数据库系统课程教学大纲

1、数据库系统课程教学大纲一、课程基本信息开课单位信息科学与工程学院课程代码CS05069课程名称数据库系统英文名称Database system Design课程性质专业核心课学分4总 学 时72先修课程数据结构，离散数学开课学期第三学年的第一学期适应专业软件工程二、课程描述中文：这是一门为软件工程专业学生开设的专业核心课，通过该课程的教学使学生能够掌握数据库的基本概念、基本理论和应用技能，为学生将后从事数据管理规划设计、数据库设计、数据库系统维护、数据库应用开发等工作打下基础。通过数据库系统的整个教学过程，使学生理解和掌握数据库系统的特征和特性，领悟数据库的本质，培养学生分析问题、概括问题、处

2、理问题、解决问题的能力，具备数据库设计能力。与此同时，纵观数据库技术发展史，联系中国国情，使学生明白对外开放开展国际合作，与自主研发和掌握核心关键技术，两者并不矛盾，而是相辅相成，两者必须并举，不能偏颇。课程重点突出数据库系统的架构特性和数据的存储组织特性。授课内容包括：数据库系统架构，数据库三层模式，关系数据模型、SQL、实体关系建模方法、数据库设计、数据安全管理，事务处理与故障恢复、数据处理性能提升技术，数据库前沿技术（包括对象数据库，分布式数据库，NSQL，大数据，数据挖掘）等。英文：This is a specialty curse fr the majr f sftware engi

3、neering, aiming at the students mastery f the basic cncepts and theries f databases and f engineering techniques in data management planning, database designing, database maintenance, and the develpment f database applicatin,thus laying a slid fundatin fr their future prfessinal career. The study f

4、this curse develps the students ability t analyze, refine, and slve practical prblems, t understand and master the natures and characteristics f relatinal database , and t design database. The main cntents f this curse are the basic appraches and principles f database, including the evlutin f data p

5、rcessing technlgy, relatin data mdel, SQL, entity-relatinship mdel, methdlgy f database design, transactin prcessing, perfrmance f data prcessing，and advanced database technlgies.三、课程内容（一）课程教学目标知识与技能作为专业核心课程，从问题求解方面，深刻领会数据管理中要解决的五大问题，包括数据正确性问题、数据完整性问题、数据安全问题、数据处理性能问题，操作简单性问题。从结构方面，深刻领会层次化结构具有的良好特性，熟

6、悉数据库内部的三级模式、数据库系统的三层结构。熟练掌握关系模型，SQL语言，DBC/JDBC，范式理论，数据库设计方法学，数据库安全保障技术，数据处理性能提升技术，事物处理与故障恢复技术，大数据处理技术等专业知识。过程与方法本课程对教学各环节进行全过程管理，采用理论教学、小班讨论与课程实验相结合的教学模式。理论教学讲授数据库管理中要解决的主要问题，数据模型，数据库技术，数据库设计方法学。小班讨论以小组为单位开展分工与合作，通过对案例的思考，分析问题，解决问题，评价系统或者方案的特性，然后展开讨论，以此提升工程技能和素养。课程实验要求动手完成交代的任务，得出结果。通过相互间的对照和对比，发现不足

7、，持续改进。情感态度和价值观以课程知识为题材，展示工程问题求解中的艺术性和精妙之处，提升学生的学习兴趣，鼓励学生探索解决问题的更好方法，超越别人，展示自我。另外，培养家国情怀。联系中国当前国情和特色，明白学习和引进外国先进技术，先进理念，先进模式的重要性，同时也要想到我国是文明古国，曾为人类文明的进步做出过巨大贡献。在近代，因为夜郎自大和闭关锁国而落后，导致外部入侵，经受了上百年的耻辱和磨难。在现代，在共产党的领导下通过艰苦卓绝的抗争获得了独立自主的地位，取得了改革开放的巨大成功。在此条件下，没有理由不高唱伟大复兴，没有理由不砥砺前行，没有理由不恢复华夏文明的荣光，没有理由不为世界发展作出贡献

8、。课程教学目标与毕业要求的矩阵表 毕业要求课程目标GA1GA2GA3GA4GA5GA6GA7GA8GA9GA10GA11GA12CT1CT2CT3CT4CT5CT6CT7本课程的目的是通过讲授数据管理中存在某个单位的问题及其解决策略和方法，使学生掌握数据库原理及其关键技术，具备将复杂问题进行层次化分解，进而分而治之的能力。CT1：掌握数据库系统的邦联特性，以及数据库的三级模式特性。达成此目标的手段：对数据库中三级模式，数据库系统的三层结构的讲解，从系统结构特性上展示分层带来的好处，体会良好结构特性的重要性。进而掌握SQL语言和DBC/JDBC；CT2：掌握数据管理中五种问题的解决方法。使学生清

9、楚数据管理中要解决的五大问题，体会分层处理复杂问题带来的好处。达成此目标的手段：以典型案例和场景，展示数据管理中五大问题的具体表现。进而引出数据库安全保障技术，数据处理性能提升技术，事物处理与故障恢复技术，以及存储过程和视图的前因后果。达成此目标的手段：对数据管理中不同方面的问题，展示求解思路和策略，揭示技术内涵和本质；CT3：掌握数据库设计方法学，以及设计的合理性验证方法。达成此目标的手段：从具体案例入手，揭示关系模型，函数依赖与范式理论，数据库设计方法学彼此之间的关系；CT4：了解NSQL，分布式数据库，大数据，数据仓库。达成此目标的手段：结合具体应用场景，对比分析各种数据模型的联系和差异

10、，揭示其本质，然后引出NSQL，分布式数据库，大数据，数据仓库；CT5：掌握数据库设计能力。达成此目标的手段：对数据管理中的正确性问题展开讨论，举出数据冗余于更新异常的具体表现案例，从中洞察出关系型数据库的本质特征，从而领会数据库设计的方法学；CT6：掌握数据管理中五种问题的分析与处理能力。达成此目标的手段：对数据管理中特定问题展开讨论，对比分析各种解决方案的联系和差异，各自的特征和特点，从中洞察出改进的基本思路，从而实现自我改进和创新；CT7：知晓和遵循工程规范，对工程问题求解讲究严谨、完备、规范。达成此目标的手段：课堂讲解工程规范及其重要性，然后在作业，试验，考试环节检查，对发现不遵循的立

11、马通报。（二）基本教学内容第一章、数据库系统概论教学目的与要求：了解数据处理方式的演变历史；掌握数据库操作的五种类型；掌握数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统等基本概念；掌握数据库系统的特征与特性，清楚数据库技术要解决的五大工程问题；了解数据库操作语言标准和数据库访问编程接口标准；了解数据库系统的三级模式与二级映象概念，数据库领域从业人员的类别，数据库技术产生和发展的背景，目前流行的主要数据库管理系统产品，以及数据库前沿技术；教学重点：数据库的特征和特性；数据库系统的特征和特性；数据库技术要解决的五大问题；数据库系统的邦联式构成特性；教学难点：数据处理中数据的抽象；程序与数据；数据库管理系

12、统和应用程序的相互独立性和可对接组装性；教学内容：1）数据管理的内容，包括数据定义，数据组织，数据存储，数据处理，数据表达；2）数据操作的五种类型：添加、修改、删除、查询、统计；3）数据库技术要解决的六个问题，即数据的正确性问题，数据处理性能问题，数据操作简单性问题，数据完整性问题，数据安全问题，数据共享性问题；4）数据库管理系统的功能：对外提供数据操作接口，对内进行数据管理；5）应用程序的功能：捕获用户的数据操作意图，将用户的数据操作意图使用SQL语言进行表达，并向数据库管理系统发出数据操作请求，将DBMS响应的数据表达和呈现给用户；6）数据库系统的邦联式构成特性：数据库管理系统和数据库应用

13、程序的相互独立性和可对接组装性；7）达成邦联的三大基石：数据操作的国际标准表达语言SQL，数据操作的编程接口国际标准JDBC/DBC，数据库的三级模式与其映射关系；8）数据库领域的四类从业人员；9）数据库技术产生和发展的历史，目前流行的主要数据库管理系统产品，数据库前沿技术。学时分配：讲授4学时第二章、关系数据模型和关系代数教学目的与要求：掌握数据模型的含义，掌握关系数据模型的基本内容；掌握关系数据模型中的四大数据完整性约束；掌握关系代数，了解关系演算。教学重点：掌握关系数据模型中的四大数据完整性约束，尤其是主键、外键概念。教学难点：主键、外键的理解和掌握。教学内容：数据模型的含义：是指描述一

14、个企业组织的数据，数据之间的关系，以及对数据进行完整约束的概念；数据模型的三要素：数据结构，数据操作，完整性约束。建立数据模型的目的：达成共识，方便沟通交流，实现对数据的有效管理。关系数据模型中的基本概念：关系、元组、属性，域，基，度，模式，实例，内涵，外延。关系数据模型中的四大数据完整性约束：实体完整性约束、引用完整性约束、域约束，业务规则约束。主键、外键概念。关系代数中的五大基本运算：选择、投影、笛卡尔乘积，并，差，以及连接运算，交运算，除运算。关系代数的运算法则。关系演算的表达方式。学时分配：讲授4学时；讨论2学时；作业讲解1学时。第三章、SQL中的数据操作教学目的与要求：了解SQL作为

15、国际标准，在数据库操作中的重要性；掌握SQL语法规则；熟练掌握五大数据操作的DML语言表达；熟练掌握两个有联系的表之间的自然联接运算，以及两个模式相同的表之间的差运算，并运算，交运算，熟练掌握SQL语句的嵌套用法，临时结果表的存储方法。教学重点：五大数据操作的DML语言表达；教学难点：分组统计，关联查询与统计；教学内容：SQL的历史；SQL的非过程化语言特性；SQL基本语法规则；数据操作的基本框架：以表中的行为基本操作单元；五大数据操作(添加、修改、删除、查询、统计)的SQL表达；查询统计中操作中结果的排序、唯一性表达方法；模糊查询的表达方法；复杂查询条件的表达方法；联接运算的SQL表达；五种

16、统计形式的表达；分组统计的概念；分组统计后结果的过滤表达方法；分组统计的约束。学时分配：讲授4学时；讨论2学时；试验4学时：数据库管理系统的安装，数据库的创建，表的创建，五大数据操作；作业讲解1学时；小考0.5学时。第四章、SQL中的对象定义教学目的与要求：熟练掌握表模式的DDL语言表达，以及四大完整性的DDL表达；掌握视图概念，存储过程概念，触发器概念及其DDL表达；教学重点：表模式的DDL语言表达，视图、存储过程、触发器的定义；教学难点：引用完整性的控制方式，业务规则的DDL表达；教学内容：数据库的创建，表的定义以及主键约束、外键约束、域约束、业务规则约束的DDL表达；引用完整性的三种控制

17、方式以及DDL表达；视图的含义，视图的优点，以及视图的定义；存储过程的优点，存储过程的定义；基于触发器的数据完整性实现方法。学时分配：讲授3学时；讨论2学时；试验2学时：数据库管理系统的安装，数据库和表的创建，数据完整性约束的表达，视图和存储过程的定义；作业讲解1小时。小考0.5学时。第五章、数据库安全技术教学目的与要求：掌握数据库中的安全管理机制：用户及其权限管理，访问审计；权限管理的简化方法；用户及其权限管理的SQL表达。教学重点：安全管理机制。教学难点：权限关系链。教学内容：联接控制：只允许授权的用户与数据库建立联接，访问数据库。权限控制：只允许用户访问已被授权的数据。 审计：对用户访问

18、数据库的过程进行跟踪记录，一旦发生了安全问题，便可追踪溯源，破案。安全机制的四个概念:注册用户;数据库中的数据对象：表和视图;数据对象的属主；访问权限； 账户（其标识包括用户id,和密码passwrd）。权限是指对数据库中的表或视图的操作权限，包括SELECT、INSERT、UPDATE、DELETE、REFERENCES，其中INSERT，UPDATE和REFERENCES能进一步限定到表中的字段一级，而其它权限只能限定到表一级。授权操作：对于某个数据对象，将某种权限授予给某个用户；收权操作：将某个用户对某个数据对象拥有的某种权限收回。权限关系链：当一个用户创建一个表或者视图时，他便成为了这

19、个被创建的对象的属主，拥有全部权限，成为授权树的”根节点”；对象的属主可以把权限授予给他人，也可把权限收回。用户及其权限管理的SQL表达。视图在增强权限控制中的作用。学时分配：讲授2学时，讨论2学时，试验1学时：用户及其权限的配置。第六章、事务处理与故障恢复教学目的与要求：掌握事务的概念，事务的ACID属性，事务的状态，事务的SQL语言表达。了解四种故障类型。掌握故障恢复的含义，数据库系统故障恢复中的日志、Red、und、检查点、备份等基本概念。掌握四类故障的恢复方法、步骤和过程。领会日志方法实现故障恢复的本质。教学重点：事务的概念，故障类型，故障恢复方法。教学难点：日志的访问与数据库数据的访

20、问的不同特性。教学内容：DBMS的数据处理模型：数据全部存储在磁盘上，数据量巨大，散布在磁盘盘面空间中；内存缓存是提高数据处理性能的有效方法，但是内存量远远小于数据库数据量。事务是指对数据库的一组操作，这些操作涉及对多个数据项进行更新/修改，要求其中间状态对外部不可见。故障有四类：事务故障，系统崩溃故障，磁盘故障，灾难故障。事务的ACID属性：原子性，一致性，隔离性，持久性。故障恢复是指在有故障可能的情况下，如何保证事务的四个属性。故障恢复包括2个部分:1） 正常执行时的防备措施，为故障恢复做准备；2）在故障发生后的故障恢复措施，保证事务的四个属性。数据库系统故障恢复中的日志、Red、und、

21、检查点、备份等基本概念。掌握四类故障的恢复方法、步骤和过程。日志方法容错的本质：数据库磁盘中，由于数据量巨大，数据库中的数据散布在整个磁盘面上，而且既要读，又要写。数据写磁盘具有随机性。如果每次都把改动写回到磁盘，磁头就会在整个盘面上到处移动：一会到这里读，一会又到那里写。磁头移动是机械运动，因此性能会很低。日志数据具有完全不同的特性，系统正常时，日志是只添加，没有读取，因此不存在磁头来回移动的问题；性能就会大大提高。这一实质告诉我们，在安装数据库系统时，日志和数据库千万不能配置在一个物理磁盘上，一定要分开，否则性能将会极其低下。学时分配：讲授3学时。试验1小时：日志存储路径、检查点间隔、du

22、mp的配置。第八章、数据处理性能提升技术教学目的与要求：掌握度量数据处理性能的指标，以及提升数据处理性能的基本策略、途径、和方法。教学重点：数据的存储组织对性能至关重要，以及数据索引对数据处理性能的影响性。教学难点：索引的正确使用。教学内容：物理数据库设计的关键问题就是考虑如何提升数据处理性能。数据库模型：所有数据处理要由CPU完成，但数据全部存储在磁盘上。CPU和磁盘很不匹配：CPU速度很快，磁盘速度很慢，相差四到五个数量级；磁盘有不可替代的特质：存储容量大；其上的数据不受系统故障影响；内存速度比磁盘高很多，起到缓冲作用，但其容量比磁盘小很多，其上的数据在发生死机或停电之类的故障时，数据丢失

23、；数据库数据量通常比内存容量大很多。数据处理性能的度量指标：1）事务吞吐量(Transactin thrughput):单位时间中能够处理的交易(事务)数量；2）响应时间(Respnse time)：完成单个交易所用的时间。提高数据库性能的策略：挖掘和利用数据特性，硬件特性，以及数据访问特性。提高数据库性能的方法包括：排序，索引，连续的磁盘存储，分类、聚簇，内存缓冲，并发执行，查询优化，日志和数据分盘存储。其中与物理数据库设计有关的方法：排序，索引，连续的磁盘存储，分类、聚簇，内存缓冲，日志和数据分盘存储；这些方法需要数据库设计者和DBA在物理数据库设计中加以考虑。学时分配：讲授3学时，试验1

24、小时：排序、索引、连续磁盘存储、聚簇、内存缓冲，日志存储的配置。第八章、数据库设计的方法学教学目的与要求：认识软件危机的含义，以及数据库设计中存在问题的主要表现形式及其危害；认识数据库设计面临的挑战；认识需求分析的重要性，掌握需求获取技巧；掌握数据库设计的方法学；了解数据库设计的过程及其环节；认识使用工具在设计与开发中的重要性。教学重点：认识数据库设计中存在问题的主要表现形式及其带来的危害；数据库设计面临的挑战。教学难点：数据库设计方法学的重要性。教学内容：数据库设计目标有三点：1）满足和全覆盖所有业务需求，要求需求获取全面，分析到位；2）数据正确性：尽量少的冗余，无数据更新异常，数据一致，要

25、求使用正确的设计方法；3）可伸展性：只要数据库中存在数据根子，任何业务需求想要的业务表单都能组合出来。数据库设计要回答的三个问题：1）覆盖性问题：确定一个单位有哪些数据项（字段）；2） 划分问题：确定哪些字段构成一个表：设计；3）关系问题：确定表之间有什么关系。数据库设计面临的挑战：1）业务表单和数据库中表的不一致性：数据正确性要求严格地按照类别概念来组织数据，不能把不同类别的数据混合到一张表中存储；而业务表单则通常要求多个类别的数据综合呈现。因此，数据库中表的定义和现实中使用的业务表单不能直接一一对应，如果直接把业务表单中的数据项组成一个表，会带来一系列的数据正确性问题；2）需求获取时见到的

26、和听到的是局部，而数据库设计要站在全局来考虑。软件危机的表现形式：新的需求不能快捷、简单、低成本地来满足；为了满足新的需求而对数据库进行修改和调整后，导致原有的应用功能受影响，冒出新的异常；数据库系统被沦陷进问题重重，没完没了的梦魔中。数据库设计方法学，数据库设计的过程及其环节：概念数据库设计，逻辑数据库设计；物理数据库设计。学时分配：讲授2学时。第九章、实体关系建模方法教学目的与要求：掌握基于UML语言的E-R建模方法，E-R模型向关系模型的转换方法。教学重点：实体关系建模方法与过程；教学难点：实体、关系、属性三个概念的理解与把握；教学内容：概念数据库设计的过程与环节：通过查阅规章制度，业务

27、表单，以及现场观察，调查问卷，当面交流获得业务详细情况的原始素材；再通过分析，研究，提炼出业务当中的事情/实体，活动/事件，过程，业务表单/记录，人员，规则，以及业务特征和发展趋势，形成需求分析报告；再使用实体关系建模技术，通过抽象/归纳/提炼出实体关系模型。完成概念数据库设计后，将高级模型转换为关系模型，将同一含义的局部实体合并成全局实体，完成逻辑数据库设计，再采用特定的DBMS产品实现一个数据库，完成物理数据库设计。数据建模的含义是指对一个企业的数据进行结构化处理，准确地表达出数据的内涵。数据建模的三个要素是：1）概念及其定义; 2）表达概念所用的符号; 3）有关处理的规则。ER建模的内容

28、：实体，关系，属性三个概念；对实体的约束：实体标识属性，对关系的约束有3个：度，基，参；这些概念和约束的UML语言表达符号。实体的类别：强实体，弱实体。属性的类别：简单属性，组合属性；单值属性，多值属性。实体与实体之间的三种关系：一对一关系，一对多关系，多对多关系。实体关系建模中的两种陷阱：扇子陷阱，裂口陷阱。实体关系建模中面对对象方法的引入，实体间的继承关系，以及对继承关系的约束。实体关系模型到关系模型的转化方法：一对一关系，将主动边的主键加入到被动边中，构成外键。一对多关系：将“多”边的主键加入到“一”边中，构成外键。多对多关系：单独创建一个表，将双边的主键加入，再考虑是一次性关系，还是可

29、重复性关系，以此来确定该表的主键。学时分配：讲授3学时；讨论1学时；试验4学时：使用PwerDesigner完成一个案例的ER建模和数据库的构建；作业讲解1学时。小考0.5小时。第十章、数据库设计的合理性验证理论教学目的与要求：掌握数据库设计不合理时存在问题的表现形式；掌握函数依赖理论及其应用；掌握数据库设计合理性验证的五个范式；掌握关系分解中的无损连接性、依赖保持性的含义。教学重点：数据库设计不合理时存在问题的表现形式，一个属性集是否是候选键的判定方法，五个范式；教学难点：五个范式的理解；教学内容：好的关系模式的设计，能够最小化数据冗余和数据更新异常。同样的数据如果多次存储在一个关系中，则称

30、之为数据冗余。数据冗余带来的问题包括：1）浪费存储空间；2）导致数据处理性能下降；3）产生更新异常。规范化和ER建模是两个独立的概念。数据库设计中，应先执行ER建模来设计数据库，然后使用第三范式来核查是否存在数据冗余和更新异常隐患，并通过关系分解来消除这种隐患。ER建模做得好，自然会满足3范式。在理论上，也可通过范式验证理论来设计数据库，其中牵涉标识属性，标识函数依赖，任用范式化理论来拆分表。实际并不这样做，而是做ER建模。对一个已经上线，但设计得很差的数据库进行改造时，通常使用范式化理论来检测原有数据库，把它改造成合理的数据库。函数依赖理论及其在数据库设计合理性验证中的应用包括：1）判断某个

31、函数依赖是否成立；2）判断某个属性集是否是关系的候选键；3）计算函数依赖集的闭包，推理出其隐含的所有其它函数依赖（放大）；4）构建函数依赖集的最小集，也即特征集（精简）；5）判断两个函数依赖集是否等价。就验证关系(Relatin)的模式(Schema)的合理性而言，可从五个层面来检测关系是否会存在有潜在某个单位的冗余和更新异常。当满足第五个层面的检测约束条件时，则不会有潜在某个单位的冗余和更新异常。这五个层面的检测准则分别是第一范式，第二范式，第三范式，第四范式，第五范式。在第三范式后面还有一个BCNF范式。六个范式中，后面的范式，以其前面的范式为基础，增加更多的约束条件，因此后面的范式要比其

32、前面的范式更严格，也就是说，能够更进一步去除冗余和操作异常。关系分解中无损联接性/依赖保留性的判别。学时分配：讲授4学时，讨论1小时；作业讲解1学时；小考0.5小时。第十一章、数据库应用程序的开发教学目的与要求：掌握应用程序通用性的实现方法；提升人机交互响应速度的途径和方法；提升业务安全的途径和方法。教学重点：提升性能的技巧；提升业务安全的技巧。教学难点：批量处理的实现方法；注入攻击的机理。教学内容：应用程序的开发追求的是一次开发，到处使用。数据库访问编程接口国际标准DBC/JDBC，数据操作国际标准SQL，以及数据库的外模式概念为这一目标的达成铺平了道路。对于应用程序，除了功能完备和界面友好之外，还应该做到响应速度快，安全可靠。提升应用程序响应速度的途径有：1）访问数据库采用联接池技术；2）数据操作尽量采用批量处理；3）尽量发挥数据库中索引的功效；4）应用端缓存。在安全方面，首先要防御SQL注入攻击和HTML注入攻击。另外，要使用安全的HHTP协议做好用户对网站的认证，以及网站对用户的认证。学