金鑫

（長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

基于“翻轉(zhuǎn)課堂”的《數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用技術(shù)》課程教學(xué)方法研究

金鑫

（長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

“翻轉(zhuǎn)課堂”作為一種全新的教學(xué)模式，改變了傳統(tǒng)教學(xué)模式中的師生角色，對(duì)課堂時(shí)間分配進(jìn)行了重新規(guī)劃，反映了學(xué)生的主體作用。文中以《數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用技術(shù)》課程為例，引入“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式，將微項(xiàng)目、合作機(jī)制等引入課堂，將抽象的理論具體化，活躍了課堂氣氛，最后總結(jié)了“翻轉(zhuǎn)課堂”模式實(shí)施要點(diǎn)。

翻轉(zhuǎn)課堂；教學(xué)方法；微項(xiàng)目；合作機(jī)制

1.“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式介紹

“翻轉(zhuǎn)課堂”（Flipped Class）[1]最早的探索者是孟加拉裔美國(guó)人薩爾曼汗，他將自己錄制的教學(xué)視頻傳到了YouTube網(wǎng)站上，讓數(shù)以萬(wàn)計(jì)的學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)來參與課程學(xué)習(xí)。之后科羅拉多州林地公園高中的化學(xué)教師喬納森·伯爾曼和亞倫·薩姆斯則進(jìn)行了顛覆傳統(tǒng)課堂的嘗試，把結(jié)合實(shí)時(shí)講解和PPT演示的視頻上傳到網(wǎng)絡(luò)，讓學(xué)生在家中或課外觀看視頻中教師的講解，把課堂的時(shí)間節(jié)省出來，進(jìn)行面對(duì)面的討論和作業(yè)輔導(dǎo)。

“翻轉(zhuǎn)課堂”與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，具有以下三方面優(yōu)點(diǎn)：

1.1 傳統(tǒng)教學(xué)模式中學(xué)習(xí)進(jìn)度由教師安排；“翻轉(zhuǎn)課堂”中學(xué)習(xí)進(jìn)度由學(xué)生自己安排，增強(qiáng)了學(xué)生的自我管理意識(shí)。

1.2 傳統(tǒng)教學(xué)模式師生聯(lián)絡(luò)方式存在局限性，教師了解學(xué)生學(xué)習(xí)困難滯后或存在盲區(qū)；“翻轉(zhuǎn)課堂”通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)反饋，教師對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)中的問題掌握較全面，便于做出針對(duì)性輔導(dǎo)。

1.3 傳統(tǒng)課堂教師主導(dǎo)，學(xué)生之間互動(dòng)較少；“翻轉(zhuǎn)課堂”鼓勵(lì)學(xué)生之間的互動(dòng)交流，有利于增加思考靈活度，從而提高學(xué)習(xí)效率。

2.《數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用技術(shù)》課程介紹

《數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用技術(shù)》是軟件技術(shù)專業(yè)的主干課程，講授數(shù)據(jù)庫(kù)的基本原理、表和列的管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與檢索、數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)等知識(shí)。本文以其中的一個(gè)內(nèi)容“列數(shù)據(jù)庫(kù)”為例，介紹翻轉(zhuǎn)課堂的應(yīng)用。列數(shù)據(jù)庫(kù)是近年來針對(duì)解決大數(shù)據(jù)問題的一種數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。列數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(Column-Oriented DBMS)是一種以列方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，亦稱為列存儲(chǔ)(C-Store,Column-Store)[2]。傳統(tǒng)的行數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(Row-Oriented DBMS)，亦稱為行存儲(chǔ)(R-Store, Row-Store)，如Oracle、SQLServer、DB2等。由于存儲(chǔ)方式的不同，列數(shù)據(jù)庫(kù)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)讀取、查詢等系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及應(yīng)用領(lǐng)域都與行數(shù)據(jù)庫(kù)存在著顯著的差異。

列數(shù)據(jù)庫(kù)是數(shù)據(jù)讀優(yōu)化(Read-optimized)系統(tǒng)，而行數(shù)據(jù)庫(kù)是數(shù)據(jù)寫優(yōu)化(write-optimized)系統(tǒng)[2]。行存儲(chǔ)將同一元組的所有屬性存放在相鄰的區(qū)域，一次磁盤寫操作便可將元組數(shù)據(jù)寫入磁盤，在寫數(shù)據(jù)時(shí)獲得較高的性能。行存儲(chǔ)適合于寫密集的OLTP(On-Line Transaction Processing)類型應(yīng)用。列存儲(chǔ)將所有元組的相同屬性列存放在相鄰區(qū)域，查詢時(shí)只讀取投影屬性，對(duì)比行存儲(chǔ)讀取所有元組屬性而言性能較高。列存儲(chǔ)更適合于讀密集的OLAP(On-Line Analytical Processing)類型應(yīng)用。另外，列存儲(chǔ)方面研究技術(shù)發(fā)展，如輕量級(jí)壓縮、后期物化和連接優(yōu)化等，使列數(shù)據(jù)庫(kù)在OLAP等讀優(yōu)化系統(tǒng)中性能對(duì)比明顯優(yōu)于行數(shù)據(jù)庫(kù)。

列數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)可追溯到上世紀(jì)七十年代。當(dāng)時(shí)，行數(shù)據(jù)庫(kù)中垂直分區(qū)(Vertical Partitioning)技術(shù)[3][4]要求為數(shù)據(jù)表的每列建立單獨(dú)的表，由于每列都附加了列ID屬性，所以性能較差。上世紀(jì)八十年代中期，學(xué)術(shù)界提出行數(shù)據(jù)庫(kù)的N元存儲(chǔ)模型(NSM, N-ary Storage Model)[5]上的分解存儲(chǔ)模型(DSM,Decomposition Storage Model)[6]，相繼一些連接算法和投影索引技術(shù)擴(kuò)展了DSM。盡管DSM適用于分析查詢，但當(dāng)時(shí)由于市場(chǎng)需求有限，DSM仍然處于非主流技術(shù)趨勢(shì)，而行數(shù)據(jù)庫(kù)一直處于主導(dǎo)地位。直到2000年以后，隨著信息技術(shù)領(lǐng)域新技術(shù)層出不窮，包括CPU性能的大幅提升、內(nèi)存容量的不斷增大、磁盤帶寬的限制和T比特級(jí)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的興起等等，促使列數(shù)據(jù)庫(kù)的研究得到快速發(fā)展并隨之產(chǎn)生大量的列數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)[7]。

3.“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式在數(shù)據(jù)庫(kù)課程中的實(shí)踐流程

3.1 制作精良的教學(xué)視頻（5分鐘以內(nèi)）

視頻作為課程主題引入，涵蓋列數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)空間布局的發(fā)展現(xiàn)狀和列數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)空間布局的重點(diǎn)、難點(diǎn)，為接下來實(shí)施“翻轉(zhuǎn)課堂”打基礎(chǔ)。視頻制作過程分三步：第一步：研究教學(xué)內(nèi)容確定教學(xué)任務(wù)，完成教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)流程；第二步：確定新知視頻內(nèi)容及課堂教學(xué)流程；第三步：視頻錄制、剪輯及學(xué)生自主學(xué)習(xí)任務(wù)單的設(shè)計(jì)。

3.2 創(chuàng)設(shè)問題導(dǎo)向的微項(xiàng)目主題（5分鐘）

給出基于列數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)空間布局的微項(xiàng)目主題，該主題以世界大學(xué)城空間平臺(tái)優(yōu)化為背景，給出世界大學(xué)城空間平臺(tái)現(xiàn)存的存儲(chǔ)空間不足的問題，啟發(fā)用本堂課程知識(shí)點(diǎn)解決此問題。

問題闡述過程如下：

我們?nèi)粘Ｊ褂玫慕虒W(xué)資源數(shù)量呈直線增長(zhǎng)趨勢(shì)，訪問量也大幅提升。海量的教學(xué)資源，包括各類文檔、圖片、視頻、師生互動(dòng)交流的信息等，給空間網(wǎng)站服務(wù)器帶來極大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理難度。同時(shí)，教學(xué)資源大量并發(fā)訪問需要快速的資源檢索和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，對(duì)空間網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器提出更高的數(shù)據(jù)處理要求。

列數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)應(yīng)用于大學(xué)城空間，將使訪問資源集中到用戶查詢所涉及的列，能夠有效降低系統(tǒng)I/O，每一列由一個(gè)線程來處理，而且由于同一列的數(shù)據(jù)類型一致，數(shù)據(jù)特征相似，極大地方便資源壓縮存儲(chǔ)。海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及查詢所引發(fā)的客戶端問題，例如空間網(wǎng)頁(yè)響應(yīng)延遲或網(wǎng)頁(yè)無(wú)法打開、空間資源訪問緩慢或無(wú)法訪問、資源存儲(chǔ)速度緩慢或丟失、多用戶同時(shí)訪問時(shí)無(wú)法響應(yīng)等等，也能夠得到極大改善。

請(qǐng)用列數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間布局方法為世界大學(xué)城空間資源存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)建模。

3.3 建立高效合作機(jī)制（25分鐘）

學(xué)生根據(jù)列數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)空間布局的理論進(jìn)行分組討論，給出微項(xiàng)目解決方案。

列數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)空間布局的知識(shí)點(diǎn)多且雜，給出的知識(shí)點(diǎn)應(yīng)注意系統(tǒng)性、連貫性，而不能僅僅依照書本要點(diǎn)。結(jié)合多種參考資料及課本歸納后的列數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)空間布局知識(shí)點(diǎn)如下：

通常，數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)頁(yè)面布局方式分為三種：行存儲(chǔ)、列存儲(chǔ)以及復(fù)合行列存儲(chǔ)的布局方式。除上述三種存儲(chǔ)布局方式外，HYRICE結(jié)構(gòu)可依據(jù)訪問數(shù)據(jù)的大小自動(dòng)將數(shù)據(jù)表拆分成幾部分[8]。圖1所示是三種典型的存儲(chǔ)頁(yè)面布局方式。其中圖1.(a)為包含ID和三個(gè)屬性(SSN,Name,Age)的Employee表；圖1.(b)為行存儲(chǔ)布局方式NSM；圖1.(c)為列存儲(chǔ)布局方式DSM；圖1.(d)為復(fù)合行列存儲(chǔ)布局方式PAX。

圖1 三種頁(yè)面布局方式

傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)采用按行存儲(chǔ)的布局方式，使用N元存儲(chǔ)模型(NSM)。NSM按記錄(元組)順序?qū)?shù)據(jù)存儲(chǔ)于每個(gè)磁盤數(shù)據(jù)頁(yè)面(Slotted Page)。在每個(gè)頁(yè)面中，從最接近頁(yè)面頭的可用空間開始，逐個(gè)插入新的記錄，同時(shí)，在頁(yè)面尾端保存指向該新紀(jì)錄的指針。如圖1.(a)NSM存儲(chǔ)模式所示,每個(gè)記錄包含一個(gè)記錄頭(RH)，頁(yè)尾的指針指向相應(yīng)的記錄頭。在查詢記錄時(shí)，從頁(yè)尾指針定位并讀取記錄，每次訪問都需要讀取該記錄的所有屬性。

按列存儲(chǔ)的頁(yè)面布局方式將記錄按屬性列分別存儲(chǔ)于不同磁盤頁(yè)面中，每個(gè)頁(yè)面只存儲(chǔ)同一屬性列的數(shù)據(jù)。列的分離存放避免了在訪問記錄時(shí)讀取不相關(guān)屬性，但需要額外的元組重建開銷。按列存儲(chǔ)布局方式可采用分解存儲(chǔ)模型(DSM)[6]或C-store [2]。世界大學(xué)城空間可采用DSM方式。DSM是一種垂直分區(qū)(每個(gè)屬性為一列)的完全分解形式，將包含n個(gè)屬性的關(guān)系垂直劃分為n個(gè)子關(guān)系，每個(gè)子關(guān)系包含兩個(gè)屬性：邏輯記錄ID、屬性值。子關(guān)系依照NSM中關(guān)系的存儲(chǔ)方式存儲(chǔ)于磁盤頁(yè)面(slotted page)。如圖1.(b)DSM存儲(chǔ)模式所示，Employee表(關(guān)系)劃分為三個(gè)屬性(子關(guān)系)，每個(gè)屬性中數(shù)據(jù)分別存放在不同的頁(yè)面文件中。C-store類似DSM，區(qū)別是每個(gè)子關(guān)系中只存儲(chǔ)屬性值而不需要邏輯記錄ID。

學(xué)生合作機(jī)制的建立應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

3.3.1 教師給出的理論知識(shí)點(diǎn)應(yīng)涵蓋微項(xiàng)目中所涉及的所有知識(shí)要點(diǎn)，并要簡(jiǎn)潔概括，以便學(xué)生短時(shí)間閱讀和理解。

3.3.2 教師分組時(shí)，每組指定負(fù)責(zé)人，并按能力分工，4-6人一組為佳。

3.3.3 學(xué)生探討時(shí)，對(duì)于知識(shí)點(diǎn)較容易的課程主題，適合采用自主探究為主、團(tuán)隊(duì)探討為輔的方式；對(duì)于難度較大的知識(shí)點(diǎn)，適合采用團(tuán)隊(duì)探討為主、自主學(xué)習(xí)為輔的方式。

3.4 教師引導(dǎo)及總結(jié)（10分鐘）

學(xué)生經(jīng)過團(tuán)隊(duì)合作探討之后，給出的建模方案需要教師的高效指導(dǎo)。此時(shí)的指導(dǎo)基于微項(xiàng)目，并結(jié)合列數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)空間布局理論知識(shí)，對(duì)于學(xué)生是有目的的學(xué)習(xí)過程。有了合作機(jī)制階段的建模基礎(chǔ)，教師高效的指導(dǎo)有利于學(xué)生對(duì)微項(xiàng)目查缺補(bǔ)漏，并對(duì)知識(shí)形成連貫體系。

對(duì)于學(xué)生的微項(xiàng)目成果，教師可將典型的小組作品進(jìn)行展示和探討，以便學(xué)生從中進(jìn)一步拓寬思路。

此外，針對(duì)學(xué)生完成微項(xiàng)目過程中的缺陷和錯(cuò)誤，教師應(yīng)單獨(dú)輔導(dǎo)，指導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)和完善，做到舉一反三。

4.啟發(fā)和收獲

“列數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)空間布局的理論”等一系列信息技術(shù)理論課程具有抽象、枯燥等特點(diǎn)，通過借鑒“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式，改變了傳統(tǒng)教學(xué)模式中教師為中心的講授式方法，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，課堂中的微項(xiàng)目將枯燥的理論知識(shí)和世界大學(xué)城空間中的實(shí)際問題相結(jié)合，使學(xué)生既能夠有目的地學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)，又有利于實(shí)際問題的解決。另外，“翻轉(zhuǎn)課堂”中師生的互動(dòng)、微項(xiàng)目展示及改進(jìn)等能夠更真實(shí)地反映學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。

[1]劉曉路，邢立寧，楊振宇，孫凱.“反轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式的實(shí)踐與思考[J].時(shí)代教育,2014,（9）:63-64.

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1671-5136(2014)02-0098-02

2014-06-15

金鑫（1980－），女，江蘇鎮(zhèn)江人，長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件學(xué)院講師、碩士。