基于頂峰課程理念的“數(shù)據(jù)庫(kù)原理”課程綜合改革

于明遠(yuǎn),范 菁,陸億紅,李甜甜

（浙江工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院&軟件學(xué)院,浙江 杭州310023）

0 引言

歷次工業(yè)革命都推動(dòng)了技術(shù)的革新及工業(yè)的繁榮發(fā)展。隨著新工業(yè)革命的深入,技術(shù)的提升與工業(yè)發(fā)展之大變局撲面而來(lái),國(guó)際經(jīng)濟(jì)、科技和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整及科技的高標(biāo)準(zhǔn)需求變得更加緊迫。而掌握相應(yīng)技能與知識(shí)的高端人才起著關(guān)鍵的基礎(chǔ)作用,尤其是具有社會(huì)責(zé)任感、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的創(chuàng)新人才[1]。這給我國(guó)肩負(fù)著重要的歷史使命的高等教育提供了歷史性機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

我國(guó)高等教育體系和課程體系,都是在發(fā)展過程中不斷汲取他國(guó)的成功經(jīng)驗(yàn)并參照他國(guó)模式以及專業(yè)設(shè)置,并結(jié)合我國(guó)的實(shí)際構(gòu)建起來(lái)的。但隨著經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈,特別是我國(guó)的高等教育在較短時(shí)間內(nèi)從精英教育跨入大眾化教育后,高等教育質(zhì)量與社會(huì)的實(shí)際需求日趨不適應(yīng)。2016年,我國(guó)正式加入倡導(dǎo)以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)三大教育理念的《華盛頓協(xié)議》,在國(guó)際工程認(rèn)證教育中取得了具有里程碑意義的突破。2018年我國(guó)首次召開的全國(guó)本科教育工作會(huì)議,明確指出一定要把本科教育放在人才培養(yǎng)體系的核心地位、教育教學(xué)的基礎(chǔ)地位和新時(shí)代教育發(fā)展的前沿地位。2018年,教育部印發(fā)了《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育 全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》的“新時(shí)代高教40條”?！蛾P(guān)于高等學(xué)校加快“雙一流”建設(shè)的指導(dǎo)意見》[2]的出臺(tái),更是為提升我國(guó)教育發(fā)展水平、增強(qiáng)國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力提供了有力的保障。

美國(guó)學(xué)習(xí)并借鑒德國(guó)大學(xué)模式,創(chuàng)立了霍普金斯大學(xué)。哈佛、耶魯和普林斯頓等高校以霍普金斯大學(xué)的教育理念與模式為基礎(chǔ)進(jìn)一步深入改革,克拉克大學(xué)和芝加哥大學(xué)等新型現(xiàn)代大學(xué)的建立,都促進(jìn)了美國(guó)高?？蒲兴胶陀速|(zhì)量的顯著提升,培養(yǎng)了大批高新技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新型領(lǐng)軍人才,使美國(guó)高校大踏步進(jìn)入了研究型大學(xué)時(shí)代。雖然美國(guó)高等教育取得了令人稱頌的成果,但隨著國(guó)際經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈,美國(guó)高等教育質(zhì)量也飽受社會(huì)各界的猛烈抨擊與質(zhì)疑。美國(guó)博耶研究型大學(xué)本科生教育委員會(huì)在1998年針對(duì)本科教育中存在的問題,發(fā)表了《重建本科生教育:美國(guó)研究型大學(xué)發(fā)展藍(lán)圖》的研究報(bào)告,明確提出“探索、調(diào)查、發(fā)現(xiàn)是大學(xué)的核心”,其中第七項(xiàng)是設(shè)置頂峰體驗(yàn)課程,意在提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力[4]。

1 本科教育與頂峰課程理念

教育質(zhì)量的提高是高等教育不斷追求的永恒“不動(dòng)點(diǎn)”。對(duì)于后起之秀的我國(guó)而言,目前正處于以規(guī)模擴(kuò)張為主的外延式發(fā)展模式向以質(zhì)量提高為主的內(nèi)涵式發(fā)展模式轉(zhuǎn)型過程中,這個(gè)“不動(dòng)點(diǎn)”的地位更加突出[5]。我國(guó)的高等教育從粗放型到內(nèi)涵式發(fā)展與改革過程中,傳統(tǒng)課堂教學(xué)存在的各種弊病,制約了教育質(zhì)量的提升,如教學(xué)內(nèi)容更新緩慢、理論教學(xué)未能深度融入實(shí)踐中、創(chuàng)新動(dòng)力不足、學(xué)生參與度不夠等。

工程教育認(rèn)證強(qiáng)調(diào)要培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力,強(qiáng)化內(nèi)涵發(fā)展,提高質(zhì)量,促進(jìn)教育觀念的更新、標(biāo)準(zhǔn)意識(shí)的建立和質(zhì)量意識(shí)的強(qiáng)化。目前我國(guó)推進(jìn)的新工科建設(shè),旨在提高高等工程教育質(zhì)量主動(dòng)適應(yīng)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新經(jīng)濟(jì)發(fā)展和建成工程教育強(qiáng)國(guó)的需要。新工科建設(shè)正在改變高校教與學(xué)的行為、高校人才培養(yǎng)方案以及學(xué)校的評(píng)價(jià)體系與資源配置方式,也正在改變產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)格局。

基于頂峰課程理念,本科教育應(yīng)把相對(duì)零碎的知識(shí)整合起來(lái),通過研究性學(xué)習(xí),深入到一個(gè)與專業(yè)相關(guān)且具有一定難度和深度的項(xiàng)目中,從而實(shí)現(xiàn)學(xué)生解決實(shí)際問題能力的提高[6]。工科本科教育的基本定位是解決“復(fù)雜工程問題”,既不是“廣義工程問題”,也不是“狹義工程問題”,而是“復(fù)雜工程問題”[7]?！度A盛頓協(xié)議》中通過7個(gè)特征來(lái)刻畫復(fù)雜工程問題,其中第一個(gè)特征是復(fù)雜工程問題的本質(zhì):需深入運(yùn)用工程原理經(jīng)過分析才解決的。這與頂峰課程理念中要求的項(xiàng)目難度與深度相一致。通過頂峰課程的回顧和綜合學(xué)習(xí)內(nèi)容,幫助學(xué)生拓展和應(yīng)用所學(xué)內(nèi)容,為研究作鋪墊,把本科工程教育的本質(zhì)即解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)統(tǒng)一起來(lái),進(jìn)一步強(qiáng)化了高等教育追求的永恒“不動(dòng)點(diǎn)”。

本文提出把頂峰課程的基本理念引入課堂,通過把具有一定復(fù)雜度的項(xiàng)目分解到“數(shù)據(jù)庫(kù)原理”課程的各個(gè)部分,最后完成整個(gè)項(xiàng)目,達(dá)到提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力的目的,從而提升課堂教學(xué)和課程建設(shè)的內(nèi)涵。下面以軟件工程專業(yè)的“數(shù)據(jù)庫(kù)原理”課程為例,對(duì)課程目標(biāo)、課程理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、教學(xué)方法和教學(xué)評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行具體的實(shí)施,以適應(yīng)新時(shí)代變化的需要。

2 頂峰課程理念在“數(shù)據(jù)庫(kù)原理”課程中的實(shí)施

把頂峰課程的理念融入“數(shù)據(jù)庫(kù)原理”課程課堂,貫穿于整個(gè)教學(xué)實(shí)踐中,以產(chǎn)出為導(dǎo)向,以任務(wù)驅(qū)動(dòng)方式,把復(fù)雜的教學(xué)教務(wù)系統(tǒng)作為實(shí)踐項(xiàng)目,將其重要功能分解到按理論教學(xué)的知識(shí)與技能組織模塊中,理解具體理論的應(yīng)用,圍繞教學(xué)教務(wù)系統(tǒng)展開探究性學(xué)習(xí)與討論。每一部分的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都是教學(xué)教務(wù)系統(tǒng)的組成部分,以小組為基礎(chǔ),分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,提出實(shí)驗(yàn)方案,以個(gè)性化方式實(shí)現(xiàn)。最后,在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)中進(jìn)一步以小組討論分析為基礎(chǔ),把數(shù)據(jù)庫(kù)原理中相對(duì)零碎的知識(shí)整合起來(lái),通過探究性、合作性和針對(duì)性的學(xué)習(xí),完成個(gè)性化教學(xué)教務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)。本文通過課程的目標(biāo)設(shè)置、內(nèi)容編排、組織過程、評(píng)價(jià)反饋等環(huán)節(jié)的安排,實(shí)現(xiàn)學(xué)生理論與實(shí)踐的高度融合,獲得頂峰課程的體驗(yàn),實(shí)現(xiàn)綜合素質(zhì)的提升。

2.1 課程目標(biāo)

通過復(fù)雜的教學(xué)教務(wù)系統(tǒng)的分解與整合的具體實(shí)踐與探究性學(xué)習(xí),使學(xué)生系統(tǒng)地掌握數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的基本原理和基本技術(shù)。要求在掌握數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)基本概念的基礎(chǔ)上,能熟練使用SQL語(yǔ)言在某一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)上進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)操作；掌握數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方法和步驟,具有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)模式以及開發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)的基本能力。該課程對(duì)應(yīng)專業(yè)的要求有四個(gè)主要目標(biāo)[8]:

【目標(biāo)1】掌握和理解SQL語(yǔ)言的應(yīng)用、數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)知識(shí)和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與實(shí)施技術(shù),從而讓學(xué)生能夠按照工程化要求對(duì)軟件系統(tǒng)的子模塊、子單元或部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

【目標(biāo)2】以實(shí)際工程應(yīng)用需求為導(dǎo)向,學(xué)生根據(jù)特定需求對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì),把數(shù)據(jù)模型、關(guān)系代數(shù)和模式規(guī)范化等理論深入應(yīng)用到工程項(xiàng)目中,從而理解軟件領(lǐng)域復(fù)雜工程實(shí)踐對(duì)外部環(huán)境以及社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的影響,并具有基于科學(xué)原理和科學(xué)方法設(shè)計(jì)軟件實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的能力。

【目標(biāo)3】理解范式和模式分解特性以及并發(fā)控制理論,促進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的商品化,培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新意識(shí),鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行探索。

【目標(biāo)4】掌握數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方法,能夠?qū)栴}的各種解決途徑的可行性和有效性進(jìn)行對(duì)比,以得出有效結(jié)論。

該課程支撐以下畢業(yè)要求和具體細(xì)分指標(biāo)點(diǎn):

【畢業(yè)要求2】問題分析:能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理,識(shí)別、表達(dá)并通過文獻(xiàn)研究分析復(fù)雜軟件工程問題,以獲得有效結(jié)論。

支撐指標(biāo)點(diǎn)2-4:能夠?qū)栴}的各種解決途徑的可行性和有效性進(jìn)行對(duì)比,以得出有效結(jié)論。

【畢業(yè)要求3】設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案:能夠設(shè)計(jì)針對(duì)復(fù)雜軟件工程問題的解決方案,設(shè)計(jì)滿足特定需求的系統(tǒng)、單元（部件）或工藝流程,并能夠在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí),考慮社會(huì)、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素。

支撐指標(biāo)點(diǎn)3-3:按照工程化要求對(duì)軟件系統(tǒng)的子模塊、子單元或部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

【畢業(yè)要求4】能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對(duì)復(fù)雜軟件工程問題進(jìn)行研究,包括設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析與解釋數(shù)據(jù),并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。

支撐指標(biāo)點(diǎn)4-1:具有基于科學(xué)原理和科學(xué)方法設(shè)計(jì)復(fù)雜軟件實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的能力。

【畢業(yè)要求7】環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展:能夠理解和評(píng)價(jià)針對(duì)復(fù)雜軟件工程問題的專業(yè)工程實(shí)踐對(duì)環(huán)境、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的影響。

支撐指標(biāo)點(diǎn)7-1:理解軟件領(lǐng)域復(fù)雜工程實(shí)踐對(duì)外部環(huán)境以及社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的影響。

2.2 課程內(nèi)容編排

本課程主要講述數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論、基本技術(shù)和基本方法。第一,基于頂峰課程理念,把復(fù)雜的教學(xué)教務(wù)系統(tǒng)融入如下的數(shù)據(jù)庫(kù)原理知識(shí)點(diǎn)中,如關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言—SQL,數(shù)據(jù)模型,數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的模式結(jié)構(gòu),關(guān)系模型與關(guān)系代數(shù)運(yùn)算,關(guān)系模式的規(guī)范化設(shè)計(jì)理論,數(shù)據(jù)庫(kù)的安全管理、完整性策略、恢復(fù)技術(shù)、并發(fā)控制方法、觸發(fā)器和存儲(chǔ)過程,數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的步驟和數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)施,數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的新發(fā)展。如表1所示是理論教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配。第二,在學(xué)習(xí)中圍繞工程實(shí)踐進(jìn)行討論分析,深入理解原理。第三,在實(shí)踐中把零碎的原理知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用其中。最后,完成該系統(tǒng)的開發(fā),從而提高學(xué)生解決實(shí)際復(fù)雜問題的能力。

表1 理論教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配Table 1 Theoretical teaching content and class hours distribution

在整個(gè)課程改革中,壓縮理論教學(xué)學(xué)時(shí),增加學(xué)生的實(shí)踐。課內(nèi)外教學(xué)根據(jù)理論教學(xué)的每個(gè)知識(shí)模塊明確教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)和教學(xué)方法,給出學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù),如作業(yè)要求以及自學(xué)與討論的內(nèi)容。

把相對(duì)復(fù)雜的教學(xué)教務(wù)管理系統(tǒng)作為實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目,分割為不同的實(shí)踐單元,在小組基礎(chǔ)上進(jìn)行需求分析、設(shè)計(jì)和個(gè)性化實(shí)施。實(shí)驗(yàn)?zāi)K總共15個(gè),按照實(shí)驗(yàn)的性質(zhì)分為引導(dǎo)性、基礎(chǔ)性、過渡性和創(chuàng)新性。必修課內(nèi)實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí),完成4個(gè)實(shí)驗(yàn),其余的10個(gè)實(shí)驗(yàn)以及教材中所給例題全部需要課外實(shí)驗(yàn)作為補(bǔ)充,其中必須完成4個(gè)課外實(shí)驗(yàn)。最后一個(gè)創(chuàng)新性的綜合項(xiàng)目是以小組合作模式完成的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊Table 2 Experimental teaching modules

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)采用教師在實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)與學(xué)生課外自主實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式,以2～4人組成小組,要求學(xué)生以SQL SERVER等數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)為平臺(tái),通過重新梳理理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的教學(xué)教務(wù)管理系統(tǒng),結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng),進(jìn)一步討論和探究需求分析內(nèi)容,設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的概念模型、邏輯模型、物理模型,選擇一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如VC++,C#.NET,VB,Java/JSP等）,開發(fā)并完成一個(gè)相對(duì)完整的教學(xué)教務(wù)管理系統(tǒng),并撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。

學(xué)生在小組合作交流過程中,通過互助與協(xié)作學(xué)習(xí)不僅可以針對(duì)已有問題尋找解決方案,還可以生成一些新的問題和應(yīng)對(duì)措施,通過問題的解決,提升學(xué)生的自我效能感,并最終獲得頂峰體驗(yàn)。

2.3 課程評(píng)價(jià)與考核

“數(shù)據(jù)庫(kù)原理”課程的考核強(qiáng)調(diào)過程化考核。其總成績(jī)分為進(jìn)程性成績(jī)和期末考試成績(jī)兩大部分。進(jìn)程性成績(jī)主要考核學(xué)生的作業(yè)、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰驼n堂討論表現(xiàn)幾個(gè)方面。各個(gè)環(huán)節(jié)所占比例及基本要求如下:

期末考試占總成績(jī)的50%,原則上要求填空、選擇、判斷、名詞解釋、簡(jiǎn)答等基礎(chǔ)性和記憶性題目,分值不超過總試卷分值的30%；加大綜合性題目的比例,重在考查學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決復(fù)雜軟件工程問題的能力。

課內(nèi)外實(shí)驗(yàn)占總成績(jī)的24%,考查學(xué)生軟件領(lǐng)域復(fù)雜工程實(shí)踐的分析能力、資料搜索能力、綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程技術(shù)完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析的能力。

作業(yè)占總成績(jī)的15%,考查學(xué)生運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)知識(shí)和本專業(yè)基本理論解決實(shí)際工程問題的能力。

課堂表現(xiàn)占總成績(jī)的11%,從學(xué)生上課是否專心聽講,回答教師提問是否正確,課堂小測(cè)驗(yàn)和分組討論是否積極、正確、有獨(dú)特見解等幾方面進(jìn)行考核,以活躍課堂氣氛,提高課堂教學(xué)效果。

3 總結(jié)與展望

為了便于評(píng)價(jià)頂峰課程理念在“數(shù)據(jù)庫(kù)原理”課程中的效果,針對(duì)教學(xué)環(huán)節(jié),給出了課程目標(biāo)與畢業(yè)要求（指標(biāo)點(diǎn)）對(duì)應(yīng)關(guān)系,見表3。

表3 教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)畢業(yè)要求的支撐Table 3 Support of teaching links to graduation requirements

針對(duì)考試試卷,給出了試卷內(nèi)容及其對(duì)畢業(yè)要求的支撐關(guān)系,見表4。

表4 試卷內(nèi)容及其對(duì)畢業(yè)要求的支撐關(guān)系Table 4 Test paper content and its supporting relationship to graduation requirements

從近3年來(lái)的教學(xué)班級(jí)的成績(jī)來(lái)看,第三、四大題的得分率較高,表明學(xué)生能夠掌握常用數(shù)據(jù)庫(kù)的基本知識(shí)、工作原理和使用方法,能夠從數(shù)據(jù)庫(kù)原理及應(yīng)用角度厘清復(fù)雜數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的子系統(tǒng)之間的分工和邏輯,具有一定的使用、選擇和開發(fā)現(xiàn)代工具和資源的能力,以及系統(tǒng)總體解決方案的構(gòu)建能力和軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)能力。但第一、二大題得分率相對(duì)較低,說明學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)原理及應(yīng)用的難點(diǎn)與重點(diǎn)知識(shí)的理解掌握還有所欠缺,表明學(xué)生在應(yīng)對(duì)計(jì)算機(jī)和軟件工程復(fù)雜問題時(shí)精準(zhǔn)解決問題的能力還有待進(jìn)一步提高。

把頂峰課程理念融入“數(shù)據(jù)庫(kù)原理”課程教學(xué)綜合改革中,注重激發(fā)學(xué)生的自主意識(shí),從而提升了學(xué)生參與實(shí)踐教育的主體能動(dòng)性,維持了學(xué)生獨(dú)立精神與合作精神之間的平衡[9],培養(yǎng)了學(xué)生持續(xù)終身學(xué)習(xí)和解決復(fù)雜工程應(yīng)用的能力,給學(xué)生提供了一個(gè)展現(xiàn)自身教育、智慧和才能的平臺(tái),獲得頂峰體驗(yàn)的同時(shí),也為未來(lái)走向更加廣闊的平臺(tái)做好準(zhǔn)備。