1、數據庫系統課程教學大綱一、課程基本信息開課單位信息科學與工程學院課程代碼CS05069課程名稱數據庫系統英文名稱Database system Design課程性質專業核心課學分4總 學 時72先修課程數據結構，離散數學開課學期第三學年的第一學期適應專業軟件工程二、課程描述中文：這是一門為軟件工程專業學生開設的專業核心課，通過該課程的教學使學生能夠掌握數據庫的基本概念、基本理論和應用技能，為學生將后從事數據管理規劃設計、數據庫設計、數據庫系統維護、數據庫應用開發等工作打下基礎。通過數據庫系統的整個教學過程，使學生理解和掌握數據庫系統的特征和特性，領悟數據庫的本質，培養學生分析問題、概括問題、處

2、理問題、解決問題的能力，具備數據庫設計能力。與此同時，縱觀數據庫技術發展史，聯系中國國情，使學生明白對外開放開展國際合作，與自主研發和掌握核心關鍵技術，兩者并不矛盾，而是相輔相成，兩者必須并舉，不能偏頗。課程重點突出數據庫系統的架構特性和數據的存儲組織特性。授課內容包括：數據庫系統架構，數據庫三層模式，關系數據模型、SQL、實體關系建模方法、數據庫設計、數據安全管理，事務處理與故障恢復、數據處理性能提升技術，數據庫前沿技術（包括對象數據庫，分布式數據庫，NSQL，大數據，數據挖掘）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、課程內容（一）課程教學目標知識與技能作為專業核心課程，從問題求解方面，深刻領會數據管理中要解決的五大問題，包括數據正確性問題、數據完整性問題、數據安全問題、數據處理性能問題，操作簡單性問題。從結構方面，深刻領會層次化結構具有的良好特性，熟

6、悉數據庫內部的三級模式、數據庫系統的三層結構。熟練掌握關系模型，SQL語言，DBC/JDBC，范式理論，數據庫設計方法學，數據庫安全保障技術，數據處理性能提升技術，事物處理與故障恢復技術，大數據處理技術等專業知識。過程與方法本課程對教學各環節進行全過程管理，采用理論教學、小班討論與課程實驗相結合的教學模式。理論教學講授數據庫管理中要解決的主要問題，數據模型，數據庫技術，數據庫設計方法學。小班討論以小組為單位開展分工與合作，通過對案例的思考，分析問題，解決問題，評價系統或者方案的特性，然后展開討論，以此提升工程技能和素養。課程實驗要求動手完成交代的任務，得出結果。通過相互間的對照和對比，發現不足

7、，持續改進。情感態度和價值觀以課程知識為題材，展示工程問題求解中的藝術性和精妙之處，提升學生的學習興趣，鼓勵學生探索解決問題的更好方法，超越別人，展示自我。另外，培養家國情懷。聯系中國當前國情和特色，明白學習和引進外國先進技術，先進理念，先進模式的重要性，同時也要想到我國是文明古國，曾為人類文明的進步做出過巨大貢獻。在近代，因為夜郎自大和閉關鎖國而落后，導致外部入侵，經受了上百年的恥辱和磨難。在現代，在共產黨的領導下通過艱苦卓絕的抗爭獲得了獨立自主的地位，取得了改革開放的巨大成功。在此條件下，沒有理由不高唱偉大復興，沒有理由不砥礪前行，沒有理由不恢復華夏文明的榮光，沒有理由不為世界發展作出貢獻

8、。課程教學目標與畢業要求的矩陣表 畢業要求課程目標GA1GA2GA3GA4GA5GA6GA7GA8GA9GA10GA11GA12CT1CT2CT3CT4CT5CT6CT7本課程的目的是通過講授數據管理中存在某個單位的問題及其解決策略和方法，使學生掌握數據庫原理及其關鍵技術，具備將復雜問題進行層次化分解，進而分而治之的能力。CT1：掌握數據庫系統的邦聯特性，以及數據庫的三級模式特性。達成此目標的手段：對數據庫中三級模式，數據庫系統的三層結構的講解，從系統結構特性上展示分層帶來的好處，體會良好結構特性的重要性。進而掌握SQL語言和DBC/JDBC；CT2：掌握數據管理中五種問題的解決方法。使學生清

9、楚數據管理中要解決的五大問題，體會分層處理復雜問題帶來的好處。達成此目標的手段：以典型案例和場景，展示數據管理中五大問題的具體表現。進而引出數據庫安全保障技術，數據處理性能提升技術，事物處理與故障恢復技術，以及存儲過程和視圖的前因后果。達成此目標的手段：對數據管理中不同方面的問題，展示求解思路和策略，揭示技術內涵和本質；CT3：掌握數據庫設計方法學，以及設計的合理性驗證方法。達成此目標的手段：從具體案例入手，揭示關系模型，函數依賴與范式理論，數據庫設計方法學彼此之間的關系；CT4：了解NSQL，分布式數據庫，大數據，數據倉庫。達成此目標的手段：結合具體應用場景，對比分析各種數據模型的聯系和差異

10、，揭示其本質，然后引出NSQL，分布式數據庫，大數據，數據倉庫；CT5：掌握數據庫設計能力。達成此目標的手段：對數據管理中的正確性問題展開討論，舉出數據冗余于更新異常的具體表現案例，從中洞察出關系型數據庫的本質特征，從而領會數據庫設計的方法學；CT6：掌握數據管理中五種問題的分析與處理能力。達成此目標的手段：對數據管理中特定問題展開討論，對比分析各種解決方案的聯系和差異，各自的特征和特點，從中洞察出改進的基本思路，從而實現自我改進和創新；CT7：知曉和遵循工程規范，對工程問題求解講究嚴謹、完備、規范。達成此目標的手段：課堂講解工程規范及其重要性，然后在作業，試驗，考試環節檢查，對發現不遵循的立

11、馬通報。（二）基本教學內容第一章、數據庫系統概論教學目的與要求：了解數據處理方式的演變歷史；掌握數據庫操作的五種類型；掌握數據、數據庫、數據庫管理系統、數據庫系統等基本概念；掌握數據庫系統的特征與特性，清楚數據庫技術要解決的五大工程問題；了解數據庫操作語言標準和數據庫訪問編程接口標準；了解數據庫系統的三級模式與二級映象概念，數據庫領域從業人員的類別，數據庫技術產生和發展的背景，目前流行的主要數據庫管理系統產品，以及數據庫前沿技術；教學重點：數據庫的特征和特性；數據庫系統的特征和特性；數據庫技術要解決的五大問題；數據庫系統的邦聯式構成特性；教學難點：數據處理中數據的抽象；程序與數據；數據庫管理系

12、統和應用程序的相互獨立性和可對接組裝性；教學內容：1）數據管理的內容，包括數據定義，數據組織，數據存儲，數據處理，數據表達；2）數據操作的五種類型：添加、修改、刪除、查詢、統計；3）數據庫技術要解決的六個問題，即數據的正確性問題，數據處理性能問題，數據操作簡單性問題，數據完整性問題，數據安全問題，數據共享性問題；4）數據庫管理系統的功能：對外提供數據操作接口，對內進行數據管理；5）應用程序的功能：捕獲用戶的數據操作意圖，將用戶的數據操作意圖使用SQL語言進行表達，并向數據庫管理系統發出數據操作請求，將DBMS響應的數據表達和呈現給用戶；6）數據庫系統的邦聯式構成特性：數據庫管理系統和數據庫應用

13、程序的相互獨立性和可對接組裝性；7）達成邦聯的三大基石：數據操作的國際標準表達語言SQL，數據操作的編程接口國際標準JDBC/DBC，數據庫的三級模式與其映射關系；8）數據庫領域的四類從業人員；9）數據庫技術產生和發展的歷史，目前流行的主要數據庫管理系統產品，數據庫前沿技術。學時分配：講授4學時第二章、關系數據模型和關系代數教學目的與要求：掌握數據模型的含義，掌握關系數據模型的基本內容；掌握關系數據模型中的四大數據完整性約束；掌握關系代數，了解關系演算。教學重點：掌握關系數據模型中的四大數據完整性約束，尤其是主鍵、外鍵概念。教學難點：主鍵、外鍵的理解和掌握。教學內容：數據模型的含義：是指描述一

14、個企業組織的數據，數據之間的關系，以及對數據進行完整約束的概念；數據模型的三要素：數據結構，數據操作，完整性約束。建立數據模型的目的：達成共識，方便溝通交流，實現對數據的有效管理。關系數據模型中的基本概念：關系、元組、屬性，域，基，度，模式，實例，內涵，外延。關系數據模型中的四大數據完整性約束：實體完整性約束、引用完整性約束、域約束，業務規則約束。主鍵、外鍵概念。關系代數中的五大基本運算：選擇、投影、笛卡爾乘積，并，差，以及連接運算，交運算，除運算。關系代數的運算法則。關系演算的表達方式。學時分配：講授4學時；討論2學時；作業講解1學時。第三章、SQL中的數據操作教學目的與要求：了解SQL作為

15、國際標準，在數據庫操作中的重要性；掌握SQL語法規則；熟練掌握五大數據操作的DML語言表達；熟練掌握兩個有聯系的表之間的自然聯接運算，以及兩個模式相同的表之間的差運算，并運算，交運算，熟練掌握SQL語句的嵌套用法，臨時結果表的存儲方法。教學重點：五大數據操作的DML語言表達；教學難點：分組統計，關聯查詢與統計；教學內容：SQL的歷史；SQL的非過程化語言特性；SQL基本語法規則；數據操作的基本框架：以表中的行為基本操作單元；五大數據操作(添加、修改、刪除、查詢、統計)的SQL表達；查詢統計中操作中結果的排序、唯一性表達方法；模糊查詢的表達方法；復雜查詢條件的表達方法；聯接運算的SQL表達；五種

16、統計形式的表達；分組統計的概念；分組統計后結果的過濾表達方法；分組統計的約束。學時分配：講授4學時；討論2學時；試驗4學時：數據庫管理系統的安裝，數據庫的創建，表的創建，五大數據操作；作業講解1學時；小考0.5學時。第四章、SQL中的對象定義教學目的與要求：熟練掌握表模式的DDL語言表達，以及四大完整性的DDL表達；掌握視圖概念，存儲過程概念，觸發器概念及其DDL表達；教學重點：表模式的DDL語言表達，視圖、存儲過程、觸發器的定義；教學難點：引用完整性的控制方式，業務規則的DDL表達；教學內容：數據庫的創建，表的定義以及主鍵約束、外鍵約束、域約束、業務規則約束的DDL表達；引用完整性的三種控制

17、方式以及DDL表達；視圖的含義，視圖的優點，以及視圖的定義；存儲過程的優點，存儲過程的定義；基于觸發器的數據完整性實現方法。學時分配：講授3學時；討論2學時；試驗2學時：數據庫管理系統的安裝，數據庫和表的創建，數據完整性約束的表達，視圖和存儲過程的定義；作業講解1小時。小考0.5學時。第五章、數據庫安全技術教學目的與要求：掌握數據庫中的安全管理機制：用戶及其權限管理，訪問審計；權限管理的簡化方法；用戶及其權限管理的SQL表達。教學重點：安全管理機制。教學難點：權限關系鏈。教學內容：聯接控制：只允許授權的用戶與數據庫建立聯接，訪問數據庫。權限控制：只允許用戶訪問已被授權的數據。 審計：對用戶訪問

18、數據庫的過程進行跟蹤記錄，一旦發生了安全問題，便可追蹤溯源，破案。安全機制的四個概念:注冊用戶;數據庫中的數據對象：表和視圖;數據對象的屬主；訪問權限； 賬戶（其標識包括用戶id,和密碼passwrd）。權限是指對數據庫中的表或視圖的操作權限，包括SELECT、INSERT、UPDATE、DELETE、REFERENCES，其中INSERT，UPDATE和REFERENCES能進一步限定到表中的字段一級，而其它權限只能限定到表一級。授權操作：對于某個數據對象，將某種權限授予給某個用戶；收權操作：將某個用戶對某個數據對象擁有的某種權限收回。權限關系鏈：當一個用戶創建一個表或者視圖時，他便成為了這

19、個被創建的對象的屬主，擁有全部權限，成為授權樹的”根節點”；對象的屬主可以把權限授予給他人，也可把權限收回。用戶及其權限管理的SQL表達。視圖在增強權限控制中的作用。學時分配：講授2學時，討論2學時，試驗1學時：用戶及其權限的配置。第六章、事務處理與故障恢復教學目的與要求：掌握事務的概念，事務的ACID屬性，事務的狀態，事務的SQL語言表達。了解四種故障類型。掌握故障恢復的含義，數據庫系統故障恢復中的日志、Red、und、檢查點、備份等基本概念。掌握四類故障的恢復方法、步驟和過程。領會日志方法實現故障恢復的本質。教學重點：事務的概念，故障類型，故障恢復方法。教學難點：日志的訪問與數據庫數據的訪

20、問的不同特性。教學內容：DBMS的數據處理模型：數據全部存儲在磁盤上，數據量巨大，散布在磁盤盤面空間中；內存緩存是提高數據處理性能的有效方法，但是內存量遠遠小于數據庫數據量。事務是指對數據庫的一組操作，這些操作涉及對多個數據項進行更新/修改，要求其中間狀態對外部不可見。故障有四類：事務故障，系統崩潰故障，磁盤故障，災難故障。事務的ACID屬性：原子性，一致性，隔離性，持久性。故障恢復是指在有故障可能的情況下，如何保證事務的四個屬性。故障恢復包括2個部分:1） 正常執行時的防備措施，為故障恢復做準備；2）在故障發生后的故障恢復措施，保證事務的四個屬性。數據庫系統故障恢復中的日志、Red、und、

21、檢查點、備份等基本概念。掌握四類故障的恢復方法、步驟和過程。日志方法容錯的本質：數據庫磁盤中，由于數據量巨大，數據庫中的數據散布在整個磁盤面上，而且既要讀，又要寫。數據寫磁盤具有隨機性。如果每次都把改動寫回到磁盤，磁頭就會在整個盤面上到處移動：一會到這里讀，一會又到那里寫。磁頭移動是機械運動，因此性能會很低。日志數據具有完全不同的特性，系統正常時，日志是只添加，沒有讀取，因此不存在磁頭來回移動的問題；性能就會大大提高。這一實質告訴我們，在安裝數據庫系統時，日志和數據庫千萬不能配置在一個物理磁盤上，一定要分開，否則性能將會極其低下。學時分配：講授3學時。試驗1小時：日志存儲路徑、檢查點間隔、du

22、mp的配置。第八章、數據處理性能提升技術教學目的與要求：掌握度量數據處理性能的指標，以及提升數據處理性能的基本策略、途徑、和方法。教學重點：數據的存儲組織對性能至關重要，以及數據索引對數據處理性能的影響性。教學難點：索引的正確使用。教學內容：物理數據庫設計的關鍵問題就是考慮如何提升數據處理性能。數據庫模型：所有數據處理要由CPU完成，但數據全部存儲在磁盤上。CPU和磁盤很不匹配：CPU速度很快，磁盤速度很慢，相差四到五個數量級；磁盤有不可替代的特質：存儲容量大；其上的數據不受系統故障影響；內存速度比磁盤高很多，起到緩沖作用，但其容量比磁盤小很多，其上的數據在發生死機或停電之類的故障時，數據丟失

23、；數據庫數據量通常比內存容量大很多。數據處理性能的度量指標：1）事務吞吐量(Transactin thrughput):單位時間中能夠處理的交易(事務)數量；2）響應時間(Respnse time)：完成單個交易所用的時間。提高數據庫性能的策略：挖掘和利用數據特性，硬件特性，以及數據訪問特性。提高數據庫性能的方法包括：排序，索引，連續的磁盤存儲，分類、聚簇，內存緩沖，并發執行，查詢優化，日志和數據分盤存儲。其中與物理數據庫設計有關的方法：排序，索引，連續的磁盤存儲，分類、聚簇，內存緩沖，日志和數據分盤存儲；這些方法需要數據庫設計者和DBA在物理數據庫設計中加以考慮。學時分配：講授3學時，試驗1

24、小時：排序、索引、連續磁盤存儲、聚簇、內存緩沖，日志存儲的配置。第八章、數據庫設計的方法學教學目的與要求：認識軟件危機的含義，以及數據庫設計中存在問題的主要表現形式及其危害；認識數據庫設計面臨的挑戰；認識需求分析的重要性，掌握需求獲取技巧；掌握數據庫設計的方法學；了解數據庫設計的過程及其環節；認識使用工具在設計與開發中的重要性。教學重點：認識數據庫設計中存在問題的主要表現形式及其帶來的危害；數據庫設計面臨的挑戰。教學難點：數據庫設計方法學的重要性。教學內容：數據庫設計目標有三點：1）滿足和全覆蓋所有業務需求，要求需求獲取全面，分析到位；2）數據正確性：盡量少的冗余，無數據更新異常，數據一致，要

25、求使用正確的設計方法；3）可伸展性：只要數據庫中存在數據根子，任何業務需求想要的業務表單都能組合出來。數據庫設計要回答的三個問題：1）覆蓋性問題：確定一個單位有哪些數據項（字段）；2） 劃分問題：確定哪些字段構成一個表：設計；3）關系問題：確定表之間有什么關系。數據庫設計面臨的挑戰：1）業務表單和數據庫中表的不一致性：數據正確性要求嚴格地按照類別概念來組織數據，不能把不同類別的數據混合到一張表中存儲；而業務表單則通常要求多個類別的數據綜合呈現。因此，數據庫中表的定義和現實中使用的業務表單不能直接一一對應，如果直接把業務表單中的數據項組成一個表，會帶來一系列的數據正確性問題；2）需求獲取時見到的

26、和聽到的是局部，而數據庫設計要站在全局來考慮。軟件危機的表現形式：新的需求不能快捷、簡單、低成本地來滿足；為了滿足新的需求而對數據庫進行修改和調整后，導致原有的應用功能受影響，冒出新的異常；數據庫系統被淪陷進問題重重，沒完沒了的夢魔中。數據庫設計方法學，數據庫設計的過程及其環節：概念數據庫設計，邏輯數據庫設計；物理數據庫設計。學時分配：講授2學時。第九章、實體關系建模方法教學目的與要求：掌握基于UML語言的E-R建模方法，E-R模型向關系模型的轉換方法。教學重點：實體關系建模方法與過程；教學難點：實體、關系、屬性三個概念的理解與把握；教學內容：概念數據庫設計的過程與環節：通過查閱規章制度，業務

27、表單，以及現場觀察，調查問卷，當面交流獲得業務詳細情況的原始素材；再通過分析，研究，提煉出業務當中的事情/實體，活動/事件，過程，業務表單/記錄，人員，規則，以及業務特征和發展趨勢，形成需求分析報告；再使用實體關系建模技術，通過抽象/歸納/提煉出實體關系模型。完成概念數據庫設計后，將高級模型轉換為關系模型，將同一含義的局部實體合并成全局實體，完成邏輯數據庫設計，再采用特定的DBMS產品實現一個數據庫，完成物理數據庫設計。數據建模的含義是指對一個企業的數據進行結構化處理，準確地表達出數據的內涵。數據建模的三個要素是：1）概念及其定義; 2）表達概念所用的符號; 3）有關處理的規則。ER建模的內容

28、：實體，關系，屬性三個概念；對實體的約束：實體標識屬性，對關系的約束有3個：度，基，參；這些概念和約束的UML語言表達符號。實體的類別：強實體，弱實體。屬性的類別：簡單屬性，組合屬性；單值屬性，多值屬性。實體與實體之間的三種關系：一對一關系，一對多關系，多對多關系。實體關系建模中的兩種陷阱：扇子陷阱，裂口陷阱。實體關系建模中面對對象方法的引入，實體間的繼承關系，以及對繼承關系的約束。實體關系模型到關系模型的轉化方法：一對一關系，將主動邊的主鍵加入到被動邊中，構成外鍵。一對多關系：將“多”邊的主鍵加入到“一”邊中，構成外鍵。多對多關系：單獨創建一個表，將雙邊的主鍵加入，再考慮是一次性關系，還是可

29、重復性關系，以此來確定該表的主鍵。學時分配：講授3學時；討論1學時；試驗4學時：使用PwerDesigner完成一個案例的ER建模和數據庫的構建；作業講解1學時。小考0.5小時。第十章、數據庫設計的合理性驗證理論教學目的與要求：掌握數據庫設計不合理時存在問題的表現形式；掌握函數依賴理論及其應用；掌握數據庫設計合理性驗證的五個范式；掌握關系分解中的無損連接性、依賴保持性的含義。教學重點：數據庫設計不合理時存在問題的表現形式，一個屬性集是否是候選鍵的判定方法，五個范式；教學難點：五個范式的理解；教學內容：好的關系模式的設計，能夠最小化數據冗余和數據更新異常。同樣的數據如果多次存儲在一個關系中，則稱

30、之為數據冗余。數據冗余帶來的問題包括：1）浪費存儲空間；2）導致數據處理性能下降；3）產生更新異常。規范化和ER建模是兩個獨立的概念。數據庫設計中，應先執行ER建模來設計數據庫，然后使用第三范式來核查是否存在數據冗余和更新異常隱患，并通過關系分解來消除這種隱患。ER建模做得好，自然會滿足3范式。在理論上，也可通過范式驗證理論來設計數據庫，其中牽涉標識屬性，標識函數依賴，任用范式化理論來拆分表。實際并不這樣做，而是做ER建模。對一個已經上線，但設計得很差的數據庫進行改造時，通常使用范式化理論來檢測原有數據庫，把它改造成合理的數據庫。函數依賴理論及其在數據庫設計合理性驗證中的應用包括：1）判斷某個

31、函數依賴是否成立；2）判斷某個屬性集是否是關系的候選鍵；3）計算函數依賴集的閉包，推理出其隱含的所有其它函數依賴（放大）；4）構建函數依賴集的最小集，也即特征集（精簡）；5）判斷兩個函數依賴集是否等價。就驗證關系(Relatin)的模式(Schema)的合理性而言，可從五個層面來檢測關系是否會存在有潛在某個單位的冗余和更新異常。當滿足第五個層面的檢測約束條件時，則不會有潛在某個單位的冗余和更新異常。這五個層面的檢測準則分別是第一范式，第二范式，第三范式，第四范式，第五范式。在第三范式后面還有一個BCNF范式。六個范式中，后面的范式，以其前面的范式為基礎，增加更多的約束條件，因此后面的范式要比其

32、前面的范式更嚴格，也就是說，能夠更進一步去除冗余和操作異常。關系分解中無損聯接性/依賴保留性的判別。學時分配：講授4學時，討論1小時；作業講解1學時；小考0.5小時。第十一章、數據庫應用程序的開發教學目的與要求：掌握應用程序通用性的實現方法；提升人機交互響應速度的途徑和方法；提升業務安全的途徑和方法。教學重點：提升性能的技巧；提升業務安全的技巧。教學難點：批量處理的實現方法；注入攻擊的機理。教學內容：應用程序的開發追求的是一次開發，到處使用。數據庫訪問編程接口國際標準DBC/JDBC，數據操作國際標準SQL，以及數據庫的外模式概念為這一目標的達成鋪平了道路。對于應用程序，除了功能完備和界面友好之外，還應該做到響應速度快，安全可靠。提升應用程序響應速度的途徑有：1）訪問數據庫采用聯接池技術；2）數據操作盡量采用批量處理；3）盡量發揮數據庫中索引的功效；4）應用端緩存。在安全方面，首先要防御SQL注入攻擊和HTML注入攻擊。另外，要使用安全的HHTP協議做好用戶對網站的認證，以及網站對用戶的認證。學