基于“翻转课堂”的《数据库应用技术》课程教学方法研究

金鑫

（长沙民政职业技术学院软件学院，湖南长沙 410004）

基于“翻转课堂”的《数据库应用技术》课程教学方法研究

金鑫

（长沙民政职业技术学院软件学院，湖南长沙 410004）

“翻转课堂”作为一种全新的教学模式，改变了传统教学模式中的师生角色，对课堂时间分配进行了重新规划，反映了学生的主体作用。文中以《数据库应用技术》课程为例，引入“翻转课堂”教学模式，将微项目、合作机制等引入课堂，将抽象的理论具体化，活跃了课堂气氛，最后总结了“翻转课堂”模式实施要点。

翻转课堂；教学方法；微项目；合作机制

1.“翻转课堂”教学模式介绍

“翻转课堂”（Flipped Class）[1]最早的探索者是孟加拉裔美国人萨尔曼汗，他将自己录制的教学视频传到了YouTube网站上，让数以万计的学生通过网络来参与课程学习。之后科罗拉多州林地公园高中的化学教师乔纳森·伯尔曼和亚伦·萨姆斯则进行了颠覆传统课堂的尝试，把结合实时讲解和PPT演示的视频上传到网络，让学生在家中或课外观看视频中教师的讲解，把课堂的时间节省出来，进行面对面的讨论和作业辅导。

“翻转课堂”与传统教学模式相比，具有以下三方面优点：

1.1 传统教学模式中学习进度由教师安排；“翻转课堂”中学习进度由学生自己安排，增强了学生的自我管理意识。

1.2 传统教学模式师生联络方式存在局限性，教师了解学生学习困难滞后或存在盲区；“翻转课堂”通过网络实时反馈，教师对学生学习中的问题掌握较全面，便于做出针对性辅导。

1.3 传统课堂教师主导，学生之间互动较少；“翻转课堂”鼓励学生之间的互动交流，有利于增加思考灵活度，从而提高学习效率。

2.《数据库应用技术》课程介绍

《数据库应用技术》是软件技术专业的主干课程，讲授数据库的基本原理、表和列的管理、数据存储与检索、数据的设计等知识。本文以其中的一个内容“列数据库”为例，介绍翻转课堂的应用。列数据库是近年来针对解决大数据问题的一种数据库技术。列数据库管理系统(Column-Oriented DBMS)是一种以列方式存储数据的数据库管理系统，亦称为列存储(C-Store,Column-Store)[2]。传统的行数据库管理系统(Row-Oriented DBMS)，亦称为行存储(R-Store, Row-Store)，如Oracle、SQLServer、DB2等。由于存储方式的不同，列数据库在系统结构、数据存储、数据读取、查询等系统设计以及应用领域都与行数据库存在着显著的差异。

列数据库是数据读优化(Read-optimized)系统，而行数据库是数据写优化(write-optimized)系统[2]。行存储将同一元组的所有属性存放在相邻的区域，一次磁盘写操作便可将元组数据写入磁盘，在写数据时获得较高的性能。行存储适合于写密集的OLTP(On-Line Transaction Processing)类型应用。列存储将所有元组的相同属性列存放在相邻区域，查询时只读取投影属性，对比行存储读取所有元组属性而言性能较高。列存储更适合于读密集的OLAP(On-Line Analytical Processing)类型应用。另外，列存储方面研究技术发展，如轻量级压缩、后期物化和连接优化等，使列数据库在OLAP等读优化系统中性能对比明显优于行数据库。

列数据库技术可追溯到上世纪七十年代。当时，行数据库中垂直分区(Vertical Partitioning)技术[3][4]要求为数据表的每列建立单独的表，由于每列都附加了列ID属性，所以性能较差。上世纪八十年代中期，学术界提出行数据库的N元存储模型(NSM, N-ary Storage Model)[5]上的分解存储模型(DSM,Decomposition Storage Model)[6]，相继一些连接算法和投影索引技术扩展了DSM。尽管DSM适用于分析查询，但当时由于市场需求有限，DSM仍然处于非主流技术趋势，而行数据库一直处于主导地位。直到2000年以后，随着信息技术领域新技术层出不穷，包括CPU性能的大幅提升、内存容量的不断增大、磁盘带宽的限制和T比特级数据仓库的兴起等等，促使列数据库的研究得到快速发展并随之产生大量的列数据库管理系统[7]。

3.“翻转课堂”教学模式在数据库课程中的实践流程

3.1 制作精良的教学视频（5分钟以内）

视频作为课程主题引入，涵盖列数据库存储空间布局的发展现状和列数据库存储空间布局的重点、难点，为接下来实施“翻转课堂”打基础。视频制作过程分三步：第一步：研究教学内容确定教学任务，完成教学设计、教学流程；第二步：确定新知视频内容及课堂教学流程；第三步：视频录制、剪辑及学生自主学习任务单的设计。

3.2 创设问题导向的微项目主题（5分钟）

给出基于列数据库存储空间布局的微项目主题，该主题以世界大学城空间平台优化为背景，给出世界大学城空间平台现存的存储空间不足的问题，启发用本堂课程知识点解决此问题。

问题阐述过程如下：

我们日常使用的教学资源数量呈直线增长趋势，访问量也大幅提升。海量的教学资源，包括各类文档、图片、视频、师生互动交流的信息等，给空间网站服务器带来极大的数据存储管理难度。同时，教学资源大量并发访问需要快速的资源检索和实时数据分析，对空间网络服务器提出更高的数据处理要求。

列数据库技术应用于大学城空间，将使访问资源集中到用户查询所涉及的列，能够有效降低系统I/O，每一列由一个线程来处理，而且由于同一列的数据类型一致，数据特征相似，极大地方便资源压缩存储。海量数据存储及查询所引发的客户端问题，例如空间网页响应延迟或网页无法打开、空间资源访问缓慢或无法访问、资源存储速度缓慢或丢失、多用户同时访问时无法响应等等，也能够得到极大改善。

请用列数据存储空间布局方法为世界大学城空间资源存储结构建模。

3.3 建立高效合作机制（25分钟）

学生根据列数据库存储空间布局的理论进行分组讨论，给出微项目解决方案。

列数据库存储空间布局的知识点多且杂，给出的知识点应注意系统性、连贯性，而不能仅仅依照书本要点。结合多种参考资料及课本归纳后的列数据库存储空间布局知识点如下：

通常，数据库存储页面布局方式分为三种：行存储、列存储以及复合行列存储的布局方式。除上述三种存储布局方式外，HYRICE结构可依据访问数据的大小自动将数据表拆分成几部分[8]。图1所示是三种典型的存储页面布局方式。其中图1.(a)为包含ID和三个属性(SSN,Name,Age)的Employee表；图1.(b)为行存储布局方式NSM；图1.(c)为列存储布局方式DSM；图1.(d)为复合行列存储布局方式PAX。

图1 三种页面布局方式

传统关系数据库采用按行存储的布局方式，使用N元存储模型(NSM)。NSM按记录(元组)顺序将数据存储于每个磁盘数据页面(Slotted Page)。在每个页面中，从最接近页面头的可用空间开始，逐个插入新的记录，同时，在页面尾端保存指向该新纪录的指针。如图1.(a)NSM存储模式所示,每个记录包含一个记录头(RH)，页尾的指针指向相应的记录头。在查询记录时，从页尾指针定位并读取记录，每次访问都需要读取该记录的所有属性。

按列存储的页面布局方式将记录按属性列分别存储于不同磁盘页面中，每个页面只存储同一属性列的数据。列的分离存放避免了在访问记录时读取不相关属性，但需要额外的元组重建开销。按列存储布局方式可采用分解存储模型(DSM)[6]或C-store [2]。世界大学城空间可采用DSM方式。DSM是一种垂直分区(每个属性为一列)的完全分解形式，将包含n个属性的关系垂直划分为n个子关系，每个子关系包含两个属性：逻辑记录ID、属性值。子关系依照NSM中关系的存储方式存储于磁盘页面(slotted page)。如图1.(b)DSM存储模式所示，Employee表(关系)划分为三个属性(子关系)，每个属性中数据分别存放在不同的页面文件中。C-store类似DSM，区别是每个子关系中只存储属性值而不需要逻辑记录ID。

学生合作机制的建立应注意以下两点：

3.3.1 教师给出的理论知识点应涵盖微项目中所涉及的所有知识要点，并要简洁概括，以便学生短时间阅读和理解。

3.3.2 教师分组时，每组指定负责人，并按能力分工，4-6人一组为佳。

3.3.3 学生探讨时，对于知识点较容易的课程主题，适合采用自主探究为主、团队探讨为辅的方式；对于难度较大的知识点，适合采用团队探讨为主、自主学习为辅的方式。

3.4 教师引导及总结（10分钟）

学生经过团队合作探讨之后，给出的建模方案需要教师的高效指导。此时的指导基于微项目，并结合列数据库存储空间布局理论知识，对于学生是有目的的学习过程。有了合作机制阶段的建模基础，教师高效的指导有利于学生对微项目查缺补漏，并对知识形成连贯体系。

对于学生的微项目成果，教师可将典型的小组作品进行展示和探讨，以便学生从中进一步拓宽思路。

此外，针对学生完成微项目过程中的缺陷和错误，教师应单独辅导，指导学生改进和完善，做到举一反三。

4.启发和收获

“列数据库存储空间布局的理论”等一系列信息技术理论课程具有抽象、枯燥等特点，通过借鉴“翻转课堂”教学模式，改变了传统教学模式中教师为中心的讲授式方法，充分调动学生的学习自主性，课堂中的微项目将枯燥的理论知识和世界大学城空间中的实际问题相结合，使学生既能够有目的地学习相关理论知识，又有利于实际问题的解决。另外，“翻转课堂”中师生的互动、微项目展示及改进等能够更真实地反映学生对知识点的掌握程度。

[1]刘晓路，邢立宁，杨振宇，孙凯.“反转课堂”教学模式的实践与思考[J].时代教育,2014,（9）:63-64.

[2]Mike Stonebraker,Daniel J.A,Adam Batkin,et al.C-Store:A Column-oriented DBMS[C].Proc of the 31st Very Large DataBase Conference(VLDB),Trondheim,Norway,2005.553-564.

[3]Weyl S,Fries J,Wiederhold G,et al.A modular self-describing clinical databank system[J].Comput.Biomed.Res,1975,8(3),273-93

[4]Illka K,Per S.Integrating Vertical and Horizontal Partitioning Into Automated Physical Database Design[C].Proc of the 2004 ACM SIGMOD conference on Management of data,Paris,ACM,2004:359-370.

[5]R.Ramakrishnan,J.Gehrke.Database management systems[M].Mc-Graw-Hill,2003.

[6]George P C,Setrag N K.A decomposition storage model[C].Proc of the 1985 ACM SIGMOD conference on Management of data,Texas, ACM,1985.268-279.

[7]Daniel J A,Peter A B,Stavros H.Column-oriented Database Systems [C].Proc of the 35st Very Large DataBase Conference(VLDB),Lyon, France,2009.

[8]Martin G,Jens K,Hasso P,et al.HYRISE:a main memory hybrid storage engine[C].Proc of the 36st Very Large DataBase Conference (VLDB),Singapore,2010.

[9]刘海武.信息技术课堂如何有效运用翻转模式[J].教育教学论坛. 2014,(7):227.

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1671-5136(2014)02-0098-02

2014-06-15

金鑫（1980－），女，江苏镇江人，长沙民政职业技术学院软件学院讲师、硕士。