基于“翻轉(zhuǎn)課堂”的《數(shù)據(jù)庫應用技術(shù)》課程教學方法研究

金鑫

（長沙民政職業(yè)技術(shù)學院軟件學院，湖南長沙 410004）

基于“翻轉(zhuǎn)課堂”的《數(shù)據(jù)庫應用技術(shù)》課程教學方法研究

金鑫

（長沙民政職業(yè)技術(shù)學院軟件學院，湖南長沙 410004）

“翻轉(zhuǎn)課堂”作為一種全新的教學模式，改變了傳統(tǒng)教學模式中的師生角色，對課堂時間分配進行了重新規(guī)劃，反映了學生的主體作用。文中以《數(shù)據(jù)庫應用技術(shù)》課程為例，引入“翻轉(zhuǎn)課堂”教學模式，將微項目、合作機制等引入課堂，將抽象的理論具體化，活躍了課堂氣氛，最后總結(jié)了“翻轉(zhuǎn)課堂”模式實施要點。

翻轉(zhuǎn)課堂；教學方法；微項目；合作機制

1.“翻轉(zhuǎn)課堂”教學模式介紹

“翻轉(zhuǎn)課堂”（Flipped Class）[1]最早的探索者是孟加拉裔美國人薩爾曼汗，他將自己錄制的教學視頻傳到了YouTube網(wǎng)站上，讓數(shù)以萬計的學生通過網(wǎng)絡來參與課程學習。之后科羅拉多州林地公園高中的化學教師喬納森·伯爾曼和亞倫·薩姆斯則進行了顛覆傳統(tǒng)課堂的嘗試，把結(jié)合實時講解和PPT演示的視頻上傳到網(wǎng)絡，讓學生在家中或課外觀看視頻中教師的講解，把課堂的時間節(jié)省出來，進行面對面的討論和作業(yè)輔導。

“翻轉(zhuǎn)課堂”與傳統(tǒng)教學模式相比，具有以下三方面優(yōu)點：

1.1 傳統(tǒng)教學模式中學習進度由教師安排；“翻轉(zhuǎn)課堂”中學習進度由學生自己安排，增強了學生的自我管理意識。

1.2 傳統(tǒng)教學模式師生聯(lián)絡方式存在局限性，教師了解學生學習困難滯后或存在盲區(qū)；“翻轉(zhuǎn)課堂”通過網(wǎng)絡實時反饋，教師對學生學習中的問題掌握較全面，便于做出針對性輔導。

1.3 傳統(tǒng)課堂教師主導，學生之間互動較少；“翻轉(zhuǎn)課堂”鼓勵學生之間的互動交流，有利于增加思考靈活度，從而提高學習效率。

2.《數(shù)據(jù)庫應用技術(shù)》課程介紹

《數(shù)據(jù)庫應用技術(shù)》是軟件技術(shù)專業(yè)的主干課程，講授數(shù)據(jù)庫的基本原理、表和列的管理、數(shù)據(jù)存儲與檢索、數(shù)據(jù)的設計等知識。本文以其中的一個內(nèi)容“列數(shù)據(jù)庫”為例，介紹翻轉(zhuǎn)課堂的應用。列數(shù)據(jù)庫是近年來針對解決大數(shù)據(jù)問題的一種數(shù)據(jù)庫技術(shù)。列數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(Column-Oriented DBMS)是一種以列方式存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，亦稱為列存儲(C-Store,Column-Store)[2]。傳統(tǒng)的行數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(Row-Oriented DBMS)，亦稱為行存儲(R-Store, Row-Store)，如Oracle、SQLServer、DB2等。由于存儲方式的不同，列數(shù)據(jù)庫在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)讀取、查詢等系統(tǒng)設計以及應用領域都與行數(shù)據(jù)庫存在著顯著的差異。

列數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)讀優(yōu)化(Read-optimized)系統(tǒng)，而行數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)寫優(yōu)化(write-optimized)系統(tǒng)[2]。行存儲將同一元組的所有屬性存放在相鄰的區(qū)域，一次磁盤寫操作便可將元組數(shù)據(jù)寫入磁盤，在寫數(shù)據(jù)時獲得較高的性能。行存儲適合于寫密集的OLTP(On-Line Transaction Processing)類型應用。列存儲將所有元組的相同屬性列存放在相鄰區(qū)域，查詢時只讀取投影屬性，對比行存儲讀取所有元組屬性而言性能較高。列存儲更適合于讀密集的OLAP(On-Line Analytical Processing)類型應用。另外，列存儲方面研究技術(shù)發(fā)展，如輕量級壓縮、后期物化和連接優(yōu)化等，使列數(shù)據(jù)庫在OLAP等讀優(yōu)化系統(tǒng)中性能對比明顯優(yōu)于行數(shù)據(jù)庫。

列數(shù)據(jù)庫技術(shù)可追溯到上世紀七十年代。當時，行數(shù)據(jù)庫中垂直分區(qū)(Vertical Partitioning)技術(shù)[3][4]要求為數(shù)據(jù)表的每列建立單獨的表，由于每列都附加了列ID屬性，所以性能較差。上世紀八十年代中期，學術(shù)界提出行數(shù)據(jù)庫的N元存儲模型(NSM, N-ary Storage Model)[5]上的分解存儲模型(DSM,Decomposition Storage Model)[6]，相繼一些連接算法和投影索引技術(shù)擴展了DSM。盡管DSM適用于分析查詢，但當時由于市場需求有限，DSM仍然處于非主流技術(shù)趨勢，而行數(shù)據(jù)庫一直處于主導地位。直到2000年以后，隨著信息技術(shù)領域新技術(shù)層出不窮，包括CPU性能的大幅提升、內(nèi)存容量的不斷增大、磁盤帶寬的限制和T比特級數(shù)據(jù)倉庫的興起等等，促使列數(shù)據(jù)庫的研究得到快速發(fā)展并隨之產(chǎn)生大量的列數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[7]。

3.“翻轉(zhuǎn)課堂”教學模式在數(shù)據(jù)庫課程中的實踐流程

3.1 制作精良的教學視頻（5分鐘以內(nèi)）

視頻作為課程主題引入，涵蓋列數(shù)據(jù)庫存儲空間布局的發(fā)展現(xiàn)狀和列數(shù)據(jù)庫存儲空間布局的重點、難點，為接下來實施“翻轉(zhuǎn)課堂”打基礎。視頻制作過程分三步：第一步：研究教學內(nèi)容確定教學任務，完成教學設計、教學流程；第二步：確定新知視頻內(nèi)容及課堂教學流程；第三步：視頻錄制、剪輯及學生自主學習任務單的設計。

3.2 創(chuàng)設問題導向的微項目主題（5分鐘）

給出基于列數(shù)據(jù)庫存儲空間布局的微項目主題，該主題以世界大學城空間平臺優(yōu)化為背景，給出世界大學城空間平臺現(xiàn)存的存儲空間不足的問題，啟發(fā)用本堂課程知識點解決此問題。

問題闡述過程如下：

我們?nèi)粘Ｊ褂玫慕虒W資源數(shù)量呈直線增長趨勢，訪問量也大幅提升。海量的教學資源，包括各類文檔、圖片、視頻、師生互動交流的信息等，給空間網(wǎng)站服務器帶來極大的數(shù)據(jù)存儲管理難度。同時，教學資源大量并發(fā)訪問需要快速的資源檢索和實時數(shù)據(jù)分析，對空間網(wǎng)絡服務器提出更高的數(shù)據(jù)處理要求。

列數(shù)據(jù)庫技術(shù)應用于大學城空間，將使訪問資源集中到用戶查詢所涉及的列，能夠有效降低系統(tǒng)I/O，每一列由一個線程來處理，而且由于同一列的數(shù)據(jù)類型一致，數(shù)據(jù)特征相似，極大地方便資源壓縮存儲。海量數(shù)據(jù)存儲及查詢所引發(fā)的客戶端問題，例如空間網(wǎng)頁響應延遲或網(wǎng)頁無法打開、空間資源訪問緩慢或無法訪問、資源存儲速度緩慢或丟失、多用戶同時訪問時無法響應等等，也能夠得到極大改善。

請用列數(shù)據(jù)存儲空間布局方法為世界大學城空間資源存儲結(jié)構(gòu)建模。

3.3 建立高效合作機制（25分鐘）

學生根據(jù)列數(shù)據(jù)庫存儲空間布局的理論進行分組討論，給出微項目解決方案。

列數(shù)據(jù)庫存儲空間布局的知識點多且雜，給出的知識點應注意系統(tǒng)性、連貫性，而不能僅僅依照書本要點。結(jié)合多種參考資料及課本歸納后的列數(shù)據(jù)庫存儲空間布局知識點如下：

通常，數(shù)據(jù)庫存儲頁面布局方式分為三種：行存儲、列存儲以及復合行列存儲的布局方式。除上述三種存儲布局方式外，HYRICE結(jié)構(gòu)可依據(jù)訪問數(shù)據(jù)的大小自動將數(shù)據(jù)表拆分成幾部分[8]。圖1所示是三種典型的存儲頁面布局方式。其中圖1.(a)為包含ID和三個屬性(SSN,Name,Age)的Employee表；圖1.(b)為行存儲布局方式NSM；圖1.(c)為列存儲布局方式DSM；圖1.(d)為復合行列存儲布局方式PAX。

圖1 三種頁面布局方式

傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫采用按行存儲的布局方式，使用N元存儲模型(NSM)。NSM按記錄(元組)順序?qū)?shù)據(jù)存儲于每個磁盤數(shù)據(jù)頁面(Slotted Page)。在每個頁面中，從最接近頁面頭的可用空間開始，逐個插入新的記錄，同時，在頁面尾端保存指向該新紀錄的指針。如圖1.(a)NSM存儲模式所示,每個記錄包含一個記錄頭(RH)，頁尾的指針指向相應的記錄頭。在查詢記錄時，從頁尾指針定位并讀取記錄，每次訪問都需要讀取該記錄的所有屬性。

按列存儲的頁面布局方式將記錄按屬性列分別存儲于不同磁盤頁面中，每個頁面只存儲同一屬性列的數(shù)據(jù)。列的分離存放避免了在訪問記錄時讀取不相關(guān)屬性，但需要額外的元組重建開銷。按列存儲布局方式可采用分解存儲模型(DSM)[6]或C-store [2]。世界大學城空間可采用DSM方式。DSM是一種垂直分區(qū)(每個屬性為一列)的完全分解形式，將包含n個屬性的關(guān)系垂直劃分為n個子關(guān)系，每個子關(guān)系包含兩個屬性：邏輯記錄ID、屬性值。子關(guān)系依照NSM中關(guān)系的存儲方式存儲于磁盤頁面(slotted page)。如圖1.(b)DSM存儲模式所示，Employee表(關(guān)系)劃分為三個屬性(子關(guān)系)，每個屬性中數(shù)據(jù)分別存放在不同的頁面文件中。C-store類似DSM，區(qū)別是每個子關(guān)系中只存儲屬性值而不需要邏輯記錄ID。

學生合作機制的建立應注意以下兩點：

3.3.1 教師給出的理論知識點應涵蓋微項目中所涉及的所有知識要點，并要簡潔概括，以便學生短時間閱讀和理解。

3.3.2 教師分組時，每組指定負責人，并按能力分工，4-6人一組為佳。

3.3.3 學生探討時，對于知識點較容易的課程主題，適合采用自主探究為主、團隊探討為輔的方式；對于難度較大的知識點，適合采用團隊探討為主、自主學習為輔的方式。

3.4 教師引導及總結(jié)（10分鐘）

學生經(jīng)過團隊合作探討之后，給出的建模方案需要教師的高效指導。此時的指導基于微項目，并結(jié)合列數(shù)據(jù)庫存儲空間布局理論知識，對于學生是有目的的學習過程。有了合作機制階段的建?；A，教師高效的指導有利于學生對微項目查缺補漏，并對知識形成連貫體系。

對于學生的微項目成果，教師可將典型的小組作品進行展示和探討，以便學生從中進一步拓寬思路。

此外，針對學生完成微項目過程中的缺陷和錯誤，教師應單獨輔導，指導學生改進和完善，做到舉一反三。

4.啟發(fā)和收獲

“列數(shù)據(jù)庫存儲空間布局的理論”等一系列信息技術(shù)理論課程具有抽象、枯燥等特點，通過借鑒“翻轉(zhuǎn)課堂”教學模式，改變了傳統(tǒng)教學模式中教師為中心的講授式方法，充分調(diào)動學生的學習自主性，課堂中的微項目將枯燥的理論知識和世界大學城空間中的實際問題相結(jié)合，使學生既能夠有目的地學習相關(guān)理論知識，又有利于實際問題的解決。另外，“翻轉(zhuǎn)課堂”中師生的互動、微項目展示及改進等能夠更真實地反映學生對知識點的掌握程度。

[1]劉曉路，邢立寧，楊振宇，孫凱.“反轉(zhuǎn)課堂”教學模式的實踐與思考[J].時代教育,2014,（9）:63-64.

[2]Mike Stonebraker,Daniel J.A,Adam Batkin,et al.C-Store:A Column-oriented DBMS[C].Proc of the 31st Very Large DataBase Conference(VLDB),Trondheim,Norway,2005.553-564.

[3]Weyl S,Fries J,Wiederhold G,et al.A modular self-describing clinical databank system[J].Comput.Biomed.Res,1975,8(3),273-93

[4]Illka K,Per S.Integrating Vertical and Horizontal Partitioning Into Automated Physical Database Design[C].Proc of the 2004 ACM SIGMOD conference on Management of data,Paris,ACM,2004:359-370.

[5]R.Ramakrishnan,J.Gehrke.Database management systems[M].Mc-Graw-Hill,2003.

[6]George P C,Setrag N K.A decomposition storage model[C].Proc of the 1985 ACM SIGMOD conference on Management of data,Texas, ACM,1985.268-279.

[7]Daniel J A,Peter A B,Stavros H.Column-oriented Database Systems [C].Proc of the 35st Very Large DataBase Conference(VLDB),Lyon, France,2009.

[8]Martin G,Jens K,Hasso P,et al.HYRISE:a main memory hybrid storage engine[C].Proc of the 36st Very Large DataBase Conference (VLDB),Singapore,2010.

[9]劉海武.信息技術(shù)課堂如何有效運用翻轉(zhuǎn)模式[J].教育教學論壇. 2014,(7):227.

G642

A

1671-5136(2014)02-0098-02

2014-06-15

金鑫（1980－），女，江蘇鎮(zhèn)江人，長沙民政職業(yè)技術(shù)學院軟件學院講師、碩士。