浅谈设计科学与“数据库原理及设计”的应用型教学

杨辰　牛奔　冯元粤

（管理学院管理科学系）

【摘要】作为一门应用型课程，“数据库原理及设计”的教学过程可以考虑引入设计科学的思想，本文探讨了两者相结合的一些思路。

【关键词】设计科学　数据库　应用型教学

数据库技术起源于20世纪60年代，随着信息技术的迅速发展和信息系统的广泛普及，数据库在当今时代已经广泛运用于各行各业，小到饭店的点餐系统、超市的售货系统，大到权威电子文献数据库的管理系统和航空公司的售票系统[1]。可以说，数据库与每个人的生活都息息相关，对于新时期下的管理信息系统领域的学生来说，其重要性不言而喻。而“数据库原理与设计”这门课程，作为信息管理和电子商务专业的核心课程，同时也是很多信息系统设计和开发类课程的先行课，对于本专业学生无疑是一门重要而又基础的必修课。作为一门以应用为导向的课程，其实际操作性是非常重要的。然而一些学生上完数据库课程后，动手能力依然很差，这对于从事与本专业相关的工作来说，是一个很大的隐患。本文将从设计科学的角度，提出一些数据库应用型教学的新思路。

数据库开发，是指根据客户的实际需求，在具体的环境下，开发设计出一个合理有效的数据库及应用系统，以满足用户的各项数据存取、检索和运算要求。具体包括需求分析、概念设计、逻辑设计、物理设计、验证设计和数据库的运行维护设计等。其中有大量的步骤和细节需要设计开发人员具有创新意识和解决实际问题的思维能力，比如创建数据字典、绘制E-R图以及数据结构的优化等。这些过程通常没有标准答案，某种程度上可以说是一门艺术。因此，教材本身只能传授给学生一些较为死板的知识，活学活用才是领悟数据库设计的关键所在。

然而一些学校的学生对数据库课程的学习热情和学习效果却一直不尽如人意[2]，表现在：学生对于数据库的开发与设计缺乏实际的概念认识；在短短的理论和实验课上并不能充分领会到数据库实际设计和开发的精髓。这也导致了学生上完课、考完试，就会把所学知识还给老师的恶性循环。

设计科学（Design Science）是信息系统领域研究的一个主要流派。设计科学研究和其方法论有几个突出和重要的定义。如设计科学研究方法的六个步骤，有研究者定义了设计科学的过程[3]，包括“研究问题的识别和动机的发现，为解决问题设定目标，设计和开发，论证，评价和交流”。这种方法论被信息系统领域设计科学的研究人员所广泛接受。设计科学也被认为是创造出对人类和组织知识有贡献的信息技术产品，以及对信息技术的使用的科学。

笔者比较认同Alan Hevner对设计科学的观点：（设计科学）旨在通过创造新颖的和有创意的信息技术产品来实现对人力和组织能力边界的扩展，并对信息系统领域的知识库做出贡献[4]。设计科学的核心是创建和评估信息技术产品，以解决组织和机构中的实际问题。他认为“设计”的过程需要遵循严格的流程——“设计产品以解决问题”“做出研究的贡献”“评价设计”和“与对应的受众沟通结果”。这里所提到的信息技术产品包括“构念、模型、方法和实例”。对于数据库开发设计来说，信息技术产品指的无疑是数据库实例。根据以上定义，设计科学指导下的开发过程可以分成两个主要阶段，即构建阶段和评估阶段。

数据库的开发本身就是设计一个新的信息技术产品。而设计科学的原则和方法论也是设计信息技术产品的总纲要。本文将探讨如何利用设计科学的思路进行数据库的教学指导，其核心观念是构建和评估。下面将从几个数据库教学中实际的例子出发来讲述设计科学的思想。

以对范式标准的理解和运用为例，在数据库教材中[5]，第一范式是最基本的范式，要求在关系模式中的所有属性值都具有原子性，不可以再进行分解。在关系型数据库中涉及的研究对象都应当满足第一范式的关系。第二范式要求在满足第一范式的基础上，每一个非键属性都完全依赖于关系模式的键，这体现了实体的唯一性。第三范式则在第二范式的基础上要求每一个非键属性都不传递依赖于此关系模式中的任意候选键，也就是说字段之间不可以互相派生。在设计表和字段的时候，满足第三范式对于规范化设计有很大好处，但是往往并不能取得最优效果。例如下面的学生选课学分统计表：

数据库设计中的范式标准理解

从上表中可以看出，此表格的设计显然不符合第三范式的规范。但是在设计学生选课统计表的时候，从设计科学的角度来看，应当充分考虑到信息技术产品的组织和机构环境，以及受众（利益相关者）的实际需求。因此，在评估设计产品的时候，不能只是简单地考虑一些生硬的条条框框。冗余数据的本质是利用空间换时间，现在的硬件发展速度要远远高于软件，在适当的情况下，合理的冗余是可以接受的。学生的选修课学分统计表的使用者多为主管教学的老师，而比较重要的功能是检查学生的单项学分和总学分是否达到教学大纲的要求，虽然本表中总学分可以通过必修课学分和选修课学分相累加而计算出来，但是在实际的使用环境下，对于时间的需求明显要比对于空间的浪费意义更大。因此本表格增加了一个冗余的字段“总学分”，并不是画蛇添足。

根据设计科学的总体思想，在概念设计阶段还应当保留对于第三范式的要求，但是在物理设计时，应当根据实际情况进行评估，适当放宽对满足范式标准的要求，比如在本例中，就可以加入实际工作中常用的冗余字段，提高工作效率。

类似的，虽然原则上关系数据库系统中的对象都要满足第一范式的要求，避免出现各种异常，但是，实际设计关系模型属性时，是否应该全部是不可分割的原子，还要取决于实际研究对象的具体情况和重要性。

March和Smith曾经提出了信息系统的一种二维研究框架[6]：“第一个维度是基于设计和自然科学研究的广泛类型的活动：构建、评估、推论，并证明。第二个维度是基于设计研发的广泛类型的产出：代表性构念、模式、方法和实例。”他们把信息技术产品划分为两个维度：描述性和规范性维度。前者属于自然科学，旨在理解信息技术的本质及产品的知识；后者属于设计科学，致力于改善信息技术的性能，并使用这些知识。从上面这段话不难看出，设计数据库（产品）需要运用到相关的技术背景知识，同时也要紧密地把握实践者和利益相关者的需求所在，活学活用，以改善信息技术的相应性能。数据库本身是一件工具、一门技术，设计数据库产品时，要能抓住问题的本质，而不是被条条框框约束住，这是关键所在。

根据设计科学构建和评估的原则，设计数据库的基本表时，如果发现实际运用时该表的记录数太多，比如达到千万级别，这时候对该表进行操作的速度可能会非常缓慢。在这种情况下则要对该基本表进行水平分割，即按照主键的区域，分割为若干平行子表格。类似地，如果发现某个表的字段数太多，例如数百级别，影响到实际的操作与运算速度，则应当纵向分割该表，保持表的字段数在合理的范围内。因为数据库本身是为人所用的信息系统产品，其应用型的属性要求在设计和维护数据库时，能够因地制宜。把握住这种核心思想，也就能培养出学生良好的数据库设计和管理基本意识了。

除此以外，还有很多例子。如《敏捷软件开发：原则、模式与实践》[7]一书中的案例观点，非常强调设计团队与业务专家之间的紧密沟通和协调。敏捷软件开发在信息系统产品设计的开端几乎不进行任何预测性估计和针对性设计，但是一旦发生变化，设计人员应该重新整理整个框架设计，并且能够对系统架构进行修改，设计出能针对该类变化举一反三的产品。这充分体现了设计科学的核心思想：为我所用，因地制宜。信息系统产品（如数据库）的设计者应该和用户（利益相关者）进行大量面对面的沟通，同时对于实际的情形要能够抓住核心，在设计产品架构的时候应具有一定的灵活性。

本文简要阐述了设计科学的一些基本思想，并就“数据库原理与设计”课程的教学实际情况，列举了一些二者结合的案例。作为一门应用型课程，给学生传递出学以致用、活学活用的基本思想是非常有必要的。信息管理和电子商务专业培养的都是面向市场的高级复合型人才，在教学过程中如果能够面向应用、面向市场、面向用户，对于学生的职业能力和基本技能的培养将产生重大的影响。

[1]孙贵磊. 数据库技术在高校管理与教学工作中的应用研究. 中国科技信息，2011，17（1）：193～193.

[2]喻勇，王群，刘向阳. “数据库原理及应用”课程教学改革初探. 中国水运，2008：103～104.

[3]Peffers K，Tuunanen T，Rothenberger M A，et al. A design science research methodology for information systems research. Journal of Management Information Systems，2007，24（3）：45-77.

[4]Hevner A R，March S T，Park J，et al. Design science in information systems research. MIS Quarterly，2004，28（1）：75-105.

[5]萨师煊，王珊. 数据库系统原理（第2版）. 北京：高等教育出版社，2000.

[6]March S T，Smith G F. Design and natural science research on information technology. Decision Support Systems，1995，15（4）：251-66.

[7]邓辉，孟岩. 敏捷软件开发：原则，模式与实践. 北京：清华大学出版社，2003.

[1]2015年度深圳大学教学质量与教学改革建设项目及2015年度深圳大学教学改革研究项目（JG2015076）。