數(shù)據(jù)庫規(guī)范化理論教學(xué)探討與實踐

王哲 趙營穎

【摘要】數(shù)據(jù)庫規(guī)范化理論是數(shù)據(jù)庫技術(shù)中的一個重要的理論基礎(chǔ)，對應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計起著重要作用。針對其在教學(xué)中存在的一些問題，提出了具體的教學(xué)方案，并結(jié)合具體教學(xué)案例加以說明。這種教學(xué)方法有利于提高課程的教學(xué)質(zhì)量，有利于提高學(xué)生對數(shù)據(jù)庫規(guī)范化理論知識的掌握能力。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)庫 規(guī)范化理論 函數(shù)依賴 范式

對于數(shù)據(jù)庫課程的學(xué)習(xí)，除了掌握應(yīng)用型技術(shù)外，還應(yīng)加強其基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)，如關(guān)系模型、關(guān)系運算理論、關(guān)系數(shù)據(jù)庫語言SQL、數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化理論、數(shù)據(jù)庫設(shè)計及數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)等知識點。數(shù)據(jù)庫設(shè)計的好壞直接影響著實際的應(yīng)用，數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化理論正是用來指導(dǎo)應(yīng)用系統(tǒng)中數(shù)據(jù)模式的構(gòu)建，即數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)的問題；對于初步的關(guān)系模式，可能存在這樣或那樣的問題（如數(shù)據(jù)冗余、插入異常、刪除異常等），需要利用數(shù)據(jù)庫規(guī)范化理論進行規(guī)范化，以逐步消除存在的問題，從而得到一定規(guī)范程度的關(guān)系模式。然而對于在目前的教材中及課堂講授中，對這部分內(nèi)容的介紹更多的停留在理論部分的講述，大部分學(xué)生并沒有真正的理解掌握并應(yīng)用到數(shù)據(jù)庫實踐操作中。因此，如何有效學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫規(guī)范化理論知識，并將其應(yīng)用到數(shù)據(jù)庫技術(shù)實踐體系中，構(gòu)建科學(xué)的教學(xué)模式，是當(dāng)前數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)改革的重要任務(wù)。

一、數(shù)據(jù)庫規(guī)范化理論

關(guān)系數(shù)據(jù)庫規(guī)范化理論的目標(biāo)是得到一組滿足用戶需求的關(guān)系模式，旨在設(shè)計出一個“好”的關(guān)系模式，這里的“好”指的是數(shù)據(jù)擁有較少的數(shù)據(jù)冗余度和操作異常，以便我們對數(shù)據(jù)進行高效的管理。

例如，需要建立一個描述學(xué)校教務(wù)的數(shù)據(jù)庫，有學(xué)生表student的屬性集合U={Sno，Sname，Sdept，Mname，Cname，Grade}，其中Sno表示學(xué)號、Sname表示學(xué)生姓名、Sdept表示所在系、Mname表示系主任姓名、Cno表示課程號、Grade表示成績；現(xiàn)實世界已知事實的語義：一個院系有若干學(xué)生，一名學(xué)生只屬于一個院系；一個院系只有一名系主任；一名學(xué)生可以選修多門課程，每門課程有多名學(xué)生選修；每個學(xué)生所學(xué)的每門課程都有一個成績。如何判斷student是不是一個“好”的關(guān)系模式呢？經(jīng)分析，關(guān)系模式student有如下問題：

1.數(shù)據(jù)冗余

如果一個院系有1000名學(xué)生，而且每名學(xué)生大約選修了20門課程，則院系名稱和系主任姓名就要重復(fù)出現(xiàn)20000次，造成了巨大的數(shù)據(jù)冗余。

2.插入異常

如果一個院系剛成立，暫無招生，或者雖然有學(xué)生但尚未安排課程，按照實體完整性的原則，就無法把這個院系及系主任的信息錄入到數(shù)據(jù)庫。

3.刪除異常

如果某院系的學(xué)生全部畢業(yè)且無新生的情況下，我們在刪除該院系學(xué)生信息的同時，把這個院系及其系主任的信息也一并刪除了。

4.更新異常

如果某系更換系主任或更換院系名稱后，系統(tǒng)必須修改與該院系相關(guān)的每一條記錄；若有一條記錄中的數(shù)據(jù)未實時更新，就會造成數(shù)據(jù)不一致現(xiàn)象。因此，student不是一個“好”的關(guān)系模式。事實上，數(shù)據(jù)冗余和操作異?，F(xiàn)象產(chǎn)生的根源，就是由于關(guān)系模式中屬性間存在著復(fù)雜的依賴關(guān)系，這種依賴都稱為數(shù)據(jù)依賴。對于關(guān)系模式student={Sno，Sname，Sdept，Mname，Cname，Grade}，其屬性關(guān)系如圖1所示，由圖1可看出，關(guān)系模式student中存在一定的數(shù)據(jù)依賴，如學(xué)生學(xué)號和學(xué)生姓名、學(xué)生學(xué)號和院系名稱、院系名稱和系主任之間都存在著依賴關(guān)系。

關(guān)系規(guī)范化理論正是用來改造關(guān)系模式，對于“不好”的關(guān)系模式，通過分解關(guān)系模式來消除其中不合適的數(shù)據(jù)依賴，以解決插入異常、刪除異常、更新異常和數(shù)據(jù)冗余問題；對于關(guān)系模式student，依據(jù)規(guī)范化理論的指導(dǎo)原則，若消除數(shù)據(jù)冗余、異常等問題，可將關(guān)系模式Student分解為三個關(guān)系模式：S（Sno，Sname，Sdept）、SC（Sno，Cname，Grade）、Dept（Sdept， Mname），可基本解決以上問題。

二、確定理論教學(xué)的關(guān)鍵點

數(shù)據(jù)庫規(guī)范化理論中，通常是通過一個關(guān)系模式是否屬于某一范式（Normal Forms，簡記為NF）來確定其是否解決了數(shù)據(jù)冗余、操作異常等問題，是否為一個“好”的模式。范式的種類與數(shù)據(jù)依賴有著直接的聯(lián)系，主要有1NF、2NF、3NF、BCNF等多種。一個低一級范式的關(guān)系模式，通過模式分解（投影運算）可以轉(zhuǎn)化為若干個高一級范式的關(guān)系模式的集合，這個過程叫做規(guī)范化，關(guān)系模式規(guī)范化的基本步驟如圖2所示。

由圖2可知，在范式的判斷中，主要是對模式中主屬性、非主屬性、部分函數(shù)依賴、完全函數(shù)依賴、傳遞函數(shù)依賴、多值依賴的判別。關(guān)系模式中，屬于候選鍵的屬性稱之為主屬性，反之則為非主屬性，則候選鍵則成為主屬性和非主屬性的判斷標(biāo)準(zhǔn)，故候選鍵的判定是規(guī)范化理論的基石知識點。

數(shù)據(jù)庫定義中，如果關(guān)系模式中某一個屬性或?qū)傩越M能夠唯一決定關(guān)系中其他所有屬性的值，而且其真子集無此性質(zhì)，則稱這個屬性或?qū)傩越M稱為該關(guān)系模式的候選鍵。在很多教學(xué)中，很多教師忽略了候選鍵判定的重要性，再加上時間關(guān)系，直接省略掉候選鍵的規(guī)范化計算，故造成很多學(xué)生在應(yīng)用中判別不清，跟著感覺走的現(xiàn)象嚴(yán)重。

在關(guān)系數(shù)據(jù)庫理論中，關(guān)系模式中屬性集的閉包可判斷屬性是否為候選鍵。故在設(shè)計數(shù)據(jù)庫時，需要找出不同屬性間的函數(shù)依賴，根據(jù)這些依賴關(guān)系，計算出關(guān)系模式中各屬性集的閉包，進而確定該關(guān)系模式的候選鍵。例如關(guān)系模式STC（SNO，SN，SA，TN，CN，G），F(xiàn)={SNO→SN，SNO→SA，（SNO，CN）→G}，經(jīng)過屬性集閉包的計算，得出STC的候選碼為（SNO，CN，TN），該計算結(jié)果準(zhǔn)確科學(xué)，而不是某人看出來的或者感覺出來的。

三、結(jié)束語

數(shù)據(jù)庫規(guī)范化理論可有效的消除數(shù)據(jù)依賴引起的冗余、異常，在數(shù)據(jù)庫設(shè)計中起著重要的作用，針對于教材中出現(xiàn)的大量定義和概念類的知識點，我們不能照本宣科地介紹知識點，而應(yīng)積極探索教學(xué)新方法，明確教學(xué)目標(biāo)，變學(xué)生被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，讓學(xué)生帶著興趣進入課程的學(xué)習(xí)，使理論知識學(xué)習(xí)和實踐操作的結(jié)合落到實處，真正提高課程的教學(xué)質(zhì)量。

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