1、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實驗教學設(shè)計的指導思想研究     摘要：本文分析并總結(jié)了我們在進行綜合型和設(shè)計型實驗的實驗設(shè)計和教學中具有指導意義的教學思想。這些思想已經(jīng)成功貫徹于數(shù)據(jù)庫實驗教材的編寫和教育部-微軟精品課程的實施中，并對其他從事數(shù)據(jù)庫教學的老師具有借鑒意義。 關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)庫；實驗教學；教學指導思想 中圖分類號：G642 文獻標識碼：B 文章編號：1672-5913 (2007) 24-0032-02 “數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論”是計算機專業(yè)學生在本科階段的一門必修課,也是學生在今后的理論研究與工作實踐中一項重要的基本功。實驗內(nèi)容按其實踐目的分為：操作性、驗證性、設(shè)計性

2、、綜合性四類實驗。不同類型的實驗有不同的實踐目標，采用不同的方式來指導學生。通過實驗和相關(guān)的課程的理論知識有機整合，相輔相成。使學生可以一步步構(gòu)建起自己的知識和能力體系，充分領(lǐng)會課程的精髓，并鍛煉分析問題和解決問題的能力。但一直以來在數(shù)據(jù)庫實驗設(shè)計案例中，將案例設(shè)計從操作型、驗證型向設(shè)計型、綜合型轉(zhuǎn)化一直是數(shù)據(jù)庫實踐教學的難點。 以往實驗設(shè)計角度重操作和開發(fā)，本著“我說你跟著做”的實驗設(shè)計角度，而我們的實驗案例設(shè)計的是：在完成“任務(wù)”的過程中引導和培養(yǎng)分析問題、解決問題以及用數(shù)據(jù)庫技術(shù)處理信息的能力和思維模式。我們實驗設(shè)計的角度以及運用到的思維原則包括： (1) 通過DBMS系統(tǒng)邊界探索確定邊

3、界處理邊界遺留問題，深刻掌握理論在實際產(chǎn)品中的得到的應(yīng)用和支持，對于產(chǎn)品不支持的部分，我們?nèi)绾卫盟鶎W理論進行解決。 目前的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品體系龐大，功能繁多，想涉及如此龐大的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品體系是一件難以想象的事,如果學生所做的實驗只停留在操作和開發(fā)的試驗層次，會使其淹沒在大量的工具和功能中，解決實際問題時容易缺乏方向感。數(shù)據(jù)庫理論是解決問題最好的指南針，而本科理論教學闡述的原理在實際商業(yè)產(chǎn)品中的實現(xiàn)是存在大量的差異的，如何用理論去理解實際的產(chǎn)品實現(xiàn)的異同？首先通過驗證實驗去探索完備的理論在實際產(chǎn)品中哪些得到了實現(xiàn)，哪些沒有實現(xiàn)？測試了DBMS產(chǎn)品的邊界后引導學生主動思考現(xiàn)象的成因。而沒有在實際產(chǎn)品中實

4、現(xiàn)的理論部分是否會影響問題解決的完備性，再通過設(shè)計性實驗來解決這些問題，再通過驗證實驗來檢驗問題是否能得到解決。實驗設(shè)計的思路為驗證-設(shè)計-驗證，使學生從現(xiàn)象出發(fā)-用數(shù)據(jù)庫分析問題成因并解決問題-最后再從現(xiàn)象的角度進行驗證。通過這種方式幫助學生深入了解DBMS與用戶的邊界，理論和實際的邊界，而非停留在僅會使用和操作的層次，同時思維能力也得到一個鍛煉和提升。 例如并發(fā)控制的綜合型設(shè)計實驗是這樣設(shè)計的：一個并發(fā)控制是否正確是由是否能達到可串行性和可恢復性所決定的，在隔離級別的實驗中，我們首先通過設(shè)置不同隔離級別，來驗證不同隔離級別下會產(chǎn)生的問題，引導學生觀察在指定的隔離級別下可能產(chǎn)生的不一致現(xiàn)象。

5、并通過觀察鎖的類型、上鎖和釋放鎖的時間，上鎖的粒度和對象引導學生觀察并分析形成問題的成因。最后通過學生完成大實驗設(shè)計的形式請學生用多種方法解決各種隔離級別的不一致現(xiàn)象。要求對比各種方法的復雜度、并發(fā)度、一致性等指標來分析各種解決方案適宜的數(shù)據(jù)環(huán)境。 (2) 正反案例對比設(shè)計(索引設(shè)計/范式設(shè)計/系統(tǒng)調(diào)優(yōu))引導“折衷”思維 在ACM和IEEE發(fā)布的計算機學科教育的報告以及我國教學指導部門提出的“計算機學科專業(yè)教學計劃”中，均強調(diào)教師在教學中應(yīng)該揭示并引導學生注意計算機學科內(nèi)在聯(lián)系的12 個重復出現(xiàn)的基本準則(如大問題的復雜性、一致性和完備性、概念和形式模型、時間與空間性能分析、折衷和結(jié)論等，是否

6、能對這些準則的深入理解和應(yīng)用的能力是衡量學生成為計算機科學家和工程師的重要標志之一。 數(shù)據(jù)庫課程中存在著大量的實踐教學案例是需要“折衷和結(jié)論”這一思維模式的指導的。例如模式設(shè)計中所達到的范式級別是數(shù)據(jù)一致性維護、空間代價和多表查詢速度之間的折衷，數(shù)據(jù)適度的冗余也是數(shù)據(jù)一致性維護、空間代價和查詢速度之間的折衷，系統(tǒng)性能調(diào)優(yōu)是各系統(tǒng)性能指標間的折衷，索引設(shè)計是讀操作速度和寫操作速度之間的折衷，隔離級別的選擇是并發(fā)性和一致性的折衷，鎖粒度的設(shè)計是并發(fā)度和開銷的折衷。 設(shè)計實驗案例時首先充分地通過正反例對比設(shè)計的方法來引導學生理解“折衷和結(jié)論”準則的必要性：通過觀察正例和反例來理解事物的兩面性，以及每

7、一方面所造成的影響，并且引導學生理解：事物的兩面所造成影響之間的矛盾性和不可同時，因此兩者之間往往在一定制約條件下必須“折衷”。學生明白了用折衷的原則思維的必要性后，進而引導學生如何用這一準則來進行思維。 例如某個表中有龐大的數(shù)據(jù)量，起初沒有建立索引，請學生感知查找速度和更新速度，并得到查找速度和更新速度的具體時間值；然后建立索引，再請學生執(zhí)行同樣的查詢和更新，請學生感知查找和更新速度，并得到具體的時間值。對比索引建立前后的速度差異。學生體會到建立索引這種設(shè)計給讀、寫操作帶來了完全不同的影響，理解到建立索引這個機制的兩面性，因而明白了需要折衷的原由。然后再通過一些案例請學生分析什么情況下需要建

8、立索引，引導學生用折衷的原則進行思維。由于在實驗教學中學生采用折衷思維得到的大部分結(jié)果指標(如執(zhí)行時間、存儲空間等)是可量化的，所以通過觀察這些量化的指標可以非常有效地幫助學生理解數(shù)據(jù)庫理論課中所倡導的基本思想。 (3) 項目案例教學，引導系統(tǒng)化思維 在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計以及系統(tǒng)性能優(yōu)化過程中，各種影響因素間相互作用，如何引導學生從全局和系統(tǒng)的角度去進行設(shè)計和優(yōu)化呢？例如一個系統(tǒng)存在性能問題，可以引導學生從硬件環(huán)境的角度，代碼的角度，數(shù)據(jù)模式的角度，物理設(shè)計的角度，并發(fā)控制的角度去逐步試探，逐一排除。系統(tǒng)是立體的，非平面的，根據(jù)木桶定理性能由最低的那塊木板決定，而排除了最低的那塊木板后又會引出新的最低的木板。思考一個系統(tǒng)問題時需要根據(jù)不同的應(yīng)用需求、軟件和硬件環(huán)境，采用系統(tǒng)論的方法找到系統(tǒng)最優(yōu)的解。 目前這些思想已經(jīng)成功貫徹于數(shù)據(jù)庫實驗教材的編寫和教育部微軟精品課程的實施中。 參考文獻 1 計算機科學與技術(shù)(計算機科學方向)專業(yè)規(guī)范. 3 湯娜等編著. 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實驗指導教程M. 北京：清華大學出版社,2006. 4 荊立夏. 數(shù)據(jù)庫原理課程實踐教學研究M. 光盤技術(shù),2006,(2):18-19. 5 黃鳴奮. 數(shù)據(jù)庫藝術(shù):信息科技與敘事實驗J. 三明學院學報,2005,3,22(1):9-13. 6 徐家良,楊琳蘋,應(yīng)宏. 數(shù)據(jù)庫原理