基于计算思维能力培养的数据库课程实验教学改革研究

李志辉，崔洪芳，宋莺（湖北经济学院信息工程学院，武汉　430205）

基于计算思维能力培养的数据库课程实验教学改革研究

李志辉，崔洪芳，宋莺
（湖北经济学院信息工程学院，武汉430205）

0　引言

当今社会已进入了信息化时代，善于运用计算机技术和手段进行学习、工作、解决专业问题已经是高级人才必备的素质［1］。作为大学通识教育的计算机基础教育，承担着培养学生利用计算机解决问题能力的重任。在互联网普及、计算机走进千家万户、计算机技术发展日新月异的今天，如果大学计算机基础教育仍然沿袭将计算机仅仅视为工具，对学生仅仅进行计算机技能性知识传授的传统教学模式，必定赶不上计算机知识更新的速度，跟不上计算机技术发展的步伐，培养学生的计算机应用能力也必将是空谈。大学计算机基础教育，只有向学生传授高于知识和技能的具有相对稳定性的计算机学科独特的处理问题的思维方式——计算思维，才是目前形势的正确应对之策。

计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为，它包括了涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动［2］。计算思维表现出了强大的创新能力，现在几乎所有领域的重大成就无不与之密切相关。培养学生的计算思维能力，使其掌握在计算环境下的问题求解方法，这正是今后学生应用计算机技术创造性解决专业问题的重要基础。有鉴于此，2013年5月，教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会发表了旨在大力推进以计算思维为切入点的计算机教学改革宣言，计算机基础教育应着力于计算思维能力的培养已成为广大计算机教育专家的共识。

数据库及其应用课程是计算机基础教学 “数据管理与信息处理”知识领域的核心课程之一，是面向文科专业学生开设的计算机通识必修课。同其他计算机基础课程教学一样，数据库及其应用课程的核心任务也应是培养学生的计算思维能力。数据库及其应用课程要求学生掌握Access数据库的操作方法和应用系统开发的技术，是一门实践性很强的课程，实验教学在该门课程的教学中处于重中之重的位置。因此，本文主要从数据库及其应用课程实验教学方面来探讨如何进行基于计算思维能力培养的教学改革，包括实验教学内容、教学模式和考核方式三个方面。

1　实验教学内容

数据库及其应用课程传统的实验内容主要基于让学生验证数据库理论知识和掌握Access数据库管理软件操作技能之目的而设计，其形式多是演示性和验证性的，其中的实验项目多配有较为详细的操作步骤，使得学生缺乏足够的思维空间，因此此种实验内容难以从思维层面提升学生发现问题和解决问题的能力，不能有效促进学生学科知识和思维能力的共同提高。

2006年3月，美国卡内基·梅隆大学的周以真教授提出了计算思维，并对其进行了清晰而系统地阐述。根据周教授的观点，计算思维包含了一系列的方法：①通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题阐释成一个人们知道怎么解决的问题；②计算思维是一种递归思维，是可以用有限的步骤描述实现近于无限功能的方法；③计算思维采用并行处理（把一个复杂的大而难的问题分成很多部分同时去处理），是节省大型和复杂问题解决时间的一种方法；④计算思维是一种采用抽象和分解来解决庞杂任务或者设计巨大复杂系统的方法，是一种基于关注点分离的方法；⑤计算思维是一种按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式从最坏情形恢复来保证系统安全的思维；⑥计算思维是一种利用启发式推理来求解的方法；⑦计算思维是一种在时间和空间之间、处理能力和存储容量之间进行权衡、折中处理的思维［2］。简言之，计算思维是一种问题求解的思维，其本质是抽象与自动化，计算思维在不同层面进行抽象，以及将这些抽象机器化。

不难看出，数据库及其应用课程的很多教学内容都为计算思维提供了生动的诠释，因此在该课程的实验教学中，只要对传统的实验内容进行改进或重新设计，加上运用恰当的教学方法，不但可以让学生更好地掌握数据库理论知识和操作技能，而且可以培养学生的计算思维能力，实现学科知识和思维能力的互相促进和共同提高。为此，在设计实验内容时应注意以下问题：

（1）每个实验项目要有明晰的计算思维训练点，并为学生预留足够的思维空间。传统的没有预留思维空间的实验内容难以让学生对数据库理论知识融会贯通，充其量只是让学生掌握了一种数据库管理软件的使用方法，难以培养学生的计算思维能力和运用数据库技术解决实际问题的能力。因此在重新设计实验内容时，首先要在实验目的上明确每个实验项目的计算思维训练点，即这个实验项目是要学生体会、理解或者掌握哪种计算思维方法；其次在实验内容中通过设置学习障碍、配备思考题等方式，为学生留出思维的空间，让学生实验过程中边操作边思考，主动探究隐含在数据库操作中的理论知识和切身体验计算机求解问题的方式方法。

（2）实验内容的设计要重点强调问题抽象、求解思路和形式化描述。计算思维的本质是抽象与自动化，计算思维的抽象体现在对研究对象的形式化表示，自动化体现在算法实现最终是机械地按步骤自动执行。在数据库实验教学中培养学生的计算思维能力，要抓住计算思维的本质，选用能更好诠释计算思维本质的实验内容。基于此，数据库实验内容的重点应放在数据库设计和VBA程序设计两部分内容。①数据库设计实现了将现实世界的客观事物及其联系转换为计算机能够处理的数据的目标，它不仅是学生能否应用数据库技术解决实际问题的关键知识点，而且在整个设计过程中还多次用到计算思维的抽象思维方法，第一级抽象是将现实世界的客观事物及其联系抽象成信息世界的概念模型，第二级抽象是将信息世界的概念模型抽象成计算机世界的数据模型。②计算思维的自动化最终要通过程序的执行来实现，因此学习程序设计方法是让学生确实感受和领悟计算机问题求解的基本方法和思维模式的最好途径，是计算思维能力培养的重要内容。当然，对大多数文科专业的学生而言，学习程序设计的目标不是成为程序员，而是学习计算机分析和解决问题的基本过程和思路［1］，因此VBA程序设计实验内容的设计应该突出体现使用编程解决特定问题的方式，而不是语言本身。

（3）实验内容要具有综合性和情景性。实验项目的设计上，除了要求学生完成基本的验证性和设计性实验外，还应增设综合性实验，要求学生可独立或分组共同协作完成一个小规模的数据库应用系统的设计与实现，使学生领悟应用系统级的问题求解方式，学会综合运用计算思维方法来解决实际问题。综合性实验项目的创设要联系学生的生活实际，让学生在自己的实际生活环境中去调研，去发现日常事务处理中存在的问题，寻求用数据库技术解决的途径，自拟题目，完成整个数据库系统的需求分析、数据库设计和功能设计以及具体实现工作。一方面由于综合性实验选题为学生自拟，用于解决生活中的实际问题，具有一定的实用价值，更能激起学生学习的兴趣和主动探究的愿望；另一方面学生的选题是针对经过实际调研所发现的真实世界中存在的问题而拟定的，不是针对教师预定的、虚拟的问题（这类问题已有清晰的表达），更能培养学生发现问题和确定问题的能力，符合“教师不仅要教会学生如何解决问题，也要教会他们发现值得解决的问题”这一思维教学的基本原则，毕竟找出问题并确定问题是解决问题的第一步，而且找出问题是什么比找出问题的解决办法更难。

2　实验教学模式

传统的数据库及其应用课程实验教学，采取的教学模式一般是“学生自主实验+教师随堂指导”，且所做的实验多是些演示性和验证性的。在这种教学模式下，整个教学活动围绕着解决Access数据库管理软件操作问题而展开，学生依据实验项目中给出的操作步骤按部就班地完成实验，这种单调枯燥且没有任何挑战性的实验项目激不起学生学习的兴趣和探究的欲望；实验中更是缺乏生生交流和师生互动，仅有的师生互动就是教师帮助学生解决在Access数据库管理软件上的操作问题，这种缺乏方法传授和思维训练的实验教学实难彰显教师的授课价值。因此改革传统的数据库实验教学模式，构建基于计算思维的任务驱动式实验教学模式，是解决传统实验教学模式弊端的不错选择。

在基于计算思维的任务驱动式实验教学模式中，将学生的学习活动与实验任务相结合，让学生带着真实的任务去学习，以探究问题来引导和维持学生的学习兴趣和学习动机［3］，学生拥有了学习上更多的主动权，其学习的主体地位更加突出；教师运用计算思维的一系列方法设计和呈现实验任务，学生在教师的引导下利用计算思维去弄清任务、明确目标以及完成任务。通过任务的驱动，将计算思维的训练渗透在整个实验教学过程中，使得学生的思维随着知识的贯通而形成，能力随着思维的理解而提高［4］。在该实验教学模式中，教师、学生、任务三大教学要素之间交流互动，构成一个有机的整体，教师的主要工作包括运用计算思维的一系列方法设计任务、呈现任务、辅助任务实施和总结评价，学生的主要工作包括明确任务、运用计算思维一系列方法完成任务、共享交流和反思内化等［5］。

（1）设计任务、呈现任务

根据前面关于实验内容（实验任务）的阐述，教师可以设计一个反映现实生活实际应用需求的数据库应用系统开发的总实验任务要求学生完成。教师运用计算思维的基于关注点分离的方法将数据库应用系统的设计分解为数据库设计和功能模块设计两个较大的子任务，并进一步将数据库设计子任务分解为数据需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计、物理结构设计等一系列更小的子任务，将功能模块设计子任务进一步细化分解到可以直接用单一用户界面实现的足够小的子任务。分解后的最终子任务已相对简单，可以与具体的某个数据库知识点相对应，学生通过努力可以自主完成，学生完成每个子任务后，就可以整合为一个最终的数据库应用系统。

教师在课前精心设计好实验任务后，为学生创设合理的学习情境，将任务呈现给学生。教师可先向学生展示完成数据库应用系统开发这一总任务后得到的软件演示效果 （演示的软件可以是往届学生既成作品），并向学生明示这一软件作品解决了现实生活中的哪些问题，如何提高了我们的工作效率，使学生感觉到自己要完成的任务是很有意义的，激发其学习的兴趣和内在的探究动机。完成总任务的效果展示后，教师再将分解后的最终子任务分层次、分阶段、分课时地下发给学生，学生循序渐进地、自底向上地完成这些子任务，从而最终实现一个较为完整的反映实际应用需求的数据库应用系统。

（2）明确任务、展开讨论

学生接受任务后，应在教师的实时指导下，将任务进一步明确化和具体化，探求运用计算思维方法完成实验任务的渠道，自主分析问题，深入探索问题的各个环节，通过网络、参考书、实地调研等各种途径进行自主探究，思考解决问题的途径［3］。

教师将任务呈现给学生后，可以根据任务的难易程度采用不同的指导方法。对比较简单的任务，教师不用讲解，直接让学生在规定的时间内独立完成；对有一定难度的任务，教师不要急于讲解如何完成，而应引导学生展开讨论，在相互讨论中共同寻求利用计算思维方法解决问题的途径，对讨论中学生提出的问题，教师可以提供解决问题的相关线索、相关资料和大体思路，以此帮助学生明确任务目标，理清完成任务的思路。

（3）完成任务、总结评价

学生明确任务目标后，就进入任务的实施阶段。在任务的实施阶段，教师一开始就应向学生强调从思想上认识到计算思维在实施任务过程中的重要性，要求学生在任务实施过程中应当运用计算思维的哪些相关概念和方法来解决问题［6］，例如完成数据的需求分析和概念结构设计子任务要采用计算思维的抽象方法，完成逻辑结构设计子任务要运用计算思维的折中方法，完成物理结构设计子任务要运用计算思维的保护、冗余、容错、纠错和恢复方法，完成VBA程序设计子任务要运用计算思维的自动化方法等。

在任务的实施阶段，无论学生通过自主探究还是合作学习来解决问题，教师作为一个帮助者和指导者，要与学生积极交流，特别要及时帮助学生解决在运用计算思维解决问题时所遇到的困惑。教师在任务实施的过程中不要对如何完成任务做过于详细的讲解，应当把精力放在帮助学生正确理解计算思维涉及的相关概念、方法以及对任务实施的监控等方面［6］。

学生完成实验任务后，应对其实验成果进行评价。评价可以综合采用学生自评、学生互评、教师点评等方式。学生在自评时，向全班同学展示实验成果，并交流计算思维的学习心得 （运用计算思维过程中遇到哪些问题，如何解决的），教师引导其他学生对自评学生的实验成果进行评价，提出问题和改进意见，最后是教师的总结点评，总结计算思维学习方法以帮助学生拓展迁移所学知识。

3　实验考核方式

传统的数据库及其应用课程实验考核，采用的是上机考试的方法，主要考查学生对Access数据库管理软件的操作技能。在该课程的上机考核中，学生针对的都是现成的表进行操作，而在解决实际问题时是没有现成的表可以使用的 （数据库表的设计是创建数据库应用系统的核心和基础，设计表时所运用的抽象方法是计算思维的本质之一）。对于VBA程序设计由于学时关系教师讲授得少且粗略，因而上机考核中也很少涉及（VBA程序设计是数据库应用系统功能的实现环节，它所体现的自动化方法也是计算思维的本质之一）。因此这种考核方式难以考核学生运用数据库技术解决实际问题的能力，难以考核学生的计算思维运用能力。

为了突出对学生计算思维能力的考核，在《数据库及其应用》课程的实验考核中应增设对学生数据库设计能力和VBA程序设计能力的考核。这两方面能力的考核可以基于两种途径：一是要求学生针对现实生活的具体问题域开发一个数据库应用系统 （没有现成的表可用，需要自己完成数据库设计和VBA程序设计），教师对开发的软件作品和书写的实验文档进行验收，实验文档中要求学生重点阐述计算思维方法的运用情况；二是采用笔试试卷进行计算思维专项考核，考核知识点包括计算思维基本概念方法、数据库设计方法、VBA程序设计方法等。学生该课程的最终实验考核成绩由三部分组成：原先的Access软件操作技能考核成绩、数据库设计作品成绩、计算思维专项考核成绩，将这三部分成绩给予不同的百分占比，从而得出学生的最终实验考核成绩。

4　结语

计算思维是与理论思维、实验思维互为补充的所有大学生都应掌握的基本思维［4］，培养学生的计算思维能力应是数据库及其应用课程确立的新的教学目标。基于此，我们对原有的该课程实验教学进行了改革，通过导入计算思维训练点的实验内容的重新设计、基于计算思维的任务驱动式实验教学模式的运用、实验考核中引入对计算思维掌握和运用情况的考查等方式，使学生在运用数据库技术解决问题的过程中逐步领会并掌握计算思维的方法，取得了良好的教学效果，深化了学生对数据库理论知识的理解，提高了学生数据库技术的应用能力，增强了学生的创新意识和创新能力。

［1］何钦铭，陆汉权，冯博琴.计算机基础教学的核心任务是计算思维能力的培养［J］.中国大学教学，2010（9）：5-9.

［2］周以真.计算思维［J］.中国计算机学会通讯，2007，3（11）：77-79.

［3］牟琴，谭良，周雄峻.基于计算思维的任务驱动式教学模式的研究［J］.现代教育技术，2011，21（6）：44-49.

［4］战德臣，聂兰顺.大学计算机：计算思维导论［M］.北京：电子工业出版社，2013.

［5］毛嘉莉，李明东，董文，岳淼.数据库课程教学中强化计算思维训练的实践探索［J］.西华师范大学学报（自然科学版），2012，33（4）：408-411.

［6］王荣良.计算思维教育［M］.上海：上海科技教育出版社，2014.

Computational Thinking；Database Course；Experiment Teaching；Task-Driven

Research on Experiment Teaching Reformation of Database Course Based on Computational Thinking Training

LI Zhi-hui，CUI Hong-fang，SONG Ying
（School of Information Engineering，Hubei University of Economics，Wuhan 430205）

1007-1423（2015）21-0029-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.21.008

李志辉（1976-），男，湖北红安人，硕士研究生，讲师，研究方向为信息系统、数据库技术

崔洪芳（1963-），女，湖北武汉人，本科，副教授，研究方向为计算机软件、数据库技术

宋莺（1975-），女，湖北武汉人，博士研究生，副教授，研究方向为智能交通、嵌入式技术

2015-07-11

2015-07-21

数据库及其应用是面向文科专业学生开设的计算机通识必修课。针对该课程传统的实验教学方法已难以适应计算机技术发展要求这一问题，对该课程的实验教学提出以培养学生计算思维能力为目标的教学改革，从实验教学内容、教学模式和考核方式三个方面探讨具体的改革方案并将其付诸于实践，取得良好的教学效果。

计算思维；数据库课程；实验教学；任务驱动

湖北经济学院教学研究项目（No.2014030）、湖北省教育科学“十二五”规划项目（No.2013B128）、湖北省教育科学“十二五”规划项目（No.2013B428）、湖北省省级教学研究项目（No.2013339）

Database&Application is a general compulsory course for students majoring in liberal arts.Because the traditional experimental teaching method has became difficult to meet the requirements of the development of computer technology，this paper puts forward the educational reform based on computational thinking training.The specific reform program involves three aspects：the content of experimental teaching，teaching mode and assessment methods.It has been put into practice，and good teaching results have been achieved.