融入计算思维培养的“数据库”课程教学改革思考

蓝雯飞 李子茂

摘  要： “数据库”是计算机相关专业的基础课程。针对“数据库”课程的教学现状，以计算思维为切入点，给出了“数据库”教学改革思路。在教学体系的构建、教学模式的运用、教学实例的选用等方面，做了较为详细的讨论，提出了实施方案，特别强调了计算思维能力培养的重要性。实践结果表明，教学改革提高了教学效果。

关键词： 计算思维; 数据库; 教学体系; 教学模式

中图分类号：G642          文献标识码：A     文章编号：1006-8228（2020）11-110-03

Abstract： Database is a basic course of computer related specialties. In view of the current teaching situation of database course， taking computational？thinking as the starting point， this paper gives the teaching reform ideas for database course， makes a detailed discussion on the construction of teaching system， the application of teaching model， the selection of teaching examples， etc.， and puts forward its own implementation plan， in which the importance of computational thinking ability training is especially emphasized. The practice shows that the teaching reform improves the teaching effect.

Key words： computational thinking; database; teaching system; teaching mode

0 引言

“数据库”课程传统课堂教学模式以层次递进式讲授理论知识、SQL语法细节，然后通过课后习题和验证型的实验进行巩固。实践证明：教学效果不够理想，很多学生在学完了该课后，仅停留在通过期末考试对基础理论知识的掌握上，学生掌握知识情况有如蜻蜓点水，普遍缺乏对知识的运用能力和创新能力;再有，对数据库设计有着浓厚兴趣的学生而言，不利于激发他们的学习热情，不能做到因材施教，不利于培养创新型计算机人才。改革传统课堂教学模式任重而道远。

计算思维是指运用计算机科学的基本概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为，并用最有效的办法实现问题求解[1]。计算思维并不是要人像计算机一样思维，而是要像计算机专家那样去思维[2]。计算思维教育不僅可以激励未来一代人进入计算机科学领域，而且可以让所有领域的人受益[3]。

本文面向“数据库”课程，就实施计算思维的教学过程、教学内容和教学模式做一个较为详细的讨论，希望能与同仁共同探讨和交流。

1 教学实施的过程和内容

⑴ 分析社会需求，明确课程定位，提出课程改革的目的

“数据库”课程教学普遍注重理论知识的传授和设计技能的培养，学生学到的是有关计算机的一些概念及通用计算手段的应用，但是当今社会处于急需各种创新人才的高科技时代，学生仅仅具备这些能力是不够的。高速发展的信息社会要求计算机专业学生未来应具备的计算能力是掌握可以支持各学科研究创新的新型计算手段并应用计算手段进行各学科的研究与创新。因此，“数据库”课程应定位于以计算思维为核心，以基础知识为背景，使学生理解典型的计算思维，掌握基于计算技术的计算机问题求解思路与方法，提高学生的数据库应用能力，培养学生应用计算思维和计算工具去分析与处理专业领域实际问题的能力，为今后的创新活动奠定良好基础。

⑵ 将计算思维灵活地融入数据库课程的新知识体系

以计算思维能力培养为核心的“数据库”课程教学改革并不意味着一定要将现有的课程教学内容“推倒重来”，而是在原有教学内容的基础上，以计算思维为主线，重新组织教学内容，适当增加新的能体现计算思维的知识点，删除一些陈旧的知识或技术细节，适当调整课程内容的结构，最终构建一个与计算思维相融合的新的课程知识体系[3]。

① 选择合适的教材

选择合适的教材是保证有效教学的重要手段之一。合适的数据库教材应具有较好的知识覆盖面且难度适中。我们面向的是软件工程实验班学生，学生本科毕业将升到美国威斯康星州立大学继续深造攻读硕士学位，因此我们选择英文教材，诸如《DATABASE Principles， Programming， and Performance（Second Edition）》、《Database System Concepts （Seventh Edition）》、 《Database System Implementation》等经典书籍都适合作为教材。选择国外经典教材，尽可能地保证教学内容与国际先进理念接轨，学生在阅读英文原版教材的同时，参考对应的中译本来阅读，以进一步加强学生对所学知识的理解[4]。

② 选取典型的概念，构建新的课程知识体系。

在明确课程定位后，我们需确定在课程知识体系中涉及计算思维的哪些概念，然后将知识体系分解为教学单元，研究这些教学单元如何与计算思维的典型特征有机融合。

以“计算思维”为主线，我们将“数据库”课程分为八个教学单元，如表1所示。我们要求在每个教学单元的教学内容中，要理清理论知识背后蕴含的计算思维是什么。受篇幅限制，表2仅给出第二单元（关系代数——抽象思维）的知识点及其蕴含的计算思维。

我们在2018-2019第一学期，对“数据库”课程进行了教学探索，初步构建了基于计算思维的课程知识体系，在实施过程取得了一定的教学效果。接下来，我们将会对该课程继续实施教学改革。

⑶ 改革教学方法，促进学生计算思维能力的养成

恰当的教学方法才能展现计算思维的魅力和基本思想方法。过去以讲授知识点为主线的教学方法改变为以讲授认识和应用计算机的思维过程为主线，使知识随着思维的展开而介绍，思维随着知识的贯通而形成，能力随着思维的理解而提高，这样循序渐进地促进学生计算思维能力的养成。

一方面，在课堂教学中采取基于计算思维的探究教学方法。在课堂教学中，我们提出基于计算思维的探究性问题，引导学生运用计算思维的一系列方法，探索、发现问题的本质，通过简化、转换、递归、抽象、分解、建模等计算思维的基本方法，将一个复杂问题转换成许多简单的子问题并构建求解模型，进而充分利用计算机的运算能力实现问题求解。当学生掌握这种思维方法以后，我们再启发学生运用所学方法自主探究并解决更深层次的问题，从而达到知识巩固、迁移和内化为能力的目的。

另一方面，实验教学中采取任务驱动的实验教学方法。我们只给出实验任务，要求学生自主完成一个系统或一个解决方案从设计到实现的全过程。让学生主动思考，自主梳理知识，构建学习模式，规划解决方案，运用计算思维的方法自主设计和独立完成实验任务。基于计算思维的任务驱动实验教学方法将有利于培养学生自我建构知识、计算思维和创新的能力。

⑷ 设计能够体现计算思维显著特征的教学案例

教学案例是教学内容的重要载体，如果采用抽象枯燥的理论讲解方式，学生将难以理解计算思维的抽象概念，更谈不上通过学习培养计算思维能力，因此需要设计既能体现计算思维特征而且是比较简洁的教学案例。

比如，在讲授第二单元和第三单元时，为了简化计算思维的概念，又能让学生较快掌握计算思维，设计了既易理解又能较好展示计算思维的CAP数据库作为贯穿两个单元的例子，如图1所示。

教学实践表明，正是因为在不同的单元引用了相同的CAP数据库，使得在讲授本课程的重点和难点知识时，能够在较短的时间内让学生掌握其蕴含的计算思维。

⑸ 打破课程间的边界，“突出计算思维”主线

通过分析和研究，我们不难发现：相似但不同的课程蕴含着一些相同的计算思维。因此在教学设计上可以适当复用教学思维和教学案例，达到简化计算思维教学的目的。

例如，“离散数学”和“数据库”这二门课程间有部分知识是相关联的，在讲解笛卡尔乘积及其计算思维时，就可以都使用CAP数据库作为教学案例。该教学案例既简单又能很好体现集合思维和运算思维的观点。

计算机不同的课程中蕴含了许多计算思维，有相同的，也有不同的。我们在研究课程教学过程中，要善于思考和总结，才能将计算思维理解透彻，真正将课堂教学融入计算思维。

2 教学模式

计算思维仅仅是范畴广泛的概念[5]，在计算机课程教学中实施基于计算思维的改革，需要我们老师深入理解并应用好计算思维。下面以第二单元和第三单元应用计算思维作为例子，阐述教学实施的基本过程。

我们认为基于计算思维的教学，其主要内容就是对问题给出计算机解决方法、步骤或规范标准，重点告诉学生对同类问题要采用相同的思维过程。

第2单元和第3单元的知识连贯性较大，因此，在教学中要把重点放在第2单元。当学生掌握了第2单元的关系运算后，以此为基础，对于第3单元SQL查询语言的学习，我们将给出不同关系运算对应的查询语句如下。

受篇幅限制，其他关系运算对应的SQL查询语句略。

当有了上述的对应关系，不论是哪类查询问题，要告诉学生先编写关系代数表达式，然后依据上面的对应规则，再转换成对应的查询语句，这个转换是一套“有章可依、有据可循”的规范，是最简单的基于计算思维的步骤和方法，它能让学生快速理解并掌握第二和第三单元的重要知识。因此对于多么复杂的查询问题，依据上面的步骤和方法，也能迎刃而解了。

第二、第三單元是期中考试的重点，表3列出实施教改前和教改后，第二、第三单元测试，及期中考试及格率对比表。

从表3可看出，实施教学改革后学生运用知识去解决问题的能力提高了，对重要知识的掌握情况更好了。

3 结束语

本文比较详细地讨论了我们在“数据库”课程中实施计算思维教学的一些做法和经验，在一定程度上提高了教学效果，对“数据库”课程教学改革有一定的推动和借鉴意义，希望能与同仁分享与交流。接下来我们将会把计算思维引入到后续课程的改革中去。

由于是第一次尝试教学改革，在推行计算思维教学改革过程中，还存在着对部分相关概念的描述比较抽象，学生一时不能理解透彻等问题，后面我们将会设计更多的实例，通过实例化教学阐明抽象概念，增强概念的易理解性。

参考文献（References）：

[1] Jeannette M. Wing. Computational Thinking[J].Communi-cations of the ACM，2006.49（3）：33-35

[2] 战德臣，张丽杰.大学计算机——计算思维与信息素养（第3版）[M].电子工业出版社，2019.

[3] 强小利，蓝雯飞.面向计算思维的Java程序设计课程教学探讨[J].计算机时代，2015.11：87-89，92

[4] 蓝雯飞，郑波尽.高级语言程序设计课程建设思路[J].计算机教育，2012.6：30-32

[5] 李廉.计算思维——概念与挑战[J].中国大学教学，2012.1：7-12

[6] Patrick O'Neil， Elizabeth O'Neil. DATABASE Principles，Programming， and Performance[M].2nd Edition.高等教育出版社，2001.