大數(shù)據(jù)環(huán)境下的數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)改革研究

劉予飛 蔣玖川

摘? 要：大數(shù)據(jù)技術(shù)作為當(dāng)前的熱門技術(shù)，對高等教育專業(yè)課程產(chǎn)生了明顯的影響，推動高校課程改革是必然趨勢。數(shù)據(jù)庫是計算機科學(xué)與技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的一門重要課程，文章闡述并分析了大數(shù)據(jù)背景下該課程面臨的問題，結(jié)合社會對數(shù)據(jù)庫人才的需求從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和實踐平臺探討了大數(shù)據(jù)背景下數(shù)據(jù)庫課程的教學(xué)改革思路，并以實際應(yīng)用案例證實該方法提高了學(xué)生的自主創(chuàng)新思想和實踐能力，能更好地培養(yǎng)實用型數(shù)據(jù)庫創(chuàng)新人才。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)庫課程;NoSQL;教學(xué)改革

中圖分類號：TP311.13-4;G642? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）20-0178-04

Research on Teaching Reform of Database Course in the Big Data Environment

LIU Yufei，JIANG Jiuchuan

（College of Information Engineering，Nanjing University of Finance and Economics，Nanjing? 210023，China）

Abstract：As a current hot technology，big data technology has had a significant impact on higher education professional courses，and it is an inevitable trend to promote university curriculum reform. Database is an important course of computer science and technology and other related majors. This paper expounds and analyzes the problems faced by the course under the background of big data，and discusses the teaching reform ideas of database course under the background of big data from the teaching content，teaching mode and practice platform combined with the social demand for database talents. And practical application cases prove that this method improves studentsindependent innovation thinking and practical ability，and can better cultivate practical database innovation talents.

Keywords：big data;database course;NoSQL;teaching reform

0? 引? 言

20世紀(jì)80年代以來，數(shù)據(jù)庫技術(shù)不斷發(fā)展壯大，關(guān)系數(shù)據(jù)模型、查詢處理與優(yōu)化技術(shù)、事務(wù)管理技術(shù)等都是數(shù)據(jù)庫開發(fā)領(lǐng)域的里程碑。由于關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型簡單，理論完備，關(guān)系數(shù)據(jù)庫廣為人知，在目前的數(shù)據(jù)庫技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域達到了數(shù)百億美元的市場。查詢處理與優(yōu)化技術(shù)通過訪問優(yōu)化路徑來保證CPU、存儲空間等成本的性能優(yōu)化。而事務(wù)管理技術(shù)實現(xiàn)了大量用戶并發(fā)訪問數(shù)據(jù)庫，促進了數(shù)據(jù)庫中恢復(fù)和保護機制的完善，從而提高了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的綜合性和使用性。數(shù)據(jù)庫的概念得到了廣泛的支持，作為數(shù)據(jù)處理的核心技術(shù)之一，數(shù)據(jù)庫建設(shè)的重要性毋庸置疑。

大數(shù)據(jù)是大量的異構(gòu)數(shù)據(jù)，獨立的數(shù)據(jù)庫之間沒有直接關(guān)系，通過計算模型對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、比較和解析，得到客觀的結(jié)果[1]。而數(shù)據(jù)庫是大數(shù)據(jù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫無法滿足大數(shù)據(jù)時代的不斷增長的計算需求，大數(shù)據(jù)必然推動數(shù)據(jù)庫技術(shù)的變革。大數(shù)據(jù)時代對數(shù)據(jù)信息有新的要求和內(nèi)涵，以更先進的技術(shù)支撐、更開放的計算和存儲技術(shù)來構(gòu)建數(shù)據(jù)庫;更快地更新數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)信息;更加頻繁地通信、溝通和應(yīng)用不同類型的數(shù)據(jù)源[2]。大數(shù)據(jù)時代不僅意味著更多的信息，同時也意味著人類行為的常規(guī)模式甚至是思想都受其影響，其影響力延伸至社會各行各業(yè)，高校也不例外。在當(dāng)前大數(shù)據(jù)背景下，高校各類課程都受到了影響，課程體系改革勢在必行。近年來，根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)[3]，中國大多數(shù)高校已經(jīng)完成了數(shù)據(jù)庫課程的建設(shè)。例如計算機專業(yè)數(shù)據(jù)庫課程的建設(shè)實現(xiàn)了學(xué)生計算機能力的培養(yǎng)，解決了相應(yīng)計算機存儲大量數(shù)據(jù)的問題，但是，整體數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)的發(fā)展仍然存在與云計算和新的數(shù)據(jù)處理技術(shù)不匹配的問題，例如教學(xué)不能滿足當(dāng)前大量數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

因此，在大數(shù)據(jù)背景下，高校應(yīng)該對數(shù)據(jù)庫課程進行創(chuàng)新和改革，從多角度出發(fā)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和方法。南京財經(jīng)大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)及相關(guān)專業(yè)本科生的數(shù)據(jù)庫教學(xué)需求調(diào)整教學(xué)內(nèi)容成為一個重要問題，本課題針對這一問題進行教學(xué)改革，使新的教學(xué)模式適應(yīng)現(xiàn)代發(fā)展的需要，為社會培養(yǎng)更多的數(shù)據(jù)庫創(chuàng)新人才。

1? 大數(shù)據(jù)時代下數(shù)據(jù)庫課程面臨的問題

數(shù)據(jù)庫課程是教育部計算機科學(xué)與技術(shù)指導(dǎo)委員會確定的八大專業(yè)核心課程之一，也是計算機專業(yè)學(xué)生必修課程之一，重點培養(yǎng)學(xué)生的信息處理能力[4]。數(shù)據(jù)庫技術(shù)是現(xiàn)代軟件技術(shù)的重要支撐，是信息系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)等諸多研究方向的基礎(chǔ)，還是人工智能、辦公自動化軟件、計算機輔助工程軟件等強有力的工具，是計算機領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一[5]。隨著當(dāng)前大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫已經(jīng)難以支撐，不足以解決Web日志、視頻、音頻、圖像等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

在大數(shù)據(jù)背景下，計算機數(shù)據(jù)庫課程存在實踐教學(xué)平臺不足的問題。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)主要使用SQL Server、Oracle等商業(yè)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。但在當(dāng)前大數(shù)據(jù)背景下，結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)同時存在，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)逐漸占主導(dǎo)地位，這使得傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)庫課程實踐平臺產(chǎn)生明顯缺陷。因此，在當(dāng)前“互聯(lián)網(wǎng)+”的大規(guī)模應(yīng)用開發(fā)中，數(shù)據(jù)庫課程實踐平臺的創(chuàng)新也是必然的，大數(shù)據(jù)時代中分布式存儲和并行計算方式以及開放式系統(tǒng)逐漸取代集中式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)庫課程改革順應(yīng)當(dāng)前形勢。由于HBase是典型的NoSQL數(shù)據(jù)庫，其中表的屬性可以根據(jù)需求動態(tài)增加，而且沒有表與表之間的關(guān)聯(lián)，用戶能夠給行定義各種不同的列，這些功能在大項目中非常實用，特別適用于MapReduce處理和云計算環(huán)境。采用HBase簡化了實踐教學(xué)設(shè)計和升級成本，并且學(xué)生們?nèi)菀咨鲜謱嵅佟Ｄ暇┴斀?jīng)大學(xué)數(shù)據(jù)庫教學(xué)課題組已采用Hadoop框架中的HBase作為實踐教學(xué)平臺。

2? 大數(shù)據(jù)時代的數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)改革

在當(dāng)前大數(shù)據(jù)的時代，根據(jù)大數(shù)據(jù)時代的特點和人才培養(yǎng)的需求，從計算機專業(yè)理論教學(xué)和實踐教學(xué)兩個方面的教學(xué)內(nèi)容探討數(shù)據(jù)庫課程的教學(xué)改革、教學(xué)方法和教學(xué)實踐平臺，并提出了新的教學(xué)方法、內(nèi)容和實踐平臺以滿足大數(shù)據(jù)的需求，希望學(xué)生通過系統(tǒng)的學(xué)習(xí)能夠明確自己未來職業(yè)的發(fā)展方向，為企業(yè)提供促進未來大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需的人力資源，下文主要論述改革目標(biāo)。

2.1? 教學(xué)方法改革

避免傳統(tǒng)的“灌輸式”傳授知識的方法，樹立新的教學(xué)方法例如“教師為指導(dǎo)，學(xué)生為主導(dǎo)”，根據(jù)數(shù)據(jù)庫課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)條件和學(xué)生的特點，并充分利用慕課的共享資源，選擇靈活多樣的教學(xué)方法進行啟發(fā)式教學(xué)等，實現(xiàn)以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主、教師引導(dǎo)為輔的教學(xué)模式改革。

2.2? 教學(xué)內(nèi)容改革

以大數(shù)據(jù)時代為背景，結(jié)合計算機行業(yè)需求，探索數(shù)據(jù)管理、分析和應(yīng)用方面的數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)內(nèi)容改革。

2.2.1? 理論教學(xué)內(nèi)容改革

NoSQL通常是指與傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫不同的所有技術(shù)，其中包括非關(guān)系數(shù)據(jù)模型（即非模式數(shù)據(jù)庫，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等），大規(guī)模集群的DBMS或類DBMS實現(xiàn)等。NoSQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)解決了傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫無法處理網(wǎng)頁URL的問題，尤其是Web2.0純動態(tài)的SNS類型的大規(guī)模、高并發(fā)性問題，適應(yīng)了當(dāng)前大數(shù)據(jù)時代數(shù)據(jù)庫技術(shù)的要求，適應(yīng)了大規(guī)模數(shù)據(jù)集的多種數(shù)據(jù)類型的挑戰(zhàn)。NoSQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)是關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)的有效補充，滿足了計算機系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)存儲方面的需求，可伸縮性大，可以存儲、查詢和分析異構(gòu)數(shù)據(jù)，是當(dāng)前信息檢索的關(guān)鍵技術(shù)，在數(shù)據(jù)挖掘、機器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

因此，針對以數(shù)據(jù)為中心的新應(yīng)用和大數(shù)據(jù)時代數(shù)據(jù)管理的新要求，在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫課程內(nèi)容中引入NoSQL數(shù)據(jù)庫，以Hadoop為核心建立新數(shù)據(jù)庫的教學(xué)內(nèi)容，并結(jié)合現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫技術(shù)整合內(nèi)容，已使用的HBase如圖1所示。

2.2.2? 理論教學(xué)模式改革

將慕課引入傳統(tǒng)的教學(xué)模式，讓學(xué)生充分利用慕課的網(wǎng)絡(luò)開放性、共享性和網(wǎng)絡(luò)資源學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，課題組建立的慕課如圖2所示，結(jié)合其他相關(guān)慕課，具體有以下兩點：

（1）利用慕課資源開展混合教學(xué)，首先轉(zhuǎn)變觀念，從共享角度出發(fā)布置課后作業(yè)，學(xué)生自行學(xué)習(xí)慕課中與課堂教學(xué)內(nèi)容有關(guān)的知識。學(xué)生可以把課堂上老師提出的問題直接應(yīng)用到慕課學(xué)習(xí)上，進行反復(fù)思考。留出課堂討論、答疑的學(xué)時，保證學(xué)生深度掌握知識。

（2）將慕課作為選修課，由課題組老師擔(dān)任在線學(xué)習(xí)指導(dǎo)教師，要求選擇與數(shù)據(jù)課課程相同或相近的國內(nèi)外名校慕課，除了組織集體上網(wǎng)學(xué)習(xí)外，學(xué)生自主選擇學(xué)習(xí)，老師定期組織討論和答疑，學(xué)生獲得慕課學(xué)習(xí)證書。

2.3? 加強學(xué)生的實踐能力培養(yǎng)

數(shù)據(jù)庫技術(shù)的新發(fā)展給傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫課程帶來了沖擊，高校數(shù)據(jù)庫課程建設(shè)中存在著如何處理數(shù)據(jù)庫技術(shù)的新發(fā)展與教學(xué)內(nèi)容之間的關(guān)系問題。鑒于計算機專業(yè)學(xué)生應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)更側(cè)重于數(shù)據(jù)庫技術(shù)的應(yīng)用，計算機專業(yè)數(shù)據(jù)庫課程的理論與實踐教學(xué)再次進行調(diào)整，加強提高學(xué)生實踐能力的實踐學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)知識分析和解決問題的能力。數(shù)據(jù)庫課程總學(xué)時增加24學(xué)時。在理論學(xué)時不變的基礎(chǔ)上，基本實踐學(xué)時由原來的16學(xué)時增加到24學(xué)時，綜合實踐學(xué)時由原來的16學(xué)時增加到32學(xué)時，如表1所示。

實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，只有通過實踐，學(xué)生才能進一步了解數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的工作原理，更好地利用數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)完成對數(shù)據(jù)信息的處理[6]。因此，在數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)改革的理論基礎(chǔ)上進行實踐教學(xué)改革是大勢所趨，具體安排如表2所示。

2.3.1? 實踐教學(xué)內(nèi)容更新

數(shù)據(jù)庫課程的實踐內(nèi)容必須根據(jù)數(shù)據(jù)庫的發(fā)展趨勢不斷更新，將較為成熟的技術(shù)運用到實踐教學(xué)中，以保證數(shù)據(jù)庫課程實踐內(nèi)容的科學(xué)性、先進性和實用性。將NoSQL引入數(shù)據(jù)庫課程的理論中，因此也需要引入NoSQL數(shù)據(jù)庫到數(shù)據(jù)庫課程的實踐教學(xué)內(nèi)容中。

2.3.2? 實踐教學(xué)模式改革

在以往的實踐教學(xué)中，通常是一些基礎(chǔ)性實驗或驗證性實驗，如數(shù)據(jù)庫或表的創(chuàng)建、數(shù)據(jù)查詢操作等，這些實驗明顯缺乏當(dāng)前數(shù)據(jù)庫新技術(shù)實踐，同時也缺乏對學(xué)生數(shù)據(jù)庫開發(fā)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不足以滿足計算機專業(yè)學(xué)生的需求。因此，根據(jù)實踐教學(xué)類型，可將實踐教學(xué)模式分為基本實踐和綜合實踐。

2.3.2.1? 基本實踐

基本實踐要求學(xué)生掌握數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)定義、控制和操作，了解數(shù)據(jù)庫的模型結(jié)構(gòu)，在不同學(xué)期學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫課程時使用的軟件是SQL Server或Oracle平臺。由于數(shù)據(jù)庫平臺提供了企業(yè)管理器和查詢分析器組件，實驗操作以兩種不同的方式完成，以培養(yǎng)學(xué)生靈活的思維方式，以及多角度解決問題的能力。

2.3.2.2? 綜合實踐

綜合實踐要求學(xué)生設(shè)計并建立一個主題數(shù)據(jù)庫，學(xué)生獨立完成整個實驗設(shè)計。實驗題目優(yōu)先選擇學(xué)生熟悉的商業(yè)模式，要求學(xué)生通過實驗鞏固數(shù)據(jù)庫的基本原理、關(guān)系數(shù)據(jù)庫的設(shè)計理論以及其他主要相關(guān)知識。圖3是引導(dǎo)學(xué)生建立的一個NoSQL數(shù)據(jù)庫。

在綜合實踐選題的深度和廣度符合教學(xué)要求的前提下，選題可以從學(xué)生熟悉的現(xiàn)實生活、學(xué)習(xí)和社會工作中選擇，既可以由學(xué)生自己選擇，也可以由教師確定范圍主題。同時，難度要適中，以學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)通過自身努力完成為宜。教師不再對實驗進行詳細(xì)的指導(dǎo)，而是根據(jù)學(xué)生的設(shè)計思想和實驗結(jié)果進行必要的指導(dǎo)和引導(dǎo)，以充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，增強學(xué)生的創(chuàng)新和應(yīng)用能力，同時引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)變教育觀念，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，由被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。

綜合實踐以課程設(shè)計的方式實現(xiàn)，通常設(shè)置2周（即32學(xué)時），可以使用SQL Server或Oracle創(chuàng)建一個中小型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，也可以通過MapReduce計算模型或HBase非關(guān)系數(shù)據(jù)庫平臺來完成一個大型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

2.3.2.3? 實踐教學(xué)平臺改革

傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)庫課程的實踐平臺不足以處理NoSQL數(shù)據(jù)，需要將NoSQL數(shù)據(jù)庫引入到數(shù)據(jù)庫課程中。因此，在實踐平臺的選擇上除了采用經(jīng)典的關(guān)系型DBMS之外，還應(yīng)該增加開源系統(tǒng)和相應(yīng)的開發(fā)平臺，以實現(xiàn)對非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的信息管理。課題組在Hadoop平臺中配置HBase數(shù)據(jù)庫，平臺如圖4所示。

在期末考核中，除了傳統(tǒng)的平時成績（出勤、回答問題、課后作業(yè)、期末考試）以外，還有上機實踐報告和綜合課程設(shè)計等多種考核方式。與以往的教學(xué)效果相比，學(xué)生的自主創(chuàng)新思想和實踐能力有了很大提高，更好地掌握了數(shù)據(jù)庫技術(shù)。

總之，通過數(shù)據(jù)庫課程改革，課題組設(shè)計的實踐平臺更加符合計算機科學(xué)與技術(shù)，及相關(guān)專業(yè)本科生的培養(yǎng)目標(biāo)以及社會對人才的需求。

3? 結(jié)? 論

大數(shù)據(jù)作為一種熱門技術(shù)，其影響正在滲透到社會的各個方面，包括高校的課程教學(xué)。本文針對大數(shù)據(jù)時代計算機專業(yè)數(shù)據(jù)庫課程面臨的問題，采用Hadoop系統(tǒng)的HBase技術(shù)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)實踐平臺等方面探討了計算機專業(yè)數(shù)據(jù)庫課程的理論與實踐教學(xué)改革，實際教學(xué)效果良好。本課題著眼于教與學(xué)兩個環(huán)節(jié)，未來從多維度進一步分析教學(xué)模式，探索數(shù)據(jù)庫立體化教學(xué)模式。

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作者簡介：劉予飛（1983—），男，漢族，河南洛陽人，博士，講師，研究方向：社會計算與數(shù)據(jù)挖掘。