0 引 言
随着近几年以大数据为基础的云计算、人工智能、物联网等快速发展，国家新工科工程教育改革以及“金课”计划的推行，传统数据库课程教材面临一系列挑战，亟待改革，这是技术发展的呼唤，也是提高学生学习兴趣、提高教学质量、加强人才技术素质的迫切需求。融合传统数据库关键技术与大数据最新进展，是数据库课程教材改革的必然趋势。
在任何课程的教学活动中，教材都是不可缺少的要素，不仅要融合传统关键技术，而且要契合技术发展的新需求。一本好的教材可以启发学生的思维，也方便教师讲授，同时还要有质量优异的习题，以巩固学生对知识点的理解。
1 现有数据库系统原理教材现状及需求
1.1 现有教材的缺陷
数据库技术是目前计算机技术的核心之一，因此，数据库技术也成为目前高校计算机基础课程的重要组成部分。现有数据库教材能够教授学生系统的数据库理念，培养应用能力，便于学生自学和实践，但是现有教材都是服务于传统课堂，按照固定的顺序组织教学内容，虽适合教师讲解和学生按照教材编排方式理解知识点，但容易造成学生理解不深刻，课堂积极性不高，不利于学生批判性思维的培养。现有教材也片面强调按照既定逻辑关系的知识点组织与知识讲解，无法适应现代信息技术与教育教学的深度融合，不利于教学模式创新，同时，在大数据技术蓬勃发展的今天，数据库教材不能没有大数据的相关知识。虽然也有部分教材添加了大数据内容，但割裂了传统数据库技术与大数据技术之间的关系，一些知识点与相关课程关联知识点的表述上存在断裂或冲突，易于造成学生学习时的困惑。
1.2 需 求
1.2.1 思政教育需求
为积极响应习总书记号召，在思想政治教育工作中用好专业课教学这个渠道，教材在设计时应加强思想教育建设，更深入、更广泛地挖掘数据库课程内容中的思政元素，实现思政教育与课程无缝融合 [1]。寓价值观引导于知识传授和能力培养中，帮助学生塑造正确的世界观、人生观、价值观，是落实立德树人根本任务，履行为党育人、为国育才光荣使命的关键。
1.2.2 技术需求
关系数据库管理系统在发展历程中曾击败过很多竞争者，但它们都没有涉及基础架构上的变化，数据库管理系统的主要组成仍与其初生时差别不大。而大数据技术与传统数据库技术在很多方面不同甚至相反，比如传统数据库崇尚高范式而大数据追求低范式，甚至放弃范式约束 [2]。
大数据技术如今已经融合到社会生产生活的方方面面：电子商务、智能电网、 MOOC 平台等。但现有的数据库教材大多数只是涵盖传统数据库关键技术，很少涉及大数据技术，或者干脆将数据库课程与大数据技术隔离开来教学。然而，传统数据库技术和大数据技术都是数据管理技术，数据库技术是大数据技术的基础和依托，大数据技术则是数据库技术的延伸和发展。现有教材的两种处理方式都是仅仅看到了大数据技术和数据库技术的明显差异这个表象，而忽视了作为数据管理技术二者本质是相通的这一实质。因此，如何将传统数据库关键技术与当前的大数据技术结合起来，是目前数据库教材急迫需要解决的问题。
1.2.3 教材本身需求
目前市面上教材有的就操作讲操作，很少提及数据库原理和基本概念，有的只讲传统的数据库关键技术，很少将最新发展如大数据技术等纳入教材中 [3]。同时，很多数据库教材都是沿用上世纪教材的知识核心，或者在此基础上做了少量修改。在很多概念上，为了方便大众理解，牺牲了知识点的准确性和涵盖内容的全面性。
在围绕培养学生核心竞争能力的高等教育改革不断深化的今天，教育部发布《关于一流本科课程建设的实施意见》要求以提升教学效果为目的创新教学方法；杜绝单纯知识传递、忽视能力素质培养的现象；杜绝信息技术应用的简单化、形式化；杜绝教师满堂灌、学生被动听的现象。面向传统课堂的教材无法适应新的教学模式，无法与师生互动、生生互动相融合。
因此，重新梳理数据库课程的知识点体系，打破固有模式，服务信息化条件下的翻转课堂等新教学模式，促进学生发散思维、创新精神和高阶能力培养，是面向新时代建设数据库教材的重要任务。
2 适应新时代的数据库系统原理教材建设思路
2.1 思政元素创新
广泛深入地挖掘数据库课程内容中的思政元素，将思政教学元素融入数据库教材中，并非是在专业知识讲解后联系思政，而是实现思政教育与课程无缝融合，在数据库知识和能力的培养过程中自然渗透科学创新与爱国奉献精神。从科学创新、爱国奉献、民族自信、传统文化等多方面入手，知识点讲解都以正能量的思政案例为依托，教学的每个环节包括知识讲授所用案例、实验辅导用案例、实验报告案例、作业测验以及期末考试案例都围绕“社会主义核心价值观、家国情怀和大国工匠案例”来展开，从而让思政无缝渗透到教材的每一个角落、教学的每个环节，使学生在课程中不仅领略到世界前沿技术，同时了解中国智慧，激发学生的中国道路自信。这种教材中结合思政建设的方式在此前国内外的数据库教材中都未曾涉及过。
2.2 技术内容创新
改变传统数据库和大数据技术相对立的认识，辩证看待传统数据库和大数据技术之间的对立统一性，从数据访问语言、数据模型设计和系统实现 3 个层面对比分析传统数据库和大数据技术，梳理系统架构和知识点之间的对应性，促进传统数据库管理思想和大数据管理思想的融合统一。通过案例分析，解析传统数据管理和大数据管理中数据库技术的基本思想和特点，融合理论与实践。站在大数据管理的角度，阐述数据库设计和实现的新思想，在数据库设计和实现的阐述中融入大数据思维，同时讲述数据管理技术的发展趋势，从数据库管理系统结构发展的角度认识大数据技术，从数据存储、存取，分布式文件系统、数据模型、语言和应用等多层次归纳总结大数据技术。
以数据管理系统的总目标“安全、简单、高效地共享数据”为线索贯穿全书内容，使得全书知识点有机地融为一体。梳理相关课程如信息安全、操作系统、数据结构、组成原理等相应技术方向的最新技术进步 , 研磨与这些课程间的联系，实现无缝平滑衔接，使得学生对数据库课教材的学习与其他相关课程学习形成相互促进的态势。
2.3 教材内容创新
打破全部内容按“基础知识与语言、数据库设计和系统实现”三大阶段组织的原有方式，根据知识点之间的逻辑关联度的强弱重新梳理，把教材内容整合为若干知识点群，按知识点群的拓扑关系组织教材；每个知识点群中的知识点按其性质分级组织成“事实、概念、技能、原理、问题解决” 5 个台阶，补充完善“问题解决”方面等高阶能力培养的教材资源，以便更好地匹配线上线下混合式教学模式。本教材还改变了传统教材单纯线性的固定内容组织方式，提供知识点连接关系的知识图谱，支持个性化学习。
3 教材改革创新实践
新时代的数据库系统原理教材应能体现先进性、高阶性和挑战度。需要在课程思政上、内容上以及适应新教学模式方面进行创新。
3.1 纳入“新知识”
纳入数据管理技术的最新发展，深度梳理课程知识点体系，如图 1 所示，研磨与信息安全、操作系统、数据结构、组成原理等相关课程的关系，实现无缝平滑衔接。
数据安全是数据库技术广泛使用的前提条件，也是数据库管理系统的重要目标。利用数据保护技术，保护数据安全是以数据库为中心的应用系统必不可少的方面。当前的大数据管理技术，主要是利用多副本存储技术维护数据可用性，关于专门针对大数据的保密性和完整性保护越来越受关注并有待进一步探索。
在讲数据库存储和存取的时候，特别结合了操作系统的文件管理技术，组成原理的存储器件、磁盘、并发控制等技术。结合数据结构的知识点，将数据库文件组织、文件中元组组织、索引以及数据字典的存储讲解的更简明易懂。
3.2 融入“新认识”
对传统数据库课程知识点即旧知识有新的、更深刻的认识。站在大数据管理的角度，讲述数据库设计和实现的新思想，在数据库设计和实现的讲述中融入大数据思维，针对各种数据密集系统的共性，拓展传统数据库关键技术方法，讲解数据管理技术发展趋势，并对大数据管理进行简介，是大数据时代数据库教学的尝试和实践。同时，本书梳理了数据保护知识体系，把知识碎片变得系统化，更加清晰准确地讲解了数据的保密性、完整性以及可用性。
3.3 梳理“新结构”
重新梳理课程知识体系结构。以安全、简单、高效地共享数据这个总目标为线索贯穿全书知识点，如图 2 所示。先讲语言，让学生通过上机使用数据库，对数据库有直观了解，再讲数据库设计，最后讲实现，由浅到深，由外到内，便于理解。
在简单性方面，首先使用非常简单的关系模式，使得数据库设计和访问都像面对的是日常使用广泛的最简单形式的表格；进而使用一种说明型的语言 SQL，非常接近自然语言，易学易用；采用三层模式两级映射，获得良好的数据独立性，物理模式的调整和模式的调整都独立于应用程序，从而使得调整物理模式以优化系统性能和扩展模式以增加新的系统功能等都变得简单。
在性能方面，由于软件提供简单性时，通常都会带来性能问题。通过改进查询优化技术，加之硬件性能的提升，使得关系数据库的性能获得发展；软件机制自动地处理故障，这也能改进故障处理时的性能；另外，也可以用索引、物化视图、解规范化来改进性能。
在安全性方面，视图仅允许用户可见其所需数据，视图和权限管理一起实现数据访问的控制；完整性约束能防止不正确的数据进入数据库；允许事务并发执行虽能带来性能上的好处，但需要对并发进行管控以保证并发访问时的数据完整性，并发控制机制可以保证并发情况下的数据完整性；恢复机制能够保障故障情况下的数据完整性；另外，还可以对数据进行加密，以保证重要数据的机密性。安全性和高效性可能有冲突，但安全功能的使用很简单，同时事务恢复使得故障的处理不需要人为干预，提高了故障处理的效率。
3.4 采用“新案例”
内容适当、易于理解的数据库实例有利于帮助学生理解项目的内在规则和题目的含义。一些教材采用物流控制和货品管理类实例作为样例数据库，由于在读本科生没有企业管理的相关经验，很难理解数据库样例中的内涵，也就不能很简单地明白其中的数据流程，在分析表间关系时浪费了很多不必要的时间。以应急管理、网络考试系统和“抗疫英雄”作为教学案例，用学生都熟悉的考试系统作为样例内容，贴近学生的生活，便于学生分析牢记各表之间的联系。用应急管理作为样例内容，方便学生接触到当前主要灾难应急的处理方案，拓宽了学生的知识面。而用“抗疫英雄”作为样例内容，让学生学习到抗击疫情的英雄事迹，增进了学生的爱国精神。用这 3 个案例数据库纵贯全书，实施案例驱动的教学。
不仅如此，在上机实验指导教学中使用“课程思政”的实验数据。在家国情怀方面，建立“国家奖励数据库”“抗美援朝”数据库，弘扬爱国精神，戮力中华民族伟大复兴；在社会主义核心价值观方面，建立“感动中国年度人物”“抗疫英雄”“德育教育数据库”，弘扬社会主义核心价值观，培育社会主义道德品质；在“大国工匠”方面，建立“诺贝尔奖得主”“大国工匠”“图灵奖”，通过实际案例弘扬爱国主义与社会主义核心价值观，从而达到树德立人，全方位育人的课程效果。
3.5 构建“新习题”
形成完善的特色习题集，包括随堂练习、单元测试、期末测验等，有整套的题集。
3.6 建立“新模式”
建立增量式实验组织模式，习新温故，迭代前行。附录整套的实验指导书、实验讲解 ppt、实验报告要求及提纲、实验报告样板、实验报告评分标准细则、学生实验碰到的各种问题及讨论答疑，可有效支持实施增强混合学习。配合网上学习，针对实验操作、课程重难点适时穿插视频交互式直播进行讲解和答疑。
4 应用情况与效果
本教材（党德鹏 . 数据库应用、设计与实现（第二版），清华大学出版社）已被北京师范大学、南昌大学、暨南大学等 39 所高校用作教材，并被天津大学、北京师范大学、福建工程学院等多所高校图书馆收藏。自 2018 年 9 月，基于该教材建设的 MOOC 课程“数据库系统原理”上线以来，吸引了 329 所高校学生和社会学习者共计57 000 余名学员，他们来自南洋理工大学、釜山大学、慕尼黑大学等，以及清华大学、北京大学、国防科技大学等国内外著名大学。
该教材用于北京师范大学本科生“数据库系统原理”课程， 2018 秋季学期参与课程 127 人，2019 秋季学期参与课程 136 人， 2020 秋季学期参与课程 157 人。其中已经结课的 2018 秋季和2019 秋季学期参与课程的 263 人中，选课学生212 人，课程服务人员 18 人，有 33 位老师参观听课，单元测验客观题按时完成率 98.8%；主观题按时完成率 98.3%；主观题按时参与互评率98.1%。课程总成绩优秀（大于等于 90 分）74 人，合格（60—90 分之间） 136 人，不合格 2 人。学生评价道：“紧跟时事，精选思政案例，设计了合情合理，容易接受的创新实例。”“基于国家扶贫数据库的综合应用实验，不仅使我们较全面地综合运用了课程所学知识，同时了解了扶贫工程取得的显著成就，看到国家和那么多扶贫干部为落后地区的付出，感受了满满正能量。”
南昌大学软件工程学院选用该教材，对本院学生开设数据库系统原理课程，选课学生百余名，授课教师评价道：“该教材将大数据和数据库技术进行了深度融合……，打破了现有数据库教材中传统数据库设计思想的局限。……独到的教学设计对学生成长很重要，……学生反响非常好”。
5 结 语
新时代数据库系统原理教材在技术知识中无缝融入课程思政内容；深度融合传统数据库和大数据技术知识；按知识递进分层次组织内容模块，自然匹配翻转课堂等新教学模式。基于本教材进行教学学习，将使学生对数据库知识产生更深刻的理解，形成更完善的认知结构，同时本教材还将使学生受到正能量的熏陶，培养学生的奉献精神和爱国精神，并提高学生的技术素质和创新思维，完成全面育人的目标。
参考文献：
[1] 徐悦竹, 杨悦, 王宇华, 等. “思政+”背景下的数据库原理课程教育模式探析[J]. 计算机教育, 2019(11): 16-19.
[2] 窦亮, 徐飞, 谷林涛. 大数据背景下数据库系统实践课程的教学改革[J]. 计算机教育, 2018(4): 117-120.
[3] Abraham S. Database system concepts(seventh edition)[M]. New York: McGraw-Hill, 2020.
基金项目：国家自然科学基金项目（61672102）；国家重点研发计划项目（2020YFC1523303）；北京师范大学首批本科大规模在线开放课程建设项目“数据库系统原理”（16-03-26）。
第一作者简介：党德鹏，男，北京师范大学教授，研究方向为移动实时数据库，数据管理、分析与服务软件，人工智能技术在应急、国防、教育等领域的应用，ddepeng@bnu.edu.cn。
引文格式：党德鹏，高虎，杨竞帆，等. 新时代数据库系统原理教材建设实践[J].计算机教育,2022(11):200-204.
转自：“计算机教育”微信公众号
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