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1、数据库系统实验教学设计的指导思想研究 摘要：本文分析并总结了我们在进行综合型和设计型实验的实验设计和教学中具有指导意义的教学思想。这些思想已经成功贯彻于数据库实验教材的编写和教育部-微软精品课程的实施中，并对其他从事数据库教学的老师具有借鉴意义。 “数据库系统概论”是计算机专业学生在本科阶段的一门必修课,也是学生在今后的理论研究与工作实践中一项重要的基本功。实验内容按其实践目的分为：操作性、验证性、设计性、综合性四类实验。不同类型的实验有不同的实践目标，采用不同的方式来指导学生。通过实验和相关的课程的理论知识有机整合，相辅相成。使学生可以一步步构建起自己的知识和能力体系，充分领会课程的精髓，并
2、锻炼分析问题和解决问题的能力。但一直以来在数据库实验设计案例中，将案例设计从操作型、验证型向设计型、综合型转化一直是数据库实践教学的难点。 以往实验设计角度重操作和开发，本着“我说你跟着做”的实验设计角度，而我们的实验案例设计的是：在完成“任务”的过程中引导和培养分析问题、解决问题以及用数据库技术处理信息的能力和思维模式。我们实验设计的角度以及运用到的思维原则包括： (1) 通过DBMS系统边界探索确定边界处理边界遗留问题，深刻掌握理论在实际产品中的得到的应用和支持，对于产品不支持的部分，我们如何利用所学理论进行解决。 目前的数据库产品体系庞大，功能繁多，想涉及如此庞大的数据库产品体系是一件难
3、以想象的事,如果学生所做的实验只停留在操作和开发的试验层次，会使其淹没在大量的工具和功能中，解决实际问题时容易缺乏方向感。数据库理论是解决问题最好的指南针，而本科理论教学阐述的原理在实际商业产品中的实现是存在大量的差异的，如何用理论去理解实际的产品实现的异同？首先通过验证实验去探索完备的理论在实际产品中哪些得到了实现，哪些没有实现？测试了DBMS产品的边界后引导学生主动思考现象的成因。而没有在实际产品中实现的理论部分是否会影响问题解决的完备性，再通过设计性实验来解决这些问题，再通过验证实验来检验问题是否能得到解决。实验设计的思路为验证-设计-验证，使学生从现象出发-用数据库分析问题成因并解决问
4、题-最后再从现象的角度进行验证。通过这种方式帮助学生深入了解DBMS与用户的边界，理论和实际的边界，而非停留在仅会使用和操作的层次，同时思维能力也得到一个锻炼和提升。 例如并发控制的综合型设计实验是这样设计的：一个并发控制是否正确是由是否能达到可串行性和可恢复性所决定的，在隔离级别的实验中，我们首先通过设置不同隔离级别，来验证不同隔离级别下会产生的问题，引导学生观察在指定的隔离级别下可能产生的不一致现象。并通过观察锁的类型、上锁和释放锁的时间，上锁的粒度和对象引导学生观察并分析形成问题的成因。最后通过学生完成大实验设计的形式请学生用多种方法解决各种隔离级别的不一致现象。要求对比各种方法的复杂度
5、、并发度、一致性等指标来分析各种解决方案适宜的数据环境。 (2) 正反案例对比设计(索引设计/范式设计/系统调优)引导“折衷”思维 在ACM和IEEE发布的计算机学科教育的报告以及我国教学指导部门提出的“计算机学科专业教学计划”中，均强调教师在教学中应该揭示并引导学生注意计算机学科内在联系的12 个重复出现的基本准则(如大问题的复杂性、一致性和完备性、概念和形式模型、时间与空间性能分析、折衷和结论等，是否能对这些准则的深入理解和应用的能力是衡量学生成为计算机科学家和工程师的重要标志之一。 数据库课程中存在着大量的实践教学案例是需要“折衷和结论”这一思维模式的指导的。例如模式设计中所达到的范式级
6、别是数据一致性维护、空间代价和多表查询速度之间的折衷，数据适度的冗余也是数据一致性维护、空间代价和查询速度之间的折衷，系统性能调优是各系统性能指标间的折衷，索引设计是读操作速度和写操作速度之间的折衷，隔离级别的选择是并发性和一致性的折衷，锁粒度的设计是并发度和开销的折衷。 设计实验案例时首先充分地通过正反例对比设计的方法来引导学生理解“折衷和结论”准则的必要性：通过观察正例和反例来理解事物的两面性，以及每一方面所造成的影响，并且引导学生理解：事物的两面所造成影响之间的矛盾性和不可同时，因此两者之间往往在一定制约条件下必须“折衷”。学生明白了用折衷的原则思维的必要性后，进而引导学生如何用这一准则
7、来进行思维。 例如某个表中有庞大的数据量，起初没有建立索引，请学生感知查找速度和更新速度，并得到查找速度和更新速度的具体时间值；然后建立索引，再请学生执行同样的查询和更新，请学生感知查找和更新速度，并得到具体的时间值。对比索引建立前后的速度差异。学生体会到建立索引这种设计给读、写操作带来了完全不同的影响，理解到建立索引这个机制的两面性，因而明白了需要折衷的原由。然后再通过一些案例请学生分析什么情况下需要建立索引，引导学生用折衷的原则进行思维。由于在实验教学中学生采用折衷思维得到的大部分结果指标(如执行时间、存储空间等)是可量化的，所以通过观察这些量化的指标可以非常有效地帮助学生理解数据库理论课中所倡导的基本思想。 (3) 项目案例教学，引导系统化思维 在数据库系统设计以及系统性能优化过程中，各种影响因素间相互作用，如何引导学生从全局和系统的角度去进行设计和优化呢？例如一个系统存在性能问题，可以引导学生从硬件环境的角度，代码的角度，数据模式的角度，物理设计的角度，并发控制的角度去逐步试探，逐一排除。系统是立体的，非平面的，根据木桶定理性能由最低的那块木板决定，而排除了最低的那块木板后又会引出新的最低的木板。思考一个系统问题时需要根据不同的应用需求、软件和硬件环境，采用系统论的方法找到系统最优的解。 目前这些思想已经成功贯彻于数据库实验教材的编写和教育部微软精品课程的实施中。