数据库原理教程-教学大纲

“数据库原理”课程教学大纲英文名称：DatabaseSystemsPrinciples课程编码：0000345课程性质：学科基础必修课学分：3学时：48面向对象：计算机科学与技术、物联网工程专业本科生先修课程：集合与图论，代数与逻辑，数据结构与算法分析教材及参考书：杜金莲，邝劲筠，何明，丁治明.《数据库原理》.清华大学清华大学出版社.2024年4月。一、课程简介“数据库原理”是计算机类专业的核心课程，其主要内容涉及数据组织的基本原理、数据库设计的方法及实施技术。在原理方面本课程涉及到问题的抽象与归纳、逻辑思维、问题求解的方法与思路，有利于学生计算思维的训练。通过概念模型与数据模型的建模、关系代数、范式理论等内容的教学，培养学生正确的思维方法，以利于将来在计算机领域中学习新的理论知识、从事科学研究工作。在应用方面本课程涉及软件开发能力的培养。数据库技术是大型软件开发的核心技术，也是目前许多新兴的数据库技术（如：大数据处理）的基础。通过数据库设计、SQL语言、事务处理以及实验上机等内容的教学，培养学生的复杂系统中数据组织与管理的工程能力。对于计算机专业大类的本科生来说，本课程是理论与实践相结合紧密的学科基础课程。二、课程地位与目标（一）课程地位：本课程是计算机专业大类（包含计算机科学与技术和物联网工程2个专业）的学科基础必修课，属于软件技术系列。目前数据库技术发展很快，有很多新的分支，而数据库原理是这些新技术的核心，是数据库技术领域的基石，也是学习和研究新的数据管理技术的基础。同时计算机应用领域的大量项目开发都离不开数据库技术，因此也是构建复杂软件系统的基础，数据库设计是软件工程设计的重要组成部分。基于此，“数据库原理”是计算机类专业课程体系中非常重要的课程，对于学生能力的培养起着重要的作用。本课程旨在引导认识数据组织和管理的基本思想和方法，培养学生掌握大型软件开发过程中数据的设计和实现技术。引导学生利用基本的关系理论针对复杂数据系统的建模问题进行分析、抽象、表达、推理，并能够结合实际应用设计优化解决方案，培养其建立数据模型及优化求解的思维意识。引导学生认识并掌握数据库建模的基本思路和多方案设计的思想，培养其建立基于用户需求，设计多种解决方案并能对这些方案进行对比权衡从而创新性的给出最优解决方案的、这种构建数据库的科学思维和方法。引导学生理解数据库的实现技术及其与理论的关系，培养其掌握使用现代核心数据库管理软件进行数据库实施的能力。课程同时通过实验总结报告、自学环节等培养学生的表达与总结能力以及终身学习能力。（二）课程目标1教学目标：本课程的教学目标包括知识目标、能力目标和素质目标。知识目标方面，通过学习使学生掌握数据库的基本概念，关系模型及关系理论的本质及原理，掌握数据库建模的基方法和步骤，掌握SQL语言的使用方法以及数据库相关实现技术，了解数据库技术的发展方向。能力目标方面，通过学习培养学生数据建模的思维能力、数据库系统的分析、设计与优化能力、数据库系统的实施能力。重点培养学生在面对复杂计算系统中的数据组织与管理问题时的知识运用能力和创新求解能力、同时培养学生总结表达及自主学习的能力。素质目标方面：通过学习一方面培养学生树立复杂计算系统中所需要的、综合考虑社会、文化、法律等多因素作用的、科学的数据工程观。帮助学生建立数据安全即社会安全的正确认识及责任感。帮助学生建立科学的方法论，培养学生的科学精神、敢于面对新困难的挑战精神和自信心以及开发国有自主系统软件的责任意识。具体的教学目标包括：（1）掌握数据库领域的基本概念、系统结构及其在软件工程应用中的作用，掌握数据组织的基本思路，理解数据模型的概念及其在数据组织和管理中的作用。（2）能够用关系模型表达传统的结构化数据，能利用关系理论对其进行评价和优化，理解关系模型数据检索的基本原理，并能够利用关系代数实现数据的检索，清楚检索过程中算法的优化方向。（3）掌握数据库建模的基本思想、目标和步骤。理解概念模型和逻辑模型的区别和联系，熟练使用ER模型表达用户的需求，并能基于其进行逻辑模型的设计。经过复杂数据库系统的设计和实施，能针对复杂系统给出数据库的多种设计方案，并能结合实际应用进行多方案的比较和评价。（4）掌握SQL语言的核心功能和主流数据库管理系统的使用，经过学习和上机实践能利用SQL在主流DBMS上进行数据库的定义和操作以及权限控制。（5）通过设置相关知识点自学环节和数据库设计和实践环节提升学生的自主学习的意识和能力。学生能够自主选题、设计，自主学习SQL语言和主流的DBMS软件并上机实现。（6）能够在数据库设计与实践环节中进行讨论，在实践结束后撰写报告，验收考核，培养其有效表达系统设计与开发中相关问题的总结、提炼和表达能力。（7）通过教学过程中使用合理的方法、结合课程的内容，培养学生的科学精神，建立科学研究的思维方法。通达引入国产数据库技术和相关系统，帮助学生建立科学研究的自信心、国家情怀及社会责任感。课程目标与计算机科学与技术专业及物联网工程专业的毕业要求指标点对应关系分别如表1和表2所示。表1课程目标与计算机科学与技术专业毕业要求拆分指标点的对应关系课程目标毕业要求拆分指标点1.22.12.34.36.111.113.2（1）●（2）●（3）●（4）●（5）●（6）●（7）●注：●：表示有强相关关系，◎：表示有一般相关关系，⊙：表示有弱相关关系课程目标毕业要求拆分指标点1.22.12.34.36.111.113.2（1）●（2）●（3）●（4）●（5）●（6）●（7）●表2课程目标与物联网工程专业毕业要求拆分指标点的对应关系注：●：表示有强相关关系，◎：表示有一般相关关系，⊙：表示有弱相关关系2育人目标：本课程在传授科学知识的同时，注重学生品德修养、理想信念、国家情怀及社会责任意识的培养，在教学目标中有所体现。具体来说，通过在教学过程中使用合理的方法，结合学习内容，培养学生的科学精神，帮助学生建立科学研究的思维方法和科学研究的自信心、树立国家情怀、明确数据安全对于国家和社会的重要性，建立自已的社会责任感。通过平时考勤、作业、讨论交流等环节，培养学生的纪律性、自觉性和主动学习的良好品德。三、课程教学内容分章节列出课程教学内容及对课程目标的支撑，详见表3。表3教学内容与课程目标的对应关系章节名称教学内容及重点（▲）、难点（★）课程目标（√）1234567第一章绪论数据、数据库、数据库管理系统和数据库系统的概念[1]；数据库系统；三级模式结构及数据独立性概念▲；数据库管理系统的结构▲；数据库系统相对文件系统的优越性；有关数据库技术的发展的介绍。从文件系统的缺点与数据库系统的优点的讨论中，讲解应用背景下的现实需求对于计算机技术的推动，建立面向用户需求的基本理念。三级结构的讲解使学生从总体上理解体系结构的概念、体系结构对于计算机系统的重要性。√√第二章数据库建模数据库设计概述；数据模型；概念模型(E-R图)▲；对约束的建模▲；子类▲★；弱实体▲★；设计原则。概念模型建模的讲解中引导学生考虑多种不同的解决方案，对不同方案以及优劣进行对比与权衡。对于设计原则的讲解中，告诉学生工程问题的有限性以及问题求解的多样性，建立需求驱动的理念。从问题的需求分析、归纳、类比、区分去讲解为什么会有子类弱实体，应用时如何区分使用子类与弱实体。√√第三章关系数据模型关系模型的基本概念▲；从E-R图到关系数据库模式的转换▲★。关系模型建模的探讨中注意引导学生学会对问题的抽象与归纳，关注不同类问题的设计以及同类问题的不同设计的讨论，特别是多对多联系以及多路联系的转换问题√√第四章关系代数传统的集合运算；选择与投影▲；笛卡尔积；连接▲；改名；综合应用举例▲★。注重逻辑思维训练，数学公式化表达的训练，同时，要对后面章节的SQL查询中的对应逻辑做铺垫。强调逻辑思维。不能单纯讲解难题答案，让学生去死记硬背。√√第五章关系数据库理论函数依赖的基本概念▲★；关系模型的规范化▲★；函数依赖理论▲★；关系数据库模式设计▲。范式的讲解中要分析问题的来源、理论的出处，分析需求的变化与范式的演变。作为不同层次与路径探讨模式分解与概念模型设计在数据库设计中的作用与互补。函数依赖理论的介绍中注重逻辑思维的培养。√√√第六章SQL语言SQL概述；数据定义▲；查询▲；数据更新▲；视图；SQL/宿主语言接口；存储过程；JDBC简介。子查询与连接查询进行对比★，相关子查询与独立子查询进行对比★。自连接问题的提出，自连接与常规连接的关联与不同。综合查询核心是逻辑思维的训练，语言的句法细节学生可在上机实践环境去进一步学习，课堂教学不纠结在语法细节上，要从宏观的视角归纳问题的大类以及求解方法。在有关表与视图、特别是视图的讲解中与数据库系统三级结构呼应，让学生从概念模型、数据模型，直至实现，对于数据库系统的设计与建立过程有一个完整的认识，培养系统分析与工程应用能力。√√√√√第七章数据约束与触发器SQL中的键码约束和单值约束▲；SQL中的参照完整性约束▲；SQL中对属性值的约束▲；其它类型的约束；触发器★。数据约束是所有数据模型的要素之一，约束本质上是企业业务规则在数据库系统中的体现，不要限于语法的讲解，要关注工程问题中需求驱动、关注解决方案与需求背景的关联、不同方法的优劣与限制。触发器在什么需求下使用，触发器激活的方式与条件的设置，触发器与存储过程的关联√√√第八章系统控制事务管理▲★；故障与恢复技术]；安全性控制▲★。封锁机制与事务管理、安全性控制属于数据库管理系统的核心内容，但由于本课程学时的限制，从宏观视角介绍事务的概念、事务管理的思路、封锁机制的主要方法、事务与封锁的关系，安全性控制的必要以及相应的手段，不针对具体的数据库管理系统2。√√√√数据库设计与实验环节本部分分为两阶段：第一阶段为数据库选题及设计阶段，主要目的是鼓励同学选择相应数据库设计项目，并根据需求进行数据库模式设计，提供至少两种设计方案，设计结果通过与教师沟通讨论合适后进入第二阶段，即数据库实现阶段，第二阶段为上机实验阶段，要求学生根据实验内容进行实际的上机操作。整个过程以培养学生基于需求进行方案设计及对比选择的能力以及创新求解的数据工程能力。√√√√√√√四、教授方法与学习方法指导教授方法：以讲授和讨论为主（40学时），实验为辅（课内8）。通过启发式教学，介绍问题的背景以及解决的方案；基于项目驱动的方式融合相关原理和方法；对于相近或相反的概念和术语，进行对比与区分。探索问题求解中的多种思路、不同解决方法的分析与对照，培养学生的探索精神；注重从实际问题出发，抽象出理论再讲理论应用于实际的思路，使学生养成理论联系实际的习惯，并注重学生对问题以及求解方案的分析、总结以及归纳的能力的培养。充分利用线上资源以及录制好的课程知识点，合理组织教学活动，以充分发挥学生的自主性和积极性，提高教学效果。学习方法：明确学习各阶段的重点任务，做到课前预习特别是利用好线上资源进行课前学习或自主学习，课中认真听课，积极思考，积极参加讨论，课后认真复习，注重同学之间的讨论和与授课老师的交流，多问多想多练。在数据库原理课程的学习过程中，始终注重理论联系实际，用案例分析引导概念的理解、方法的学习。重视数据库设计及上机实验，在实践中加深对原理的理解，增强应用开发能力。五、教学环节及学时分配本课程的教学环节及各章节学时分配，详见表4。表4教学环节及各章节学时分配表章节名称教学内容学时分配合计讲授习题实验讨论其它1绪论332数据库建模5273关系数据模型334关系模型运算5155关系数据库理论8196SQL语言667数据约束与触发器228系统控制449上机实验88合计368448注：课内8小时的实验时间不足以完成数据库设计实验，学生还需要用更多的课外时间。重点教学环节设置如下：1.课堂讲授与讨论课堂教学的重心是使学生掌握数据库原理课程中的基本概念、基本理论和基本方法。通过启发式教学，介绍问题的背景以及解决的方案；借助实例（项目案例），讲解相关概念与方法；对于相近或相反的概念和术语，进行对比与区分。探索如何将原理相关内容与案例分析相结合，探索问题求解中的多种思路、不同解决方法的分析与对照；使学生养成理论联系实际的习惯。注重学生对问题以及求解方案的分析、总结以及归纳的能力的培养。多媒体课件和黑板板书等传统教学手段相结合；讲授与问题讨论相结合；重要概念术语给出英文表达。利用在线课程资源，鼓励学生提前学习相关知识点，并通过翻转课堂的方式进行关键问题的讨论，以引导学生深刻理解知识的原理。2.实验教学在学生掌握数据库基本原理的基础上，指导学生从应用实例出发，对问题进行分析，设计数据库模式，创建数据库对象，进行各种数据更新，进行各种数据查询（包括：连接查询、嵌套查询、聚合函数的使用等），以及视图、索引、安全性、事务等相关内容的实验。注重学生在数据库设计方面的训练；要求学生熟练使用SQL语言和图形用户界面进行数据库及相关元素的定义和操作。要求学生对实验过程加以记录、总结并提交规范的实验报告。实验教学应该使学生加深对理论的理解、培养学生系统能力（系统的视角，系统的设计、分析与实现）、培养学生的数据库系统设计和实现能力（建模、优化与实现）和总结归纳、表达以及撰写报告的能力。实验包含几大类的内容：（1）数据库设计给出实际应用背景的基本描述，学生根据个人的水平和爱好选择符合要求的应用问题。重点在于概念模型设计以及逻辑数据模型设计的思路与方法。（2）数据库定义初步管理数据库以及管理基本表的方法。理解概念模式以及相关数据约束的概念。（3）数据更新与数据约束数据更新的方法。通过测试加深数据约束的概念的理解。（4）查询包括单表、多表连接、嵌套查询、聚集查询、综合查询等等。有能力的学生可以学习更多高级查询的方法。（5）视图、索引、安全性及其他学习视图与索引的创建等，理解外模式的概念与用途，理解索引的概念与用途，学习授权机制的使用。有能力的学生可以学习触发器、存储过程的使用以及事务处理的相关内容。8个学时的实验的具体安排：数据库设计与数据准备选择现实生活中的应用背景，给出简要的需求说明，如：实体集的属性及相应联系、约束、经常做的查询等操作。学生自己设计E/R图，并转换为达3NF的数据库模式。根据设计好的数据库模式，建库、建表（含约束定义），输入基本数据。数据要足够后面的实验使用。进行合理的插入、删除、和修改操作。对表结构进行修改。数据的查询单表查询、连接查询、嵌套查询、排序、分组、聚合以及综合查询等。视图、索引、安全性视图的建立、删除与使用；索引的建立与使用；授权与收权的应用。存储过程、触发器、事务与并发性建立和使用存储过程、触发器；建立事务、定义隔离级别并测试并发操作的状况。说明：数据库的设计至少包含3个实体集，两个联系；一个多对多联系。能力强的学生可以设计更多实体集与联系，可以含多元联系、一元递归联系；可以含子类实体集、弱实体集。实验班的学生可以加上外层应用程序的设计，具体语言工具可由学生自行选择。实验建议一人一组，任课教师亦可根据班级具体情况安排多人一组。实验考核包括实验报告与上机检查。从如下几个方面进行考核：（1）基本概念掌握情况（2）概念模型的表达与数据库设计能力（3）数据准备情况（4）数据库管理系统的操作能力（5）数据约束各种方法的掌握情况（6）SQL句法的使用情况（7）查询方法的多样性以及逻辑思维能力（8）扩展实验情况（9）实践过程中的态度及积极性表现（10）实验报告撰写的规范程度、丰富和充实程度考核方式为：演示成果，教师随机抽检，提交总结报告。考核标准：按《数据库原理实践评分标准》执行，总分最高30分。3.习题与作业本课程通过课外习题作业，引导学生检验学习效果，思考相关的概念，学习基本方法，学会从不同视角考虑和解决问题。作业的基本要求：根据各章节的情况，包括练习题、思考题、讨论等，每一章布置适量的课外作业，完成这些作业需要的知识覆盖课堂讲授内容。根据学生程度不同，教师可自行安排必做习题和选做习题。数据库原理作业的目的在于让学生巩固数据库技术的相关概念、原理。学会用关系代数表达各种查询；用SQL语句进行数据定义、数据的查询与更新。掌握数据库设计的规范以及设计方法。1）绪论：概念题、思考题共3道。2）数据库建模：E-R图设计题3-6道。3）关系数据模型：概念题1-3道；E-R图到关系模式的转换，3-5道。4）关系代数：关系代数查询题5-6道。5）关系数据库理论：计算闭包、范式判定、关系模式分解：共10道，概念题：3-4道。6）SQL语言：数据定义、各类查询、更新、视图：共10道。7）数据约束与触发器：在SQL建表语句中表达数据约束：2-3道。8）系统控制：概念题或思考题3道。六、考核与成绩评定本课程各考核环节的比重及对毕业要求拆分点的支撑情况，详见表5。考试形式为闭卷；内容涵盖所学内容90％以上。总评：平时成绩占30%左右（实验成绩占其中的20%左右）闭卷考试成绩占70%根据每届学生的具体情况，可调整平时成绩所占比例，但不应低于10%，不应高于30%。实验成绩主要反映学生数据库设计能力、上机实践能力、逻辑思维能力、总结表达能力。平时成绩主要反应学生的出勤情况、课堂表现、课堂测验、作业情况。平时成绩及实验成绩根据《数据库原理实践评分标准》进行评价。期末考试是对学生学习情况的全面检验。强调考核学生对数据库原理基本概念、基本方法、基本技术的掌握程度，考核学生运用所学知识设计解决方案的能力，强调数据库设计环节以及SQL查询的应用，尽量反映出学生在数据库领域的理论知识、分析设计能力、推理优化能力和综合求解能力。表5考核方式及成绩评定分布表考核方式所占比例（%）主要考核内容及对毕业要求拆分指标点的支撑情况平时成绩10%左右出勤、