數據庫系統移動學習平臺的設計與應用

王燕玲 張海霞

摘 要：文章從移動學習平臺開發的意義出發，結合“數據庫系統”教學的主要任務，構建了“數據庫系統”課程移動學習平臺與網絡教學平臺，并對其應用效果進行了深入分析。a

關鍵詞：數據庫系統課程；移動技術；學習平臺

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2016）06-0040-04

一、移動學習平臺開發的意義

據調研大多數計算機相關專業開設至少一門數據庫課程。該課程包括了數據庫理論和它實際應用的所有主題，例如：不同類型的數據庫管理系統、關系代數和關系演算、查詢語言、數據庫設計等。實際教學中部分內容缺少直觀顯示，而且學生無法隨時進行學習。這些問題主要原因是缺乏整合移動設備的網絡平臺。通過該平臺學生和教師可以隨時進行交流，學生可以及時直觀地溫故知新。

隨著技術的發展，計算機相關專業也在不斷地更新自己的課程，使用最新的工具和技術，從而讓學生可以更好地適應行業的發展。Mahmoud Q.H.認為雖然數據庫系統理論性比較強，但是學習該課程最有效的方法是實踐[1]。例如，讓學生在開發系統過程中使用數據庫[2-5]，這樣學生不僅更好地理解了在課堂上所需學習的課程內容，而且獲得了實際工作中使用這些工具的經驗。另外在課堂教學中整合移動設備（如平板或智能手機）來提高學生參與課程學習的積極性[6-9]，例如：在遠程教學中使用移動設備提高師生之間互動。

大多數計算機實驗室還是使用臺式機連接到服務器，這與大多數學生天天使用的技術之間存在巨大的差距。為了克服這個問題，在計算機相關課程中開發了移動平臺，該移動平臺包含了學習數據庫系統的所有知識，尤其是對關系代數學習做出了更直接的展示。

二、“數據庫系統”教學的主要任務

“數據庫系統”是計算機相關專業的核心課程。1978年由ACM提出數據庫系統獨立開課之后，2001年版本中數據庫系統本科階段的主要任務有：數據庫設計、ER模型、SQL語言、關系代數、事務處理、查詢優化、并發性控制、數據庫系統開發等[10]。這些任務主要分為三個模塊：關系數據庫理論、數據庫管理系統和數據庫設計與開發。具體見表1。

表1 數據庫系統教學任務

由表1可見，關系模型、關系代數表達式和關系代數優化理論性比較強，難以理解。為了增強學生對這些知識的直觀理解，國內外學者提出使用各種教學工具進行輔助教學。如：WinRDBI[11-12]、Virtura[13-14]、McMaster[15]、EDDI[16]、ACME[17]等工具都部分實現了關系代數表達式進行查詢的功能。王燕玲也開發了關系代數學習工具，在該工具中學生可以自由變更數據庫[18]。但是，這些工具未涉及移動學習平臺的設計，以及不同學習平臺在應用后的使用效果分析。

三、相關技術

移動設備（例如智能手機和平板電腦）在大學校園里廣泛應用。與桌面系統相類似，移動設備平臺包括BlackBerry OS，Windows Phone Mobile，iOS和Android等。經過調研在高校校園Android系統的智能手機或平板電腦占有率較高，且嵌入式系統開發比較方便。本節主要討論Android系統中數據庫管理系統SQLite、顯示控件ListView，以及關系代數優化策略。

（一）SQLite

SQLite是當今移動操作系統中最流行的數據庫管理系統軟件[19]。它是本地數據庫管理系統而不是遠程的數據庫管理系統，并且占用資源較少。大多數情況下，符合SQL92標準，確保學生將學習標準的數據庫操作。

（二）ListView

對于移動學習平臺而言，ListView是必不可少的一個重要組成部分，在ListView中顯示各數據庫的表項以及字段項，并通過點擊事件，實現關系代數表達式的編輯。

ListView的顯示需要3個要素：ListView，用來顯示列表的View；適配器，用來把數據映射到ListView上；數據，想要顯示的各項內容。完成初始化之后，系統首先使用getCount（）函數得到要繪制的這個列表的長度，然后通過調用getView（）函數開始繪制，但是，這種處理方式在列表項長度較短時可以使用，在列表項過長時或數據過多時，使用getView（）函數的方法就會導致浪費資源，浪費時間，浪費內存的問題。

因此，本系統使用convertView的方式處理ListView的顯示，不但保證了列表項的正常顯示，同時也解決了使用getView（）方法會導致的內存泄露等問題。

（三）關系代數優化

查詢優化技術的理論基礎是關系代數，關系代數對查詢優化具有指導意義。不同運算符根據其特點，可以對查詢語句做不同的優化，優化可以減少中間生成物的大小和數量，節約IO、內存等，從而提高執行速度。但優化的前提是：優化前和優化后的語義必須等價。

關系代數表達式為基于選擇（SELECT）、投影（PROJECT）、連接（JOIN）3種基本操作相結合的查詢，可以利用查詢重寫規則，做以下3種邏輯優化。

1.對選擇操作查詢重寫，優化方式是選擇操作下

推。目的是盡量減少連接操作前的元組數，使得中間臨時關系盡量少（元組減少，連接得到的元組數就少），這樣減少IO和CPU的消耗，節約時間。

2.對投影操作，優化方式是投影操作下推，目的是盡量減少連接操作前的列數，使得中間臨時關系盡量小，這樣雖然不能減少IO，但可以減少連接后中間關系的元組大小，節約內存空間。

3.等價謂詞重寫。數據庫執行引擎對一些謂詞處理的效率高于其他謂詞?；谶@點，把邏輯表達式重寫成等價的且效率更高的形式，能有效的提高查詢效率。這就是等價謂詞重寫。

本移動學習平臺實現了關系代數表達式標準化輸入、關系代數表達式轉換為標準SQL語言、關系代數表達式等價變換、SQL語言查詢等功能。

四、移動學習平臺的設計

本系統主要分為數據庫連接、關系代數表達式的編輯、優化、關系代數翻譯為SQL語句和SQL語句的查詢輸出五個功能模塊。系統流程圖見圖1。

（一）數據庫連接模塊

在圖2數據庫連接界面中，用戶可以通過點擊鏈接按鈕，完成對數據庫的連接，完成之后，將會在下方的ListView中顯示相關數據庫中的表項，見圖3。

（二）關系代數編輯模塊

用戶在圖3中選擇完所需要操作的數據表之后，系統將跳轉至查詢界面如圖4，來進行關系代數表達式的編輯工作。

1.數據信息區域。在查詢界面（圖4）的上半部分，是所要操作的數據庫的相關信息，包括正在操作的表名、該表中的字段名等信息。當點擊表中的某個字段時，相應字段名插入到下方關系代數表達式編輯框中。2.關系符號區域。關系代數表達式中的各種關系符號，若想要通過手機鍵盤輸入是比較困難的。因此，在查詢界面（圖4）的下半部分添加了相應的按鈕，用來方便用戶編輯關系代數表達式。單擊“提交”，進入功能模塊，見圖5。

（三）功能模塊

在功能界面（圖5）中有著獲取關系代數表達式、翻譯為SQL語句、重新編輯、優化、執行SQL語句和退出按鈕。點擊相應的按鈕，即可實現翻譯SQL語句、優化關系代數、執行SQL語句并顯示結果。通過多個結果框的對比學習，可以清晰地將關系代數整個處理過程展示出來，對于比較復雜的關系代數操作（比如左連接，除法，多表操作），本設計更有利于用戶的學習。

1.關系代數表達式的優化與輸出。通過運用啟發式優化規則實現關系代數運算表達式的優化。實現方法為利用JFlex和JCup生成詞法和語法生成器。通過詞法和語法分析，把優化的結果輸出。優化結果見圖6。

2.關系代數到SQL語句。編輯關系代數表達式之

后，通過預先編寫好的詞法分析和語法分析程序進行分析，將結果返回程序。轉換結果見圖6。3.SQL語句的查詢輸出。將翻譯出來的SQL語句，傳遞給SQLite數據庫進行查詢，得出結果并在相對應的結果框中進行顯示。結果見圖6。

五、移動學習平臺的應用

通過調查問卷和考試結果分析網絡學習平臺和移動學習平臺對學生學習數據庫系統的影響以及學生對移動學習平臺的接受能力分析。

具體分組策略為在第二學年第一學期學習計算機相關專業的學生學習數據庫系統課程中設置四個對照組，組內學生都會計算機和智能手機的應用。第I組授課時采用傳統的數據庫理論教學方式；第II組授課時采用數據庫理論教學和網絡關系代數學習平臺輔助教學；第III組授課時采用理論教授法和移動平臺輔助教學法；第IV組采用數據庫理論教學、網絡關系代數學習平臺和移動關系代數學習平臺相結合的方式。學習期末考核為上機考核和筆試考核。上機考核內容為編輯關系代數表達式、編輯SQL語句、數據庫實現。筆試考核內容為編輯關系代數表達式、編輯SQL語句、關系代數表達式優化和數據庫設計。

（一）學習效果

本節主要檢驗關系代數表達式編輯、關系代數表達式優化和SQL語句編輯三個部分的不同實驗組學生學習成績，每部分成績換算為百分制。

由表2可知，使用移動平臺和網絡平臺對學生學習關系代數表達式編輯和SQL語句編輯這兩個知識點的平均成績增加較多而對關系代數表達式優化知識點的平均成績增加較少。單純使用移動平臺或網絡平臺的學生成績增加的沒有兩個平臺都使用增加的多。

表2 知識點成績與教學工具之間的關系

（二）學習態度

為了了解學生對知識掌握的熟練程度考核時記錄學生操作時間，具體見表3。表3中編輯關系代數表達式為5題，編輯SQL語句為5題，記錄學生交卷平均時間，單位為分鐘。由表2和3可見，只有理論講授的I組關系代數表達式編寫操作不熟練，花費時間較長，錯誤率多；對于采用了網絡學習平臺、移動學習平臺的II組和III組的操作時間縮小，使用移動學習平臺的操作時間比網絡學習平臺的操作時間少、錯誤率減少，而對于兩個平臺都使用的IV組操作時間更少。對于四組學生來講，編輯SQL語句操作時間只有微小變化。

（三）移動學習平臺的應用效果

表4是對調查學生對移動學習平臺接受程度的調查結果。表4中1號問題主要調查平臺的易用性，2號問題調查平臺的技術便捷性，3號問題調查平臺的有用性。

表4 提問問題表

由表4可見，學生對移動學習平臺和網絡學習平臺的應用都給予積極的評價，但是1號問題還是有部分學生覺得移動學習平臺操作較為困難需要對移動學習平臺界面做出部分調整以促進更多的學生使用移動學習平臺。

六、展望

本文提出使用數據庫移動學習平臺完成關系代數表達式轉換為SQL語言的形式化，以及關系代數表達式優化處理過程，有效地降低了學生學習數據庫系統課程的難度。根據問卷調查分析可知授課過程中結合移動平臺系統可以更有效地調動學生學習數據庫系統的積極性。

不過本系統還需要進一步完善，為學生學習數據庫系統提供更好幫助。

參考文獻：

[1]Mahmoud Q H，Ngo T，Niazi R，et al.An Academic kit

for Integrating Mobile Devices.the CS Curriculum.

Proceedings of the 14th Annual ACM SIGCSE Conf-

erence on Innovation and Technology in CS Educ-

ation[C].Paris，Franch，2009：40-44.

[2]Moore M，Binkerd C，Fant S.Teaching Web-Based

Database Application Development—an Inexpensive

Approach[J].Journal of Computing Sciences in

Colleges.2002，17，（4）：58-63.

[3]Teaching Databases at Southampton University：

http：//www.ics.heacademy.ac.uk/events/presenta-

tions/300_thomas.pdf.March 9，2009.

[4]Bi Y，Beidler J.Teaching Database Systems With

Web Applications Team Projects[J].Journal of

Computing Sciences in Colleges，2008，23，（3）：82-88.

[5]Ramakrishna M V.A Learning by Doing Model for

Teaching Advanced Databases.Proceedings of the

Australasian conference on Computing education

[C].Melbourne，Australia，2000：203-207.

[6]Mahmoud Q H，Dyer A.Integrating BlackBerry Wire-

less Devices into Computing Programming and

Literacy Courses.the 45th Annual Southeast Con-

ference[C].Winston-Salem，NC，USA，2007：495-500.

[7]Mahmoud Q H.Integrating Mobile Devices into the

Computer Science Curriculum.The 38th Annual

Frontiers in Education Conference（FIE 2008）[C].

Saratoga Springs，NY，USA，2008：17-22.

[8]BlackBerry Wireless Devices in Comp-

uter Science Education：http：//cmer.

cis.uoguelph.ca/pubs/CMER-white-pa-

per.pdf，2009.

[9]Csete J，Wong Y H，Vogel D.Mobile Devices In and

Out of the Classroom.World Conference on Educa-

tional Multimedia Hypermedia and Telecommunica-

tions[C].Chesapeake，VA，USA，2004：4729-4736.

[10]ACM/IEEE，ACM/IEEE Computing Curricula，Dec.15

2001.http：//www.computer.org/education/cc2001/

（23 July 2004）.

[11]WinRDBI[M/OL].http：//www.eas.asu.edu/～winrdbi/.

[12]Dietrich S.Understanding Relational Database

Query Languages.Prentice Hall（2001）[M/OL].

http：//rdbi.sourceforge.net/.

[13]Davis M，Fitzpatrick M.VIRTURA-A Virtual Tutor

For Relational Algebra.1st LTSN Workshop on

Teaching，Learning and Assessment of Databases

[C].Coventry，2003：25-29.

[14]Josep S，Imma B，Ferran P，et al.An Automatic

Correction Tool for Relational Algebra Queries.

Computational Science and Its Applications

（ICCSA 2007）[C].2007：861-872.

[15]McMaster K，Anderson N，Blake A.Teaching Relati-

onal Algebra and Relational Calculus.A Progra-

mming Approach.ISECON（2008）[C].2008，3-8.

[16]Beynon M，BhaleraoA，Roe C，et al.A Computer-based

environment for the study of relational query

languages.LTSN Teaching，Learning and Assessment

of Databases[C].2003：104-108.

[17]Josep S，Imma B，Ferran P，et al.An Automatic

Correction Tool for Relational Algebra Queries.

ICCSA 2007[C].2007：861-872.

[18]王燕玲，李廣倫，張瑞玲.一種交互式關系代數學習工

具設計[J].實驗技術與管理，2014，（2）.

[19]SQLite，http：//www.sqlite.org/features.html.

Accessed on August 2，2012.