基于顶峰课程理念的“数据库原理”课程综合改革

于明远,范 菁,陆亿红,李甜甜

（浙江工业大学 计算机科学与技术学院&软件学院,浙江 杭州310023）

0 引言

历次工业革命都推动了技术的革新及工业的繁荣发展。随着新工业革命的深入,技术的提升与工业发展之大变局扑面而来,国际经济、科技和产业竞争日趋激烈,产业结构的调整及科技的高标准需求变得更加紧迫。而掌握相应技能与知识的高端人才起着关键的基础作用,尤其是具有社会责任感、创新精神和实践能力的创新人才[1]。这给我国肩负着重要的历史使命的高等教育提供了历史性机遇与挑战。

我国高等教育体系和课程体系,都是在发展过程中不断汲取他国的成功经验并参照他国模式以及专业设置,并结合我国的实际构建起来的。但随着经济的蓬勃发展与国际竞争的日趋激烈,特别是我国的高等教育在较短时间内从精英教育跨入大众化教育后,高等教育质量与社会的实际需求日趋不适应。2016年,我国正式加入倡导以学生为中心、产出导向和持续改进三大教育理念的《华盛顿协议》,在国际工程认证教育中取得了具有里程碑意义的突破。2018年我国首次召开的全国本科教育工作会议,明确指出一定要把本科教育放在人才培养体系的核心地位、教育教学的基础地位和新时代教育发展的前沿地位。2018年,教育部印发了《关于加快建设高水平本科教育 全面提高人才培养能力的意见》的“新时代高教40条”。《关于高等学校加快“双一流”建设的指导意见》[2]的出台,更是为提升我国教育发展水平、增强国家核心竞争力提供了有力的保障。

美国学习并借鉴德国大学模式,创立了霍普金斯大学。哈佛、耶鲁和普林斯顿等高校以霍普金斯大学的教育理念与模式为基础进一步深入改革,克拉克大学和芝加哥大学等新型现代大学的建立,都促进了美国高校科研水平和育人质量的显著提升,培养了大批高新技术领域的创新型领军人才,使美国高校大踏步进入了研究型大学时代。虽然美国高等教育取得了令人称颂的成果,但随着国际经济和产业竞争的日趋激烈,美国高等教育质量也饱受社会各界的猛烈抨击与质疑。美国博耶研究型大学本科生教育委员会在1998年针对本科教育中存在的问题,发表了《重建本科生教育:美国研究型大学发展蓝图》的研究报告,明确提出“探索、调查、发现是大学的核心”,其中第七项是设置顶峰体验课程,意在提高学生解决实际问题的能力[4]。

1 本科教育与顶峰课程理念

教育质量的提高是高等教育不断追求的永恒“不动点”。对于后起之秀的我国而言,目前正处于以规模扩张为主的外延式发展模式向以质量提高为主的内涵式发展模式转型过程中,这个“不动点”的地位更加突出[5]。我国的高等教育从粗放型到内涵式发展与改革过程中,传统课堂教学存在的各种弊病,制约了教育质量的提升,如教学内容更新缓慢、理论教学未能深度融入实践中、创新动力不足、学生参与度不够等。

工程教育认证强调要培养学生解决复杂工程问题的能力,强化内涵发展,提高质量,促进教育观念的更新、标准意识的建立和质量意识的强化。目前我国推进的新工科建设,旨在提高高等工程教育质量主动适应新技术、新产业、新经济发展和建成工程教育强国的需要。新工科建设正在改变高校教与学的行为、高校人才培养方案以及学校的评价体系与资源配置方式,也正在改变产业的竞争格局。

基于顶峰课程理念,本科教育应把相对零碎的知识整合起来,通过研究性学习,深入到一个与专业相关且具有一定难度和深度的项目中,从而实现学生解决实际问题能力的提高[6]。工科本科教育的基本定位是解决“复杂工程问题”,既不是“广义工程问题”,也不是“狭义工程问题”,而是“复杂工程问题”[7]。《华盛顿协议》中通过7个特征来刻画复杂工程问题,其中第一个特征是复杂工程问题的本质:需深入运用工程原理经过分析才解决的。这与顶峰课程理念中要求的项目难度与深度相一致。通过顶峰课程的回顾和综合学习内容,帮助学生拓展和应用所学内容,为研究作铺垫,把本科工程教育的本质即解决复杂工程问题能力培养统一起来,进一步强化了高等教育追求的永恒“不动点”。

本文提出把顶峰课程的基本理念引入课堂,通过把具有一定复杂度的项目分解到“数据库原理”课程的各个部分,最后完成整个项目,达到提高学生解决实际问题的能力的目的,从而提升课堂教学和课程建设的内涵。下面以软件工程专业的“数据库原理”课程为例,对课程目标、课程理论教学、实践教学、教学方法和教学评价等方面进行具体的实施,以适应新时代变化的需要。

2 顶峰课程理念在“数据库原理”课程中的实施

把顶峰课程的理念融入“数据库原理”课程课堂,贯穿于整个教学实践中,以产出为导向,以任务驱动方式,把复杂的教学教务系统作为实践项目,将其重要功能分解到按理论教学的知识与技能组织模块中,理解具体理论的应用,围绕教学教务系统展开探究性学习与讨论。每一部分的实验内容都是教学教务系统的组成部分,以小组为基础,分析实验内容,提出实验方案,以个性化方式实现。最后,在数据库系统课程设计中进一步以小组讨论分析为基础,把数据库原理中相对零碎的知识整合起来,通过探究性、合作性和针对性的学习,完成个性化教学教务系统的开发。本文通过课程的目标设置、内容编排、组织过程、评价反馈等环节的安排,实现学生理论与实践的高度融合,获得顶峰课程的体验,实现综合素质的提升。

2.1 课程目标

通过复杂的教学教务系统的分解与整合的具体实践与探究性学习,使学生系统地掌握数据库系统的基本原理和基本技术。要求在掌握数据库系统基本概念的基础上,能熟练使用SQL语言在某一个数据库管理系统上进行数据库操作；掌握数据库设计方法和步骤,具有设计数据库模式以及开发数据库应用系统的基本能力。该课程对应专业的要求有四个主要目标[8]:

【目标1】掌握和理解SQL语言的应用、数据库基础知识和数据库设计与实施技术,从而让学生能够按照工程化要求对软件系统的子模块、子单元或部件进行设计。

【目标2】以实际工程应用需求为导向,学生根据特定需求对数据库进行分析和设计,把数据模型、关系代数和模式规范化等理论深入应用到工程项目中,从而理解软件领域复杂工程实践对外部环境以及社会可持续发展的影响,并具有基于科学原理和科学方法设计软件实验项目的能力。

【目标3】理解范式和模式分解特性以及并发控制理论,促进数据库管理系统的商品化,培养学生实践创新意识,鼓励学生进行探索。

【目标4】掌握数据库应用系统的分析与设计方法,能够对问题的各种解决途径的可行性和有效性进行对比,以得出有效结论。

该课程支撑以下毕业要求和具体细分指标点:

【毕业要求2】问题分析:能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理,识别、表达并通过文献研究分析复杂软件工程问题,以获得有效结论。

支撑指标点2-4:能够对问题的各种解决途径的可行性和有效性进行对比,以得出有效结论。

【毕业要求3】设计/开发解决方案:能够设计针对复杂软件工程问题的解决方案,设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程,并能够在设计环节中体现创新意识,考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。

支撑指标点3-3:按照工程化要求对软件系统的子模块、子单元或部件进行设计。

【毕业要求4】能够基于科学原理并采用科学方法对复杂软件工程问题进行研究,包括设计实验、分析与解释数据,并通过信息综合得到合理有效的结论。

支撑指标点4-1:具有基于科学原理和科学方法设计复杂软件实验项目的能力。

【毕业要求7】环境和可持续发展:能够理解和评价针对复杂软件工程问题的专业工程实践对环境、社会可持续发展的影响。

支撑指标点7-1:理解软件领域复杂工程实践对外部环境以及社会可持续发展的影响。

2.2 课程内容编排

本课程主要讲述数据库系统的基础理论、基本技术和基本方法。第一,基于顶峰课程理念,把复杂的教学教务系统融入如下的数据库原理知识点中,如关系数据库标准语言—SQL,数据模型,数据库系统的模式结构,关系模型与关系代数运算,关系模式的规范化设计理论,数据库的安全管理、完整性策略、恢复技术、并发控制方法、触发器和存储过程,数据库设计的步骤和数据库实施,数据库应用系统的体系结构,数据库技术的新发展。如表1所示是理论教学内容及学时分配。第二,在学习中围绕工程实践进行讨论分析,深入理解原理。第三,在实践中把零碎的原理知识点应用其中。最后,完成该系统的开发,从而提高学生解决实际复杂问题的能力。

表1 理论教学内容及学时分配Table 1 Theoretical teaching content and class hours distribution

在整个课程改革中,压缩理论教学学时,增加学生的实践。课内外教学根据理论教学的每个知识模块明确教学的重点、难点和教学方法,给出学生的学习任务,如作业要求以及自学与讨论的内容。

把相对复杂的教学教务管理系统作为实践教学项目,分割为不同的实践单元,在小组基础上进行需求分析、设计和个性化实施。实验模块总共15个,按照实验的性质分为引导性、基础性、过渡性和创新性。必修课内实验8学时,完成4个实验,其余的10个实验以及教材中所给例题全部需要课外实验作为补充,其中必须完成4个课外实验。最后一个创新性的综合项目是以小组合作模式完成的数据库系统课程设计内容。实验教学模块见表2。

表2 实验教学模块Table 2 Experimental teaching modules

数据库系统课程设计采用教师在实验室指导与学生课外自主实验相结合的方式,以2～4人组成小组,要求学生以SQL SERVER等数据库管理系统为平台,通过重新梳理理论教学与实验教学中的教学教务管理系统,结合实际应用的系统,进一步讨论和探究需求分析内容,设计数据库的概念模型、逻辑模型、物理模型,选择一种程序设计语言（如VC++,C#.NET,VB,Java/JSP等）,开发并完成一个相对完整的教学教务管理系统,并撰写课程设计报告。

学生在小组合作交流过程中,通过互助与协作学习不仅可以针对已有问题寻找解决方案,还可以生成一些新的问题和应对措施,通过问题的解决,提升学生的自我效能感,并最终获得顶峰体验。

2.3 课程评价与考核

“数据库原理”课程的考核强调过程化考核。其总成绩分为进程性成绩和期末考试成绩两大部分。进程性成绩主要考核学生的作业、实验能力和课堂讨论表现几个方面。各个环节所占比例及基本要求如下:

期末考试占总成绩的50%,原则上要求填空、选择、判断、名词解释、简答等基础性和记忆性题目,分值不超过总试卷分值的30%；加大综合性题目的比例,重在考查学生运用知识解决复杂软件工程问题的能力。

课内外实验占总成绩的24%,考查学生软件领域复杂工程实践的分析能力、资料搜索能力、综合运用计算机科学和工程技术完成实验设计与实施并对实验结果进行分析的能力。

作业占总成绩的15%,考查学生运用数据库基础知识和本专业基本理论解决实际工程问题的能力。

课堂表现占总成绩的11%,从学生上课是否专心听讲,回答教师提问是否正确,课堂小测验和分组讨论是否积极、正确、有独特见解等几方面进行考核,以活跃课堂气氛,提高课堂教学效果。

3 总结与展望

为了便于评价顶峰课程理念在“数据库原理”课程中的效果,针对教学环节,给出了课程目标与毕业要求（指标点）对应关系,见表3。

表3 教学环节对毕业要求的支撑Table 3 Support of teaching links to graduation requirements

针对考试试卷,给出了试卷内容及其对毕业要求的支撑关系,见表4。

表4 试卷内容及其对毕业要求的支撑关系Table 4 Test paper content and its supporting relationship to graduation requirements

从近3年来的教学班级的成绩来看,第三、四大题的得分率较高,表明学生能够掌握常用数据库的基本知识、工作原理和使用方法,能够从数据库原理及应用角度厘清复杂数据库系统的子系统之间的分工和逻辑,具有一定的使用、选择和开发现代工具和资源的能力,以及系统总体解决方案的构建能力和软件详细设计能力。但第一、二大题得分率相对较低,说明学生对数据库原理及应用的难点与重点知识的理解掌握还有所欠缺,表明学生在应对计算机和软件工程复杂问题时精准解决问题的能力还有待进一步提高。

把顶峰课程理念融入“数据库原理”课程教学综合改革中,注重激发学生的自主意识,从而提升了学生参与实践教育的主体能动性,维持了学生独立精神与合作精神之间的平衡[9],培养了学生持续终身学习和解决复杂工程应用的能力,给学生提供了一个展现自身教育、智慧和才能的平台,获得顶峰体验的同时,也为未来走向更加广阔的平台做好准备。