物理实验教学管理系统数据库的建立和维护

刘端阳

摘  要：目前，教务管理的信息化已经普及，并且越来越完善，集选课、作业批改、成绩管理于一体的教务管理系统已经非常多见。然而实验教学因其相对于理论教学的特殊之处，为了达成同样级别的信息化管理，需要建立有别于理论教学的独立的实验教学管理系统。由于这样的系统的特殊之处，这样的系统往往需要相应的实验中心自己给出一套数据。笔者根据自己在北京化工大学大物实验中心建立实验成绩管理系统的实践，结合数据库的理论，总结成此文，希望能给相关研究提供一些借鉴参考。

关键词：物理实验  教学管理  信息化  数据库

中图分类号：TP315 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）07（a）-0158-04

Establishment and Maintenance of Database of Physics Experiment Teaching Management System

LIU Duanyang*

（College of Mathematics and Physics， Beijing University of Chemical Technology， Beijing， 100029  China）

Abstract： At present， the informatization of educational administration management has been popularized and more and more perfect. There are many educational administration management systems integrating course selection， homework correction and achievement management. However， due to the particularity of experimental teaching relative to theoretical teaching， in order to achieve the same level of information management， it is necessary to establish an independent experimental teaching management system different from theoretical teaching. Due to the particularity of such a system， such a system often needs the corresponding experimental center to give a set of data. According to the author's practice of establishing the experimental achievement management system in the big physics experiment center of Beijing University of Chemical Technology， combined with the theory of database， this paper is summarized， hoping to provide some reference for relevant research.

Key Words： Physics experiments; Educational administration management; Informatization; Database

到目前為止，各大高校几乎都实现了教务管理的信息化，建立了各类教务管理信息平台，学生可以在平台上选课，查看成绩，甚至提交和查看作业，教师和教务管理人员可以在网上管理教学事务，学生成绩等[1-6]。然而，实验教学有其特殊之处，在于实验课程因为涉及到仪器管理、实验室分配、实验中教师学生实验室等的轮换等问题，与理论课程并不完全相同，专门为理论课程设计的教学管理信息平台会有很多不适合实验课程的地方[7]，建立独立于理论课程的实验教学管理平台已经是目前的发展方向。在此期间，并不是所有的高校都已经能够实现自己的实验教学管理平台，即使已经建立了相应平台的高校，也面临如何维护数据的问题，本文作者根据自己在教学中的实践，以物理实验为例，对如何建立便于在实验教学管理平台中，乃至在实验课程教学中使用的数据库提出自己的一些经验和建议。

1  实验教学管理平台的普遍功能及其数据需求

通常的教学管理平台，应该要能够实现学生、教师和管理人员的登录，并实现各自相应的功能。比如学生要能够查看上课信息、提交作业、查看成绩等;教师要能够查看自己的课表、发布作业、批改作业和管理成绩，管理人员则要能查看和管理所有的人员、课程等信息。对于实验课程来说，更特殊的是学生和教师都能够看到自己每一次课程所对应的实验的实验室、实验项目、实验仪器、实验讲义、教学视频和实验室辅助人员等信息，如果是学生自由选课，还需要能够有管理人员发布待选实验课程和学生选课等界面。本文并不是讨论这些功能的具体实现，而是讨论为了建立或者维护这个平台，实验中心需要提供的数据信息。

首先，需要有每一位学生、教师和实验室辅助人员的信息，既是日常的信息维护，管理平台也需要每隔一段时期，例如每个学期为新添加人员建立账号。然后，与普通的理论课程类似，也需要每一门课程的信息，同时这里也需要每一位学生是否选修某一门课程，每一位教师是否执教某一门课程的信息。与理论课程不同，还需要每个实验项目的信息，以及每个实验项目是否属于某一门实验课程的信息与每个学期的实验具体安排表，即每个开课时间段，教师、学生和实验项目的对应表。

2  實验数据库建立和维护的原则

由于我们建立的数据库不仅是为了实验中心自己查看管理，更是为了供实验教学管理平台调用，所以数据库的设立应该遵循现代数据库设立的一些基本原则。在数据的存储发展历史上，平面文件这种单独的、没有关联的文件的集合这种形式已经早就被淘汰，采用一组逻辑相对一致的、相互关联的数据文件的集合，以便被应用程序调用早已经成为主流的形式，这种数据的集合被称为数据库。在数据库的发展历史上，又经历过层次模型、网状模型为主流的历史时期，而现在，最为常用的是被称为关系模型的数据组织结构。

所谓关系，就是二维表格，每一个二维表格，称为一个关系，有唯一的名称，如学生信息、教师信息、学生选课等，关系的每一列都称为属性，用此列的头来标识，如学生信息中有学号、姓名、班级、邮箱等属性。关系的一行，称为元组，例如在学生信息中，一行对应一个学生的基本信息，也可以称为关系中的一条数据。关系模型之所以称为目前数据库中的主流，是因为其简单形象，而且在遵从数据库的规范化原则，即一定的范式的基础上，关系数据库非常便于应用程序执行各种管理操作。实质上，目前对于数据库文件的管理操作，已经有定义好的标准语言，即为结构化查询语言（Structured Query Language，简称SQL），它定义了插入、删除、更新、选择、并、交、差等各种操作。很多操作的名字都很好理解，这些操作也都是数据库管理中往往不可避免需要使用的，本文并不涉及到教学管理平台应用软件的实现，因此不在此详细讨论SQL。为了便于应用程序实现SQL的这些操作，实验中心提供的数据库应该遵循数据库建立的规范化原则，即范式。

已经有很多种范式被提出来，包括1NF、2NF、3NF、BCNF、4NF、PJNF和5NF等。这些范式本身具有一定的层次结构。以数字命名的一系列范式为例，这种层次结构指的是，数字越高的范式，要求越严格，符合数字更高的范式的数据库关系，那么一定符合数字更小的范式。例如若一个数据库关系符合3NF，那它一定符合1NF和2NF，反之则不然。

1NF指的是关系里的每个属性都不可以再被分割，或者更直白地说，任何一行和任何一列的交点处的值都应该是唯一的。以学生所选实验课程的关系为例，一名学生可能同时选择了多门实验课程，那么有可能实验中心会在这名学生“所选课程”这一属性中同时写上多门实验课程，或者在这一属性下再列“课程1”“课程2”，这样的属性是不可取的，不符合1NF的原则，对数据库的使用和维护带来很多问题。例如，这名学生退选了其中的某门实验课程，我们无法通过删除某一条记录的方式来解决问题，而实际的数据库系统中，总是删除一整条记录，而非记录的一部分，因为这样的方式简洁有效。所以在此情况下，正确的方式是，对同一名学生，可以建立多条选课记录，每一条记录只存储这名学生选修的一门实验课程，这样就符合1NF范式了。1NF是所有关系数据库最基本的要求，几乎所有关系数据库都应该符合此范式要求。

为了说明2NF范式，我们可以设想一下，上述的学生选课的数据文件，大家最自然的想法是，学生的所有基本信息和选课信息都放在同一个文件中，比如该文件的各列分别是“学号”“姓名”“班级”“Email”“选修课程”“分数”等。然而结合1NF范式要求，很快就能发现问题，当某个学生选修了多门课程的时候，涉及这名学生的多行记录中“姓名”“班级”“Email”等信息显然有冗余。所以正确的办法应该是将学生的基本信息作为一个关系文件，里面的属性应该是“学号”“姓名”“班级”“Email”，学生的选课信息作为另外一个关系文件，里面只有“学号”“选修课程””分数”，这样就没有冗余的数据了。可以看出来，在学生的基本信息中，“学号”可以唯一确定一条记录，该记录中的其他属性都完全由学号确定;而学生的选课信息中，需要同时由“学号”和“选修课程”才能确定一条记录，“分数”同时依赖这两个属性决定。学生基本信息中的“学号”，学生选课信息中的“学号”和”选修课程”，称为关系中的关键字，或称主属性或者主值，其他属性称为非主属性。2NF范式是指所有的非主属性都必须要有所有的主属性才能唯一确定，若可以由部分主属性确定某个非主属性，则不符合2NF范式。很显然最开始的符合表格中，“姓名”“班级”“Email”是不符合2NF范式要求的。由例子可以看出，2NF范式可以消除冗余，而消除冗余，可以在修改某个非主属性，例如，学生转班需要修改“班级”属性时，只需要修改一个地方就可以了，显然对使用和维护数据库有极大的意义。

下文以教师的课表这个关系文件为例，来另外一个问题。很有可能我们会把这个关系文件设定成这样，关系的属性分别为”教师工号”“上课时间”“周次”“实验”“实验教室”等。这个关系文件作为给教师本人看的课表，是相当不错的，然而作为给教学管理平台软件使用的数据库文件，它是有问题的。首先可以知道，这个关系的主属性是“教师工号”“上课时间”“周次”，所有这4个属性才能唯一确定一条记录。“实验”和“实验教室”是非主属性。但是很显然，一般的实验中心，实验和实验教室是绑定的，上述这样的关系文件中，会有很多的“实验”和“实验教室”同时出现的记录，同一个实验也很可能出现很多次数。这样一旦实验中心对实验所在的实验教室做出调整，那么这个关系文件中的许多条记录就必须同时修改，给数据库的使用和维护带来极大的困难。正确的方式是建立一个实验项目的关系文件，在此关系文件中，可以有“实验名称”和“实验教室”两条属性，将它们对应起来，而原来的教师课表关系文件中，只保留”实验”和”实验教室”中的一条。上述问题出现的原因是，虽然“实验”“实验教室”两条非主属性都符合2NF的要求，需要所有的主属性确定，但是同时，“实验教室”和“实验”这两条非主属性间也有依赖关系。3NF范式要求，非主属性间不可以有依赖关系，这样就可以消除上述出现的问题。

一般来说，实验教学管理平台的数据库，满足3NF范式即可，不需要再追求更严格的范式关系了。这样已经足够使用，不会带来太大的问题。甚至有些时候，可以为了关系文件的可读性，可以再违反一点点范式要求，例如在教师课表这样的文件中，可以加上”姓名”这一条，很显然其实这个已经违反了2NF范式要求，但是如果确信教师不会改名，如前分析，这也不会带来额外的问题，同时增加了关系文件的可读性。不过类似的事情，需要小心又谨慎，例如万一很多老师改名了，这就会是个大麻烦。

3  物理实验数据库的示例及说明

关系模型中的关系，就是二维表格，因此从直观上理解和从现实实现来说，最简单的就是想到使用Excel文件来作为关系存储文件。从严格的数据库理论来说，这并不完全正确，实际的关系数据库存储，只是在人机交互的层面上是以二维表格的形式展示的。不过各物理实验中心没有必要去追究这些技术细节，我们以Excel的形式，按照数据库的3NF原则提供各种关系数据文件，以供物理实验教学管理平台作为输入输出文件，并不会有任何的问题，相反会大大降低程序处理的难度。

根据上一节介绍的原则，在建立物理实验课程的数据库时，我们应该首先建立各类数据的基本信息的关系，从笔者的使用实践来说，通常这包含学生、任课教师/助教、实验课程和实验项目等的基本信息关系文件。这种基本信息文件，通常主属性都只有一個，可以唯一确定一条数据对应的实体对象，如学生的学号、教师的工号、实验课程的课程代码等，对于实验项目，可以内部设定编号。至于各实验中心或教学管理平台需要涉及的是这几类实体对象的那些非主属性，则需要根据实际情况来确定，绝大部分情况下，相应数据应该可以从教务处或者学院的系统中获得，其他一些关于实验的数据，需要实验中心自己整理。在表1中，以实验项目为例展示了一个实例。

接下来，需要各类实体之间的相互关联的数据的关系表格，如学生选课、教师代课、开课时间、课程包含实验项目等。如上一节示例所述，各实体间往往是一对多或者多对多的复杂关系，例如，学生选修多门课程，教师多个时间上课，实验项目和课程间关系可能是多对多等，为了后续处理数据的简单可靠，需要遵循3NF范式，所以不能把这些数据都放在相应的实体的基本信息表格中，而需要根据实际需要建立各种关联的数据库文件。在表2中，以实验项目和实验课程的关系为例展示了一个实例。

最后，笔者希望通过本文，能够为已经或者打算建立物理实验教学管理平台的各兄弟院校，在实验中心数据管理方面提供一定的参考。这里的关键就是，遵从关系数据库的3NF范式，简单来说就是尽量减少冗余数据，这样对修改和维护数据有很大的帮助。具体到物理实验，就是对学生、教师、课程和实验项目等各类实体对象分别建立基础信息的关系文件，然后再对根据实际情况建立关联的两两实体对象建立关联的关系文件，至于建立关系文件的方式最简单的就可以使用Excel表格的形式。

参考文献

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