摘要：計算思維作為人類(lèi)科學(xué)思維的基本方式之一，受到了國內外計算機界的廣泛關(guān)注。培養計算思維能力是當前國內外大學(xué)計算機教育的重要組成部分，對計算機專(zhuān)業(yè)各門(mén)課程的教學(xué)提出了新的要求。文章在數據庫系統課程的教學(xué)活動(dòng)中引入計算思維的理念，從課堂教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節探討了培養學(xué)生計算思維的結合點(diǎn)和教學(xué)方法。計算思維的本質(zhì)貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程，并根據講授的具體知識點(diǎn)適時(shí)引入計算思維方法，為培養學(xué)生的計算思維能力和創(chuàng )新能力提供了新的思路。
關(guān)鍵詞：計算思維；數據庫；教學(xué)模式；創(chuàng )新能力
作者簡(jiǎn)介：程春玲（1972-），女，陜西西安人，南京郵電大學(xué)計算機學(xué)院，副教授；張少嫻（1972-），女，廣西南寧人，南京郵電大學(xué)計算機學(xué)院，講師。（江蘇南京210003）
基金項目：本文系南京郵電大學(xué)通達學(xué)院教改項目（項目編號：JG00411J76）的研究成果。
中圖分類(lèi)號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）08-0081-02
數據庫技術(shù)是計算機科學(xué)的重要分支，也是信息領(lǐng)域的核心技術(shù)與重要支撐。近年來(lái)，隨著(zhù)Internet的發(fā)展與普及，基于網(wǎng)絡(luò )和數據庫技術(shù)的信息管理系統、應用系統得到了飛速的發(fā)展與深入廣泛的應用，作為其后臺與基礎的數據庫技術(shù)也在不斷的發(fā)展中被賦予了新的能力，成為發(fā)展最快、應用最廣的技術(shù)之一。作為傳授數據庫技術(shù)的重要課程，“數據庫系統”也已成為國內外高校計算機及相關(guān)專(zhuān)業(yè)必修的核心專(zhuān)業(yè)基礎課程。在該課程的教學(xué)中，不僅應教會(huì )學(xué)生數據庫的知識本身，使學(xué)生能夠正確理解數據庫的基本原理，熟練掌握數據庫的設計方法和應用技術(shù)，更應激發(fā)學(xué)生對數據庫及相關(guān)知識的興趣，培養學(xué)生獨立探求新技術(shù)、新方法的能力和創(chuàng )新精神，使其成為適應能力強、富有創(chuàng )造才能的專(zhuān)門(mén)人才。
計算思維具有強大的創(chuàng )新能力，[1]其概念一經(jīng)提出就引起了國內外科學(xué)界和教育界的廣泛關(guān)注。對學(xué)生計算思維能力的培養是目前教育界研究的重要課題，ACM和IEEE-CS在修訂后的計算機科學(xué)教程2008（Computer Science Curriculum 2008）中明確指出應該將計算思維作為計算機科學(xué)教學(xué)的重要組成部分。[2]中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳國良教授指出：[3]在大學(xué)中，計算思維不僅能振興大學(xué)計算教育，而且會(huì )令科學(xué)與工程領(lǐng)域創(chuàng )造出革命性的研究成果。筆者在數據庫課程的本科教學(xué)過(guò)程中，引入計算思維的理念，探索以培養計算思維能力為核心的新教學(xué)模式，在教學(xué)過(guò)程中以數據庫知識為載體，貫通知識、能力和素質(zhì)，強調創(chuàng )造能力和適應能力的培養，為數據庫課程的教學(xué)提供新的思路。
一、計算思維
計算思維的概念是美國卡內基·梅隆大學(xué)計算機系主任周以真教授于2006年首次提出的，定義計算思維為：運用計算機科學(xué)的基礎概念去求解問(wèn)題、設計系統和理解人類(lèi)行為。[4]如同所有人都具備“讀、寫(xiě)、算”能力一樣，計算思維是必須具備思維能力。計算思維的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化，它們恰好反映了計算的根本問(wèn)題，即什么能被有效地自動(dòng)進(jìn)行。
具體地，計算思維包括一系列廣泛的計算機科學(xué)的思維方法：計算思維是通過(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、轉化和仿真等方法，把一個(gè)困難的問(wèn)題闡釋成如何求解的思維方法；是一種采用抽象和分解的方法來(lái)控制龐雜的任務(wù)或進(jìn)行巨型復雜系統的設計，是基于關(guān)注點(diǎn)分離的方法；是一種選擇合適的方式陳述一個(gè)問(wèn)題，或對一個(gè)問(wèn)題的相關(guān)方面建模使其易于處理的思維方法；是按照預防、保護及通過(guò)冗余、容錯、糾錯的方式，并從最壞情況進(jìn)行系統恢復的一種思維方法；是一種遞歸思維，能把代碼譯成數據又能把數據譯成代碼，是一種多維分析推廣的類(lèi)型檢查方法；是利用啟發(fā)式推理尋求解答，即在不確定情況下的規劃、學(xué)習和調度的思維方法；是利用海量數據來(lái)加快計算，在時(shí)間和空間之間、在處理能力和存儲容量之間進(jìn)行折衷的思維方法。[4]
數據庫系統課程中引入計算思維的理念，主要從課堂教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節兩個(gè)方面展開(kāi)。在整個(gè)課堂教學(xué)過(guò)程中，始終貫穿計算思維的本質(zhì)，即抽象和自動(dòng)化的思想，并根據講授的具體知識點(diǎn)適時(shí)地引入計算思維中的關(guān)注點(diǎn)分離、約簡(jiǎn)、嵌入、轉化、保護、冗余、容錯、糾錯和恢復、啟發(fā)式、折衷等基本概念和思維方法，引導學(xué)生學(xué)習領(lǐng)會(huì )計算思維的方法。在實(shí)踐環(huán)節，老師給出實(shí)驗任務(wù)、提出問(wèn)題，學(xué)生通過(guò)獨立自主和小組協(xié)作的方式運用計算思維的一系列方法去解決實(shí)際問(wèn)題，探索解決問(wèn)題的方法和方法的應用，發(fā)現問(wèn)題的本質(zhì)所在，達到更好地吸收和鞏固知識和計算思維方法的目的，最終培養學(xué)生的計算思維能力、提高獨立思考解決問(wèn)題的能力和創(chuàng )新思維能力。
二、以培養計算思維為核心的數據庫課堂教學(xué)
數據庫課程的知識體系完整，既有經(jīng)典理論成果奠定的堅實(shí)基礎，又有在實(shí)踐中發(fā)揮巨大作用的先進(jìn)技術(shù)，其中很多知識點(diǎn)都為計算思維提供了很好的詮釋和生動(dòng)的案例。下面就從抽象、自動(dòng)化、關(guān)注點(diǎn)分離、保護、容錯、恢復和權衡折衷等典型的計算思維方法出發(fā)，探討在數據庫教學(xué)中融入計算思維理念的途徑。
1.抽象和自動(dòng)化
抽象是精確表達問(wèn)題和建模的方法，也是計算思維的一個(gè)重要本質(zhì)。數據庫中的很多概念和方法都體現了抽象的思想，例如：數據模型、規范化理論、事務(wù)管理等。數據模型是數據庫中的最基本的概念之一，其本身就表達了對現實(shí)世界的抽象，并且這種抽象是分層次、逐步抽象的過(guò)程。當利用數據模型去抽象、表達現實(shí)世界時(shí)，先從人的認識出發(fā)，形成信息世界，建立概念模型；再逐步進(jìn)入計算機系統，形成數據世界。在數據世界中，又進(jìn)一步分層，先從程序員、從用戶(hù)的角度抽象，建立數據的邏輯模型；再從計算機實(shí)現的角度抽象，建立數據的物理模型。目前作為數據庫課程講授主要內容的關(guān)系數據庫就是采用關(guān)系抽象表達了現實(shí)世界中的事物以及事物之間的各種聯(lián)系。關(guān)系可以進(jìn)一步抽象為集合論中的集合，形式化描述為屬性域笛卡爾乘積的子集。再如：在數據庫設計階段，概念設計首先就是進(jìn)行數據抽象，經(jīng)常采用的是聚集和概括的數據抽象方法。在教學(xué)過(guò)程中，啟發(fā)學(xué)生體會(huì )抽象的思想和方法，學(xué)習運用抽象去表達需求并建模，發(fā)現問(wèn)題的本質(zhì)和其中蘊含的規律，并逐漸掌握抽象這個(gè)工具。
以上抽象思維的結果需要在計算機上實(shí)現，這體現了自動(dòng)化這個(gè)本質(zhì)，也是將理論成果應用于技術(shù)實(shí)踐的過(guò)程。自動(dòng)化隱含著(zhù)需要某類(lèi)計算機（可以是機器或人，或兩者的組合）去解釋抽象。[5]數據庫標準語(yǔ)言SQL可解決各種數據庫數據操作在計算機上的實(shí)現問(wèn)題；在用SQL去實(shí)現用戶(hù)要求時(shí)，結合計算思維的約簡(jiǎn)、嵌入、轉化等方法，把復雜的問(wèn)題轉換為易于解決的問(wèn)題加以實(shí)現。如：在講解帶有全稱(chēng)量詞的查詢(xún)中，重點(diǎn)說(shuō)明將全稱(chēng)量詞轉化為對存在量詞的否定之否定，用多層嵌套查詢(xún)來(lái)實(shí)現的思路和方法。此外，對抽象的關(guān)系模型的自動(dòng)化，采用了簡(jiǎn)單的表結構去表達同一類(lèi)事物，用對表中數據上定義的增刪改查操作實(shí)現對數據的訪(fǎng)問(wèn)。由于現實(shí)世界中事物客觀(guān)存在并滿(mǎn)足一定的條件，為了保證自動(dòng)化的正確性，通過(guò)完整性約束限制數據的取值，并進(jìn)一步把表的建立和完整性約束，以及對數據的操作通過(guò)SQL語(yǔ)言建立程序由計算機執行，從而建立真實(shí)的物理數據庫。在講解數據模型這個(gè)概念時(shí)，從現實(shí)世界出發(fā)，闡述分層次的抽象方法形成各級數據模型，再到采用關(guān)系模型，并通過(guò)SQL語(yǔ)言自動(dòng)化實(shí)現這一完整的剖析過(guò)程，既清楚地說(shuō)明了數據模型的概念及其作用，又逐步引導學(xué)生學(xué)習體會(huì )了抽象和自動(dòng)化的方法，從而領(lǐng)會(huì )計算思維的本質(zhì)。
2.關(guān)注點(diǎn)分離
關(guān)注點(diǎn)分離是控制和解決復雜問(wèn)題的一種思維方法，即先將復雜問(wèn)題進(jìn)行合理的分解，再分別研究問(wèn)題的不同側面（關(guān)注點(diǎn)），最后綜合得到整體的解決方案，在計算機科學(xué)中的典型表現即是分而治之。[6]在數據庫設計、龐雜的數據管理和數據庫應用開(kāi)發(fā)中，采用的就是分而治之的思想。數據庫設計采用軟件工程的思想，自頂向下將設計任務(wù)劃分為多個(gè)階段，每個(gè)階段有各自相對獨立的任務(wù)，相鄰階段又互相聯(lián)系互相承接，共同完成整個(gè)設計任務(wù)；面對復雜的數據管理和維護任務(wù)，也進(jìn)一步分解為數據恢復、并發(fā)控制、數據完整性和安全性的保護、數據庫的運行維護等多個(gè)子任務(wù)，由不同的子系統負責，并相互協(xié)作保護數據在運行過(guò)程中的正確性和有效性；在進(jìn)行基于數據庫的應用開(kāi)發(fā)中，模塊化是最常用的最有代表性的一個(gè)分解方法。這些數據庫的知識點(diǎn)都充分體現了計算思維的方法。
3.保護、冗余、容錯、糾錯和恢復
按照預防、保護及通過(guò)冗余、容錯、糾錯的方式，并從最壞情況進(jìn)行系統恢復是計算思維的一個(gè)重要方法，這在數據庫中有最直接的體現。數據庫管理系統就是通過(guò)預防、保護、冗余、容錯、糾錯等方式實(shí)現對海量數據的管理和保護。為了預防各種可能的故障造成數據丟失，數據庫引入了恢復機制，通過(guò)冗余技術(shù)建立后備副本和日志或采用遠程備份；為了預防泄露和破壞數據，數據庫引入安全機制，通過(guò)用戶(hù)身份鑒別、存取控制、審計等一系列機制保護數據安全性；為了糾正數據庫中死鎖帶來(lái)的問(wèn)題，數據庫引入死鎖的檢測機制及時(shí)發(fā)現，并加以處理；為了提高數據的訪(fǎng)問(wèn)速度，允許用戶(hù)按需存儲必要的冗余數據。數據庫管理系統對數據的保護全面體現了計算思維的保護、冗余、容錯、糾錯和恢復的思想。
4.利用啟發(fā)式尋求解答
數據查詢(xún)是數據庫及其應用中最常見(jiàn)的操作，也是其他數據操作的基礎，其速度直接影響了應用的效率。對于一個(gè)查詢(xún)可以有多種執行計劃，執行效率差別很大，有時(shí)甚至相差幾個(gè)數量級。因此，數據庫管理系統需要對操作進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化則基于啟發(fā)式規則形成各種優(yōu)化算法。在數據庫的物理設計中也常使用啟發(fā)式的規則來(lái)指導存取方式和存取路徑的選擇。在這些內容的教學(xué)中引入啟發(fā)式方法，可啟發(fā)學(xué)生學(xué)習利用啟發(fā)式規則和推理來(lái)尋求更好的解答，理解計算思維的思想。
5.折衷
數據庫在對海量數據進(jìn)行管理的技術(shù)中處處體現了時(shí)間和空間之間、處理能力和存儲容量之間施行折衷的思維方法。如：為了滿(mǎn)足應用的實(shí)時(shí)性要求，對數據查詢(xún)時(shí)可以通過(guò)建立索引來(lái)提高數據訪(fǎng)問(wèn)速度；但建立索引需要存儲實(shí)際數據，占用一定的存儲空間，并且索引需要維護。為了解決應用的數據冗余和操作異常問(wèn)題，常需對數據關(guān)系進(jìn)行規范化，規范化級別越高，數據冗余越小，占用的存儲空間越??；但規范化后的表被分解為多個(gè)小表，查詢(xún)時(shí)需要多個(gè)表之間的連接，會(huì )增加數據的查詢(xún)時(shí)間。對數據施加封鎖時(shí)，封鎖的粒度越小，并發(fā)性越高，事務(wù)的處理速度越快，但系統代價(jià)越高；而封鎖的粒度越大，系統處理代價(jià)越小，但事務(wù)之間的并發(fā)程度降低，事務(wù)的等待時(shí)間延長(cháng)。這些都是典型的折衷思想，體現了計算思維的理念。
三、面向計算思維的數據庫課程實(shí)踐教學(xué)
要牢固地掌握一種思維方法，緊靠課堂教學(xué)容易陷入似懂非懂、紙上談兵的境地。實(shí)戰是提高實(shí)踐能力、積累經(jīng)驗、學(xué)懂計算思維方式的必需之策。在實(shí)踐環(huán)節，重點(diǎn)鍛煉學(xué)生對計算思維方法的運用、探索解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程，這是對課堂教學(xué)的補充，也是對計算思維方法能更好地吸收和鞏固。筆者將實(shí)踐環(huán)節分為課堂練習、小組討論和上機實(shí)驗等多種形式，使學(xué)生在課程的整個(gè)教學(xué)過(guò)程中不斷地參與和練習。在課堂講授完相關(guān)的知識點(diǎn)和計算思維方法后，即利用事先精心設計好的由淺入深的練習題讓學(xué)生各自獨立運用計算思維方法完成；對于較復雜的練習，在學(xué)生完成練習后，劃分小組進(jìn)行討論，各自闡述自己對知識點(diǎn)的理解和對問(wèn)題的分析、解決思路和方法，并互相評析；然后，帶著(zhù)各自的理解和疑問(wèn)上機練習，讓計算機給出的正確的答案；最后，教師再加以分析、歸納和總結，進(jìn)一步深化學(xué)生對計算思維思想的理解。例如：數據庫中的封鎖機制以及封鎖帶來(lái)的問(wèn)題對學(xué)生來(lái)說(shuō)較難理解，在SQL編程和應用開(kāi)發(fā)中也不能直觀(guān)感受到。筆者設計了多個(gè)事務(wù)和多種調度方法的實(shí)驗，先由學(xué)生在課堂練習中思考運行結果和運行過(guò)程中可能出現的現象；然后在小組討論中各抒己見(jiàn)；再帶著(zhù)各自的問(wèn)題上機觀(guān)察事務(wù)的并發(fā)執行、封鎖帶來(lái)的等待現象和死鎖造成的“死機”。通過(guò)這一系列過(guò)程，從理論剖析到現實(shí)操作將抽象的概念轉化為直觀(guān)的結果，給學(xué)生留下了深刻印象。
在上機實(shí)驗的設計中，也采用循序漸進(jìn)、由淺入深的方法，將實(shí)驗分為驗證型、綜合型和研究型三種類(lèi)型的實(shí)驗。驗證型實(shí)驗要求學(xué)生模擬教師解決問(wèn)題的方法完成實(shí)驗內容，是計算思維方法的模仿；設計型實(shí)驗綜合運用多種計算思維方法分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，是計算思維方法的綜合運用；研究型實(shí)驗則結合科研項目和數據庫新的應用領(lǐng)域，由學(xué)生自組小組分工合作，不僅鍛煉了學(xué)生綜合運用所學(xué)知識的能力和團隊協(xié)作精神，更進(jìn)一步地培養學(xué)生發(fā)現問(wèn)題的能力和探索、創(chuàng )新精神，是計算思維方法的拓展和升華。通過(guò)多層次的實(shí)踐和貫穿教學(xué)始終的實(shí)戰，筆者所帶的學(xué)生無(wú)論在考試還是應用開(kāi)發(fā)方面都取得了明顯的成效。
四、結束語(yǔ)
計算思維作為三大科學(xué)思維方式之一，正在改變著(zhù)大學(xué)計算機教育的教學(xué)模式，成為大學(xué)計算機教育振興的一個(gè)新途徑，同時(shí)也對計算機專(zhuān)業(yè)的人才培養提出了新的要求。數據庫課程是計算機專(zhuān)業(yè)的核心基礎課程，其中的許多知識點(diǎn)都為計算思維提供了很好的詮釋和生動(dòng)的案例。本文在數據庫系統課程教學(xué)中引入計算思維的理念，在什么樣的教學(xué)更有助于計算思維能力的培養方面進(jìn)行了深入的思考和實(shí)踐，從課堂教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節探討了在數據庫教學(xué)中培養計算思維思路的方法，使學(xué)生能夠深入地領(lǐng)會(huì )計算思維，并應用計算思維理念來(lái)解決問(wèn)題，為培養具有專(zhuān)業(yè)素質(zhì)和創(chuàng )新能力的、訓練有素的科技人才起到積極的探索作用。
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（責任編輯：宋秀麗）
