数据库原理与应用 教案 赵小超

计算机与信息科学学院教案课程名称：数据库原理授课教师：赵小超专业：计算机科学与技术/软件工程年级：2024级开课学期：2025-2026-2教案目录TOC\o"1-3"\h\z\t"dg2,2,dg3,3,dg1,1"课程基本信息 课程基本信息课程名称数据库原理课程编号ZB221701005总学时：72理论：48实验：24学分4课程类别£通识课£公共基础课专业课必修£选修考核方式考试£考查授课方式£线上线下混合课堂讲授£实践教材名称尹为民，《数据库原理与技术》（第二版），科学出版社，在2010年。赵小超、李哲，《数据库原理实验与综合设计》，中国铁道出版社，2024年指定参考资料王珊、萨师煊，《数据库系统概论》（第5版），高等教育出版社，2014年。课程介绍本课程是计算机科学与技术专业的一门必修课程，理论与应用并重，突出数学思维在工程实践中的应用。课程围绕复杂工程系统的数据建模，以关系模型为基础，利用概念模型、函数依赖分析问题，通过关系模式分解构建合理模型；以关系代数分析数据操作，借助数据库管理系统实现数据的基本操作。学生通过学习，掌握数据库理论与应用的基础知识和技能，培养严谨作风，为后续学习和专业工作奠定基础。课程目标课程目标1：能够掌握数据库系统的基本概念和数据模型的三要素，能够依据关系代数写出对应的数据库查询语句，能够理解查询优化的策略和数据库恢复及并发控制的原理。课程目标2：能够根据关系数据库理论判断关系模型所满足的范式并对有严重问题的模型进行分解，能够根据关系模型的数学原理对现实世界进行抽象和建模。课程目标3：能够使用一种典型的数据库管理系统创建和管理数据库，能够在一种典型的数据库管理系统中实施完整性控制。第1章数据库系统概论（理论4学时）一、教学主要内容（1）数据与数据管理（2）数据库系统组成（3）数据描述与数据模型（4）数据库系统结构二、教学组织以课堂讲授为主，作业环节为辅，利用社会生活中的数据库案例和实例进行说明，引导学生正确认识数据库相关概念。三、教学过程（按教学次数安排）第一次理论课（90分钟）课程导入：数据库是国家信息基础设施的组成部分；数据库技术是信息化社会的支撑技术，数据库技术是计算机类专业学生的看家本领；介绍本学期课程基本情况、课程考核要求等（10分钟）1.1信息与数据库（30分钟）1.1.1基本概念1.1.2数据管理的发展互动交流：结合自己在学校的日常生活，用到过那些管理信息系统，它们主要涉及那些数据？（5分钟）1.2数据模型（45分钟）1.2.1三个世界及其关系1.2.2概念模型第二次理论课（90分钟）课程导入：数据库、数据库管理系统、数据库应用系统三者的联系回顾（5分钟）1.2数据模型（35分钟）1.2.3数据模型的组成及分类1.2.4三种基本数据模型思政元素：无论是哪种数据模型，都必须严格遵循特定的规则与约束。在现实生活中，我们也应自觉遵守社会规则，维护社会秩序，做一个有责任感的公民。只有每个人都尊重并遵循规则，社会这个大“系统”才能像数据模型一样有序运行，发挥最大效能。（5分钟）1.3数据库系统结构（45分钟）1.3.1三级模式结构1.3.2数据库系统的组成1.3.3数据库系统的特点1.3.4数据库系统的分类

第2章关系数据库（理论8学时）一、教学主要内容（1）关系的数学定义（2）关系模型的特点（3）基于传统集合理论的关系运算（4）关系代数特有的关系运算二、教学组织以课堂讲授为主，作业环节为辅，通过例题及其详细的解算过程促进学生对概念和方法的掌握。三、教学过程（按教学次数安排）第一次理论课（90分钟）课程导入：关系数据库取得巨大成功的原因，就是它建立在坚实的数学理论基础之上，本章内容就是其数学基础内容之一。（5分钟）2.1基本概念2.1.1关系及其性质（40分钟）互动交流：从笛卡尔积的角度来看，平面直角坐标系与关系在概念上有何相似之处与不同之处？（5分钟）2.1.2关系模式与关系数据库（35分钟）思政元素：社会与关系二维表结构相仿，每个人似表中一行数据，有独特经历、技能与个性，是独立个体。社会的道德准则、职业规范、文化传统等属性，如同二维表的列。个体需在这些社会属性框架内，遵循规则与价值观行事，一如数据符合列定义。（5分钟）第二次理论课（90分钟）课程导入：回顾关系基于笛卡尔积的定义、关系与笛卡尔积的差异。（5分钟）2.2关系模型及其描述2.2.1关系模型的特点及组成（15分钟）2.2.2关系数据操作（20分钟）互动交流：基于“关系数据操作的对象是关系，其操作结构仍然是关系”这一特点，请大家从解决复杂问题的角度思考这样做的好处。（5分钟）2.2.3关系的完整性（40分钟）思政元素：在个人成长中，自我约束如同数据库的完整性约束。在成长中严格自我约束、合理借鉴他人、定制发展路径，对于实现全面且独特的个人成长有重要意义。（5分钟）第三次理论课（90分钟）课程导入：回顾关系的三种完整性约束的要点。（5分钟）2.3关系代数2.3.1集合运算（40分钟）互动交流：关系的集合运算与高中阶段学习的集合有何联系？（5分钟）2.3.2关系运算（选择、投影）（35分钟）思政元素：选择运算着眼于整体的元组，而投影运算则深入到元组中的属性。类似地，在工作中我们既要像选择运算一样把握好大方向，同时也要像投影运算一样深入细节，才能把工作做好。（5分钟）第四次理论课（90分钟）课程导入：回顾选择运算与投影运算的处理过程。（5分钟）2.3关系代数2.3.2关系代数（连接、除）（45分钟）互动交流：从除运算的定义及其常见的应用形式来看，除运算的本质实在寻找一种怎样的集合之间的关系？（5分钟）2.3.3扩充的关系运算（30分钟）思政元素：一个复杂查询操作往往需要结合多种关系运算才能完成。这就像团队中的每个成员，虽然各自有专长，但只有相互协作，才能共同完成艰巨的任务。（5分钟）

第3章关系数据库语言SQL（理论14学时，实验24学时）一、教学主要内容（1）SQL的功能与特点（2）数据库、数据表的创建、修改和删除（3）数据查询操作、数据更新操作、视图（4）过程化SQL二、教学组织课堂讲授为主，辅助作业、实验环节，培养学生熟练掌握各类SQL语句及其应用方法。三、教学过程（按教学次数安排）第一次理论课（90分钟）课程导入：上一章学习的关系代数是关系数据操作的理论基础，接下来要学习的是关系数据操作的具体实现——结构化查询语言（SQL）。（5分钟）3.1SQL的特征（40分钟）3.1.1SQL的主要标准3.1.2SQL的功能特点3.1.3SQL的基本组成3.1.4SQL环境互动交流：关系代数与SQL都具有“非过程化”的特点，应该如何理解“非过程化”？是真的没有一个具体的过程吗？（5分钟）3.2SQL的数据定义（40分钟）3.2.1模式的定义与撤销第二次理论课（90分钟）课程导入：上一次课学习了如何创建数据库，而关系型数据库中的数据是以数据表的形式进行管理的，本次课主要学习数据表的创建、修改和删除。（5分钟）3.2SQL的数据定义3.2.2表的建立和删除（25分钟）互动交流：在数据库中创建数据表与在Excel中创建一个表格有什么相似之处？（5分钟）3.2.3表的扩充与修改（25分钟）3.2.4自定义的域类型（10分钟）3.2.5索引的建立与删除（15分钟）思政元素：索引可以提高查询效率。类似的，在快节奏的现代社会中，效率不仅是技术追求的目标，也是个人和社会发展的重要驱动力。在学习、工作和生活中，要重视培养效率意识，做到时间管理和资源利用的最优化。（5分钟）第三次理论课（90分钟）课程导入：在前面学习关系代数时，我们练习得最多的是哪一种操作？是查询操作。查询是数据库应用中最常用、最重要的操作，没有之一。接下来，我们将学习如何使用SQL执行查询操作，学习过程中要将关系代数与SQL联系起来，有利深入理解SQL查询的执行原理。（5分钟）3.3SQL的数据查询（75分钟）3.3.1单表查询3.3.2表达式和函数的使用3.3.3多表查询（子查询）互动交流：SQL查询中的关键字Select、From、Where能够与哪些关系运算对应起来？子查询的应用体现了关系数据操作的哪一个特点？（5分钟）思政元素：通过学习简单的SQL查询操作可以发现，SQL查询与关系代数表达式描述的过程是一致的，关系代数是SQL查询的理论基础，有助于大家掌握好SQL查询的写法。大家在学习中要有意识地利用理论知识来指导实践活动。（5分钟）第四次理论课（90分钟）课程导入：上次课我们学习了IN谓词引导的子查询，请大家思考后回答问题“IN谓词后面的子查询有什么特点？能够把它拿出来独立执行？”（5分钟）3.3.3多表查询（条件连接查询、自身连接查询、FROM中的子查询、相关子查询、集合运算）（40分钟）互动交流：现在学习了如何在FROM子句和WHERE子句中使用子查询，大家思考两个问题，一个是“为什么可以在FROM子句中使用子查询？”，另一个是“WHERE子句中的相关子查询与前面学习的IN谓词子查询有何不同？”（5分钟）3.3.4自然连接与外连接（25分钟）思政元素：关系代数中的自然连接用一个运算符就完成了。但在SQL实现中，每一个细节都需要我们写代码来实现，没有什么自动完成的工作。大家在生活中也是一样，不要相信天上掉馅饼的好事，不管是学习还是工作都要脚踏实地。（5分钟）3.3.6空值处理（10分钟）第五次理论课（90分钟）课程导入：上次课我们学习了最常用、最重要的数据库操作——查询，今天我们继续学习另外一类数据库操作——更新，包括增加、修改和删除三种。（5分钟）3.4SQL的数据更新3.4.1插入数据（30分钟）互动交流：学习了使用INSERT语句批量插入数据后，对于前面学习的广义笛卡尔积，大家能想到什么应用？（5分钟）3.4.2修改数据（25分钟）3.4.3删除数据（20分钟）思政元素：SQL数据更新操作需要精确地编写语句，任何一个小的错误，如遗漏一个逗号、使用了错误的列名或条件，都可能导致数据更新出现错误，甚至可能引发严重的后果。这就要求操作人员必须具备严谨的思维和细心的工作习惯。（5分钟）第六次理论课（90分钟）课程导入：在学习SQL查询操作时，我们发现可以将一个查询（也就是子查询）的结果作为另一个查询的数据源。那么，对于常用的子查询，我们能不能把它存储起来，用的时候直接调用，不用再写一次，从而提升效率呢？（5分钟）3.5SQL中的视图3.5.1视图的概念及作用（15分钟）3.5.2创建与使用视图（40分钟）互动交流：学习了如何使用视图后，大家对比一下FROM子句中的子查询与视图有何异同？（5分钟）3.5.3更新视图（20分钟）思政元素：SQL视图可以提供一定程度的数据保护功能。据此可以引导学生树立数据安全意识和责任意识，让他们明白在处理数据时，要对数据的安全性和保密性负责，遵守法律法规和职业道德规范，不泄露、不滥用数据，保护数据所有者的权益。（5分钟）第七次理论课（90分钟）课程导入：前面我们学习关系代数与SQL的时候，反复强调他们都是非过程化的这一特点。那么我们是否需要在SQL中引入过程化功能呢？当某些复杂任务无法通过单一的查询语句完成时，通过将该任务分解为特定的步骤并用多个SQL语句来实现它。因此，在SQL中引入过程化功能是有必要的。（10分钟）3.6过程化SQL（75分钟）3.6.1过程化SQL的概念3.6.2过程化SQL编程3.6.3存储过程3.6.4游标的设计互动交流：通过我们学习可以发现，SQL中也有顺序结构、分支结构和循环结构。现在大家对比一下过程化SQL与我们学习的其它程序设计语言有没有本质的不同？（5分钟）实验1数据库及表的创建（180分钟）使用图形界面及SQL语句完成以下任务：创建和删除数据库，创建、修改和删除数据表，插入、修改和删除数据。实验2单表查询（90分钟）练习SQL查询语句的基本用法（只涉及一个数据来源），练习使用SELECT子句、FROM子句、WHERE子句的用法。对于WHERE子句，需要掌握包括范围、字符串匹配、IN谓词、EXISTS谓词等条件的用法。实验3多表查询（90分钟）练习涉及多个数据来源的SQL查询语句，通过实践验证广义笛卡尔积、一般连接和自然连接的用法。实验4分组查询（180分钟）练习在SQL查询中完成数据统计任务，理解何为分组依据，何为统计值、如何对分组统计的结果进行筛选。此外，还要弄清楚分组查询在形式上的要求。实验5集合操作和外连接（90分钟）练习并、交、差三种集合操作和外连接的用法。实验6视图（90分钟）练习创建和删除视图的方法，以及通过视图实现查询、添加和修改数据等操作。实验7数据更新操作（90分钟）练习insert语句、update语句和delete语句的用法。实验8数据完整性控制（90分钟）掌握数据完整性约束的作用，包括主键（primarykey）约束、外键（foreignkey）约束、检查（check）约束、规则（rule）、默认值约束（default）和唯一性（unique）约束的用法。实验9过程化SQL（180分钟）练习变量、常用系统函数、控制流语句的用法，会定义简单的游标和函数。了解存储过程和触发器的运行原理，能够定义简单的存储过程和触发器。

第4章关系数据库理论（理论10学时）一、教学主要内容（1）函数依赖（2）关系模式的范式（3）函数依赖的公理系统（4）关系模式的分解二、教学组织课堂讲授为主，辅助作业环节，培养学生评价关系模式是否合理以及对有问题的关系模式进行修改的能力。三、教学过程（按教学次数安排）第一次理论课（90分钟）课程导入：前面我们学习了使用关系代数和SQL语言对数据进行操作，从来没有考虑过关系模式是否合理。针对同一个数据库设计任务，由于不同的设计人员有不同的想法，设计出来的数据结构可能存在差异，因此需要有一个标准对数据库设计方案进行评估。接下来要学习的关系数据库理论就是用来评估数据库设计是否合理，以及将不合理的设计方案转换为合理方案的方法。（10分钟）4.1函数依赖（50分钟）4.1.1问题的提出4.1.2函数依赖的定义4.1.3函数依赖的分类4.1.4候选码的形式化定义互动交流：大家回忆一下第二章学习的候选码定义，当时我强调的是“最小属性集”，那么如何用我们刚刚学习的函数依赖来对这个“最小”进行解释？（5分钟）4.2关系模式的规范化（25分钟）4.2.1关系与范式4.2.2第1范式（1NF）第二次理论课（90分钟）课程导入：上次课我们学习了数据中可能存在的四类问题以及函数依赖，今天我们将学习使用函数依赖来衡量一个数据库设计是否合理。（5分钟）4.2.3第2范式（2NF）（15分钟）4.2.4第3范式（2NF）（15分钟）4.2.5BC范式（BCNF）（15分钟）课程思政：我们刚刚学习的范式实际是逐步对数据提出要求，这如同在社会中遵守法律法规、道德准则，只有每个人都秉持严谨规范的态度，社会才能高效、有序地运转。（5分钟）4.3数据依赖的公理系统（35分钟）4.3.1Armstrong公理4.3.2公理的完备性第三次理论课（90分钟）课程导入：上次课我们学习了Amstrong公理及其推论，具备了对函数依赖进行计算的能力，这次课我们首先要理解利用Amstrong公理及其推论验证某个函数依赖是否成立为什么非常困难，以及另辟蹊径使用属性集闭包来完成该任务的方法。（10分钟）4.3.3属性闭包的计算（40分钟）4.3.4函数依赖集的等价（15分钟）4.3.5最小函数依赖集（20分钟）课程思政：直接运用Armstrong公理推导函数依赖的困难，不应成为我们退缩的理由。相反，我们应将其视为磨砺意志的机会，积极寻求新的解决方案，就像最终发现属性集闭包这一有效工具一样。这种坚韧不拔、积极探索的精神，无论是在学术研究中，还是在未来投身社会建设时，都是极为宝贵的品质。它将助力我们跨越重重障碍，实现个人价值与社会价值的统一。（5分钟）第四次理论课（90分钟）课程导入：上次课我们学习了属性闭包和最小函数依赖集，它们是我们最终将有问题的关系模式分解为没有问题的若干子关系模式的重要基础。这次课我们继续学习两个重要概念——无损连接性和函数依赖保持性，为进行关系模式的分解打下基础。（5分钟）4.4关系模式的分解4.4.1等价模式分解的定义（40分钟）4.4.2无损连接性与依赖保持性（40分钟）互动交流：请大家回顾一下上次课学习的理论知识——函数依赖集的等价，思考如何利用属性集闭包来证明函数依赖保持性。（5分钟）第五次理论课（90分钟）课程导入：至此，我们学习了如何评价数据库设计是否合理，也掌握了属性集闭包、最小函数依赖集、无损连接性和函数依赖保持性。在此基础上，今天我们进一步学习如何对有问题的关系模式进行分解。（5分钟）4.4.3模式分解的算法（45分钟）课堂练习（35分钟）课程思政：在进行关系模式分解时，我们需要综合考虑多方面因素，权衡不同方案的利弊。这反映到现实中，就是我们在做决策时，不能只着眼于眼前的利益或单一的因素，要有大局观，全面地分析问题。（5分钟）

第5章数据库设计（理论2学时）一、教学主要内容（1）数据库设计的基本概念与全流程（2）需求分析的任务、方法与成果（3）概念结构设计与ER图的绘制（4）逻辑结构设计（ER图向关系模型的转换）（5）物理结构设计的核心内容（6）数据库实施与维护二、教学组织课堂讲授为主，结合案例分析与互动交流，辅助课堂练习环节，培养学生从业务需求出发，完成数据库设计全流程的能力，掌握ER图绘制与关系模式转换的核心方法。三、教学过程（按教学次数安排）第一次理论课（90分钟）课程导入：回顾第4章关系数据库规范化理论，明确“好的关系模式”的标准，抛出问题“实际业务中，如何从0到1构建一个符合规范的数据库？”，结合设计缺陷导致的数据冗余、更新异常案例，引出本章核心——数据库设计全流程。（5分钟）5.1数据库设计概述（10分钟）5.1.1数据库设计的任务与目标5.1.2数据库设计的基本原则5.1.3数据库设计的六大阶段5.2需求分析（10分钟）5.2.1需求分析的核心任务（数据需求、功能需求、性能约束需求）5.2.2需求收集的常用方法5.2.3需求分析的最终成果（数据字典、需求说明书）5.3概念结构设计（20分钟）5.3.1概念结构设计的目标5.3.2ER图的扩展描述（特殊属性、继承联系、基数、弱实体）5.3.3ER图的绘制方法与规则互动交流：以高校社团管理系统为例，引导学生思考“如何识别核心实体、属性与联系？”，尝试绘制简单的局部ER图，分享思路并点评。（5分钟）5.4逻辑结构设计（20分钟）5.4.1ER图向关系模型的转换规则（实体、不同类型联系、特殊属性）5.4.2数据模型的优化方法5.4.3用户子模式设计5.5物理结构设计（10分钟）5.5.1物理结构设计的任务与目标5.5.2存储结构、索引设计的核心方法5.6数据库实施与维护（5分钟）思政元素：数据库设计需兼顾业务适配、性能与安全，每一个设计环节的严谨性都直接影响系统运行效果。这引导我们在学习和工作中