以“关系模型组成及关系模式”为核心的数据库系统原理教学

以“关系模型组成及关系模式”为核心的数据库系统原理教学

摘要:本文结合“数据库系统原理”课程的教学实践,提出以关系模型的组成为核心开展数据库系统基本性质、基本概念、基本知识的教学,以关系模式为核心开展关系数据理论知识的教学,并回顾总结了在实践教学环节中,针对实际问题引导学员开展数据库系统教学实验的做法。

关键词:关系模型;关系模式;数据库系统原理;教学方法

数据库系统原理的教学既要注重理论也要注重实践,尤其是要让学员通过教学及实践加深对理论知识的理解,并指导实践[1]。为使学员更好地理解和掌握数据库系统原理的理论和技术,笔者提出在实际教学中以“关系模型组成及关系模式”为核心,以点成线、以线组面的教学方法,通过所构建的课程主干体系,呈现给学员一个脉络清晰、前后贯通、左右相连的知识结构。

1以关系模型组成引领基本性质、基本概念和基本操作的教学

关系模型组成是数据库系统原理开篇教学的核心。围绕其组成的三要素(单一的数据结构、数据操纵和完整性约束)并以此为始点,从三条线上展开结构的定义、数据的查询与更新、约束的内容及实现等的教学。这三条线可以构成一个面,既可以展示出相关的教学内容,也可以体现出教学内容之间的相互联系(如图1所示)。

1.1关系数据结构(二维表)——数据操纵的基础和完整性约束的对象

围绕关系数据结构可以展开关系数据结构的基本组成、基本概念、基本定义和基本性质的教学。关系数据结构(基本表)由元组构成,组成元组的是元组的分量,以此扩展到属性、码、维、基数、分量集合、象集笛卡儿积等概念。在了解关系的基本数据结构后,可以结合实例讲解关系的基本性质在后续讲授SQL语言知识时,将模式、基本表、视图、索引的定义给学员交待清楚;形成与关系数据结构相关联的知识信息。在与关系数据库组成的其他二个要素的联系上,重点强调关系数据结构为数据操纵奠定了数据基础并成为完整性约束的对象。

1.2数据操纵——数据集成和获取的基本途径

数据操纵这一结点可以从两方面展开,一是从专门的关系运算和传统的集合运算的角度介绍数据操纵的基本操作;二是从SQL语言的知识角度讲授数据操纵的具体实现。教师在教学中通过实例介绍专门的关系运算和传统的集合运算的基本概念,结合查询优化的理论比较不同查询方法的开销,使学员建立数据操纵的基本概念,掌握相关的理论知识。教师在讲授SQL语言的数据操纵时,介绍查询的分类和方法、数据更新(插入、修改和删除)的具体实现、完整性约束与数据操纵的联系及对数据操纵的影响。教师在教学方式上采用概念讲解、实例展现和现场操作的形式,使学员对所学的知识有更加清晰、直观的感受。

1.3完整性约束——保障数据正确性与安全性的重要手段

完整性约束是关系模型组成的第三个要素。该要素涵盖实体完整性、参照完整性和用户定义完整性三方面内容。教师在教学中重点突出两个规则(实体完整性规则和参照完整性规则)、两个定义(参照关系和被参照关系)和一个实现(用户定义的完整性);强调完整性约束的重要性和实际意义。在这条线上进一步延伸可以与数据库的安全性控制、在属性及元组上的约束条件检查和违约处理、触发器等相关知识联系起来,使之构成一个整体。

2以关系模式为核心展现关系数据理论的知识

关系数据库理论是数据库系统原理课程教学的重点和难点,其内容涉及的概念、定义、定理、推理较多,同时在教学中要求学员能够运用相关的理论知识解决在数据库应用设计中遇到的实际问题。为了在整体上建立关系数据理论的基本知识结构,在实际教学中,我们从关系数据结构出发,分析组成数据结构的属性、属性间的联系类型以及其间的内在关系,给出关系模式的基本形式和关系数据理论知识的联系结构(如图2所示),并由此引申出相应的定义、概念和方法。教师以分析关系模式的属性间的三种对应(一对一、一对多、多对多)关系为基础,探讨函数依赖,讲授其的概念和知识,并通过具体实例的分析将各种范式的内涵及运用方法呈现出来。以函数依赖集为基础,系统介绍公理系统、函数依赖集的闭包、属性集的闭包、最小覆盖等知识及其相关应用。以属性集和函数依赖集为基础,讲述模式分解的等价定义及其分解方法。教学探索的实践表明,围绕关系模式展开关系数据理论的教学能够使学员加深知识间的相互联系,有利于对知识的理解,为重点、难点知识的教学开辟了一条有效的途径[2-3]。

3以关系数据库的构造实践关系数据库的设计

以关系数据库的构造实践关系数据库的设计是数据库教学的重要实践环节。在数据库应用实践教学环节中,我们针对学员的具体情况采用构建基本模式、提出基本要求、分析潜在问题、寻找解决方案的方法,力求帮助学员在实践中运用所学理论知识,解决实际问题。

教学中我们以SQL Server2000作为实践平台,要求学员在几个侯选题目中任意选择其一进行设计实现。例如在学员信息管理系统题目中我们提出了该系统的基本模式(如表1-3所示)。

学员基本信息包括:学号、姓名、性别、出生日期、民族、籍贯、所属班级。

学员专业信息包括:专业、本学期所修课程。

学员成绩信息包括:课程、成绩。

要求系统具备以下基本功能:

①设置专业及该专业对应的课程;

②设置指定专业对应的班号;

③设置指定班号的学员记录;

④统计和查询学员成绩;

⑤查询学员成绩单。

在实践前,学员已经对关系数据的理论知识有了一定的了解,如何将课堂所学的知识真正地应用到实践中,则需要学员上机进行实践。实际情况是大部分学员根据题目要求设计了如表1、表2、表3所示的信息表(表中★代表主码)。

在系统功能的实现时,学员会发现在连接查询过程中系统会报错。我们引导学员依据数据模式,从完整性角度分析产生错误原因。首先考察实体完整性。开始设计时学员大多采用学号、专业、课程作为三张表的主码,但在数据输入时发现对于学员专业信息表(表2)仅将“专业”作为主码并不能满足实体完整性约束,因为专业并不能唯一的确定元组,故设置“课程”同时为主码。同理,设置学员成绩信息表(表3)中的“成绩”也为主码。按照实体完整性规则的规定,这几个主码满足实体完整性的要求,均不为空;其次考察参照完整性,以上3个基本表在实体范畴内是存在联系的,每个学员都是学习某一确定专业,而且相同专业本学期所修课程都是一致的。在以学员基本信息表为主表的情况下,学员专业信息表并不能满足参照完整性的条件。进一步分析,假定同一个班的同学都是相同的专业方向,则学员所属班级和专业之间存在联系。为解决参照完整性的问题,我们引导学员对系统的基本模式进行补充和修改。在发现问题所在后,有的学员很快就提出了增加班级专业信息表(表4)并修改学员成绩信息(表5)的解决方案,构造出了如图3所示的参照关系图。

通过实践教学环节,学员对数据库的基本概念、基本要素等内容有了较深刻的理解,在设计数据库时能较为全面的考虑各基本表的定义以及它们之间的联系。通过数据库实例的练习,使学员也体会到了将数据库中的文件分散存储带来的好处,以及如何通过对不同硬盘读写提高数据库访问的速度[4]。

4结语

本文简要总结了在数据库系统原理课程教学中所采用的以“关系模型组成及关系模式”为核心的教学方法,并在实践教学环节中通过“构建基本模式、提出基本要求、分析潜在问题、寻找解决方案”开展教学实验,收到了较好的教学效果。随着数据库系统的不断发展变化,数据库系统原理课程的教学内容也会不断更新,这也会促使我们在教学工作中不断探索和改进教学方式、方法和手段,以适应新的发展变化的要求[5]。