CC BY
314
Программа нормализации реляционных баз данных как основа предметно-ориентированной интеллектуальной
обучающей системы
Говорова Марина Михайловна заместитель декана факультета СПО по учебной работе, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Кронверкский пр., д.49, г. Санкт-Петербург, 197101; тел. +7(950)0210173,
maran77@mail.ru
Говоров Антон Игоревич аспирант кафедры интеллектуальных технологий в гуманитарной сфере, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Кронверкский пр., д.49, г. Санкт-Петербург, 197101; тел. +7(904)6332262 antongovorov@gmail.com
Масленников Роман Игоревич студент Института информационных технологий и управления, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Ключевая ул., д.13, кв.50, Санкт-Петербург, 195221, +7(904)6346657 m3angreen@gmail.com
Аннотация
В статье представлена авторская программа автоматизированной нормализацию реляционных баз данных, которая составляет основу компьютерной обучающей системы, формирующей компетенции в проектировании баз данных. Программа обеспечивает формирование списка атрибутов предметной области и функциональных зависимостей, проектирование первой нормальной формы БД и перевод ее в третью нормальную форму. На контрольном примере описывается алгоритм, использованный для реализации программы. Также представлены основные характеристики компьютерной обучающей системы, основанной на этой программе.
In this article it is discussed the authoring program automated normalization of relational databases, which is the basis of computer learning system forming competence in database design authoring program automated normalization of relational databases, which is the basis of computer learning system forming competence in database design. The program ensures the formation of an attributes list of the domain and functional dependencies, designing the first normal form of database and transfer it to the third normal form. The algorithm used to implement the program describes in the control example. It is presented the main characteristics of the computer training system based on this program.
Ключевые слова
реляционная база данных, нормализация базы данных, нормальная форма, функциональная зависимость, программа, Case-средство; relational database, database normalization, normal form, functional dependency, program, Case tool.
Введение
Современные образовательные программы технических специальностей, связанных с информационно-коммуникационными технологиями, требуют освоения учебных курсов по проектированию и реализации реляционных баз данных (БД). Формирование компетенций в этой области неразрывно связано с применением в учебном процессе, а затем и в профессиональной деятельности, специализированных программных СаБе-средств, обеспечивающих автоматизированное проектирование БД.
В качестве такого средства предлагается использовать обучающую систему, которая ориентирована на формирование профессиональной компетенции в проектировании БД путем «развития динамической адаптивной обучающей среды; организации эффективной диагностики ошибок обучаемого и облегчения значительных усилий по подготовке учебного материала» [1]. Основу этой обучающей системы составляет приведенная ниже авторская программа автоматизации процедуры нормализации реляционных БД.
Нормализация отношений в теории проектирования реляционных БД, предложенная Э. Коддом, является одной из наиболее формализованных методик, позволяющей создавать качественные проектные решения в этой области. Но, как показывает практический опыт, эта методика проектирования является наиболее сложной для освоения обучающимися, так как имеет строгий формальный математический базис и не основывается на эмпирических подходах, используемых в других методиках. Нормализацию иногда упрекают на том основании, что «это просто здравый смысл», а любой компетентный профессионал и сам «естественным образом» спроектирует полностью нормализованную БД без необходимости применять теорию зависимостей [2]. Однако, как указывает К. Дейт, нормализация в точности и является теми принципами здравого смысла, которыми руководствуется в своём сознании зрелый проектировщик, то есть принципы нормализации -это формализованный здравый смысл. Между тем, идентифицировать и формализовать принципы здравого смысла - весьма трудная задача, и успех в её решении является существенным достижением [2].
Современные Case-средства проектирования реляционных БД, как правило, позволяют разрабатывать инфологическую модель базы данных, преобразовывать ее в логическую и описывать внутреннюю (физическую) модель применительно к конкретно выбранной среде проектирования СУБД. Но они не предусматривают автоматизацию процесса нормализации, хотя предоставляют возможность проверки некоторых свойств БД, например, контроль (но не автоматическое преобразование) связей типа «многие-ко-многим» при преобразовании инфологической модели данных в реляционную. Процедура проверки БД требованиям нормализации в этих средствах является громоздкой и требует высокой квалификации разработчика.
На сегодняшний день профессиональные проектировщики или обучающиеся в этой области при проектировании осуществляют нормализацию на основе общих неформализованных правил декомпозиции отношений, сформулированных Э. Коддом, Р. Бойсом и Р. Фейджином. В зависимости от объема предметной области процесс может оказаться достаточно трудоемким, причем качество структуры построенной базы данных целиком зависит от квалификации разработчика. В результате, даже реально работающие базы данных могут иметь необоснованную ненормализованную структуру. Здесь следует исключать случаи, когда проводится денормализация БД, например, с целью повышения эффективности информационной системы при обработке данных.
Метод нормальных форм
Метод нормальных форм (или нормализация отношений) основан на обнаружении зависимостей между атрибутами исходных отношений и переводе реляционной БД из первой нормальной формы (1НФ) в нормальные формы
следующих уровней, что позволяет снизить избыточность хранимых данных и таким образом устранить аномалии обновления, возникающие при добавлении, изменении и удалении хранимых данных.
Определено 6 уровней нормальных форм, но общепринято, что доведение БД до уровня третьей нормальной формы (3НФ) или до уровня нормальной формы Бойса-Кодда (БКНФ) является достаточным с точки зрения качества разработанной структуры и устранения аномалий обновления данных. Оригинальная методика Э.Кодда определяет доведение БД до уровня 3НФ.
Ключевым понятием в методике является понятие функциональной зависимости между атрибутами (столбцами) отношения. Атрибут В в отношении г называется функционально зависимым от атрибута А, если каждому значению атрибута А соответствует единственное значение атрибута В. А называется детерминантом, В - зависимым атрибутом (зависимостью). Обозначение: А ^ В . На языке теории множеств определение формулируется следующим образом:
Дано отношение г со схемой Я. t1 и t2 - кортежи отношения г. Множество (атрибут) В функционально зависит от множества (атрибута) А если, когда каждому значению множества А соответствует точно одно значение множества В:
г (Я): А с Я, В с Е
(А ^ В): ((^ е г, 12 е г : ^ (А) = ^ (А) ^ ^ (В) = ^ (В)))
Выделяют следующие виды ФЗ:
• полная ФЗ - это функциональная зависимость неключевого атрибута отношения только от его ключа, простого или составного: например, если г (А, В, С, В) - исходное отношение и в отношении г существует функциональная зависимость А, В ^ С , то она является полной ФЗ;
• частичная ФЗ - это функциональная зависимость неключевых атрибутов отношения от части его составного ключа: например, если г(А,В,С,Б) - исходное отношение и в отношении г существует функциональная зависимость А ^ С, то она является частичной ФЗ;
• транзитивная ФЗ - это зависимость неключевого атрибута отношения от ключевого и от другого неключевого атрибута этого отношения: например, если г (А, В, С, В) - исходное отношение, в отношении г существуют функциональные зависимости А ^ В , В ^ С и обратные зависимости отсутствуют, то атрибут С транзитивно зависит от атрибута А: А ^ С. Функциональные зависимости А ^ В, А ^ С и В ^ С, не являются тривиальными, т.е. ни одно из множеств (атрибутов) А, В и С не является подмножеством другого.
Обобщением понятия функциональной зависимости является понятие многозначной зависимости. Множество (атрибут) В в отношении г многозначно зависит от множества (атрибута) А если, если каждому значению множества А соответствует множество значений В, не связанных с другими атрибутами из г.
Процесс нормализации базируется на анализе предметной области и выявлении зависимостей между атрибутами (функциональных или многозначных). Зависимости между атрибутами ограничивают целостность данных в БД и отражают семантику предметной области. Именно этап является самым сложным и трудоемким и, в конечном счете, определяет правильность разработанный структуры БД. Сложность заключается в субъективности предварительного рассмотрения семантических отношений между атрибутами предметной области и определении зависимостей между ними и напрямую зависит от квалификации проектировщика. Реально это процесс полностью формализовать невозможно.
Перевод отношения в нормальную форму следующего уровня осуществляется методом декомпозиции без потерь с использованием операции проекции. При этом на каждом следующем уровне ограничивается определенный тип ФЗ, и, таким
образом, устраняются аномалии дублирования данных, порождающиеся этим видом ФЗ: 1) при переводе из 1НФ во 2НФ ограничиваются частичные зависимости; 2) при переводе из 2НФ в 3НФ ограничиваются транзитивные зависимости; 3) при переводе из 3НФ в БКНФ ограничиваются многозначные зависимости ключевых атрибутов отношений от неключевых. Таким образом, нормализованная структура БД определяет во всех полученных отношениях только полные ФЗ неключевых атрибутов от ключевых, что достигается в БКНФ.
Алгоритм автоматизации процесса нормализации
В ходе анализа существующих алгоритмов, пригодных для автоматизации нормализации отношений, представленных в работах [3,4,5,6,7], в качестве базового был выбран алгоритм, предложенный И.А. Зориным [7].
Алгоритм И.А. Зорина основан на графовом анализе и позволяет формализовать процесс выполнения нормализации реляционной базы данных.
Для примера рассматривается нормализация БД
«Повышение_квалификациии_сотрудников» (далее «повышение квалификации» -ПК) согласно алгоритму И.А. Зорина. Предполагается, что обучение может проходить по индивидуальному графику (даты начала и окончания обучения) для каждого сотрудника, например, дистанционно. Тогда:
1. БД вручную приводится к 1НФ. Для этого все поля таблицы приводятся к атомарному виду (формируется универсальное отношение (УО)).
БД в 1НФ содержит следующие столбцы (атрибуты): а -Наименование_программы_ПК, п - Часов_по_программе, / - Направление, у -Статус_программы, к - Образовательная_организация, Ь - Статус_организации, с -ФИО_сотрудника, С - Кафедра, е - Должность, f - Ученая_степень, Ь -Дата_начала_программы, д - Дата_окончания_программы, о - Результат_аттестации, I - Раздел_программы, т - Часов_на_раздел. Составным ключом УО является следующий набор атрибутов: а, Ь, с, I.
2. На основании таблицы «Повышение_квалификации_сотрудников» (БД в 1НФ) строится орграф в. Орграф представлен на рис. 1, где вершины соответствуют столбцам УО, а дуги - отношениям между этими столбцами. При этом, вершины, обозначающие ключевые поля, называются ключевыми, а вершины, обозначающие неключевые поля, - неключевыми. Вершины а, Ь, с, I являются ключевыми, т.к. соответствующие им поля таблицы образуют составной первичный ключ УО.
Рис. 1. Орграф О (1НФ) 3. Строится матрица 2НФ, строкам которой соответствуют неключевые вершины, а столбцам все возможные наборы ключевых вершин. В случае если /-я
вершина зависит от у-го набора, в ячейке [ у] ставится 1, в противном случае - 0. Матрица во 2НФ приведена в табл. 1.
Таблица 1
Матрица 2НФ (1 этап)
аеМ аеМ аеМ аеМ аеМ аеЫ аеМ1 аеМ аеМ1 аеМ аеМ аеЫ аеЫ аеМ аеМ
к 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Ь 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
п 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
.1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
т 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0
сС 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
е 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
/ 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
О 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0
Я 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0
4. Из матрицы 2НФ удаляются столбцы, содержащие только 0 (т.е. не порождающие ни одной таблицы) (табл. 2).
Таблица 2
Матрица 2НФ (2 этап)
аеМ аеМ аеМ аеМ
к 1 0 0 0
Ь 1 0 0 0
п 1 0 0 0
1 1 0 0 0
] 1 0 0 0
т 0 0 1 0
сС 0 1 0 0
е 0 1 0 0
/ 0 1 0 0
О 0 0 0 1
Я 0 0 0 1
5. В матрице 2НФ склеиваются одинаковые строки с фиксацией вхождения строк исходной таблицы в строки новой таблицы.
6. Каждая единица, полученная в матрице 2НФ, представляет собой подграф, приведенный к 2НФ.
Результат преобразований для получения 2НФ орграфа приведен в табл. 3.
Таблица 3
Матрица 2НФ (3 этап)
Строка Подграф Вес подграфа аеМ аеМ1 аеМ аеМ
Строка 1 (а, к, Ь, п, ¡, ]) 04 4 1 0 0 0
Строка 2 (е, С, е, /) ОЗ 3 0 1 0 0
Строка 3 (а, 1, т) 02 2 0 0 1 0
Строка 4 (а, е, к, о, я) 0l 1 0 0 0 1
7. В случае если какие-то из полученных подграфов окажутся приведенными к 2НФ, к ним снова применяются шаги 3-6 до тех пор, пока все подграфы графа в не будут приведены к 2НФ.
Орграф, приведенный ко 2НФ, представлен на рис. 2.
в1
в2 2 11
Рис. 2. Вторая нормальная форма О (2НФ)
Таким образом, исходный граф О (1НФ) преобразован в граф О (2НФ), который включает четыре подграфа: О1 (Повышение_квалификации), О2 (Раздел_программы), О3 (Сотрудник), О4 (Программа_ПК).
8. Строится матрица 3НФ, строкам которой соответствуют неключевые вершины, а столбцам все возможные наборы соединенных между собой неключевых вершин. В случае если /-я вершина зависит от ¡-го набора, в ячейке [/, ¡] ставится 1, в противном случае - 0 (1 этап).
9. Из матрицы 3НФ удаляются столбцы, содержащие только 0 (т.е. не порождающие ни одной таблицы).
10. В матрице 3НФ склеиваются одинаковые строки с фиксацией вхождения строк исходной таблицы в строки новой таблицы (таблица 4).
Таблица 4
Матрица 3НФ (2 этап)
к
ь 1
11. Каждая единица, полученная в матрице 3НФ, представляет собой подграф, приведенный к 3НФ (3 этап) (табл. 5). На этапе приведения орграфа к 3НФ выделен подграф в5 (Образовательная_организаци).
Таблица 5
Матрица 2НФ (3 этап)
Строка Подграф Вес подграфа к
Строка 1 (к, Ь) О5 5 1
12. В случае если какие-то из полученных подграфов не являются приведенными к 3НФ, к ним снова применяются шаги 8-11 до тех пор, пока все подграфы из 2НФ не будут приведены к 3НФ. Каждый полученный подграф соответствует таблице БД.
Орграф, приведенный к 3НФ, представлен на рис. 3.
^ Ь
Рис. 3. Третья нормальная форма С (3НФ)
В результате преобразований ненормализованное УО
«Повышение_квалификациии_сотрудников» приведено из 1НФ к 3НФ и получен следующий набор таблиц:
1. Сотрудник (ФИО_сотрудника, Кафедра, Должность, Ученая_степень),
2. Программа_ПК (Наименование_программы_ПК, Часов_по_программе, Направление, Статус_программы, Образовательная_организация),
3. Раздел_программы (Наименование_программы_ПК, Раздел_программы, Часов_на_раздел),
4. Повышение_квалификации (Наименование_программы_ПК, ФИО_сотрудника, Дата_начала_программы, Дата_окончания_программы, Результат_аттестации),
5. Образовательная_организация (Образовательная_организация, Статус_организации).
Формализованность алгоритма И.А. Зорина определяется тем, что он не привязан к конкретной предметной области. Исключением является 1-й этап построения универсального отношения (1НФ), который основан на семантическом анализе взаимоотношений между атрибутами (столбцами). Как отмечает И.А. Зорин, согласно методике Э. Кодда термин «отношение» необходимо рассматривать как взаимодействие между двумя полями (атрибутами) таблицы, при котором значение одного из полей однозначно характеризует другое [7]. Например, пусть наименование программы повышения квалификации уникально. Тогда наименование программы однозначно указывает ее объем (в часах). Имея доступ к общей БД по наименованию программы, можно найти всю остальную информацию о ней. С другой стороны, количество часов на программу не позволяет найти точную информацию о ней, т.к. разные программы могут иметь одинаковый объем. Таким образом, наименование программы можно рассматривать как ключевое значение. Совокупность нескольких полей также может рассматриваться как ключевое значение. Например, наименование программы ПК, ФИО сотрудника и дата начала обучения однозначно определят дату окончания обучения. Сходный подход при выделении ФЗ рассматривается В.В.Кирилловым [8].
Универсальное отношение (1НФ) представляет из себя реляционную таблицу, в которой между полями существует набор отношений, т.е. значение одного
поля (простого или составного) однозначно определяет значение другого поля. Правильное построение такой таблицы не является слишком простой задачей. Но именно она отображает все возможные зависимости между атрибутами. Поэтому при реализации программы одним из функциональных требований была заявлена реализация этапа формирования 1НФ БД и проверки корректности выделенных функциональных зависимостей в соответствии с универсальным отношением.
Рассмотренный алгоритм имеет существенное ограничение функциональности: он обеспечивают перевод проектируемой БД к третьей нормальной форме на основе рассмотрения в предметной области только нетривиальных зависимостей вида А ^ С и не устраняют возможные многозначные зависимости, например, между ключевым (А) и неключевым (С) атрибутами в приведенной к 3НФ таблице (А ^ С, т.е. семантически С является многозначным атрибутом для некоторого объекта). Приведение БД к нормальной форме Бойса-Кодда (БКНФ) с использованием этого алгоритма невозможно.
Описание программы
Разработанная на основе алгоритма И.А. Зорина [7] программа предназначена для автоматизации процесса проектирования БД методом нормальных форм и графического представления полученных результатов. Общий вид графического пользовательского интерфейса программы представлен на рис. 4.
ЕД
| Меню
Новый файл Открыть файл Сохранить Сохранить как... Изменить название БД О программе
Добавить атрибуты
Введите связи между атрибутами для отображения ключа универсального отношения.
Нормализовать
Рис. 4. Главное окно программы
Диалоговое окно редактирования списка атрибутов (столбцов) предметной области представлено на рис. 5. Порядок ввода атрибутов не важен и может редактироваться на любом этапе работы программы.
3 Добавление атрибута [ОВ ргогп]
Введите атрибуты:
Наименование_программы_ПК
Часов_по_программе
Направление
Статус_программы
Образовательная_организаш1я
Статус_организацми
ФИО_сотрудника
Кафедра
Должность
Ученая_степень
Дата_начала_программы
Дата_окончания_программы
Раздел_программы
Часов_на^аздел
Имя атрибута: | Результат_аттестации| Добавить _| Удалить |
Закрыть
Рис 5. Редактирование списка атрибутов (столбцов) Диалоговое окно редактирования списка связей (функциональных зависимостей) между атрибутами (столбцами) представлено на рис. 6.
13 Добавление связи [БВ ргогп]
Список связей:
Основной Зависимый
1 Наименование_программы_ПК ФИО_сотрудника Дата начала программы Д ата_окончания_програ...
2 ФИО_сотрудника Должность
3 ФИО_сотрудника Кафедра
4 Наименование_программы_ПК Направление
5 Наименованме_программы_ПК Образовательная_орган...
6 Наименованме_программы_ПК Образовательная организация Статус_организации
7 Наименование_программы_ПК Статус_программы
8 ФИО_сотрудника Ученая_степень
9 Наименование_программы_ПК Раздел_программы Часов_на_раздел
10 Наименованме_программы_ПК Часов_по_программе
<1
Основной: Зависимый:
|Наименование_программы_ПК |
|Результат_аттестаиии
¡3
~3
"3
| Добавить |
Сброс | Ключ УО |
Закрыть |
Рис. 6. Редактирование списка атрибутов Составной основной атрибут (детерминант) в текущей версии программы допускает для одновременного ввода до четырех атрибутов. Если некоторый детерминант имеет несколько зависимостей, то их можно задать одновременно при
формировании ФЗ (до 4-х зависимостей). При этом будут сформированы соответствующие ФЗ. После определения списка функциональных зависимостей можно автоматически сформировать составной ключ универсального отношения (1НФ), приведенный на рис. 7.
Ключ универсального отношения шш
.л Ключ универсального отношения: НаименоБание_программы_ПК ФИО_сотрудника
Дата_начала_программы Раздел_программы
ОК
Рис. 7. Определение ключа универсального отношения
Для анализа семантических отношений между атрибутами и проверки правильности выделенных ФЗ программа обеспечивает построение универсального отношения для проектируемой БД (1НФ). Формирование БД в 1НФ преследует прежде всего обучающие цели при овладении умениями проектирования БД. В случае нарушения введенных в УО данных заявленным функциональным зависимостям выдается сообщение о некорректности данных или ФЗ. При этом некорректно заданные детерминанты выделяются желтым цветом ячеек, а зависимости - красным. Диалоговое окно формирования 1НФ представлены на рис. 8, 9.
I, Д !1ШДnn.iJ.UN.UliJ! 'Ми.
Проверка корректности УО
Наименование_программы_ПК | Часов_по_программе | Направление | Статус_програпмы | Образовательная_организация | Статусу
Системы дистанционного обучения Краткосрочное ПК Институт развития ДПО
технологии
Информационные ^ ,. пгп„
технологии Краткофочное ПК Институт развития ДПО
Системы дистанционного обучения
Технология и методика создания „ дистанционных курсов
Технология и методика создания дистанционных курсов
Информационные ^ п„ ___
технологии Краткофочное ПК Институт развития ДПО
Информационные ... п„ ПГ1Л
технологии Краткофочное ПК Институт развития ДПО
Л Проверка корректности универсального отношения
211
Универсальное отношение некорректно. Проверьте правильность данных в таблице и/или корректность связей между атрибутами,
_ж
Рис. 8. Пример некорректно заданных кортежей в УО
Л Универсальное отношение [ОВ ргош]
Проверка корректности УО
Наиненование_програмны_ПК | Часов_по_програмне | Направление | Статус_программы | Образовательная_организация |" Статус
Информационные п„_
технологии Краткосрочное ПК Институт развития ДПО
Системы дистанционного обучения 75
Системы дистанционного обучения 75
Технология и методика создания дистанционных курсов Технология и методика создания дистанционных курсов
Информационные ^ „„ ., ппг.
технологии Краткосрочное ПК Институт развития ДПО
Информационные „ п„ .. ПГ1Л
технологии Краткосрочное ПК Институт развития ДПО
Информационные „ п„ .. ПГ1Л
технологии Краткосрочное ПК Институт развития ДПО
ФГБОУ ФГБОУ ФГБОУ ФГБОУ
■
Рис. 9. Корректное универсальное отношение Программа обеспечивает нормализацию универсального отношения до 3НФ формы. Результат отображается в главном окне программы в графическом виде и в виде схем реляционных отношений (рис. 10). В графическом представлении в сформированных отношениях (таблицах):
• наименование таблицы задается по первичному ключу;
• атрибуты первичного ключа располагаются первыми по списку и выделяются зеленым цветом;
• атрибуты, соответствующие внешним ключам, выделяются желтым цветом;
• связи таблиц по первичным и внешним ключам отображаются в виде стрелок:
• направление стрелки указывает на подчиненность таблиц (в направлении подчиненной таблицы);
• синяя стрелка соединяет первичный независимой таблицы и внешний ключ подчиненной таблицы, входящей в состав ее первичного ключа;
• черная стрелка соединяет первичный независимой таблицы (справочника) и внешний ключ подчиненной таблицы, не входящей в состав ее первичного ключа.
Порядок отображения схем полученных отношений соответствует этапам нормализации (НО ^ НО ^ 31 О ):
• первыми в списке отображаются отношения, выделенные на основе частичных ФЗ для простой части ключа (в приведенном примере: [Наименование_программы_ПК], [ФИО_сотрудника]),
• затем - отношения, выделенные на основе частичных ФЗ для составной части ключа (в приведенном примере: [Наименование_программы_ПК _ФИО_сотрудника_Дата_начала_программы], [Наименование_программы_ПК_ Раздел_программы]),
• далее - отношения, выделенные на основе полных ФЗ (при наличии),
• затем - отношения, выделенные на основе транзитивных ФЗ (в приведенном примере: [Образовательная_организация]).
'' .............. ...........................................
Рис. 10. Результат нормализации БД в графическом виде и в виде схем отношений
При корректировке списка атрибутов или ФЗ необходимо провести нормализацию повторно.
Загрузка БД возможна как через создание нового проекта, так и через открытие сохраненных ранее проектов БД (файлы *^Ьр).
Программа выполнена на высокоуровневом объектно-ориентированном языке программирования С++ с использованием кроссплатформенного фреймворка 01.
Анализ и оценка разработки
Программа предназначена для применения в учебном процессе при реализации дисциплин и междисциплинарных курсов, связанных с проектированием реляционных баз данных, при очной, очно-заочной и заочной форме обучения, а также при дистанционной форме обучения при обязательном сопровождении тьютора. Целевой аудиторией являются преподаватели и студенты высшего образования и СПО, которые могут использовать программу для аудиторной и внеаудиторной самостоятельной работы при изучении методики проектирования, для контроля и самоконтроля выполнения индивидуальных разработок студентов на аудиторных лабораторных работах, курсовых проектов и ВКР, самостоятельной работы при выполнении лабораторных заданий.
Формируемая компетенция проектирования БД имеет следующую особенность БД: первый этап выполнения процедуры нормализации (выделение функциональных зависимостей между атрибутами на основе семантического анализа предметной области) не является формализуемым в принципе и при освоении
базовой части учебного курса может создавать для студента значительные трудности. Поэтому при внедрении программы в учебный процесс как компьютерного средства обучения (КОС) предполагается такой вариант, при котором преподаватель не устраняется, а взаимодействует с КОС в процессе управления обучением, т.е. принимается представленная в [9] концепция совместного управления обучением, в которой и преподаватель, и КОС выступают как активные субъекты управления процессом обучения. Такой подход обеспечивает наибольший уровень адаптивности и индивидуализации фактически реализуемого процесса обучения.
При этом программными средствами реализуются следующие, обозначенные в [9,10], функции: 1) управления изучаемым объектом (ИО) (предъявления образа ИО); 2) формирования, хранения и корректуры моделей ИО; 3) функцию контроля параметров ИО, управляемых обучающимся (частичная реализация). Поскольку «в ИОС (интеллектуальной обучающей системе) должны быть максимально полно автоматизированы основные функции обучающих систем: предъявления учебной информации, контроля обучения и управления познавательной деятельностью обучаемого» [1], то приведенный выше перечень автоматизированных функций позволяет отнести разработанное КОС в категории ИОС.
Текущая версия программы реализует нормализацию реляционной БД до 3НФ, а не до БКНФ в силу ограничения функциональности использованного алгоритма нормализации. В следующей версии программы планируется модифицировать алгоритм с возможностью доведения БД до БКНФ.
С целью повышения дидактического эффекта КОС, использующей программу, планируется разработка модуля, который обеспечит визуализацию типизации ФЗ, выделенных в предметной области (в текущей версии приводится общий список ФЗ без указания типов зависимостей: полных, частичных или транзитивных) и поэтапного перевода БД из 1НФ во 2НФ, а затем в 3НФ (с отображением структуры и схем отношений БД на каждом этапе декомпозиции и таблиц с рабочими данными).
Заключение
Описанная программа успешно внедрена и апробирована при изучении баз данных в образовательном процессе Университета ИТМО на кафедре интеллектуальных технологий в гуманитарной сфере и факультете среднего профессионального образования.
Эффективность использования программы на учебных занятиях и в самостоятельной работе студентов выражается в минимизации субъективных ошибок студентов при создании БД, сокращении времени выполнения индивидуальных проектов, повышении наглядности процесса проектирования, более качественном понимании изучаемой методики и повышении мотивации при выполнении заданий. Это позволяет сделать вывод, о решении задачи «оптимального использования КОС, которая состоит в организации дидактически эффективного взаимодействия обучающихся, обучающего и КОС в реальном учебном процессе» [9].
Литература
1. Галеев И.Х. Проблемы и опыт проектирования ИОС // Международный электронный журнал "Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society)", 2014. Т. 17. № 4. С. 526-542. URL: http://ifets.ieee.org/mssian/depository/v17_i4/pdf/9.pdf (дата обращения: 15.01.2015)
2. Date C.J. Date on Database: Writings 2000-2006. Apress, 2006. 566 p.
3. Dongare Y.V., Dhabe P.S., Deshmukh S.V., RDBNorma: A semi-automated tool for relational database schema normalization up to third normal form. Department of Computer Engg., International Journal of Database Management Systems ( IJDMS ), Vol.3, No 1, February 2011, pages 133-154. URL:
http://arxiv.Org/ftp/arxiv/papers/1103/1103.0633.pdf (дата обращения: 21.01.2015)
4. Виноградова М.В., Игушев Э.Г., Конструктор баз данных на основе сущностей и их реквизитов с возможностью нормализации // Наука и Образование, № 10, октябрь 2011. URL: http://techno-new.developer.stack.net/doc/242645.html (дата обращения: 15.01.2015)
5. Клименко И.В., Лозовский А.В. Метод формальной нормализации отношений реляционной модели базы данных. // Научная мысль Кавказа. Прил. №5. 2004. С. 115-119. URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=17746479 (дата обращения: 15.01.2015).
6. Сторожок Е.А., Тарасов В.Н., Алгоритм нормализации схемы реляционной базы данных, Альманах современной науки и образования, № 3 (46) 2011, С. 87 - 92. URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=17341987 (дата обращения: 15.01.2015).
7. Зорин И.А. Теоретико-графовое приведение реляционной базы данных к третьей нормальной форме Э. Кодда / Электронное научное издание «Устойчивое инновационное развитие: проектирование и управление», 2009, том 5, С. 50-59. URL: http://www.rypravlenie.ru/wp-content/uploads/2010/03/3_Zorin.pdf (дата обращения: 15.01.2015).
8. Кириллов В.В., Громов Г.Ю. Введение в реляционные базы данных. - СПб.: «БХВ-Петербург», 2012. - 464 с.
9. Печников А.Н., Аванесова Т.П., Шиков А.Н. Альтернативные подходы к проектированию и внедрению компьютерных технологий обучения // Международный электронный журнал "Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society)", 2013, том 16, №2, C. 433-446. URL: http://ifets.ieee.org/russian/depository/v16_i2/pdf/8.pdf (дата обращения: 15.01.2015)
10. Печников А.Н. Теоретические основы психолого-педагогического проектирования автоматизированных обучающих систем. - Петродворец: ВВМУРЭ им. А.С. Попова, 1995. - С. 323-325. URL: http://www.pedlib.ru/Books/1/0224/1_0224-1.shtml (дата обращения: 15.01.2015)
