3.1數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)管理教學設(shè)計人教-中圖版高中信息技術(shù)選擇性必修3

第3章數(shù)據(jù)管理3.1數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)管理教學設(shè)計教學背景信息科技是現(xiàn)代科學技術(shù)領(lǐng)域的重要部分，主要研究以數(shù)字形式表達的信息及其應(yīng)用中的科學原理、思維方法、處理過程和工程實現(xiàn)。當代高速發(fā)展的信息科技對全球經(jīng)濟、社會和文化發(fā)展起著越來越重要的作用。義務(wù)教育信息科技課程具有基礎(chǔ)性、實踐性和綜合性，為高中階段信息技術(shù)課程的學習奠定基礎(chǔ)。信息科技課程旨在培養(yǎng)科學精神和科技倫理，提升自主可控意識，培育社會主義核心價值觀，樹立總體國家安全觀，提升數(shù)字素養(yǎng)與技能。教材分析本節(jié)課的教學內(nèi)容選自人教/地圖出版社選擇性必修3數(shù)據(jù)管理與分析第3章數(shù)據(jù)管理3.1數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)管理是利用計算機硬件和軟件技術(shù)對數(shù)據(jù)進行有效的收集、存儲、處理和應(yīng)用的過程，其目的在于充分有效地發(fā)揮數(shù)據(jù)的作用。數(shù)據(jù)管理目前在整個社會中有廣泛的應(yīng)用，大到政務(wù)管理、國防科研、航天科技，小到校園一卡通、圖書管理系統(tǒng)等。本章介紹目前應(yīng)用廣泛的數(shù)據(jù)管理技術(shù)——關(guān)系數(shù)據(jù)庫（本書所提的數(shù)據(jù)庫默認是關(guān)系數(shù)據(jù)庫）系統(tǒng)。從數(shù)據(jù)庫管理工具、數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建與維護，到利用結(jié)構(gòu)化查詢語言（structuredquerylanguage，SQL）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢，再到數(shù)據(jù)庫的備份和還原，從而認識數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)管理中的重要作用。教學目標1.認識到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是管理數(shù)據(jù)的重要方式。2.掌握建立概念模型和關(guān)系模型的基本方法。3.掌握一種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的基本操作方法。教學重點與難點教學重點:掌握建立概念模型和關(guān)系模型的基本方法。教學難點:掌握一種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的基本操作方法。教學方法與教學手段案例分析法、講授法、任務(wù)驅(qū)動法。教學過程問題導(dǎo)入體驗探索圖書管理系統(tǒng)探秘現(xiàn)在很多學校的圖書館都實現(xiàn)了信息化、系統(tǒng)化管理。同學們能直觀感受到信息技術(shù)帶來的便捷。通過圖書管理系統(tǒng)能便捷地查詢圖書信息、借閱圖書（圖3.1.1）（參見教材P65）。但系統(tǒng)要實現(xiàn)這些功能，就需要對圖書、讀者等數(shù)據(jù)進行科學有效的管理。這其中用到的數(shù)據(jù)管理方式就是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。學習小組成員去圖書館向系統(tǒng)維護員請教以下問題。1.圖書管理系統(tǒng)中包含哪些基本數(shù)據(jù)？這些數(shù)據(jù)是以什么樣的形式存儲的？2.開發(fā)類似的圖書管理系統(tǒng)可以使用哪些軟件？據(jù)庫與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)簡單來說，數(shù)據(jù)庫是按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織、存儲和管理數(shù)據(jù)的“倉庫”。嚴格來說，數(shù)據(jù)庫是長期存儲在計算機內(nèi)、有組織的、可共享的數(shù)據(jù)集合。在日常工作中，常常需要把某些相關(guān)的數(shù)據(jù)放進這樣的集合中，并根據(jù)管理的需要進行相應(yīng)的處理。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是一組軟件，負責數(shù)據(jù)庫的訪問、存取、維護、管理和控制。用戶對數(shù)據(jù)庫的各種操作請求，均由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來完成，它提供了數(shù)據(jù)庫操作的環(huán)境。了解常用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)1.上網(wǎng)查閱相關(guān)資料，了解數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的發(fā)展歷史以及常用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，并填表3.1.1。實踐活動表3.1.1常用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)系統(tǒng)名稱簡單介紹MySQLOracleMicrosoftSQLServer2.并安裝MySQL，然后登錄其控制臺，初步認識命令輸入的格式。數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是幾個經(jīng)常遇到的概念，但對這些概念的解釋有多種，同學們可以查閱資料深入了解。閱讀拓展大數(shù)據(jù)的處理大數(shù)據(jù)的處理，需要由專門設(shè)計的硬件和軟件工具來進行?！adoop是一個能夠?qū)Υ罅繑?shù)據(jù)進行分布式處理的軟件框架。Hadoop的框架最核心的設(shè)計就是HDFS（HadoopDistributedFileSystem）和MapReduce。HDFS為海量的數(shù)據(jù)提供存儲功能，而MapReduce為海量的數(shù)據(jù)提供計算功能。·Hive是一個建立在Hadoop上的開源數(shù)據(jù)倉庫基礎(chǔ)設(shè)施，通過Hive可以對數(shù)據(jù)進行抽取、轉(zhuǎn)換和加載，以及結(jié)構(gòu)化處理，并對Hadoop上大數(shù)據(jù)文件進行查詢和處理等。Hive提供了一種簡單的類似SQL的查詢語言HiveQL，這為熟悉SQL的用戶查詢數(shù)據(jù)提供了方便。確定數(shù)據(jù)庫的基本功能獲取數(shù)據(jù)之后，可以利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設(shè)計和創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，從而對數(shù)據(jù)進行科學有效的管理。在目前初學階段，我們建立數(shù)據(jù)庫可按圖3.1.2所示的過程進行。首先是對已有數(shù)據(jù)進行需求分析，明確用戶對管理數(shù)據(jù)有何需求，從而確定數(shù)據(jù)庫的基本功能；然后設(shè)計數(shù)據(jù)概念模型，把用戶需求轉(zhuǎn)化為概念模型；接著把概念模型轉(zhuǎn)換為關(guān)系模型；最后利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫、運行維護數(shù)據(jù)庫，不斷調(diào)試和修改，最終得到相對完善的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫的功能往往是在數(shù)據(jù)庫計劃建立時就已有初步的預(yù)設(shè)，在后期調(diào)研中獲得用戶需求后確定下來。例如，圖書資料部門為了有效管理各種圖書數(shù)據(jù)，需要建立一個圖書管理數(shù)據(jù)庫，然后就會調(diào)查了解讀者對這個數(shù)據(jù)庫有哪些要求，從而構(gòu)建了該數(shù)據(jù)庫的基本功能。在本章的項目學習中，希望通過了解高中生對大學以及專業(yè)的選擇意向，幫助大家樹立一個目標，激發(fā)學習動力。在為本章項目設(shè)計“學生專業(yè)規(guī)劃”數(shù)據(jù)庫時，希望其具備圖3.1.3（參見教材P67）所示的基本功能。本節(jié)的需求分析建立在已有數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上；物理結(jié)構(gòu)設(shè)計是為數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)模型選取一個最適合應(yīng)用環(huán)境的物理結(jié)構(gòu)（包括存儲結(jié)構(gòu)和存取方法），本書不涉及該內(nèi)容。實踐活動數(shù)據(jù)庫功能分析“學生專業(yè)規(guī)劃”數(shù)據(jù)庫是為更有效地了解、管理學生對大學和專業(yè)的選擇意向而建立的數(shù)據(jù)庫，那么你希望數(shù)據(jù)庫中所包含的三個管理模塊分別承擔什么功能呢？請按照你自己的設(shè)計填寫表3.1.2。表3.1.2“學生專業(yè)規(guī)劃”數(shù)據(jù)庫功能分析基本功能模塊具體功能介紹學生信息管理大學信息管理專業(yè)信息管理根據(jù)數(shù)據(jù)庫的功能需求，可以進一步細化數(shù)據(jù)庫的基本功能。例如，在“學生專業(yè)規(guī)劃”數(shù)據(jù)庫中，可以進一步設(shè)計出預(yù)期的功能，大體如圖3.1.4（參見教材P68）所示。思考活動用于大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)與當今大數(shù)據(jù)時代的數(shù)據(jù)量比起來，同學們目前所要管理的數(shù)據(jù)規(guī)模并不大，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)就能把這些數(shù)據(jù)存儲并組織起來。如果要管理的是海量數(shù)據(jù)，就需要通過大數(shù)據(jù)技術(shù)進行高效的存儲管理。在大數(shù)據(jù)應(yīng)用中，在海量空間數(shù)據(jù)場景下，需要通過空間索引技術(shù)將節(jié)點內(nèi)的數(shù)據(jù)盡可能地保持其完整性和獨立性，盡量避免節(jié)點間的數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)高效的分布式計算。下面簡單介紹幾種可用于大數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)。1.PostgreSQL是一個開源的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，可以支持主流的操作系統(tǒng)。它支持外鍵、連接、視圖、觸發(fā)器和存儲過程。2.MongoDB是一個基于分布式存儲的NoSQL文檔數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，介于關(guān)系數(shù)據(jù)庫與非關(guān)系數(shù)據(jù)庫之間。3.HDFS是一種分布式文件系統(tǒng)，由于它是Hadoop生態(tài)體系的基石，且與Spark技術(shù)無縫結(jié)合，因此在大數(shù)據(jù)管理時，經(jīng)常被作為一種通用型存儲方案來使用。思考：查閱資料，了解更多的大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，并想一想，目前所學的數(shù)據(jù)庫知識會為以后學習大數(shù)據(jù)相關(guān)知識帶來哪些幫助。根據(jù)數(shù)據(jù)庫的功能需求，可以進一步細化數(shù)據(jù)庫的基本功能。例如，在“學生專業(yè)規(guī)劃”數(shù)據(jù)庫中，可以進一步設(shè)計出預(yù)期的功能，大體如圖3.1.4（參見教材P68）所示。建立概念數(shù)據(jù)模型有了用數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)的思路，下面就要建立起信息世界的概念數(shù)據(jù)模型。概念數(shù)據(jù)模型簡稱概念模型，是面向數(shù)據(jù)庫用戶的現(xiàn)實世界的模型，主要用來描述信息世界的概念化結(jié)構(gòu)，它使數(shù)據(jù)庫的設(shè)計人員在設(shè)計的初始階段，可以擺脫計算機系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的具體技術(shù)問題，集中精力分析數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系等，與具體的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)無關(guān)。概念數(shù)據(jù)模型用于信息世界的建模，是現(xiàn)實世界到信息世界的第一次抽象，是數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員進行數(shù)據(jù)庫設(shè)計的有力工具，也是設(shè)計人員和用戶之間交流的語言。ER圖描述信息世界的概念數(shù)據(jù)模型最常用的方法是繪制ER圖。ER圖也叫實體聯(lián)系圖，它通過圖示將實體以及實體間的聯(lián)系描述出來，為客觀事物建立概念數(shù)據(jù)模型。圖3.1.5（參見教材P69）就是一個ER圖。ER模型是20世紀提出的一種語義模型。由于它能將現(xiàn)實世界中概念的含義和相互關(guān)聯(lián)映射到數(shù)據(jù)庫概念模型中，因此許多數(shù)據(jù)庫設(shè)計工具都利用了ER模型的概念。ER圖中要用四種圖形來描述，具體見表3.1.3。表3.1.3ER圖中各種圖形的含義圖形含義矩形框表示實體，在框中記入實體名菱形框表示聯(lián)系，在框中記入聯(lián)系名橢圓框表示實體或聯(lián)系的屬性，將屬性名記入框中直線連接實體與屬性、實體與聯(lián)系、聯(lián)系與屬性，并在直線上標注聯(lián)系的類型實體實體是現(xiàn)實世界中客觀存在并可相互區(qū)分的人或事物。實體可以是實際的對象，也可以是抽象的概念（如事物之間的聯(lián)系）。例如，學生、教師、課程、班委、工廠、職工、產(chǎn)品等都是實體。屬性屬性是實體所具有的特性。一個實體可以由若干屬性來刻畫。例如：教師作為一個實體，教師的屬性有教師編號、姓名、性別、籍貫、工齡等；圖書作為一個實體，它的屬性有編號、書名、類別、出版社等。實體間的聯(lián)系實體之間的聯(lián)系可分為一對一、一對多、多對多三種，具體說明見表3.1.4（參見教材P70）。實體與屬性之間、實體與聯(lián)系之間、聯(lián)系與屬性之間用直線相連，并在直線上標注聯(lián)系的類型。對于一對一聯(lián)系，要在兩個實體連線方向各寫1；對于一對多聯(lián)系，要在一的一方寫1，多的一方寫n；對于多對多關(guān)系，則要在兩個實體連線方向分別寫n、m。兩個實體之間的這三種聯(lián)系總結(jié)如圖3.1.6（參見教材P70）所示。實踐活動畫ER圖根據(jù)你對學校圖書館數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫的了解，列出圖書、學生兩個實體可能包含的屬性，并畫出ER圖。ER圖的優(yōu)化初步建立的概念模型并不一定是最優(yōu)的，可能還存在冗余的數(shù)據(jù)，因此要對ER圖進行優(yōu)化。例如，在項目“學生專業(yè)規(guī)劃”數(shù)據(jù)庫中，最開始建立了如圖3.1.7（參見教材P71）所示的學生ER圖。對ER圖進行優(yōu)化時要注意，屬性不再具有需要進一步描述的性質(zhì)，屬性也不能與其他實體有聯(lián)系。圖3.1.7（參見教材P71）中的專業(yè)還可以有更加細分的屬性（如專業(yè)序號、專業(yè)名稱、專業(yè)代碼），因此應(yīng)該把專業(yè)作為一個單獨的實體列出來；大學也有更加細分的屬性，如序號、院校代碼、學校名稱、主管部門、所在地、辦學層次等，所以大學也要作為一個單獨的實體。確定實體之后，需要考慮任意兩個實體之間是否存在聯(lián)系。在確定聯(lián)系時要盡量取消冗余的聯(lián)系。例如，本章項目中，一個學生可以確定一個專業(yè)，一個專業(yè)可以有很多學生選擇，因此確定實體“學生”和“專業(yè)”之間存在一對多聯(lián)系。一個專業(yè)可以屬于不同的大學，一個大學也可以擁有不同的專業(yè)，所以實體“專業(yè)”和實體“大學”之間存在多對多的聯(lián)系。優(yōu)化后的ER圖如圖3.1.8（參見教材P71）所示。實踐活動優(yōu)化ER圖打開名為“學校食堂數(shù)據(jù)庫介紹”的文檔，閱讀和觀察文檔中關(guān)于食材、菜譜的ER圖，請把它進一步優(yōu)化。項目實施“學生專業(yè)規(guī)劃”數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)調(diào)研與建模一、項目目的高中是人生中學習和未來專業(yè)規(guī)劃緊密結(jié)合的階段。同學們懷有對大學、對未來職業(yè)的設(shè)想。通過建立高中生專業(yè)規(guī)劃數(shù)據(jù)庫，可以實現(xiàn)對學生、大學及專業(yè)等數(shù)據(jù)的管理和查詢，從而增強對大學招生、專業(yè)設(shè)置、同學意向的了解。二、項目活動1.數(shù)據(jù)調(diào)研。采用適當?shù)恼{(diào)研方法，在一定范圍內(nèi)獲取數(shù)據(jù)，并填寫表3.1.5。表3.1.5“學生專業(yè)規(guī)劃”數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能分析調(diào)研內(nèi)容范圍（或數(shù)量）方法（工具）具體內(nèi)容小組分工形式學生數(shù)據(jù)高一或高二利用問卷進行面談或網(wǎng)絡(luò)訪談姓名性別大學數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)專業(yè)數(shù)據(jù)2.建立數(shù)據(jù)模型。首先設(shè)計數(shù)據(jù)庫的基本功能，然后建立學生、大學、專業(yè)三個數(shù)據(jù)模型，并繪制在下面空白處。學生ER圖大學ER圖專業(yè)ER圖三、項目檢查1.簡要匯報數(shù)據(jù)調(diào)研階段的工作成果。2.展示數(shù)據(jù)庫設(shè)計的一些思路，以及所設(shè)計的數(shù)據(jù)庫功能模塊和數(shù)據(jù)模型。課后作業(yè)1.用“數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)”“數(shù)據(jù)管理”等關(guān)鍵詞上網(wǎng)查閱資料，進一步了解用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)的一些特點。2.根據(jù)自己的理解，通過表格的形式描述數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)三者之間的關(guān)系。3.請介紹你所熟悉的一種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的主要功能。4.說出建立數(shù)據(jù)庫的大體過程以及各個階段的主要工作。5.說出ER圖的作用以及各種圖形框的含義。6.請結(jié)合實例，在