MOOC模式下数据库系统概论课程实验平台的建设与实践

卢 卫，程一舰，赵展浩，杜小勇

（1. 中国人民大学 数据工程与知识工程教育部重点实验室，北京100872；2. 中国人民大学 信息学院，北京 100872）

范晓云

（苏州技师学院 创意服务系，江苏 苏州 215009）

MOOC模式下数据库系统概论课程实验平台的建设与实践

卢 卫1,2，程一舰1,2，赵展浩1,2，杜小勇1,2

（1. 中国人民大学 数据工程与知识工程教育部重点实验室，北京100872；2. 中国人民大学 信息学院，北京 100872）

数据库系统概论作为实践性较强的计算机专业课，如何支持在线实验，如何自动、准确、快速地量化学生对相关知识点的掌握程度，是实施MOOC教学的关键挑战。文章介绍数据库在线实验系统的设计与实现，探讨如何通过课程实验平台的建设与实践有效支撑MOOC教学。

MOOC；在线实验；数据库系统概论；自动评分；数据分析

0 引 言

MOOC（Massive Open Online Course，大规模开放在线课程）的出现，给高等教育的发展带来了新机遇。优质且丰富的在线课程资源、低廉的学习成本、灵活自主的学习方式、多样的互动交流方式等，使MOOC课程大受欢迎，并得到了人们的广泛参与。例如，中国人民大学数据库教学团队在中国大学MOOC平台上[1]开设的数据库系统概论MOOC课程（包括基础篇、高级篇和新技术篇3部分），自2016年4月开始选课人数已累计9万余人。然而，MOOC教学仍然面临诸多挑战，如学习者的高辍学率和低完成率、专业课程的在线实验如何实施等。

1 数据库系统概论课程实验平台的建设

1.1 课程实验简介

数据库系统概论全面地阐述了数据库系统的基础理论、基本技术和基本方法。作为实践性较强的一门计算机专业课，数据库系统概论课程的培养目标不仅要求学生具备复杂工程问题建模（数据库设计）所需的理论知识（关系数据理论），还要求学生掌握计算机编程与软件开发相关的工程基础和专业知识（包括关系数据库标准语言SQL、数据库安全性与完整性、关系查询处理与查询优化、数据库恢复技术、并发控制），最终能够应用数据库的专业知识进行复杂问题的求解。为了实现这一培养目标，除了平时的课堂教学之外，笔者还需要建设课程实验,强化学生对基本技术、基本方法的实践，也为教师了解学生对知识的掌握程度提供教学上的参考。

与配套的教材[2]、习题解析与实验手册[3]和MOOC在线课程[45]内容相对应，笔者从数据库的创建、维护、查询处理与优化3个角度出发，设计了数据操纵语言、数据控制语言、数据定义语言、存储过程与触发器的管理、索引的创建、事务、数据一致性7个实验，这7个实验构成了数据库系统的基本技术体系。其中，关系数据库的创建包括数据操纵语言、数据控制语言和数据定义语言3个实验；查询处理与优化包括存储过程与触发器的管理、索引创建、数据一致性3个实验；关系数据库维护包括事务实验。

1.2 实验考核的内容

针对上述7个实验，根据课程的教学要求，笔者设计了表1的考核内容。

1.3 实验自动评价的挑战与解决方案

以往的实验课程，学生撰写实验报告，教师审阅报告内容，实验的评价主要依据实验结果的截图，这种纯手工、易主观、粗粒度的评价方式无法满足MOOC教学模式下教师对自动、准确、快速量化实验结果的要求。实验自动评价的挑战具体表现在以下几个方面。

难点1：解决同一个问题的SQL语句存在多种写法，系统无法使用基于模式匹配的方式进行结果的正确性判断。例如，在学生选课系统中，查询学号为“2017001212”的学生选修的课程名，使用如下语句均可获得正确的运行结果。

表1 实验的考核内容

难点2：不同用户操作同一个数据对象可能存在冲突或相互影响。例如，实验考核内容要求用户创建学生、课程、学生选课3个关系模式。这样，不同的学生会创建同名的数据对象。除了第一个用户创建成功之外，其他用户均创建失败。很明显，不同的人执行相同的语句其结果的正确性不同，这与实验的初衷相违背。此外，基本表中记录的插入和删除操作，会影响其他用户对该基本表的操作。当要求用户插入一条记录时，由于所有用户均插入内容相同的记录，除了第一个用户操作成功之外，其他用户操作均失败。为了解决这个问题，需要设计不同用户之间操作的隔离性机制。

难点3：用户操作需要保持状态延续性。在课程实验考核内容中，不同的实验存在互相依赖关系。例如，记录的增、删、改操作，需要用户事先完成基本表的创建；数据查询要求表中存在一定的数据量。因此，在线实验平台的设计要求能够物化用户每一个阶段的操作结果。

难点4：并发控制实验需要避免系统频繁的重启问题。并发控制实验设计的目标是为了验证并发操作在不同隔离级别下数据的不一致性问题。需要注意的是，每次为数据库设置不同的隔离级别，都要重启数据库管理系统，而系统的每次重启，都会造成在线实验平台服务的不可用。因此，频繁重启系统会影响用户的使用体验，应尽可能避免。

针对实验建设过程中遇到的上述4个难点，笔者提出了如下的对应解决方案。

针对难点1，笔者提出了基于结果集比对的解决方案。虽然同一个问题的SQL语句存在多种写法，但其执行结果是唯一的。为此，笔者事先录入正确的SQL语句，并对用户提交SQL语句与正确SQL语句的执行结果进行比对，如果比对一致，则表明用户提交的SQL语句是正确的。需要注意的是，必须保证实验的执行结果不为空，否则，就有可能造成误判。此外，笔者也考虑到学生在做题过程中可能存在的失误，也提供了一定程度的容错处理。例如，在某个题目中，要求学生编写SQL语句返回计算机系学生的英语成绩，并按成绩降序排序。学生在提交SQL语句时，虽然结果集能够正确包含计算机系学生的英语成绩，但成绩未按降序排序。在这种情况下，应该给予一定的分数。为了实现这一要求，应事先录入学生可能提交的答案，并对每个答案设置一定的分数。当学生提交SQL语句的执行结果，与系统预期的执行结果一致，则按照事先设置的分数进行评分，从而保证系统具有一定的容错性。

针对难点2，笔者提出了基于模式（schema）的操作隔离机制。数据库中模式的作用类似于文件系统中文件夹的作用。同一模式下，数据对象的命名是唯一的，而不同模式下，数据对象可以有相同的命名。为此，为每个用户创建各自的模式，其针对基本表、索引、视图、存储过程与触发器的创建、修改、删除都在其对应的模式下操作。因此，不同用户之间对上述5类数据对象的创建、修改、删除具有隔离性。通过查询数据字典，可以判断用户是否成功创建了相应的数据对象，并检查该对象是否满足事先设置的创建条件，进行相应的打分。

针对难点3，笔者提出了基于事务回滚的机制。为了保持用户操作状态的延续性，一方面，对于基本表、索引、视图、存储过程与触发器的创建、修改、删除操作，利用基于模式的操作隔离机制，保证不同用户之间操作不互相干扰；另一方面，对于基本表中记录的增、删、改、查操作，提出基于事务回滚的的机制。根据实验内容的考核要求，可以事先创建相应的基本表，并插入一定数量的记录，对于数据操纵语言实验，所有用户对记录的增、删、改、查操作，全部都在这些基本表上操作。这样设计的好处是避免每个用户重复导入数据，从而节省存储和计算资源。然而，之前提到，同一个基本表中记录的插入和删除操作，会影响其他用户对该基本表的操作。为了解决这一问题，笔者作了如下的设计：用户对基本表的插入和删除操作，只做正确性判断，但不会真正地对基本表插入或删除实际的数据，从而保证任何用户执行操作之前和之后，数据库中的数据是一致的。为了实现这一设计，引入事务的概念，把用户的操作封装在同一个事务中，在事务中对用户的操作进行正确性的判断，在事务结尾进行回滚，使用户的操作不会对数据库造成任何影响，从而保证用户操作的隔离性。

针对难点4，笔者事先构建不同隔离级别下的数据库，并在在线实验平台的客户端创建多个窗口，每两个窗口连向同一个数据库（具有相同隔离级别），从而测试在某一个隔离级别下的数据一致性检验。

2 课程实验的实践

根据实验的考核要求，笔者开发了在线实验平台[6]辅助MOOC教学。

学生必须填写相关信息并注册到某一个教学班中；通过审核后，该学生可以登录系统，进行相关知识点题目的选择和作答。平台为每个实验内容生成一个或多个功能模块，每个功能模块覆盖部分或全部的实验内容。例如，在数据操纵语言实验中，设置了3个功能模块，分别是单表查询、多表查询和数据更新。在单表查询和多表查询中，分别给定了具体的应用场景，并各自设计了包含9道题的实验案例。要求学生能够分析用户查询要求，设计带有条件表达式和集合统计的单表查询和带有条件的自连接查询、多表连接查询、嵌套查询和集合查询（多表查询）。当学生进行相应题目的作答并提交后，实验平台进行实时、自动打分，并将最终的判分结果返回给学生。图1给出了多表查询的应用场景及第一道题的题目描述。

图1 多表查询功能模块

教师负责审批教学班学生的加入、管理以及分析学生答题情况。教师端的功能可以分为审核、分析、导出统计的答题或行为信息3个模块（在本小节中，仅介绍审核模块，分析和导出模块将在第三节中介绍）。教师负责审核本班学生注册申请请求，通过查看学生提交的实名注册信息，如果属于本班同学，则给予通过，否则，拒绝学生的申请，见图2。

图2 教师审批模块

3 课程实验的分析

通过收集学生在答题过程中的行为和提交的答案，系统给教师提供本班学生总体和个体的分析，并进行可视化展示。

3.1 学生答题数据的收集

学生答题数据包括学生在答题过程中的行为和提交的答案。学生的答题数据发生在学生提交自己的实验答案之后，平台对学生提交上来的答案以及判分结果进行存储。学生的行为数据发生在学生答题的过程之中，平台采集学生在每一道题目中的思考停留时间并存储。

3.2 学生答题情况的分析

学生答题情况分析可分为整体分析和个体分析，如图3所示。

通过整体分析，教师可以查看本班学生每个实验的完成情况：①有多少学生提交了答案，有多少学生已经开始答题、但尚未提交答案，有多少学生尚未开始答题；②班级的平均成绩及方差，哪些学生成绩高于平均成绩、哪些学生低于平均成绩；③对于每一道题，哪些学生回答对了，哪些学生回答错了，哪些学生部分回答正确；④班级学生的平均完成时间，哪些学生完成时间低于平均完成时间，哪些学生高于平均完成时间。

通过个体分析，教师可以查看本班每个学生的完成情况，特别是其中提交错误答案的学生个体。例如，在图3的成绩统计柱状图中，通过点击“0分”红色柱子，可以查询得零分的学生姓名。在此基础上，通过查询该学生，获得该学生的答题详情，分析出该学生答错题的原因。另外，教师也可以查询学生完成每个实验和每道题的用时。

通过整体和个体分析，教师可以细粒度地获取学生答题情况信息：哪些题学生得分普遍偏低，哪些题学生用时较多，哪些学生学习态度不端正（包括不提交作业以及每道题出错且用时明显低于平均时间），哪些学生学习成绩不甚理想。对于得分较低、用时较长的题目，要进行重点讲解，对于学习态度不端正、学习成绩不理想的学生，可以根据其错误的原因，有针对性地讲解，真正地做到因材施教。

4 结 语

图3 实验统计分析图

中国人民大学数据库团队自主开发的数据库系统概论课程在线实验平台已经上线，并在数据库系统概论MOOC建设与应用第二届研讨会、第二届面向计算机类MOOC的大规模在线学习支撑工具研讨会中，向来自全国各个高校从事数据库教学的200多位一线教师进行了介绍，得到了大家的认可。平台目前已经得到了来自石家庄铁道大学、北京信息科技大学、重庆科技大学等10多所高校的使用申请。由于准备时间比较仓促，在实施MOOC教学模式时，笔者采用边探索边建设的模式，功能上将继续完善改进，也请同行们批评指正。

致 谢

中国人民大学数据库系统概论教学小组的王珊老师、陈红老师、博士生王童童、人大金仓信息技术股份有限公司的冷健全参与了课程实验的设计。

[1] 中国大学MOOC. 首页[EB/OL]. [2017-09-08].http://www.icourse163.org/.

[2] 王珊, 萨师煊. 数据库系统概论[M]. 5版. 北京: 高等教育出版社, 2014.

[3] 王珊, 张俊. 数据库系统概论习题解析与实验指导[M]. 5版. 北京: 高等教育出版社,2015.

[4] 王珊, 杜小勇, 陈红. 数据库系统概论基础篇[EB/OL]. [2017-09-08]. http://www.icourse163.org/course/RUC-488001.

[5] 王珊, 杜小勇, 陈红. 数据库系统概论基础篇[EB/OL]. [2017-09-08]. ttp://www.icourse163.org/course/RUC-1001655006.

[6] 卢卫, 杜小勇. 数据库系统概论在线实验平台[EB/OL]. [2017-09-08]. http://dbm.ruc.edu.cn/rucdbcourse/.

1672-5913(2017)11-0028-05

G642

国家自然科学基金青年科学基金项目（61502504）；教育部2016年课程教材改革研究项目“在线开放课程大数据研究项目（一期）”“MOOC课程有效学习的分析与对策研究”；中国人民大学教师教学发展改革项目“基于数据库MOOC教学的在线实验平台研究”。

卢卫，男，副教授，研究方向为云计算与大数据管理、空间与文本数据库管理、索引技术，luwei@ruc.edu.cn；

卢 卫

杜小勇

（编辑：孙怡铭）

人才培养

互联网+对技工院校人才计算机技能需求影响调研

范晓云

（苏州技师学院 创意服务系，江苏 苏州 215009）

文章编号：1672-5913(2017)11-0033-03

中图分类号：G642

摘 要：互联网+对各行各业产生深远影响，也对培养各行业高技能人才的技工院校的教学产生巨大影响。文章通过对江苏省各专业高技能人才和相关人员的调研，探讨互联网+对技工院校哪些专业高技能人才的计算机技能需求带来较大影响，进而根据这些影响分析今后各专业计算机技能教学策略，以培养出具备互联网+所需计算机技能的各行业高技能人才。

关键词：互联网+；技工院校； 高技能人才；计算机技能需求

基金项目：2017年江苏省技工院校第三批教育教学课题项目“互联网+对技工院校多专业计算机技能需求影响及教学对策研究”（17SJY0904）；2016—2017年度苏州市“高技能人才培养研发”课题项目“高技能人才状况分析与探索之计算机技能需求研究”（GJNP201601）。

作者简介：范晓云，女，高级讲师，研究方向为计算机软件应用及教学，fxyzy36@sina.com。

0 引 言

互联网+即互联网+各传统行业，但并非简单相加，而是利用信息通信技术，如云计算、大数据和互联网平台等，让互联网与传统行业深度融合，形成更广泛的以互联网为基础设施和实现工具的经济发展新形态[1]。互联网+对各行各业产生深远影响，也对培养各行业高技能人才的技工院校的教学产生巨大影响。技工院校如何培养出具备互联网+所需计算机技能的各行业高技能人才？为此，苏州技师学院成立了课题组并开展了调研，确定了互联网+对技工院校78个专业的计算机技能需求带来较大影响，为后续选择各专业计算机技能教学策略，进而培养具备互联网+所需计算机技能的各行业高技能人才做好准备。

1 调研基本情况

1.1 调研专业、范围、对象

调研的专业范围是《2013年全国技工院校专业目录》公布的七大类专业中的168小类专业；调研地域、单位范围是江苏省内各企业和技工院校；调查对象有3类，包括不同企业中不同专业的高级技工、技师和高级技师等高技能人才，不同行业企业中的初、中、高级管理人员，多家技工院校不同专业的教师。

1.2 问卷调查

此次调研主要采用问卷调查方法。问卷调查主要采取面谈（包括座谈会和一对一）并答卷、电话访谈代填卷、网上（包括手机、电脑等）答卷等形式。调查问卷中的问题，除被调查者的单位、行业、专业、岗位、职务（等级）等基本信息外，企业人员的问题如“互联网+对您公司有无影响及怎样的影响”“互联网+对您个人专业岗位的计算机技能有无新的需求？具体有哪些新需求”；企业管理人员的问题如“互联网+使您所在行业、所在部门需要掌握哪些新的计算机技能”“您认为哪些专业岗位需要哪些计算机技能”；技工院校专业教师的问题如“互联网+对您所授专业有无影响”“若有影响，该专业对计算机技能有哪些新的需求”。

1.3 统计、汇总和分析

调研持续4个月左右，共发放调查问卷800份，回收786份，其中有效问卷753份。回收完成后对有效问卷分行业和专业进行了统计、汇总和分析。

2 调研结论和举例

2.1 调研结论

通过对调查问卷的统计、汇总和分析，了解到互联网+对七大类168个专业中大部分专业的计算机技能需求都带来影响，但影响程度不同。经认真对比、筛选和整理，确定有较大影响的专业有78个，占全部168个专业的46.4%，见表1。

2.2 举例说明

为便于理解以上结论，下面对互联网+影响较大的几个行业进行分类，举例说明为何互联网+会对表1部分专业的计算机技能需求带来影响。

互联网+商务：互联网+商务=电商，如淘宝、京东等。这些电商平台上有众多网上店铺，这些网上店铺的设计、商品的网上推广营销需要原来从事广告、营销、商务工作的人学会使用计算机处理图形、图像、制作动画，会运用云计算、大数据结果进行营销。因此对技工院校中广告设计与制作、美术设计与制作[2]、服装制作与营销、市场营销、邮政业务（市场营销方向）、汽车营销[3]、珠宝首饰鉴定与营销、商务文秘等专业的计算机技能提出了新的要求。本来与电商对口的电子商务、计算机广告制作、计算机动画制作、多媒体制作等专业更要熟练掌握网络应用和众多应用软件为电商提供技术上的支持。另外，电商也带动了物流业的蓬勃发展，对现代物流、邮政业务（速递物流业务方向）等专业的计算机技能也带来了新需求，如物联网、无人机、仓储机器人的应用。

互联网+通信：互联网+通信就有了即时通信，如人们常用的微信、QQ、Facebook等均可以进行语音、文字、视频交流。为此，通信类专业和一些复合专业需要学习移动网络、物联网、程序设计等知识来适应此变化，并力争成为复合型高技能人才，如技工院校的通信终端设备制造与维修、通信网络应用、通信运营服务、电子技术应用、楼宇自动控制设备安装与维护、音像电子设备应用与维修、办公设备维修等专业。

互联网+交通：移动互联网和传统交通出行相结合，推动了互联网共享经济的发展，其融合的成果有打车软件、导航系统、无人驾驶（汽车、轻轨）、共享单车及汽车、网上购票等。因此，交通类专业需要及时补充交通方面应用软件、人工智能、大数据等知识技能来跟上社会发展步伐，如交通客运服务、水运业务、铁道运输管理、城市轨道交通运输与管理[4]、汽车制造与装配、汽车驾驶、船舶驾驶等专业。

互联网+金融：互联网+金融激活并提升了传统金融，创造出了支付宝、花呗、微信支付、京东支付、电商小贷、众筹、P2P网贷等模式的互联网金融。这要求技工院校中会计、邮政业务（金融业务方向）等专业具备更多互联网金融开发和应用软件相关知识。

表1 互联网+对其计算机技能需求带来较大影响的专业

互联网+制造业：即智能制造，传统制造业将会采用先进的信息通信技术，改造企业管理和产品的生产、研发、营销，如使用工业机器人进行生产；利用云计算、大数据分析市场需求、确定生产品种和产品各项性能指标；借助B2B、B2C等电商平台实现网络销售、宣传、推广。这促使制造类专业对工业机器人编程及维护、云计算、大数据、互联网商务等技能的需求大大增加。涉及技工院校以下专业：工业机器人应用与维护、数控加工类、数控编程、模具制造、模具设计、机械设备装配与自动控制、机电产品检测技术应用、汽车检测、制冷设备制造安装与维修、电气自动化设备安装与维修、工业自动化仪器仪表装配与维护、化工仪表及自动化、钢铁冶炼、矿物开采与处理、煤矿技术（综合机械化采煤方向、掘进方向）、供用电技术、纺织技术、食品加工与检验、精细化工、生物化工等。

互联网+农林业：通过信息技术对地块的土壤、肥力、市场供需等进行大数据分析，据此提供种植品种选择和施肥解决方案，提升农林业生产效率；通过互联网交易减少农林产品买卖中间环节，增加收益，扩大销量。面对中国万亿元以上的农资市场及近七亿的农村人口，农林业电商面临着巨大的市场空间。因此，技工院校以下专业要掌握更多计算机技能才能应对未来发展：农村能源开发与利用、棉花加工检验与经营、农副产品加工、农艺、种植、养殖、水产养殖、航海捕捞、林业、林产品加工、木材加工等。

互联网+服务商：此服务商即在政府与企业之间的第三方服务企业，帮助线上线下双方协作和对接，服务涉及的领域有大数据、云系统、电商平台、O2O服务商、CRM软件服务商、智能设备商、机器人、3D打印等，还提供培训、招聘、资源寻找、方案设计、设备引进、车间改造等增值服务。这要求计算机网络应用[5]、计算机程序设计、计算机信息管理、多媒体制作、计算机动画制作、计算机广告制作、电子商务、商务文秘、印刷（图文信息处理）、人力资源管理等专业具备最新的、紧跟科技发展的计算机相关技能才能胜任工作。

3 结 语

此次调研确定了互联网+对技工院校78个专业的计算机技能需求有较大影响，调研目的是为了据此确定今后各专业计算机技能教学策略，从而培养出具备互联网+所需计算机技能的各行业高技能人才。为此，对调研结论的使用有如下建议。

（1）此次调研结论是基础的和宽泛的，若要应用于各专业教学实践，还需要进一步分专业细化研究互联网+对每个专业计算机技能的新需求，具体到每个专业需要学习哪些软件或硬件知识，甚至细致到哪些知识点。

（2）细化研究时要有长远眼光和预见性。密切关注最新科技发展以及互联网+与该专业适用行业的最新融合情况及未来发展预期，科学、合理地推断和预测该专业近几年还可能用到的计算机技能，一并列入该专业教学内容中，力求每个专业与未来应用无缝接轨。

（3）根据细化研究结果进行教学实践前，要分析和确定每个专业适宜的教学策略，如面对互联网+对该专业新的计算机技能需求，是采取增设某几门计算机课程还是在公共计算机课程中通过侧重讲授所需知识来增补？是否需要根据教学内容的变化，对教学模式、教学方法等进行改变和调整？

（4）开展有的放矢的教学实践。可以根据每个专业的计算机技能需求自编适用的校本教材、操作指导书、课件、微课、视频及教学软件等；也可以把计算机各门课程众多知识拆分成一个个小的知识模块，按照各专业的不同需求进行灵活裁剪、组合，突出每个专业教学的侧重点，提高各专业教学的针对性。

培养高技能人才是技工院校肩负的使命和责任，院校要紧跟社会发展步伐，以未来专业岗位需求为目标，培养出社会所需的各行业高技能人才。

参考文献：

[1] 360百科. 互联网+[EB/OL]. [2017-08-09]. https://baike.so.com/doc/7869991-8144086.html.

[2] 廖先锋. 试论互联网对艺术设计的影响[J]. 电脑知识与技术, 2015(11): 11-12.

[3] 黄汉龙.“互联网+”时代技工院校汽车营销专业学生职业能力培养的应对策略[J]. 职业, 2017(4): 78-80.

[4] 王晓霞, 蒋薇. 鲜明朗. 互联网时代城市轨道交通车辆专业建设的思考[J]. 四川劳动保障, 2016(7): 32-33.

[5] 王植. 基于“互联网 +”时代背景下高职计算机专业教学改革探究[J]. 电子测试, 2016(13): 87-88.

（编辑：孙怡铭）