CDIO 理念及产学结合的数据库课程教改实践

摘要：针对传统关系型数据库课程教学实践性不足的问题，该文基于 CDIO（构思-设计-实现-运行） 理念，探讨了数据库课程教学改革的思路与方法。通过引入在线判题编程实践、数据库软件综合项目设计与开发、互联网业务在线判题以及互联网场景理论教学等措施，构建了更加贴近产业需求的课程体系，旨在培养高素质复合型新工科人才。实践结果表明，该改革方案有效提高了学生的学习兴趣、实践能力和综合素质。

关键词：CDIO；数据库课程；SQL编程；在线判题；教学改革

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）02-0127-03 开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

0 引言

当前，我国正积极推进“一带一路”“中国制造2025”“互联网+”等重大战略，旨在促进产业结构升级和动能转换。在此背景下，新兴产业面临的一大挑战是应用型工程人才短缺[1]。为应对这一挑战，教育部于2017年启动新工科建设，发布了“复旦共识”[2]、“天大行动”[3]和“北京指南”[4] ，旨在构建适应新经济需求的教育体系。自2017年2月起，教育部发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》等一系列文件，推动新工科研究与实践，力求打造具有全球影响力的中国工程教育模式。新工科专业聚焦互联网和工业智能，涵盖大数据、云计算、人工智能等领域，旨在培养具有实践能力、创新能力及国际竞争力的复合型人才[5]。

CDIO 教育理念由美国麻省理工学院等机构于2004年提出，是一种现代工程教育模式，强调理论与实践相结合[6]。该理念已在全球多所大学推广，这种教育模式与我国的新工科建设理念不谋而合。CDIO 模式通过一体化课程体系，让学生在实际产品或系统的“构思－设计－实现－运行”过程中，学习工程知识，提升职业能力和团队协作能力，培育新一代工程技术人才。软件信息化、数据化、智能化依然在不断渗透全球的所有产业，数据库系统均是其中必不可少且关键的系统组成部分，而数据时代下为提高新工科高层次应用型人才未来的就业技能，课程内容需要紧贴时代，符合当下数据时代的背景。

1 CDIO 理念在数据库教学中的应用

CDIO理念是一种将工程教育与实践紧密结合的教学模式，它强调通过完整的项目实施过程来培养学生的工程实践能力、创新思维和团队协作能力。在数据库课程教学中，CDIO理念的应用主要体现在以下几个方面：

第一 ，构思（Conceive） 阶段。学生需要根据实际需求或行业背景，构思数据库系统的整体架构和设计思路，这一过程培养了学生的问题识别能力和创新思维；第二，设计（Design） 阶段。学生运用所学知识，进行数据库的逻辑设计和物理设计，如数据表的创建、索引的优化、安全性的考虑等，这一阶段锻炼了学生的设计能力和问题解决能力；第三，实现（Implement） 阶段。学生动手编写SQL语句、创建数据库、导入数据，并进行调试和运行，通过实际操作，学生能够加深对数据库技术的理解，提升实践能力；第四，运行（Op⁃erate） 阶段。学生需要对数据库系统进行性能监控、维护和管理，确保系统的稳定运行，这一过程能够培养学生的运维能力和持续改进意识。

2 数据库教学存在的不足

2.1 编程实践环节薄弱

SQL编程语言的语法比较特殊，学生在学习过程中入门容易但深度掌握较难。如果缺乏线上判题实验课和线上判题编程作业，则不利于学生掌握SQL编程实践能力。目前业界主流的开源或商用线上判题系统均不支持SQL编程语言，不利于学生即时通过自动判题更好地进行编程实践，也不利于学生未来承担数据类开发、分析等工作。

2.2 缺乏项目实战经验

传统的数据库实验内容主要是编程题目，相对缺乏创新性和探索性实验。为增强学生的创新能力和培养探索精神，需要调整实验内容，增加数据库系统类软件开发项目，通过实践锻炼学生解决实际问题的综合能力。

2.3 与互联网业务场景脱节

目前的关系型数据库主流教材，即使首版日期很新的教材，业务分析也主要围绕传统简单的信息数据库展开。虽然便于学生理解和入门，但基本没有涉及互联网类业务章节，如日活跃用户、月活跃用户、活跃时段、用户多日留存等互联网场景下的典型分析业务，难以让学生理解互联网时代实际的数据库业务。

2.4 与互联网场景应用脱节

目前的关系型数据库主流教材与当前互联网大规模、高可用、海量并发应用有一定脱节，对于云场景的运维、保障、容灾、数据安全等很少涉及。需要针对企业应用的典型场景，在理论课中增加关系型数据库支持高并发、高性能的原理，如存储引擎、缓存、乐观锁、分库分表等减少表容量、减少磁盘I/O吞吐次数、减少并发锁的原理。同时，理论课还需增加容灾、数据库安全等内容。

3 教学改革具体实施

在数据库课程的教学改革中，为了更紧密地结合理论与实践，提升学生的实践能力和创新能力，提出并实施了以下具体改革措施（见图1） 。这些措施旨在通过引入在线判题编程实践、数据库软件综合项目设计与开发、互联网业务在线判题以及互联网场景理论教学，全面优化数据库课程体系，使之更加符合现代行业需求，从而培养出高水平的应用型人才。

3.1 增加在线判题编程实践

为了解决课程与编程实践脱节的问题，我们引入了支持SQL在线判题的商用平台——EduCoder（中文名“头歌”） ，这是一个在国内高校中广泛使用的线上实践教学服务平台。通过头歌平台，学生可以在每道编程题目中经历构思（题目分析） 、设计（题目编程设计） 、实现（SQL编程） 和运行（学生总结） 的全过程，从而形成一个完整的CDIO（构思-设计-实现-运行） 闭环。

在线判题系统的引入不仅使学生能够即时获得编程反馈，提高编程效率，还能通过丰富的题目库和多样化的题目类型，帮助学生全面掌握SQL编程技能。同时，平台上的题目难度分级和逐步引导，有助于学生循序渐进地提升编程能力，为后续的数据库软件开发打下坚实的基础。

3.2 增加数据库软件综合项目设计与开发

为改进课程与项目脱节的问题，根据科研与企业典型业务，设计和选择具有实际应用价值的问题或项目供学生选择或参考自拟类似项目，涵盖构思（项目需求分析） 、设计（项目E-R图设计、数据库设计） 、实现（SQL编程开发与测试，结合前后端软件开发） 、运行（系统角度可操作性、安全性等） ，通过综合数据库软件项目开发实现了CDIO闭环。

在项目实践中，学生需要分组进行，完成从需求分析、E-R 图设计、数据库设计、SQL 编程开发与测试，到前后端软件开发的整个过程。通过这一过程，学生不仅能够加深对数据库原理和技术的理解，还能锻炼团队协作、项目管理和软件开发等多方面的能力。

这种项目开发的实践模式（见图2） 不仅注重理论联系实际，更强调实践能力的实训，旨在帮助学生建立系统、全面的数据库技能体系。

学生分组的项目开发需完成相关文档及宣讲/演示，并对此项目实践进行多元化的实践成绩评价，评价维度（见表1） 涵盖了学生在实践活动中所表现出的多个方面，从而为课程提供全面评价学生学习成果和能力的依据。

3.3 增加互联网业务在线判题

为了改进课程与互联网时代业务脱节的问题，在课程中增加了SQL库函数、窗口函数等理论授课内容，并引入了日/月活跃用户分析、条件推荐系统、留存率计算、订单完成率分析、组合条件查询等互联网场景下的典型数据分析编程题目。通过这些题目的实践，学生可以掌握派生表、子查询、分组等SELECT 语句的语法，熟练运用聚集函数、库函数、窗口函数等，从而能够举一反三地应对企业面试和未来的数据开发/分析工作。

互联网业务在线判题的引入不仅使学生能够更直观地理解SQL编程在互联网数据分析中的应用，还能通过实践提高他们的数据分析和处理能力。同时，这些题目也反映了当前互联网行业对数据库技术的实际需求，有助于学生更好地适应未来的工作环境。

3.4 增加互联网场景理论教学

为了改进课程与互联网场景应用脱节的问题，在课程中增加了存储引擎原理、性能瓶颈及调优底层原理、缓存/乐观锁/分表技术在大规模海量并发场景中的理解、容灾/灾备/数据库安全在高可用性中的理解等互联网场景理论教学内容。这些内容的学习有助于学生更深入地理解数据库技术在互联网场景中的应用，掌握数据库系统的性能优化、并发控制、数据安全和容灾备份等关键技术。通过增加互联网场景理论教学，我们不仅能够提升学生的理论素养，还能帮助他们更好地理解和应用数据库技术。同时，这些理论知识也是学生未来从事数据库相关工作时不可或缺的基础。

4 教学改革实施效果

通过以上教学改革的实施，学生的出勤率、教学评价均有所提高，实验课上学生提问更积极，上课时的精神面貌也有所改善，课堂互动增多，学生项目宣讲时表现出更强的成就感等，这些都佐证了教学改革产生了积极效果。

基于CDIO理念及贴近产业的课程教学改革，相比原有的课程教学有如下优势：

1） CDIO理念强调实践教育与理论教育相结合，以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习。这种教学模式能够帮助学生更好地理解和应用数据库理论知识，通过实际操作和项目实践，提升学生的实践能力和解决问题的能力。

2） 有助于培养学生的综合素质。通过项目实践，学生能够锻炼团队合作、沟通协调和项目管理等多方面能力，这些能力对于未来的职业发展至关重要。同时，课程还注重培养学生的创新思维和自主学习能力，以适应快速变化的技术环境。

3） CDIO理念强调一体化教学计划，将个人能力、人际能力和对产品、过程和系统的构建能力融入培养计划中。在数据库课程中，这意味着学生不仅要掌握数据库技术本身，还要学会如何将这些技术应用于实际项目中，解决复杂工程问题。这种综合性的培养方式有助于提升学生的整体工程素质。

4） 基于CDIO理念及产学结合的数据库课程教学还具有灵活性和可扩展性。随着数据库技术的不断发展和更新，课程可以根据实际需求进行调整和优化，引入新的教学内容和技术案例，确保学生始终掌握最前沿的知识和技能。

5 结束语

本文基于CDIO理念，对数据库课程教学进行了改革，并取得了良好的效果。实践证明，CDIO理念能够有效提升学生的实践能力、创新能力和综合素质，符合新工科人才培养的目标。未来研究可以进一步探索如何将CDIO理念与其他新兴技术相结合，例如人工智能、大数据等，以构建更加完善的数据库课程体系。

参考文献：

[1] 钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2]“ 新工科” 建设复旦共识[J].高等工程教育研究，2017（1）：10-11.

[3]“ 新工科” 建设行动路线“（ 天大行动”）[J].高等工程教育研究，2017（2）：24-25.

[4] 新工科建设指南“（ 北京指南”）[J].高等工程教育研究，2017（4）：20-21.

[5] 柯琦，新工科建设下软件测试课程教学探索[J].电脑知识与技术， 2018（28）：137-138，153.

[6] 李小红，常振云，朱旭育.基于OBE-CDIO的多元化课程考核模式研究：以“Java程序设计” 课程为例[J].现代信息科技，2020，4（15）：179-182.

【通联编辑：代影】

基金项目：深圳技术大学2023 年校级教学改革项目（项目编号：20231013）