数据库课程教学课件

数据库原理及应用《数据库原理及应用》课程教学课件课程内容导航010203数据库基础概念关系数据库模型语言基础SQL理解数据库与的基本概念，掌握数据库系深入学习关系模型理论，掌握关系代数与完整性全面掌握语言，包括、以及复杂查DBMS SQLDDL DML统的结构组成约束询技术040506数据库设计原理安全与完整性并发控制与恢复学习需求分析、建模和规范化理论的应用掌握数据库安全策略与数据完整性维护技术理解事务处理、并发控制和系统恢复机制ER0708新兴技术思政与实践总结展望了解、大数据和分布式数据库技术培养工程伦理意识，提升实践应用能力NoSQL第一章数据库基础概念数据库定义核心功能DBMS数据库是长期储存在计算机内、有组数据库管理系统提供数据定义、操织的、可共享的大量数据集合它具作、控制、维护和服务功能，是用户有数据结构化、数据冗余度小、易扩与数据库之间的桥梁和接口展、独立性高等特点系统架构数据库系统由数据库、数据库管理系统、应用程序和数据库管理员组成，形成完整的数据管理生态系统数据库在现代社会中的重要作用在当今数字化时代，数据库已成为现代信息社会的重要基础设施，承载着人类社会运转的核心数据资源从个人的社交媒体账户到大型企业的业务系统，从政府的公共服务到科研机构的实验数据，数据库无处不在地支撑着我们的日常生活和社会发展数据库技术的应用范围极其广泛，在电子商务领域，支撑着亿万交易的安全处理；在金融服务中，保障资金流转的准确可靠；在医疗健康领域，存储着宝贵的患者信息和医学研究数据；在社交网络平台上，管理着数十亿用户的动态交互信息数据库连接现实世界与数字空间的桥梁数据模型的演进历程层次数据模型1世纪年代出现，采用树形结构组织数据，具有结构清晰的2060特点，但存在数据冗余和访问路径固定的局限性典型代表是的系统IBM IMS网状数据模型2世纪年代发展起来，允许节点之间存在多对多关系，比层2070次模型更加灵活，但复杂度较高，程序编写和维护困难关系数据模型3年由提出，使用二维表格表示数据和数据间关1970E.F.Codd系，具有数据结构简单、操作方便、理论基础扎实等优势，成为面向对象模型当前主流模型4世纪年代出现，将面向对象思想引入数据库，能够处理复2080杂数据类型，适用于多媒体和工程应用领域第二章关系数据库模型关系的基本概念关系是一个二维表格，由行（元组）和列（属性）组成每个关系都有一个关系名，每个属性都有一个属性名和对应的数据类型关系中的每一行代表一个实体实例，每一列代表实体的一个特征属性关系模式与实例关系模式是对关系的描述，包括关系名、属性列表和主键约束等关系实例则是某一时刻关系中数据的集合关系模式相对稳定，而关系实例会随着数据的增删改而动态变化关系代数运算关系代数提供了一套完整的关系操作集合，包括基本运算（并、差、笛卡尔积、选择、投影）和扩展运算（连接、除法等），为数据查询和操作提供了理论基础关系代数运算实例演示学生选课系统示例以学生选课为例，展示关系代数的基本运算操作选择操作（）从学生表中选择年龄大于岁的记录σ20投影操作（）从课程表中提取课程名称和学分信息π连接操作（⋈）将学生表和选课表通过学号连接并操作（∪）合并两个学期的选课记录这些基本运算可以组合使用，形成复杂的查询表达式，完成各种数据检索需求关系代数的表达式与查询语句存在直接的对应关系，是理SQL解工作原理的重要基础SQL关系代数运算流程可视化关系模型的完整性约束实体完整性参照完整性用户定义完整性主键不能为空且必须唯一，确保每个实体都外键值必须在被参照关系中存在或为空，维根据具体应用语义定义的约束条件，如年龄可以被唯一标识这是关系数据库最基本的护关系间的逻辑联系这体现了数据库设计必须大于，成绩在之间等这反映了00-100完整性要求，体现了数据管理中严谨性的重中对诚信原则的坚持，每一个引用都必须真工程实践中对责任心的要求要性实有效思政融入数据库的完整性约束不仅是技术要求，更体现了我们对数据质量和系统可靠性的追求，这与工程师应具备的诚信品质和责任意识高度契合第三章语言基础SQL结构化查询语言（，）是关系数据库的标准语言，具有功能强Structured QueryLanguage SQL大、使用方便、标准统一的特点集数据定义、数据操作、数据查询和数据控制功能于一体，SQL是数据库应用开发的核心技能数据定义DDL、、语句用于定义和修改数据库结构CREATE ALTERDROP数据操作DML、、语句用于数据的增删改操作INSERT UPDATEDELETE数据查询DQL语句用于数据检索和查询分析SELECT数据控制DCL、语句用于权限管理和安全控制GRANT REVOKE核心语句深度解析SQL查询语句结构数据操作语句SELECT插入向表中添加新的数据记录，支持单行插入、多行插入和子查询插INSERTSELECT字段列表FROM表名列表WHERE条件表达式GROUP入BY分组字段HAVING分组条件ORDER BY排序字段LIMIT更新修改表中已存在的数据，可以根据条件更新特定行的指定字段UPDATE记录数限制删除从表中删除满足条件的数据行，需谨慎使用以避免误删DELETE注意在执行数据修改操作前，建议先使用相同条件进行查询SELECT验证，确保操作的准确性语句是的核心，支持单表查询、多表连接、子查询、SELECT SQL聚合函数等复杂操作掌握语句的各个子句及其执行顺SELECT序，是进行高效数据检索的关键高级编程技术SQL事务控制机制存储过程与函数触发器应用事务是数据库操作的基本单位，具有原子存储过程是预编译的语句集合，存储触发器是特殊的存储过程，在特定数据库SQL性、一致性、隔离性和持久性（）特在数据库中可重复调用，具有执行效率事件发生时自动执行，主要用于维护数据ACID性通过、高、安全性好、维护方便等优势用户定完整性、实现复杂的业务规则和审计跟BEGIN TRANSACTION和语句控制事务的执义函数可以封装复杂的计算逻辑，提高代踪触发器的设计需要谨慎，避免造成性COMMIT ROLLBACK行合理使用事务可以保证数据的完整性码的复用性和可维护性能问题和逻辑混乱和一致性，这体现了工程实践中对质量的严格要求第四章数据库设计原理数据库设计是信息系统开发的重要环节，直接影响系统的性能、可维护性和扩展性一个优秀的数据库设计应该满足用户需求、保证数据质量、提高系统效率0102需求分析阶段概念结构设计深入调研用户需求，识别系统的数据要素、处理要求和性能指标，为后续使用实体关系（）模型描述数据的概念结构，识别实体、属性和关系-ER设计奠定基础0304逻辑结构设计物理结构设计将模型转换为关系模型，进行关系模式的规范化处理选择合适的存储结构、索引策略和分布方式，优化系统性能ER数据库规范化理论与实践规范化的目标与意义数据库规范化是消除数据冗余、避免更新异常的重要方法通过将数据表分解成多个相关的表，可以确保数据的一致性和完整性，同时提高数据存储的效率第一范式（）每个属性都是不可分割的原子值1NF第二范式（）消除非主属性对候选键的部分函数依赖2NF第三范式（）消除非主属性对候选键的传递函数依赖3NF消除主属性对候选键的部分和传递函数依赖BCNF规范化过程示意图实践建议虽然高度规范化能减少数据冗余，但在某些场景下，适度的反规范化可以提升查询性能，需要根据具体应用需求进行权衡第五章数据库安全与完整性数据库安全是信息系统安全的重要组成部分，涉及数据的保密性、完整性和可用性随着网络攻击手段的不断升级，数据库安全问题日益突出，需要建立多层次、全方位的安全防护体系安全威胁类型访问控制机制包括非授权访问、注入攻击、权限基于用户身份验证、角色权限管理、强SQL滥用、数据泄露、系统漏洞等多种威胁制访问控制等技术实现细粒度的权限管形式控数据加密技术采用传输加密、存储加密、字段级加密等技术保护敏感数据的机密性数据库安全事件案例分析典型安全事件回顾某大型企业因注入漏洞导致用户个人信息泄露事件，暴露了数据库安全防护的薄弱SQL环节该事件的发生原因包括输入验证不充分、权限设置过于宽泛、安全审计机制缺失、应急响应不及时等改进措施加强输入验证和参数化查询•实施最小权限原则•建立完善的安全监控体系•定期进行安全风险评估•制定应急响应预案•思考如何设计一个安全可靠的数据库系统？安全提醒数据库安全是每个开发者的责任，需要在系统设计、开发、部署和运维的各个阶段都保持高度的安全意识第六章并发控制与恢复技术原子性（）一致性（）Atomicity Consistency事务的所有操作要么全部完成，要么全部不执事务执行前后，数据库都必须处于一致性状行，不存在部分完成的状态态，满足所有完整性约束持久性（）隔离性（）Durability Isolation事务一旦提交，其结果就是永久性的，即使系并发执行的事务之间不能相互干扰，每个事务统发生故障也不会丢失都感觉不到其他事务的存在并发控制技术详解封锁机制1通过对数据对象加锁来控制并发访问，包括共享锁（锁）和排他锁（S X锁）两段锁协议保证事务的可串行化执行时间戳方法2为每个事务分配唯一的时间戳，按时间戳顺序执行事务，避免死锁但可能导致事务频繁重启多版本控制3维护数据的多个版本，读操作访问历史版本，写操作创建新版本，提高并发度但增加存储开销死锁处理4通过预防、避免、检测和解除等策略处理死锁问题，保证系统的正常运行第七章新兴数据库技术随着大数据、云计算、物联网等技术的快速发展，传统关系数据库在处理海量数据、非结构化数据和实时分析方面面临挑战新兴数据库技术应运而生，为不同应用场景提供了更加灵活和高效的解决方案键值数据库文档数据库图数据库以简单的键值对形式存储数据，具有以文档为存储单位，支持嵌套结构和专门处理图结构数据，擅长关系查询高性能、易扩展的特点，适用于缓数组，适合存储半结构化数据代表和路径分析，适用于社交网络、推荐存、会话存储等场景代表产品产品、系统等场景代表产品、MongoDB CouchDBNeo4j、Redis AmazonDynamoDB AmazonNeptune大数据技术应用实例在电商推荐系统中的应用MongoDB某大型电商平台采用存储用户行为数据和商品信息，MongoDB利用其灵活的文档结构和强大的聚合框架，实现个性化推荐算法技术优势灵活的数据模型适应快速变化的业务需求•水平分片支持海量数据存储•丰富的查询功能支持复杂分析•高可用架构保证服务稳定性•生态系统包括分布式存储、计算框Hadoop HDFSMapReduce架、内存计算、列存储等组件，构建完整的大数据Spark HBase处理平台大数据处理架构示意图第八章课程思政与实践教学将思想政治教育融入数据库课程教学，培养学生的工程伦理意识、创新精神和社会责任感通过典型案例和实践项目，引导学生树立正确的价值观，成为德才兼备的高素质人才爱国情怀培养工程伦理教育创新能力培养通过介绍我国数据库技术发展成就和领军人物事结合数据安全和隐私保护案例，培养学生的职业通过项目驱动教学和创新竞赛，提升学生的实践迹，激发学生的民族自豪感和爱国热情道德和社会责任意识能力和创新思维思政教学典型案例姚期智院士的学者精神数据库工程师的职业操守介绍图灵奖得主姚期智教授毅然放弃美国优厚待遇，回国建设清华通过分析国内外数据泄露事件，讨论数据库工程师应承担的道德责大学理论计算机科学中心的感人事迹他在计算复杂性理论、密码任强调诚信是工程师的立身之本，任何时候都不能为了经济利益学等领域的杰出贡献，体现了中国学者的家国情怀和学术担当引而损害用户隐私和数据安全组织学生开展我心中的优秀工程师导学生思考作为新时代的工程师，如何将个人发展与国家建设紧主题讨论，树立正确的职业价值观密结合？现代化教学资源与平台线上教学平台超星学习通课程资源发布、在线测试、作业提交、学习数据分析腾讯课堂直播授课、录播回看、互动答疑、屏幕共享校试题库系统个性化练习、自适应测试、知识点诊断互动交流机制建立课程群，提供小时在线答疑服务定期组织线上学习交流QQ7×24会，分享学习心得和项目经验通过多元化的交流渠道，营造良好的学习氛围混合式教学模式将线上教学的便利性与线下实践的深度性相结合，形成优势互补的教学体系实验教学与课程设计项目答辩展示图书管理系统设计要求学生制作展示设计方案，进行现场演示PPT实验环境搭建以图书管理为背景，完成需求分析、数据库设和答辩，锻炼表达能力和应变能力指导学生安装MySQL、SQL Server或Oracle数计、系统实现和测试全过程，培养学生的工程实据库系统，配置开发环境，熟悉数据库管理工具践能力的使用方法评分项目权重评分标准分值范围需求分析需求理解准确，分析全面分20%15-20数据库设计设计合理，规范化程度高分30%22-30程序实现功能完整，代码规范分30%22-30文档质量文档完整，格式规范分10%7-10答辩表现表达清楚，回答准确分10%7-10多元化学习评价体系优秀教学团队介绍张教授课程负责人李博士青年骨干王工程师实践导师---博士学位，教授职称，从事数据库教学研究余海外博士后经历，副教授职称，专长大数据和机高级工程师，具有丰富的企业项目经验负责实20年主持国家自然科学基金项目项，发表论器学习指导学生获得全国大学生数据库设计大验教学和课程设计指导，将前沿技术和工程实践2SCI文余篇，获得省级教学成果奖一等奖赛一等奖项，深受学生喜爱引入课堂教学303学生学习成功策略理论实践并重积极参与互动数据库课程既有丰富的理论内容，也需要大量的实践操作建议学生主动参与课堂讨论，勇于提出问题和观点通过与老师和同学的交流在掌握基本概念的基础上，多动手编写语句，完成实际项目，做互动，可以加深对知识点的理解，开阔思路，培养批判性思维能力SQL到理论与实践相互促进、相互验证项目驱动学习跟踪技术发展选择感兴趣的应用领域，设计并实现一个完整的数据库应用系统通数据库技术发展迅速，要保持对新技术、新产品的关注和学习定期过项目实践，可以综合运用所学知识，提升解决实际问题的能力阅读技术博客、参加技术会议，了解行业动态和发展趋势课程重点难点突破主要学习挑战数据库课程具有概念抽象、理论性强、实践要求高等特点，学生在学习过程中容易遇到以下困难概念理解困难关系代数、函数依赖、规范化等概念比较抽象语法复杂各种查询语句的语法规则和执行逻辑SQL设计方法掌握从需求到数据库设计的完整流程性能优化技巧索引设计、查询优化等高级技术有效解决策略采用案例驱动教学法，将抽象概念与具体应用相结合；通过分步引导和递进式教学，降低学习难度；利用可视化工具和交互式平台，增强学习体验学习建议遇到困难时不要气馁，多与老师和同学交流，通过反复练习和实践来加深理解职业发展前景与路径数据库管理员（）DBA负责数据库的安装、配置、监控、优化和维护工作，需要具备扎实的数据库理论基础和丰富的实践经验随着企业数据规模的不断增长，优秀DBA的需求量持续增加数据库开发工程师参与数据库应用系统的设计和开发，编写存储过程、触发器等数据库对象，优化数据库性能需要同时掌握数据库技术和软件开发技能数据架构师负责企业级数据架构的设计和规划，制定数据标准和规范，指导数据库技术选型和系统集成这是数据库技术人员的高级发展方向，需要具备全局视野和战略思维课程学习总结知识技能双提升品德修养共发展理论知识掌握系统学习数据库基础理论、关系模型、语言、设计方法等核心知识，建立完整的SQL知识体系实践技能提升通过实验操作和项目实践，掌握数据库设计、开发、管理和优化的实用技能工程素养培养培养严谨的工程思维、良好的职业道德和强烈的社会责任感，成为德才兼备的技术人才创新能力发展激发创新思维，培养解决复杂工程问题的能力，为国家数字化建设贡献力量感谢与展望感谢各位同学在整个学期中的认真学习和积极参与！学习成果展示互动交流环节通过本课程的学习，同学们不仅掌握了扎实的数据库理论知识和实践技欢迎同学们就课程内容、学习心得、职业规划等话题进行交流讨论如能，更重要的是培养了科学的思维方法和良好的工程素养希望大家能有任何疑问或建议，请随时与我们联系愿大家在数据库技术领域取得够将所学知识应用到实际工作中，为推动我国信息技术发展贡献智慧和更大成就，在人生道路上书写精彩篇章！力量祝愿大家前程似锦，未来可期！。