第1章数据库系统概述教案.doc

数据库原理与应用 课程教案

授课题目：第一章 数据库系统概论——数据库技术的产生与发展；数据库的基本概念
教学时数：
2学时
授课类型：
□ 理论课 □ 实践课
教学目的、要求：
1、 了解数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统的基本概念及数据库在计算机系统中的地位
2、 了解数据库产生与发展的三个阶段：人工管理阶段、文件系统阶段和数据库系统阶段
3、 了解数据库系统的特点
教学重点：
数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统的基本概念；数据库产生与发展的三个阶段；数据库系统的特点
教学难点：
数据库系统的特点
教学方法和手段：
1、教学方法：
采用案例式教学模式，采取“以例激趣——以例说理——以例导行”的方式，让众多的学生参与，用案例激发学生思考，引导他们如何解决问题。
2、教学手段
采用多媒体课件与板书相结合
板书内容如下：
1.1 四个基本概念
数据：是数据库中存储的基本对象
如：学生档案中的学生记录(李明,男,1972,江苏,计算机系,1990)
数据库(Database，DB)：是长期储存在计算机内、有组织的、可共享的大量数据集合
数据库管理系统(DBMS)：是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件
DBMS的主要功能：数据定义功能、数据操纵功能、数据库的事物管理和运行管理、数据库的建立和维护功能
数据库系统（DBS）：是指在计算机系统中引入数据库后的系统
包括：DB+DBMS+应用系统+数据库管理员（DBA ）
1.2 数据库技术产生与发展的三个阶段
1、人工管理阶段：应用程序管理数据，数据不保存，无共享，不独立，无结构。
2、文件系统阶段：文件系统管理数据，数据长期保存，共享性差，数据易不一致。
3、数据库系统阶段：
数据结构化
数据的共享性高，冗余度低，易扩充
数据独立性高
数据由DBMS统一管理和控制

教学内容与过程
旁批
一、教学过程
1.举例说明数据库在生活中的应用。
2.具体介绍数据库的基本概念。
3.介绍数据库的发展史及特点。
二、教学内容
1．数据库的地位
数据库技术产生于六十年代末，是数据管理的最新技术，是计算机科学的重要分支。
数据库技术是信息系统的核心和基础，它的出现极大地促进了计算机应用向各行各业的渗透。
数据库的建设规模、数据库信息量的大小和使用频度已成为衡量一个国家信息化程度的重要标志。

2.四个基本概念
u 数据(Data)：
是数据库中存储的基本对象，是描述事物的符号记录，如:数字、文字、图形、图像、声音等，数据与其语义是不可分的。
如学生档案中的学生记录(李明,男,1972,江苏,计算机系,1990)
u 数据库(Database，DB) ：
是长期储存在计算机内、有组织的、可共享的大量数据集合。其特征是：
ª 数据按一定的数据模型组织、描述和储存。
ª 可为各种用户共享。
ª 冗余度较小。
ª 数据独立性较高、易扩展。
u 数据库管理系统(Database Management System，DBMS)：是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。DBMS的主要功能有：
ª 数据管理功能:数据定义功能，数据组织、存储和管理，数据操纵功能，数据库的事物管理和运行管理，数据库的建立和维护功能，其他功能
ª 提供数据库的用户接口
u 数据库系统(Database System，DBS)：是指在计算机系统中引入数据库后的系统
“DB+DBMS+应用系统+数据库管理员（DataBase Administration, DBA ）”

3 数据库技术的产生与发展
人工管理阶段(40年代中--50年代中)：
ª 应用需求：科学计算
ª 硬 件：无直接存取存储设备
ª 软 件：无通用的操作系统
ª 处理方式：批处理
ª 数据管理者：应用程序，数据不保存。
ª 数据面向的对象：某一应用程序。
ª 数据共享程度：无共享、冗余度极大。
ª 数据独立性：不独立，完全依赖于程序。
ª 数据结构化：无结构。
ª 数据控制能力：应用程序自己控制。
人工管理阶段应用程序与数据的对应关系

文件系统阶段(50年代末--60年代中)
ª 应用需求：科学计算、数据处理
ª 硬 件：出现磁盘、磁鼓等
ª 软 件：操作系统、高级语言
ª 处理方式：批处理、共享的实时处理方式
ª 数据管理者：文件系统，数据长期保存。
ª 数据面向的对象：某一应用程序。
ª 数据共享程度：共享性差、冗余度大。
ª 数据结构化：记录内有结构,整体无结构。
ª 数据独立性：逻辑结构改变须修改应用程序。
ª 数据控制能力：应用程序自己控制。
文件管理阶段应用程序与数据的对应关系

数据库系统阶段(60年代末以来)
ª 应用需求：大规模管理
ª 硬 件：出现大容量磁盘、磁盘阵列
ª 软 件：数据库管理系统
ª 处理方式：联机实时处理、分布处理和批处理
ª 数据管理者：DBMS
ª 数据面向的对象：整个系统
ª 数据高度结构化：数据库与文件系统的根本区别
ª 数据的共享性高，冗余度低，易扩充
ª 数据的独立性高：物理独立性和逻辑独立性
ª 数据控制能力：由DBMS统一管理和控制
数据库管理阶段应用程序与数据的对应关系

数据库系统的特点 ：
1、 数据结构化
数据库系统：实现整体数据的结构化，这是数据库系统与文件系统的本质区别。
文件系统：文件由记录组成，文件内部有结构，文件之间无结构。
数据库系统：数据之间整体有结构，是一个有机的整体。

2、 数据的共享性高，冗余度低，易扩充
数据库系统从整体角度来组织存储数据，数据不只是面向某一个应用，而是面向整个系统，因此具有很高的共享性。
共享数据带来了低冗余性，也能避免数据之间的不相容性和不一致性。
数据共享使得应用可以应需要而增加，容易扩充

3、 数据独立性高
u 物理独立性：是指用户的应用程序与存储在磁盘上的数据库中的数据时相互独立的。数据的物理存储由DBMS负责，应用程序不必了解，只需要处理数据的逻辑结构。这样当数据库的物理结构改变时，应用程序不用改变。
u 逻辑独立性：直指用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的，数据库的逻辑结构改变了，用户程序可以不予改变。
u 数据与程序的独立，把数据的定义和存储从程序中分离出去，而存取数据的方法由DBMS提供，从而大大简化了应用程序的编制，减少了应用程序的维护和修改。
4、数据由DBMS统一管理和控制
数据库中的数据是共享的，多个应用，多个用户可以同时存取数据库的数据，甚至同时存取统一数据，那么，DBMS必须具有以下的基本功能：
u 数据的安全性保护：保护数据不被不合法应用，不合法用户破坏。
u 数据的完整性检查：包括检查数据的正确性，有效性和相容性。
u 并发控制：多个进程并发存取或修改数据库时的控制。
u 数据库恢复：计算机系统的硬件故障，软件故障，操作员的操作错误或者故意破坏导致数据库丢失或破坏时，由DBMS提供的功能让数据库恢复到正确状态。

授课题目：第一章 数据库系统概论——数据模型；数据库系统的体系结构
教学时数：
2学时
授课类型：
□ 理论课 □ 实践课
教学目的、要求：
1、掌握数据模型的概念；几种主要数据模型的数据结构特性，包括：实体-联系模型、层次模型、网状模型、关系模型；
2、掌握模式的概念；数据库系统的三级模式结构；数据库的两级映像功能与数据独立性；
教学重点：
数据模型的概念；实体-联系模型、层次模型、网状模型、关系模型；模式概念；三级结构与两级映像；
教学难点：
模式概念；实体-联系模型；三级结构与两级映像；
教学方法和手段：
1、教学方法：
采用案例式教学模式，采取“以例激趣——以例说理——以例导行”的方式，让众多的学生参与，用案例激发学生思考，引导他们如何解决问题。
2、教学手段
采用多媒体课件与板书相结合
板书内容如下：
1． 数据模型
模型是对现实世界的抽象。
数据模型是以实际事物的数据特征的抽象来刻画事物，描述的是事物的表征与特征。
按数据建模的目的分:概念模型和基本数据模型。
概念模型：实体联系模型
基本数据模型：网状模型、层次模型、关系模型。
数据模型的组成要素（即三要素）：数据结构、数据操作、数据的完整性约束条件
2． 最常用的数据模型
1） 实体-联系模型（E-R模型）
实体(Entity)：客观存在并可相互区别的事物。
属性(Attribute)：实体所具有的某一特性。
联系（relationship）：客观世界中各种对象或抽象概念之间的联系。
2） 层次模型
用树形结构表示各类实体以及实体之间的联系
有且仅有一个结点无双亲——根结点
其它结点有且仅有一个双亲

3） 网状模型
可以有一个以上的结点无双亲
至少有一个结点有多于一个的双亲
4） 关系模型
逻辑结构是一张二维表，它由行和列组成。
3． 数据库系统的体系结构
通常DBMS将数据库的体系结构分为三级模式：外模式、模式和内模式。
概念： 型(Type)：对某一类数据的结构和属性的说明。
值(Value)：是型的一个具体赋值。
例如：学生记录
记录型：(学号,姓名,性别,系别,年龄,籍贯)
该记录型的一个记录值：(900201,李明,男,计算机,22,江苏)
模式(Schema)：数据中全体数据逻辑结构和特征的描述。
模式只涉及型，不涉及具体的值
三级模式是对数据库中数据的三个抽象级别，两级映象是在DBMS内部实现这三个抽象层次的联系和转换。
两级映像：外模式/模式 模式/内模式

教学内容及过程
旁批
一、教学过程
1、复习数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统的基本概念和数据库系统的特点。
2、结合例子讲解数据模型的概念；几种主要数据模型的数据结构特性。
3、结合例子讲解模式的概念和三级模式两级映像。
二、教学内容
1.2 数据模型
计算机不能直接处理现实世界中的具体事物，所以人们必须事先将具体事物转换成计算机能够处理的数据，这就是数据库的数据模型。
两类数据模型：概念模型、基本数据模型
概念模型：按照用户的观点建模，用于设计数据库
逻辑模型和物理模型(基本数据模型)：用于数据库的逻辑实现和物理实现
数据模型的组成要素：
1．数据结构——系统的静态特性
数据结构不仅要描述数据库组成对象，还要描述对象之间的联系。通常所说的层状、网状和关系模型，就是按照此处的数据结构来进行划分的。
2．数据操作——系统的动态特性
是指对数据库中的各种对象运行执行的操作的集合，包括操作及有关的操作规则。数据库的操作包括查询和更新。
3．数据的完整性约束条件——一组完整性规则的集合
完整性规则是数据模型中数据及其联系所具有的约束规则，用来限定数据库状态以及状态的变化，以保证数据的正确。
1.2.1最常用的数据模型
实体－联系方法(E-R方法)，也称E-R模型。
实体(Entity)：客观存在并可相互区别的事物。
属性(Attribute)：实体所具有的某一特性。
联系（relationship）：客观世界中各种对象或抽象概念之间的联系。
实体型：用矩形表示，矩形框内写明实体名；实体的属性用椭圆形表示，以无向边将其与相应的实体连接起来。
联系：联系本身用菱形表示，菱形框内写明联系名，并用无向边分别与有关实体连接起来，同时在无向边旁标上联系的类型(1:1、1:n、m:n)，联系的属性也要用无向边与该联系连接 。

(1)一个员工可以是多个部门的经理，而一个部门最多只能有一个经理，则该管理联系为1:N联系。
(2)一个员工可以在多个部门工作，而一个部门有多个员工，则该工作联系为M:N联系。
结构数据模型：
1、层次模型
用树形结构表示各类实体以及实体之间的联系

按树的定义层次模型有以下两个限制：
ª 有且仅有一个结点无双亲——根结点
ª 其它结点有且仅有一个双亲
优点：
ª 简单，只需很少命令就可以操作数据库
ª 性能优于关系模型，不低于网状模型。
ª 提供了良好的完整性支持
缺点：
ª 难以描述现实世界中的复杂联系。
ª 对插入和删除操作的限制多。
2、网状模型

去掉了层次模型的两个限制：
ª 可以有一个以上的结点无双亲
ª 至少有一个结点有多于一个的双亲
优点：
ª 能更为直接地描述现实世界
ª 具有良好的性能，存取效率较高。
缺点：
ª 结构比较复杂
ª 数据独立性差。
3、关系模型
层状模型和网状模型在实际当中几乎不再使用，而几乎所有的DBMS都支持关系模型，即使不支持的，也加上了关系模型的接口。
逻辑结构是一张二维表，它由行和列组成。

1.3 数据库系统的体系结构
数据库的三级模式结构
为了保障数据与程序之间的独立性，使用户能以简单的逻辑结构操作数据而无需考虑数据的物理结构，简化了应用程序的编制和程序员的负担，增强系统的可靠性。
通常DBMS将数据库的体系结构分为三级模式：外模式、模式和内模式。
u 型(Type)：对某一类数据的结构和属性的说明。
u 值(Value)：是型的一个具体赋值。
例如：学生记录
记录型：(学号,姓名,性别,系别,年龄,籍贯)
该记录型的一个记录值：
(900201,李明,男,计算机,22,江苏)
u 模式(Schema)：数据中全体数据逻辑结构和特征的描述。
模式只涉及型，不涉及具体的值。
例如：学生选课数据库，型包括学生记录、课程记录和学生选课记录几个关系的模式，是相对稳定的，而里面的数据是动态的，2010年某一刻的数据和2009年某一刻的数据是不同的两个值。

u 模式（逻辑模式）
ª 是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图，综合了所有用户的需求。
ª 一个数据库只有一个模式。
ª 模式是数据库系统模式结构的中间层，与数据的物理存储细节和硬件环境无关，与具体的应用程序、开发工具及高级程序设计语言无关。
学生数据库模式结构

u 外模式（子模式或用户模式）
ª 数据库用户使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是数据库用户的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示。
ª 外模式通常是模式的子集，一个数据库可以有多个外模式
ª 同一外模式可以为某一用户的多个应用系统所使用。
ª 外模式是保证数据库安全性的一个有力措施
学生数据库外模式结构

u 内模式（存储模式）
ª 数据物理结构和存储方式的描述，是数据在数据库内部的存储方式
ª 一个数据库只能有一个内模式
1.3.3 数据库的二级映象功能与数据独立性
u 三级模式是对数据库中数据的三个抽象级别，两级映象是在DBMS内部实现这三个抽象层次的联系和转换。
ª 外模式/模式 模式/内模式

外模式／模式映象
u 定义了外模式与模式之间的对应关系，每一个外模式都对应一个外模式／模式映象。
u 保证了数据的逻辑独立性

模式／内模式映象
u 定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系，数据库中模式／内模式映象是唯一的。
u 保证了数据的物理独立性

作业：
u 什么是数据库？什么是数据库管理系统？什么是数据库系统？
u 计算机数据管理经历了哪几个阶段？
u 数据库系统的特点有哪些？
u 数据库管理系统的主要功能有哪些？
u 试述概念模型的作用？
u 三级模式和二级映象各指什么？

通过案例展开教学

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