程實踐采用的國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)功能之間建立3 種關(guān)聯(lián)：直接關(guān)聯(lián)、內(nèi)涵關(guān)聯(lián)以及補充關(guān)聯(lián)。

（1）直接關(guān)聯(lián)。數(shù)據(jù)庫課本內(nèi)容在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（Database Management System，DBMS）中的直接體現(xiàn)，兩者之間是一一對應(yīng)關(guān)系［6］。比如結(jié)構(gòu)化查詢語言（Structured Query Language，SQL）的增刪改查功能，課本中SQL 語法規(guī)則使用的是標準的SQL，商用的DBMS 都支持兼容。課堂中講授SQL 語句時，學生可以直接在DBMS 中練習使用，這些知識點可以很平滑地進行過渡。

（2）內(nèi)涵關(guān)聯(lián)。分析課本知識點與DBMS 功能之間本質(zhì)上的聯(lián)系，以及DBMS 為什么要這樣設(shè)置功能，設(shè)置的目的是什么。比如數(shù)據(jù)庫原理中的事務(wù)內(nèi)容，事務(wù)是數(shù)據(jù)庫原理的重要組成部分，課堂首先講授其具備的ACID 4個特性，其次講授事務(wù)的并發(fā)執(zhí)行會帶來的3 種不一致性與解決不一致性的方法、事務(wù)的串行執(zhí)行以及兩端鎖協(xié)議，最后講授事務(wù)的顯式定義begin transaction 語句、事務(wù)提交commit 語句以及回滾rollback 語句。這部分內(nèi)容非常多，也比較難。

DBMS 功能體現(xiàn)在兩個方面：一是提供事務(wù)的顯式定義begin transaction 語句、事務(wù)提交commit 語句以及事務(wù)回滾rollback 語句，但是最重要的鎖對用戶是透明的；二是提供事務(wù)隔離級別的定義功能，對應(yīng)語句為set transaction isolation level，并定義了4個隔離級別。數(shù)據(jù)庫原理中講授了不同的鎖協(xié)議，每一種鎖協(xié)議對應(yīng)事務(wù)之間不同的隔離程度，從而清楚地闡述隔離級別和鎖之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

在講述這部分內(nèi)容時有一個難點：DBMS 為什么把隔離級別功能留給用戶？這樣做的原因是：用戶從實際需要出發(fā)，定義事務(wù)需要的最低隔離級別，以最大限度地提高DBMS 的事務(wù)吞吐能力。例如，對于一個應(yīng)用系統(tǒng)來講，T1、T2 兩個事務(wù)可能理論上存在同時修改同一個數(shù)據(jù)的情況，因此需要高級別的隔離程度，如read repeatable。但是真實應(yīng)用中可能T1、T2 按順序執(zhí)行，根本不可能并發(fā)執(zhí)行，所以可以把這兩個事務(wù)并發(fā)執(zhí)行的隔離級別設(shè)置成read committed，從而最大限度地提高事務(wù)并發(fā)執(zhí)行程度。經(jīng)過以上分析，即能把原理、功能以及目的之間的關(guān)系講解清楚。

（3）補充關(guān)聯(lián)。主要是針對數(shù)據(jù)庫課本中相對比較宏觀、不夠具體以及DBMS 功能相對復(fù)雜的一些內(nèi)容［7］，可以利用DBMS 的功能細化知識點，使其更加豐富、具體。例如數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計，通常課本都是簡單幾行，但是DBMS有好幾個對應(yīng)的功能點，比如表空間、塊使用百分比（PCTUSED）等。表空間是一個很抽象的概念，不好理解。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)最終都存儲在文件中，用戶可以設(shè)置多個文件。為了管理方便，建立了表空間的概念，多個邏輯上有關(guān)聯(lián)的文件可以劃分到一個表空間中，所以一個表空間包含多個數(shù)據(jù)文件，一個數(shù)據(jù)文件只能屬于一個表空間。經(jīng)過以上分析，再進一步介紹表空間各種參數(shù)設(shè)置以及相應(yīng)含義。最后可以結(jié)合數(shù)據(jù)訪問的速度要求，將數(shù)據(jù)存儲在固態(tài)硬盤、機械硬盤中。通過逐步深入，講解物理設(shè)計中數(shù)據(jù)的存儲位置、大小、磁盤性能等相關(guān)內(nèi)容，使物理設(shè)計更加具體。

2 專業(yè)特色教學方案

武漢大學計算機學院共有計算機科學與技術(shù)、軟件工程、人工智能3 個專業(yè)。本科班分為計算機科學與技術(shù)班、計算機科學與技術(shù)卓工班、軟件工程班、軟件工程卓工班、弘毅班。針對不同班級，在課堂講授時有針對性地選擇難度不同的案例。

在計算機科學與技術(shù)班和計算機科學與技術(shù)卓工班的ER 圖授課中，經(jīng)典的案例就是大學數(shù)據(jù)庫，包含學生、課程、教師實體，存在選課、授課聯(lián)系。該案例對學生來說比較易懂，但是也存在明顯缺點，就是太簡單。為此，根據(jù)武漢大學校運會有學生、教師共同參加的特點，選擇了大學運動會案例。案例的ER 圖如圖1 所示，組別的含義是學生參加學生組項目，教師參加青年組、中年組項目，轉(zhuǎn)換成關(guān)系模型后，數(shù)據(jù)模式包含了10 個關(guān)系，有一定的復(fù)雜程度，圖1中省去了部分屬性。

Fig.1 ER diagram of university sports meeting圖1 大學運動會ER圖

表1 展示了ER 圖知識點和運動會ER 圖之間的對應(yīng)關(guān)系。通過該案例向?qū)W生形象說明了“兩個實體之間可以參與多種聯(lián)系”這個比較難理解的知識點。

Table 1 ER knowledge points and corresponding examples表1 ER圖知識點以及對應(yīng)實例

因為該案例貼近學生生活，經(jīng)過分析研討，90%的學生都可以順利地畫出ER 圖，并且可以得到正確的關(guān)系模型。在此基礎(chǔ)上進一步聯(lián)系實際，向?qū)W生指出：參與關(guān)系A(chǔ)ttend（WNO，PrjNO，Group，Seq）對應(yīng)比賽用的秩序冊，此時，不少學生才恍然大悟，明白了數(shù)據(jù)庫中的表、關(guān)系等在實際中的具體對應(yīng)內(nèi)容，切實體會到了課程理論知識的現(xiàn)實意義。

軟件工程專業(yè)學生在軟件開發(fā)能力上比其他專業(yè)的學生更強，因此課程教學對該專業(yè)學生的要求也更高。在軟件工程專業(yè)的數(shù)據(jù)庫課程教學中，除基本的數(shù)據(jù)庫增刪改查功能外，重點針對觸發(fā)器和存儲過程開展教學。最后結(jié)合高級程序設(shè)計語言，讓學生能夠?qū)崿F(xiàn)批插入的功能。

軟件工程卓工班則結(jié)合事務(wù)和觸發(fā)器，讓學生掌握事務(wù)的不同隔離級別、事務(wù)執(zhí)行過程中觸發(fā)器的作用以及破壞觸發(fā)器的約束條件導(dǎo)致的事務(wù)回滾等問題。

總之，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)課程教學針對不同專業(yè)特點，要求學生對國產(chǎn)DBMS 某一個方面的功能有深入了解，學習并掌握該功能更深更難的應(yīng)用，達到深入用好國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫軟件的目的，培養(yǎng)學生的鉆研精神以及自主學習能力［8］。

3 多渠道挖掘教學案例

SQL 語言是數(shù)據(jù)庫原理中一個重要的教學內(nèi)容，也是學生感到比較困難的一個章節(jié)。學好SQL 語言是用好數(shù)據(jù)庫的基本要求，如果將來從事數(shù)據(jù)庫相關(guān)領(lǐng)域的工作，對SQL 編程也有較高要求?，F(xiàn)在的畢業(yè)招聘考試一般都會涉及到SQL 語句編程，題目相對復(fù)雜，SQL 語句復(fù)雜意味著業(yè)務(wù)邏輯復(fù)雜，從業(yè)務(wù)邏輯到SQL 腳本是一個轉(zhuǎn)換過程。學生學會復(fù)雜的SQL 編程意味著其具備較強的轉(zhuǎn)換能力。轉(zhuǎn)換能力培養(yǎng)不是一蹴而就的，需要反復(fù)地訓練、體會，這就需要在課堂教學環(huán)節(jié)中進行訓練和一定的課后練習。

“學生選課數(shù)據(jù)庫”案例相對來說比較簡單，因此也很難提出比較復(fù)雜的問題。由于課堂時間有限，在有限的時間內(nèi)介紹一個復(fù)雜且學生不熟悉的業(yè)務(wù)背景，要求學生理解需求并進行SQL 編程訓練，效果不一定很好。因此，需要從其他途徑挖掘合適的案例，改造成適合于課堂教學的形式［9］。

QQ 是學生們經(jīng)常使用的社交工具，里面許多功能都可以作為課程案例，可以引導(dǎo)學生思考這些功能用SQL 語句怎么實現(xiàn)。比如QQ 的好友推薦功能，你和誰有幾個共同好友，但你們還不是好友。給出這樣的查詢：列出有4個共同好友但自身不是好友的用戶對，每個用戶對只出現(xiàn)一次。QQ 的好友信息可以用用戶表User 和好友表Friend表示，其中uid1 和uid2 都是外鍵，參照User 表中的uid 取值：User（uid，Name）；Friend（uid1，uid2）。

雖然表結(jié)構(gòu)比較簡單，問題也看似簡單，但是答案還是稍顯復(fù)雜。SQL 語句如下：

其他課程中也可以發(fā)現(xiàn)許多例子。針對人工智能專業(yè)學生的特點，選用關(guān)系存儲稀疏矩陣的案例。對于兩個不同矩陣matrix1（row，col，val）和matrix2（row，col，val），要求采用SQL 語句實現(xiàn)兩個稀疏矩陣的相乘，對應(yīng)的SQL 語句如下：

該案例包含SELECT 語句的6 個子句，通過該SQL 語句，可以完整地說明6個子句的先后執(zhí)行順序。

數(shù)據(jù)庫課程組經(jīng)常展開教學研討，每位老師根據(jù)自己課程內(nèi)容交流學生感興趣的問題。針對這些問題，各自提出合適的案例，然后將所有案例進行概括、整理，形成更多可用于教學的案例。

4 多層次課程實踐

數(shù)據(jù)庫課程實踐是數(shù)據(jù)庫教學的一個重要環(huán)節(jié)［9］。在實踐環(huán)節(jié)，首先要和其他課程做好相互銜接。比如在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言課程中，老師很有可能布置利用JDBC 編寫Java 程序訪問數(shù)據(jù)庫的任務(wù)，因此在數(shù)據(jù)庫實踐中刪除這部分內(nèi)容。在數(shù)據(jù)庫實踐環(huán)節(jié)主要側(cè)重于以下幾方面內(nèi)容：

（1）國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫部署。在數(shù)據(jù)庫選型上，講授幾種開源國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫，例如PolarDB、OpenGauss、Oceanbase 等，提前讓學生選擇。這樣做的原因是國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫適配的操作系統(tǒng)不是Windows，需要學生花時間學習與操作系統(tǒng)安裝相關(guān)的基礎(chǔ)知識。

（2）與國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫廠商加強聯(lián)系，邀請工程師進課堂。在授課環(huán)節(jié)，邀請華為數(shù)據(jù)庫團隊的專家走進課堂，講授高斯數(shù)據(jù)庫的功能與特色，對國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫起到了很好的宣傳推廣作用，避免了數(shù)據(jù)庫實踐環(huán)境言必稱MySQL 的局面。

（3）針對性地制定實踐內(nèi)容。在軟件工程卓工班，側(cè)重于SQL 語句編程、觸發(fā)器以及事務(wù)實踐內(nèi)容。在事務(wù)實踐中，提供腳本模擬兩個事務(wù)交叉執(zhí)行，在不同的隔離級別下觀察事務(wù)執(zhí)行結(jié)果，再反推在此情況下數(shù)據(jù)庫加鎖和釋放鎖的過程，從而讓學生更好地掌握各種封鎖協(xié)議。對于能力突出的學生，鼓勵其編寫模擬程序，一次性向數(shù)據(jù)庫中插入百萬條記錄，體會索引在連接查詢中的作用。最后使用SSD 和機械硬盤存儲數(shù)據(jù)，讓學生觀察對于同一個SQL 查詢語句，磁盤性能對查詢性能的影響。

（4）針對弘毅班的學生，開展迷你數(shù)據(jù)庫（miniDB）研制的課程實踐。弘毅班是教育部“基礎(chǔ)學科拔尖人才試驗計劃”在武漢大學的具體實施，培養(yǎng)有志于國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫研究與開發(fā)的專業(yè)人才。弘毅班的課堂教學內(nèi)容與其他班級不一樣，增加了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)部分的講解，并且第二學期有專門的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實踐課程。在實踐中，每個小組5 名學生，分別負責存儲、編譯、執(zhí)行、索引和事務(wù)。任務(wù)基本完成情況如表2，結(jié)果表明開發(fā)一個演示版的數(shù)據(jù)庫是可行的，相信經(jīng)過一兩年完善，每一個小組均能完成該任務(wù)。

Table 2 Analysis and strategy of the results of database system development practice表2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)實踐完成結(jié)果分析與對策

5 教學環(huán)節(jié)中的思政元素

思政教學，落實在大處，即引導(dǎo)學生增強愛國主義觀點［10］。而從小處看，則是要培養(yǎng)學生做一個健康、熱愛生活的人。在數(shù)據(jù)庫教學、實踐以及考試環(huán)節(jié)中，有針對性地、恰到好處地引入思政元素［11］。

例如在數(shù)據(jù)庫引言教學中，加入國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫近年來的發(fā)展歷史以及在各個行業(yè)的顯著應(yīng)用。在課堂重點分析天貓雙十一每秒支持58.3 萬筆交易背后的技術(shù)，以及對生活帶來的各種影響，讓學生明白國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫不僅可實現(xiàn)國外先進數(shù)據(jù)庫的功能，甚至可以做得更好；同時介紹陽振坤老師用10 年時間搭建Oceanbase 數(shù)據(jù)庫的故事，激勵年輕有為的大學生們投身到國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫研發(fā)中。

數(shù)據(jù)庫主要用于管理數(shù)據(jù)，在考試環(huán)節(jié)把國家發(fā)生的大事，同時也是學生感興趣的話題用數(shù)據(jù)庫形式表現(xiàn)出來。比如前幾年我國海軍的萬噸驅(qū)逐艦服役，在學生們中反響巨大。構(gòu)建軍艦、級別、演習、士兵之間的ER 圖作為考題，考試結(jié)束時，學生們紛紛和老師討論該題目有哪些地方可以改進。對該題的得分進行統(tǒng)計，90%以上的學生均能拿到滿分。另外，將核酸檢測場景引入考試中，在學生解決問題的同時，也提醒其時時刻刻要遵循防疫規(guī)定。

6 教學與實踐效果

學期結(jié)束后，通過調(diào)查問卷的形式，針對教學、實踐和考試環(huán)節(jié)讓學生進行評價，結(jié)果如表3 所示。通過調(diào)查問卷可以發(fā)現(xiàn)，學生們對數(shù)據(jù)庫的課程改革基本比較滿意，相關(guān)知識點均掌握較好。

Table 3 Questionnaire of teaching and practice reform表3 教學與實踐效果調(diào)查問卷

通過融合式教學，80%以上的學生都能掌握事務(wù)隔離級別的設(shè)置，并能很好地理解掌握表空間的概念。在實踐環(huán)節(jié)利用表空間概念建立數(shù)據(jù)庫的步驟中，78%的學生都能建立表空間，再建立數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的表，而不是利用缺省的參數(shù)直接建表，從而加深了對物理設(shè)計的理解；10%的學生經(jīng)過提醒后，能正確地理解表空間概念；10%左右的學生還是不太理解表空間的概念，經(jīng)過打比方和目錄等概念的比較說明，在其他學生的幫助下才基本能夠理解。根據(jù)學生的專業(yè)特色設(shè)置不同教學方案，結(jié)果表明，85%以上的學生能較好地完成相應(yīng)任務(wù)，其余15%的學生在參考了比較好的學生作業(yè)后，可以理解并進行修改，從而基本完成作業(yè)，表明其確實在程序編寫方面存在欠缺，利用計算機程序思維解決問題的能力需要提高，需要其他課程（例如高級程序設(shè)計）配合，通過多練習才能提升相關(guān)能力。在SQL 語句編寫課堂教學中，所有學生均能夠理解業(yè)務(wù)場景，15%左右的學生除缺少一個條件外，其余均能正確書寫。在課后作業(yè)中，80%的學生能編寫正確的SQL 語句。在以后的教學與實踐中，通過及時發(fā)現(xiàn)學習能力稍弱的學生，開展有針對性的幫助，可以進一步提高教學質(zhì)量。

7 結(jié)語

國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫已經(jīng)應(yīng)用于各行各業(yè)，數(shù)據(jù)庫技術(shù)也隨著其他軟硬件發(fā)展和用戶需求的變化而快速發(fā)展。數(shù)據(jù)庫教學與實踐必須時刻關(guān)注、適應(yīng)這種變化，才能使數(shù)據(jù)庫原理課程教學與實踐與時俱進，培養(yǎng)出的學生才能緊跟數(shù)據(jù)庫發(fā)展的潮流。