基于openGauss的数据库实验教学体系设计与实现_汤娜.pdf

广东技术师范大学学报2022 年第 6 期 Journal of Guangdong Polytechnic Normal University No.6,2022基于 openGauss 的数据库实验教学体系设计与实现汤 娜1，李晶晶1，李春英2*，汤 庸1，叶海山2（1.华南师范大学 计算机学院，广东 广州 510631；2.广东技术师范大学 计算机科学学院，广东 广州 510665）摘 要：为了 更好 的 实 现 围 绕国 产 数 据库的产教融合，本校开设了基于 openGauss 的数据库系统原理课程，通过近两年的实践教学摸索、设计和实践，逐步形成了基于云数据库和本地数据库 windows环境 的 实 验 设 计.通 过 云 数 据 库 环 境 接 轨新技 术，通过基于 docker 的本地实 验环境方便 学生随时 无门槛地接入.同时 根据教 学大 纲的教 学目标，研究 openGauss 的特性，设计和编写了课上课下融合 的实验教学内容，并建设了相应的微课、实验指南等实验配套，最终建设了包含教材等配套在内的实验教学体系.为准备采用国产数据库作为实践教学平台的学校探索并设计了一条可行、易行的实践教学的路径.关键词：国产数据库；实践教学；openGauss；云平台中图分类号：1 绪论近年来国产软件生态体系的建设和发展已成为我国信息产业发展的战略重点1,过去我国数据库系统原理的课程教学过程中，实践环节以国外数据库管理系统为主，例如 mySQL，SQL Server，oracle 等，而针对国产数据库软件展开的理论讲授和实践应用不是很普遍2.2020 年9 月 2 日，教育部高等教育司发布关于在有关高校建设教育部华为“智能基座”产教融合协同育人基地（2020 年度）的通知，北京大学、清华大学等 72 所高校入选基地建设高校名单，华南师范大学也是入选高校之一.在新工科人才培养的大框架下，基于华为技术有限公司自主研发的国产数据库软件 openGauss，华南师范大学与华为合作共建了“数据库系统原理”课程，课程的共建目标是探索如何应用 openGauss 数据库来讲授“数据库系统原理”课程，如何应用openGauss 数据库来作为数据库系统原理课程的教学实验平台进行数据库人才的培养.由于基于 openGauss 产教融合共建创新实践课程的建设目前还处于起步的阶段，教学内容、教学资源、教学模式都还处于探索的初期，如何逐步将国产数据库软件融合到数据库教学中以及如何培养国产数据库技术的系统开发、应用开发人才，目前这些教学研究的方向都是教学改革的研究热点.本数据库教学团队通过近两年的实践 教 学 摸 索，逐 步 形 成 了 基 于 openGauss 多 种实验环境的线上线下混合式实验教学体系.2 基于 openGauss 的多种实验环境的设计计算产业的架构发生了一系列的变革.在硬件架构上，以 CPU 为中心的架构，走向了以数据为中心的对等计算架构；在软件的体系架构上来看，从单机升级为多机多核多算力面向数据中心的软件体系架构，从而使计算基础软件收稿日期：2022-09-05基金项目：2022 年教育部虚拟教研室“数据科学课程群教研室”（52364964）；2020 年华为智能基座项目项目“数据库系统原理”（52363607）.作者简介：汤 娜,博士,华南师范大学副教授,硕士生导师.*通讯作者：李春英，博士,广东技术师范大学副教授,硕士生导师，E-mail：DOI:10.13408/ki.gjsxb.2022.06.009汤 娜，等：基于 openGauss 的数据库实验教学体系设计与实现第 6 期30的原生架构云化、集群化.同时考虑到学生机器性能和配置的复杂性，2021 年将基于云数据库的体系架构引入到当前的数据库教学中，实验教学的实施选择了基于云平台的openGauss，通过云数据库实践平台完整地开展了数据库的实验教学，帮助学生更好地触摸到时代前沿和新技术.但由于云平台的教学免费使用受限于优惠券的发放，一方面学生会有省着用的心态，导致探索的自由度降低，而且开发和使用的难度增 加，所 以 如 果 仅 仅 采 用 openGauss 云 数 据 库上开展实验会导致实验方式单一、存在着一定的局限性.2022 学年的实验则将实验环境设计为基于openGauss 的多实验环境，实现了云平台与本地平 台 下 的 多 种 实 验 环 境.包 括（1）openGauss云数据库平台，（2）本地 windows 环境下 docker的 openGauss 命 令 行 模 式，（3）本 地windows环 境 下 navicat 连 接 openGauss 的 图 形 化 实 验环境，即本地采用命令行和图形化两种实验平台开展实验教学.当然也可以通过 navicat 连接openGauss 的云数据库平台.图 1 三种实验环境基 于windows 环 境 下 安 装 openGauss 的 方式可以有两种，一种是在虚拟机上安装 centos，再 部 署openGauss 数 据 库 官 网 提 供 的 安 装 包进 行手动 安 装.这 种 安 装 openGauss 的 方 式 有几 个 缺 点：由 于 这 种方 式 的 配 置 易 出 错，需 要编 写 相 应 的 配 置 文 件，如 果 在 本 地 搭 建 的 话，系统如果不符合官方标准，需要修改系统的配置，相对来说，安装过程比较复杂；对学生机器性能的要求比较高，尤其是内存，否则运行速度比 较 慢.第 二 种 方 法 为 在window 环 境 下 安 装docker，然 后 直 接 在 docker 上 拉 取 openGauss数 据 库 镜 像.安 装 好 docker 和 openGauss 数 据库之后，就可以采用数据库的图形化管理工具Navicat 来进行数据库的连接和使用.同时也支持连接和管理 openGauss 的云数据库.Navicat作为一种图形化管理工具，用户界面(GUI)设计良好，让用户可以以安全且简单的方法创建、组织、访问和共享信息，对数据库初学者来说比较容易上手，而且其功能足以符合专业开发人员的所有需求.但是对于备份等一些数据库的高级管理功能就无法在 navicat 中进行，所以有一些实验则需要在 docker 的 openGauss 命令行模式下才能开展.3 实验内容的设计与实施整个教学系统的建设过程经过“迁移与设计实践改良”三个阶段.由于华为公司提供的实验内容还比较基础，需要扩充和扩展相应的内容才能达成相应的教学目标.而原来的数据库实验内容是基于其他数据库产品的，但是相关的原理和教学目标是相似的，所以可以根据教学目标的要求，将基于其他数据库产品的实验内容进行产品迁移，同时结合云数据库以及 openGauss 的 特 性，对 实 验 内 容 和 学 时 安 排进行重新设计.我校数据库系统原理课程的课时安排按照15 学时来进行，集中在学期末的后五周开始，一方面课堂学时中要完成所有的实验教学，学时是不够的，同时为了更好的配合理论课程的节奏，让实验课程和理论课程互相呼应起来，更好地促进学生对理论知识的吸收和运用，所以将课程实验分为课堂部分和课外部分.通过课上实验和课后实验这两部分的有机组合来完成数据库系统原理里课程教学大纲的教学目标.云端命令行的使用、配置都相对难一些，所以云端命令行的实验环境是课上实验的主实验环境，通过老师现场的指导，学生更容易上手完成实验，达成实验目标.表 1 为课堂实验的安排以及在什么实验环境下开展.表 2 是 课 后需 要 完 成的 实 验 教学 安排.教学环境的设计上，课后的实验以本地的实验环汤 娜，等：基于 openGauss 的数据库实验教学体系设计与实现第 6 期31境为主.课 后的实验 部 分 分 为 三 类：（1）复 杂度 较高、时 间 可 变 的 实 验，（2）需 要 深 入 练 习 巩 固的实验，（3）综合性实验3.通过采用线上线下的混合模式来帮助指导学生顺利地开展实践活动.目前，线上线下混合式教学模式是提升教学质量与效果的重要模式4，这种教学模式通过将传统的课堂教学与现代网络信息教学手段有机融合在一起，可以将课堂从教室内延申到教室外；通过制定一定的教学目标，学生可以针对自己的实际情况，例如学习能力、基础知识、时间安排等来灵活地安排自己的学习过程，这样的教学模式能够实现以学生为中心，需要个性化地开展过程性教学，为复杂时间可变的实验、深入练习巩固的实验以及综合性实验提供了更为灵活和完整的教学过程.对 于 复杂 时 间 可 变 的 实 验，我 们 采 用“线上视频讲解+自行 安 装+微 信 实 时 答 疑+Q&A问题 归档”的实验教 学模式 来实 现.实 验的 过程在课后由学生自主完成，例如学生需要安装docker+opengauss+navicat 三个实验环境，这个安装过程学生会出现各种各样的问题，最终导致无法安装成功，所以我们将这个复杂、时间可变的实验让学生自主完成.但是这个过程首先会给出明确的实验指导和线上视频讲解，学生可以一步步进行环境的搭建.如果出现问题可以在微信群中提问，教师和同学都可以及时解答，并鼓励学生相互回答问题.问题解决后鼓励学生将问题及解答放在在线课程教学平台的讨论区中.一轮课程结束后，教师将常见问题及解 答 归 档，形 成 3 个 实 验 环 境 安 装 常 见 问 题 的Q&A，将Q&A 发布在教学平台中.学生发现问题首先可以查看相应实验环境安装的 Q&A，如果找不到解决方案再去微信群中提问.SQL 语言部分的教学则是需要学生多做练习来巩固和深入，虽然在课堂实验课中我们已经讲解 过 SQL 语 句的 编译 环境 的使 用，因为课堂时间有限，所以后续还需要给学生提供更多的课后练习来帮助他们巩固和深入，最终能达到灵活运用解决实际问题的目标.但布置给学生很多的课后练习，如果是把答案交给学生自己去校对，学生很难发现自己的错误；如果是老师来手工批改，一方面教师批改的时候也会有批改疏忽的情况，另外大量的练习的批改也给教师带来了很大的工作量，所以我们开发了SQL Online Judge（简称 SQL OJ）系统给学生学生，教师在系统中给学生布置练习，学生在系统上直接答题，SQL OJ 系统会直接判定学生所作的结果是否正确，并给与学生反馈.通过 SQL 在线评判系统，一方面减少了教师的工作量，同时也帮助提高了批改的精准度.通过”课堂讲解实验+课后SQL OJ 在线习题练习加深”的实验模式很好地实现了SQL 语言部分的实验教学.对于综合性实验，我们采用“课堂实验+线上视 频 讲解+模 板代 码+线 下实 操 探 索+样本案例展示”的实验教学模式来实现.综合性实验需要引导帮助学生建立系统观5,所以实验的内容涉及到很多教学内容的综合和深入运用，同时也是学生运用所学再创作的过程.这类实验表 1 课堂实验（15 个学时）实验内容学时推荐的实验环境实验一云数据库的安装与配置3 学时云命令行实验二 嵌入式 SQL3 学时云命令行实验三 完整性控制3 学时云命令行 本地图形模式实验四 安全性控制3 学时云命令行 本地图形模式实验五 备份与恢复3 学时云命令行 本地命令行模式表 2 线上线下混合式教学实验安排实验内容安排时间推荐的实验环境混合式教学模式实验一本地数据库的安装与配置第一次课程之后本地 windows 环境线上视频讲解+自行安装+微信实时答疑+Q&A 问题归档实验二 SQL 语句的练习“SQL 语言”内容之后SQL 语言在线评判系统课堂讲解实验+课后在 SQL 语言在线评判系统上做在线习题进行练习加深实验三安全综合案例“数据库安全”内容之后本地图形模式课堂实验+线上视频讲解+模板代码+线下实操探索+样本案例展示实验四备份综合案例“数据库备份”内容之后Docker 命令行模式课堂实验+线上视频讲解+模板代码+线下实操探索+样本案例展示实验五 基 于 jdbc 的 openGauss 应用开发“数据库设计”讲完之后本地图形模