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数字化时代背景下的数据库课程教学改革

2024-11-12 4 上传者：管理员

摘要：基于数字化时代计算机类课程带来的新挑战和变革，分析数据库课程教学改革研究现状，提出数字化时代数据库课程教学改革思路，介绍具体教学改革过程，最后说明教学改革效果，以期对计算机类课程改革和优化提供一定的参考。

关键词：
专业建设数字化
教学改革
数字化时代
数据库课程
高等教育数字化
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2023年在中国计算机学会第三期CCF秀湖会议上，与会专家以“人工智能时代，计算机课程体系该如何变革”[1]为题进行了集中研讨，分别从两个视角(“教学 for AI”和“AI for 教学”)探讨了不同类别计算机课程的数字化教学改革方案。高等教育数字化建设已引起了教育界的高度重视，计算机类课程应尽快适应数字化时代发展的迫切需求。

数据库已成为数据化时代社会经济运行的关键技术和支撑数字经济高质量发展的关键力量，与此同时，数据库课程在高校计算机类专业的重要性也不断提升。

1、数据库课程教学改革研究现状

(1)在混合式教学方面，文献[2]在分析混合式教学过程特征指标的基础上，对混合式教学提出了相关建议和改进措施。文献[3]通过分析混合式教育背景下课程思政的可行性，论述了混合教学过程中课程思政教育的载体途径以及建设成效。文献[4]基于“基础理论+SQL测试+应用案例开发”思想，提出了面向openGauss的线下教学和线上资源设计混合的教学模式。文献[5]基于翻转课堂提出了面向实际问题的课堂内容重构、结合项目管理的课程设计实施、基于互动反馈的教学大纲优化、注重多元融合的教改效果评估等教学改革思路。

(2)在引入OBE理念的教学方面，文献[6]提出按照OBE理念重构数据库系统设计课程目标和教学内容，进而通过课程目标达成度说明课程教学效果。文献[7]结合课程实际教学过程中遇到的问题，提出了基于OBE的Oracle数据库技术教学改革方案。文献[8]结合OBE理念开展了线上线下混合式教学，探讨了OBE理念下的数据库技术课程改革方向与具体举措。

综上可知，在“数字化时代”背景下，一方面数字化的教学手段成为未来教育的发展趋势[9]，如翻转课堂、混合教学等，另一方面随着数字化建设的推进，各行各业都迫切需要数据库课程为其提供专业知识和技术支撑，如电商[10]、财务[11]、电信[12]等，从而给高校数据库课程的教学带来许多新的挑战，要求教师必须以新思维、新理念、新方式、新体系、新模式应对数字化的新形势，将数字化的手段和目标融入课程教学体系，培养能够适应数字化时代发展和未来变化的高素质工程人才[13]。

2、数字化时代数据库课程教学改革思路

数字化时代数据库课程教学改革思路如图1所示。对于教师来说，应该在常态化教学中提高数字技能积极应对“数字化”时代的发展趋势。

3、课程教学改革过程

3.1 运用新平台新技术的数字化教学方式

数据库系统作为高校计算机相关专业的基础核心课程，具有理论与实践结合紧密、综合性较强等特点。为了积极应对“数字化”时代的发展趋势，教学团队结合课程的特点积极优化数字教学过程，充分利用当前的新平台新技术，及时更新数字化教学内容和教学形式，让学生可以有更多的机会接触并使用数字化技术，在潜移默化中提升数字化意识以及创新思维与能力[14]。

1)开辟多种交流渠道，保障教学效果。

自2019年至今，一直采用“雨课堂”、企业微信等平台进行线上教学和互动反馈，并取得了良好的教学效果[15]。灵活运用多种交流渠道，不断提高教学能力和水平，使教学质量和效果得到保障。

2)开发知识点演示系统，完善在线学习服务。

学生在课后可以使用网络教学资源进行自主学习，进一步巩固所学知识，查缺补漏。课程团队将教学课程、实验内容和关键知识点等课程资料制作成教学视频，形成网络教学资源库上传至系统，并对其持续进行更新和维护。

3)运用大模型作为教学助手，提高教学效率。

大模型能够较好地理解自然语言并进行文本生成，用户可以通过零样本提示或少样本上下文学习使用大模型。对于数据库课程，从以下3个方面探索了大模型使用。

(1)智能答疑，将大模型接入到课堂中，帮助回答关于数据库的问题。

例如“请问数据库查询优化需要注意什么”，模型会回答“数据库查询优化是提高数据库性能的重要步骤。以下是一些在数据库查询优化中需要注意的关键点：①理解查询需求：首先，你需要理解查询的需求以及如何优化。②使用索引：索引是提高查询性能的关键。确保对经常用于查询条件(如 WHERE、JOIN 等子句)的列建立索引。③避免全表扫描：尽量避免在没有索引或使……”。

(2)大模型作为数据库自然语言查询接口的应用。

测试了使用少样本上下文提示学习来完成数据库的自然语言查询任务，如“自然语言N1，SQL S1；自然语言N2，SQL S2；自然语言N3，SQL S3。自然语言N4，请给出其对应的SQL语句”。

图1 数字化时代数据库课程教学改革思路

(3)题库自动生成。

设计种子题库，然后通过大模型自动变形出上百倍的相似题目。此方法大大节省了教师在出题和判题上的时间和精力，且有助于学生充分练习相关的知识点。

基于大模型的教学助手可以帮助教师提高教学质量，降低工作负担，同时也可以帮助学生更高效地学习，获得更好的学习效果。

3.2 设计适合“数字化”人才需求的教学目标

以学生为中心，以产出为导向成为“双一流”和“新工科”建设以及工程教育专业认证的共同教育目标[14]。数字化时代对计算机相关专业的学生提出了更高的要求。为此，根据学生专业特点，结合“数字化”人才需求积极调整教学大纲和教学计划，采取分层分级的课程培养目标并配套设置相应的教学方案，具体分为基础级、提升级和拔高级(如图1所示)。

1)基础级。

对于每个专业的学生，基础级的课程内容是必须掌握的。基础内容聚焦教材中的基本知识和教学重难点等，通过教学使学生具备基本专业知识及初步的设计经验。对于基础内容，仍沿用先教后学的传统模式，由教师引导学生入门，学生通过课堂学习和课后练习打好基础，具体教学方案如文献[5]和[15]所述。值得一提的是，学生可以根据基础题库的特点进行有针对性的练习，可以有效地提高教学质量。目前，题库里仅有客观题，学生可以自行查看答题情况。下一步将会丰富题库的题型，学生可通过设置题型分布、难度分布、考核范围分布等详细参数进行选择。

2)提升级。

在掌握数据库基础理论和操作开发的基础上，需要为不同专业学生设计不同的提升级教学内容。①对于计算机科学与技术专业的学生，需要提升性能优化、查询优化以及事务处理等应用系统开发方面的实践能力。可在教学中引入数据库应用系统设计工程师技术水平证书(SQL)上机考题和数据库系统工程师应用技术考题。数据库系统工程师应用技术考题是与行业结合紧密的实战内容，学生通过练习考题可进一步提高动手实践能力以及灵活应用数据库命令解决实际问题的能力。②对于数据科学与大数据专业的学生，需要掌握大数据分析和管理、数据挖掘等方面相关前沿知识，提升数据分析应用的能力。为此，可以引入与大数据分析与管理、数据挖掘、机器学习等相关的前沿知识，并增设非关系型数据库原理的教学内容，如图数据挖掘、知识图谱等。③对于人工智能专业的学生，更注重数据库与人工智能技术的融合，还需要提升学生在人工智能场景的工程实践动手能力。为此，可以增加与大语言模型相关的教学内容，引入向量数据库的相关概念和技术，将传统案例逐步过渡到人工智能案例。

3)拔高级。

鼓励学有余力的学生参加数据库相关的竞赛，帮助他们从比赛中学习如何解决数据库的疑难杂症，获取实用的技术能力。课程团队组织学生参与了2023全国大学生计算机系统能力大赛暨第三届OceanBase数据库大赛，并获得了山西省第一名的成绩，该项比赛已经连续举办三届，2023 年升级为国赛，比赛基于 OceanBase数据库，为选手提供了真正体验工业级数据库内核的机会，要求参赛者在比赛中既能够运用理论知识，又能够通过实际操作深入理解数据库内核的工作原理。

3.3 开展实际应用驱动的综合性课程设计

数据库课程既有理论部分又有实践部分，仅通过教师讲解，学生体会不够深，容易使知识碎片化，不能自成体系，因此，很多高校的数据库课程增加了课程设计环节，帮助学生学会将所学的理论知识应用于实际项目的各个环节，有关综合性实验教学的具体做法可参考文献[5]和[15]。

针对在校学生接触实际项目较少，没有实际开发软件的工作经验等特点，课程团队在之前教学经验的基础上，结合学生比较熟悉的校园环境，设计了以数字化校园为应用背景的综合性课题，并对任务书和需求分析两个环节进行了优化。

1)任务书。

要求学生在需求调查阶段，完成任务书，明确系统的功能和技术指标。为了确保任务顺利完成，将学生分组由之前的第10周提前到第3周开始，每个小组在综合考虑成员兴趣爱好的基础上选择数字化校园数据库题目，具体题目见表1。任务书旨在设计并实现一个高效、安全、可扩展的数字化校园数据库系统，以满足学校在教学、管理、服务等方面的需求，初步介绍系统的功能和技术指标。

表1 数字化校园分解题目

2)需求分析。

在需求分析阶段，学生小组需要亲自去学校相关部门进行调研。通过实地考查和与相关人员进行面对面的交流，可以更深入地了解学校的实际需求和运营情况，从而更好地设计符合学校需求的数字化校园系统。具体采取以下步骤：①确定调研目标。在调研之前，学生小组需要明确调研目标，例如教务管理系统需要去教务处和相关学院调研，数字化研修培训平台需要去教师工作部调研等。②设计调研问卷或访谈提纲。根据调研目标，设计相应的调研问卷或访谈提纲，以便有针对性地收集信息。③实地考察。学生小组需要亲自去学校相关部门进行实地考察，了解学校的实际运营情况，例如教学楼、图书馆、实验室等场所的使用情况。④与相关部门人员进行交流。学生小组需要与学校相关部门人员进行深入交流，了解他们的业务需求和工作流程。⑤分析调研结果。在调研结束后，学生小组需要对收集到的信息进行分析和整理，提取出关键需求。⑥制订需求文档。学生小组需要根据调研结果，制订详细的需求文档，明确系统的功能需求、非功能需求、系统约束等。

通过亲自去学校相关部门进行调研，学生小组可以更加准确地把握学校的实际需求，为后续的系统设计和开发打下坚实的基础；同时，实地调研的方式也有助于深化学生对项目的理解和认识。

4、课程教学改革效果

改革方案从2023年开始在山西大学计算机科学与技术专业和数据科学与大数据专业正式实施。为了验证采用数字化教学方式和教学目标的效果，对比分析了2022年和2023年的学生情况，具体的改革效果见表2。从表2中可以看出，教学改革后班级的期末考试通过率和优良率以及学生评教得分均大于改革前的班级，特别是优良率提升了近10%，表明采用数字化的教学方式能够有效地促进学生的学习效率和兴趣，对教学质量的提升起到了明显的作用。

另外，课程团队还组织了职能部门的教师和学院的相关教师针对教学改革后的课程设计进行分组评价，具体见表3，需求分析、概念设计、逻辑设计、物理实现为每一项内容得分的均分，最后一项为课程设计总分的平均得分。从表3可以看出，学生的需求分析得分较高，表明数字化校园题目能够有效提升学生的兴趣以及实践动手能力。

表2 理论课教学改革实施效果

表3 课程设计教学改革实施效果

5、结语

要大力发展和推进数据库课程的数字化建设，结合数字化时代衡量人才的标准和要求来针对性制订数据库课程改革规划，充分利用数字化技术的优势来提高数据库教学质量和学生学习效果，在潜移默化中激发学生的学习兴趣和研究意识，为他们未来职业发展打下坚实的基础。在后续的课程建设和发展中，仍须不断思考、持续改革，以期适应数字化时代的需求，培养数字化人才，更好地服务双一流建设。

参考文献:

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[9]郑庆华,董博,钱步月,等.智慧教育研究现状与发展趋势[J].计算机研究与发展,2019(1):209-224.

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[11]体盈.基于Oracle数据库与JAVA语言的财务系统设计研究[J].自动化技术与应用,2020,39(7):5.