戴牡紅

摘? 要：針對新一代NoSQL和NewSQL技術(shù)，以及軟件工程專業(yè)本科生數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)存在授課內(nèi)容陳舊、學(xué)生數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)能力不夠、課程講授與實(shí)驗(yàn)一直采用國外數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品等現(xiàn)狀，重構(gòu)數(shù)據(jù)庫教學(xué)中的講授內(nèi)容和課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。將思政教育元素融入數(shù)據(jù)庫教學(xué)中，構(gòu)建新一代數(shù)據(jù)庫教學(xué)課程知識(shí)體系。闡述大數(shù)據(jù)時(shí)代的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)課程建設(shè)研究與實(shí)踐，包括教學(xué)目標(biāo)、課程內(nèi)容、課程結(jié)構(gòu)、教學(xué)計(jì)劃和課程評(píng)價(jià)方法。實(shí)踐結(jié)果表明，學(xué)生們對最新一代的數(shù)據(jù)庫技術(shù)很感興趣，課程效果良好，有效提高了學(xué)生數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能力。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù);NoSQL;NewSQL;數(shù)據(jù)庫;課程

中圖分類號(hào)：TP392? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Aiming at the new-generation NoSQL and NewSQL technology as well as the outdated teaching contents in database course for software engineering undergraduates，insufficient student's database application system analysis and design ability，course teaching and experiment depending on foreign database products，this paper reconstructs the contents of? database teaching by means of integrating the elements of ideological and political education into the database teaching，and builds a new-generation database teaching course system.The paper describes the research and practice of database system course construction in the era of big data，including teaching objectives，course content，course structure，teaching plans and course assessment methods.Practical results show that students are very interested in the latest generation database technology and the course effect is good，which effectively improves student's database system analysis，design and implementation capabilities.

Keywords：big data;NoSQL;NewSQL;database;course

1? ?引言（Introduction）

數(shù)據(jù)庫技術(shù)在過去5到10年內(nèi)經(jīng)歷了前30多年來最重大的變化，非關(guān)系型的大規(guī)模分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，這些新技術(shù)提供了前所未有的大數(shù)據(jù)處理能力。目前國內(nèi)許多大學(xué)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)課程主要講授的內(nèi)容是關(guān)系代數(shù)、SQL語言和E-R建模，對以NoSQL、NewSQL等復(fù)雜數(shù)據(jù)的管理技術(shù)不做討論，不能適應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代企業(yè)的數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)分析需求。

2? 數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展（Development of database technology）

自1970年以來，數(shù)據(jù)庫技術(shù)發(fā)展到了第四代，如圖1所示[1]。第一代是20世紀(jì)60—70年早期的層次和網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，第二代是70年代中期開始的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，第三代是80年出現(xiàn)的對象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，以及90年出現(xiàn)的對關(guān)系模型進(jìn)行擴(kuò)展，使關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有面向?qū)ο蠊δ堋?/p>

自2000年以來，Web技術(shù)、社交網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)步導(dǎo)致全球范圍應(yīng)用程序生成的半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長勢態(tài)，此類應(yīng)用程序產(chǎn)生了各種不同的需求，包括水平可擴(kuò)展能力、支持大規(guī)模海量數(shù)據(jù)處理能力，系統(tǒng)具有高可用性和容錯(cuò)能力以應(yīng)對硬件和軟件故障，并且可以通過利用額外資源響應(yīng)客戶端請求，從而提高查詢處理速率，這就導(dǎo)致了第四代數(shù)據(jù)庫技術(shù)NoSQL和NewSQL技術(shù)的出現(xiàn)。

NoSQL數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵特征是：（1）采用圖形、樹、鍵值、文檔等表格模型以外的數(shù)據(jù)模型;（2）數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)時(shí)沒有固定的模式定義;（3）提供對水平可擴(kuò)展性的隱式支持;（4）具有最終一致性而不是強(qiáng)一致性[2]。NoSQL的另一個(gè)重要概念是CAP定理，它對分布式系統(tǒng)至關(guān)重要的屬性提供了一些約束，即一致性、可用性和分區(qū)容錯(cuò)性。CAP定理表明，分布式系統(tǒng)在任何給定時(shí)間最多只能滿足其中兩個(gè)屬性。

NewSQL是最新一代的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，它不僅提供NoSQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有的可擴(kuò)展性和可用性，還保留了傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫的ACID特性、關(guān)系數(shù)據(jù)模型和SQL查詢語言[3，4]。

3? 數(shù)據(jù)庫教學(xué)中存在的問題（Problems in database course teaching）

云計(jì)算、并行處理和分布式存儲(chǔ)技術(shù)等大數(shù)據(jù)開發(fā)技術(shù)的飛速發(fā)展，彰顯數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)中存在問題[5]。

（1）數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)以基于關(guān)系代數(shù)、SQL語言和E-R數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)模型，講授數(shù)據(jù)管理的方法和技術(shù)。這些技術(shù)與方法難以高效處理海量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。隨著新一代WEB技術(shù)的廣泛應(yīng)用，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)不適用的環(huán)境越來越多，應(yīng)運(yùn)而生了許多新的非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫處理技術(shù)NoSQL和NewSQL。因此，數(shù)據(jù)庫教學(xué)中應(yīng)增加有關(guān)NoSQL、NewSQL等新一代的數(shù)據(jù)管理技術(shù)。

（2）目前的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)課程教學(xué)主要采用MySQL、SQL Server等國外的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品。近年來，國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫正在以開源面貌煥發(fā)新一代的生機(jī)，新一代的NoSQL、NewSQL等國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫軟件正在崛起。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)課程的教學(xué)和課程實(shí)驗(yàn)中，采用主流的、最新的國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫軟件，對培養(yǎng)學(xué)生的愛國主義情懷非常有必要。

（3）高等教育的目標(biāo)是立德樹人[6]，NewSQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)對非關(guān)系型數(shù)據(jù)處理技術(shù)的優(yōu)勢及其廣泛應(yīng)用為當(dāng)前思政教育的革新指出了新的方向。將思政教育融入到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等專業(yè)課程的教學(xué)中，建立思政素材數(shù)據(jù)庫，將思政課素材潛移默化地引入到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，重新設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫課程的SQL案例和數(shù)據(jù)庫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集，采用思政素材，非常有必要[7]。

4? ?課程目標(biāo)（Course objectives）

目前NoSQL數(shù)據(jù)庫和NewSQL數(shù)據(jù)庫并沒有類似SQL的ISO/IEC標(biāo)準(zhǔn)，它們有自己獨(dú)特的功能，都是針對特定問題而開發(fā)的，并帶有它自己的基礎(chǔ)概念和交互語言。課程中我們涵蓋數(shù)據(jù)建模、SQL語言。學(xué)生將能夠達(dá)成以下目標(biāo)和能力：（1）了解關(guān)系數(shù)據(jù)庫和NewSQL數(shù)據(jù)庫的基本存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和訪問技術(shù)。（2）使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫和NewSQL數(shù)據(jù)庫特有的特征，可以依據(jù)應(yīng)用場景開發(fā)關(guān)系型和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)。（3）識(shí)別新數(shù)據(jù)庫與先前已知數(shù)據(jù)庫之間的語義相似性和差異。（4）區(qū)分常用的一致性模型。（5）根據(jù)要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的可用性、可伸縮性和一致性要求，確定要部署的NewSQL/SQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

5? ?課程建設(shè)內(nèi)容（Course construction contents）

為了上述課程目標(biāo)的達(dá)成，課程中將討論如下主題：關(guān)系數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)、關(guān)系數(shù)據(jù)模型、關(guān)系代數(shù)與SQL語言、事務(wù)處理、非關(guān)系型數(shù)據(jù)建模;NewSQL中的數(shù)據(jù)庫定義與查詢處理技術(shù)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)的開發(fā)。所有這些知識(shí)的掌握通過課堂測驗(yàn)和課程實(shí)驗(yàn)達(dá)成。課程建設(shè)的主要內(nèi)容包括：

（1）基礎(chǔ)知識(shí)講授，數(shù)據(jù)庫概念、E-R模型、SQL語言、事務(wù)處理與故障恢復(fù)技術(shù)、并發(fā)控制，以及數(shù)據(jù)庫安全訪問技術(shù)。

（2）NewSQL探究性知識(shí)講授，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)表示方法;NewSQL數(shù)據(jù)建模方式，主要有key-value、Column-oriented、Document等;主流的NoSQL、NewSQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概念;NoSQL的CAP理論。

（3）設(shè)計(jì)新的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)，以思想政治素材數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)貫穿數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)新的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采用思想政治素材數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。

（4）采用TiDB NewSQL進(jìn)行教學(xué)與實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的愛國主義情操。TiDB是國內(nèi)PingCAP團(tuán)隊(duì)開發(fā)的一個(gè)分布式NewSQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，TiDB支持傳統(tǒng)RDBMS和NoSQL的特性。在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域，國產(chǎn)正在崛起！國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫的探索者和專家們，為我們呈現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的隱秘世界和國產(chǎn)力量，我們將帶領(lǐng)學(xué)生跟隨國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫領(lǐng)路人的步伐，去發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫的強(qiáng)大。

6? ?課程組織結(jié)構(gòu)（Course organization）

課程要求學(xué)生在掌握數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，具有自主學(xué)習(xí)能力和工程項(xiàng)目能力，我們將這一理念貫穿在數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)的整個(gè)環(huán)節(jié)，通過課程講授、課程測驗(yàn)、小班討論、課程實(shí)驗(yàn)和小組項(xiàng)目開發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

6.1? ?課程講授和課程測驗(yàn)

上課講授核心的基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用開發(fā)技能，并且針對課堂上介紹的各種概念、技術(shù)，設(shè)計(jì)各種小的課堂測驗(yàn)，以便了解學(xué)生們的掌握程度。

6.2? ?小班討論

課程設(shè)計(jì)了4次、8個(gè)學(xué)時(shí)的小班討論。每個(gè)小班分成由3—4個(gè)學(xué)生組成的討論小組，就數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的完整性約束、查詢與統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)過程、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、事務(wù)管理、NewSQL等關(guān)鍵問題和項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)行研討，由學(xué)生宣講，其他同學(xué)參與討論，老師進(jìn)行綜述與點(diǎn)評(píng)。

6.3? ?課程實(shí)驗(yàn)

數(shù)據(jù)庫技術(shù)的掌握，需要學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)手再動(dòng)手。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中給出了軟件開發(fā)公司所使用的最新技術(shù)說明，通過實(shí)際的操作和實(shí)驗(yàn)，鞏固課堂教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生掌握數(shù)據(jù)庫建模技術(shù)、SQL定義和查詢處理技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力。每次實(shí)驗(yàn)前，教師向?qū)W生講清實(shí)驗(yàn)的整體要求及實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)任務(wù)，實(shí)驗(yàn)1人一組，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，由學(xué)生獨(dú)立完成，出現(xiàn)問題時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立分析和解決，所有實(shí)驗(yàn)為一整體，有其延續(xù)性，每一次實(shí)驗(yàn)必須在實(shí)驗(yàn)課堂上認(rèn)真完成。

6.4? ?小組項(xiàng)目

每個(gè)班級(jí)在課程的小班討論中組成的項(xiàng)目小組必須利用課余時(shí)間完成一個(gè)使用NewSQL系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用項(xiàng)目，滿足最低的功能復(fù)雜性要求。小組項(xiàng)目的目標(biāo)是讓學(xué)生學(xué)習(xí)和使用NewSQL數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的分析、建模和實(shí)現(xiàn)能力，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、知識(shí)獲取和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，提高創(chuàng)新能力，使之較早滿足企業(yè)需求。

7? ?教學(xué)計(jì)劃（Teaching plan）

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)過程中，強(qiáng)調(diào)認(rèn)知數(shù)據(jù)庫的特征與特性、面臨的問題及其解決方案，力求讓學(xué)生對數(shù)據(jù)庫知識(shí)的認(rèn)知達(dá)到“當(dāng)前面臨這些問題，自然要這樣做”的感性高度。課程以案例作為載體，展示數(shù)據(jù)庫的特征與特性，然后引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行觀察和分析，把專業(yè)知識(shí)通俗化、形象化、直觀化和具體化。課程將工具的使用作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)，強(qiáng)化學(xué)生將課程知識(shí)與解決具體實(shí)際問題相結(jié)合的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生通過解決具體實(shí)際問題，對數(shù)據(jù)庫理論知識(shí)有了更好的理解和掌握。課程的總評(píng)成績計(jì)算方法如下：總評(píng)成績=課堂測試10%+小班討論10%+期中考試10%+課程實(shí)驗(yàn)10%+作業(yè)10%+期末考試30%+小組項(xiàng)目20%。在教學(xué)中，我們強(qiáng)調(diào)的是數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)和應(yīng)用開發(fā)技能的培養(yǎng)，課程實(shí)驗(yàn)，老師自己編寫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生獨(dú)立完成，并且每一個(gè)實(shí)驗(yàn)完成后必須發(fā)到老師的郵箱，老師對學(xué)生的每一次實(shí)驗(yàn)都要檢查。這門課程學(xué)生的到課率是很高的，對每一次作業(yè)老師都會(huì)認(rèn)真批改，許多學(xué)生認(rèn)真完成了作業(yè)，許多學(xué)生認(rèn)真做了實(shí)驗(yàn)，對作業(yè)中出現(xiàn)的普遍性問題在習(xí)題課上重點(diǎn)講解，并且對所有的作業(yè)都給學(xué)生參考答案。所有的小班討論課，全部是由老師組織，沒有交給助教。任課教師希望20多年數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)分享給學(xué)生們。每一次課程的SQL代碼，講解的內(nèi)容在課后4個(gè)小時(shí)內(nèi)都會(huì)上傳到課程網(wǎng)站。學(xué)生們普遍反映能夠?qū)W到東西，成績效果良好。

9? ?結(jié)論（Conclusion）

NewSQL數(shù)據(jù)庫越來越多地用于大數(shù)據(jù)時(shí)代的Web應(yīng)用系統(tǒng)之中，目前的本科數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)主要側(cè)重于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，對各種類型NewSQL和面向NewSQL的新數(shù)據(jù)模型的掌握是目前迫切需要學(xué)生掌握的技能。我們將新的技術(shù)融合到數(shù)據(jù)庫課程的教學(xué)之中進(jìn)行了有意義的探索，取得了一定成效。目前課程總評(píng)成績的計(jì)算由課堂測試、小班討論、期中考試、課程實(shí)驗(yàn)、作業(yè)、期末考試和小組項(xiàng)目等過程組成，各個(gè)部分所占比重如何合理？將是未來的教學(xué)中著重探究的問題。

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