Тема: Базы данных: определение, свойства

Планируемый результат:

Предметные:  формирование представления об основных изучаемых понятиях, изучение приложения Microsoft Access 2007.

Метапредметные:

Личностные УУД:

Умение выделять нравственный аспект поведения на уроке.

Регулятивные УУД:

умение планировать свою деятельность, определять цель, обнаруживать и формулировать проблему урока, работать по плану, выдвигать версии, оценивать степень успешности достижения цели

Познавательные УУД:

анализировать и обобщать, сравнивать, устанавливать аналогии по созданию таблиц баз данных в других приложениях, поиск наиболее эффективного способа решения задачи.

Коммуникативные УУД:

умение полно и точно выражать свои мысли в соответствие с задачами и условиями коммуникации, владение монологической и диалогической формами речи.

1 урок. Определение и классификация баз данных

Тип урока: урок изучения нового материала.

Цели:

Образовательные – познакомить учащихся с причинами возникновения СУБД и БД; видами БД, моделями; выработать умение строить иерархическую модель.

Развивающие – научить строить иерархическую модель данных, внимание, логическое мышление.

Воспитательные – показать роль учащихся в процессе создания БД,  самостоятельность, культуру учебного труда.

Вид урока: комбинированный.

Формы работы: 

• Объяснение нового материала – фронтальная работа
• Практическая работа – индивидуальная работа.

ХОД УРОКА

I. Организационный момент. Приветствие учащихся.

Представьте себя в роли директора нашей школы. Смогли бы вы упомнить все сведения об успеваемости учащихся, общественной работе, поведении учеников. А домашний адрес, место работы родителей, состояние здоровья каждого ученика и т. д. Такая рутинная работа преследует каждого руководителя большого коллектива.
Кто из вас знает, а как раньше хранились данные о сотрудниках некоторого коллектива? (В картотеках: в виде выдвижных ящиков, где в алфавитном порядке стояли личные дела сотрудников.)
С появлением компьютеров люди стали задумываться, а как бы занести в память компьютера данные и потом с ними работать (осуществлять поиск, дополнять и изменять сведения). И были созданы специальные программы, которые позволяли осуществить все эти операции. Они получили название – информационно-поисковые системы. Сейчас они применяются во всех отраслях человеческой деятельности: в банках, магазинах, библиотеках и так далее.
Итак, сегодня на уроке мы рассмотрим понятие информационно-поисковая система, базы данных, основные элементы и виды баз данных, познакомимся с одной из баз данных – Microsoft Access.
Ваша задача сегодня на уроке выслушать и понять теоретический материал, записать все необходимые сведения в тетрадь и выполнить задания, которые будут предложены мною вам.

II. Объяснение нового материала

– Рассмотрим с вами ситуацию с руководителем большого коллектива. Каждый из вас, кто посещает библиотеку, знает, как приходится порой долго искать в каталоге необходимую книгу, особенно, если не знаешь точно название книги и автора.
Приведенные мной ситуации имеют много общего: в большом количестве данных мы ищем ту информацию, которая необходима в данный момент. В обеих ситуациях речь фактически идет о множестве однотипных объектов. Для каждого из этих объектов существенными являются значения лишь некоторых признаков.
Что вы считаете для учеников признаками? (Рост, фамилия, имя, отчество, адрес местожительства, год рождения и т. д.)
Для каждого ученика мы можем конкретизировать наши признаки и будем получать значения признаков.
Разобрать пример с книгами.
Итак, поиск информации можно поручить компьютеру. Для этого были созданы программы – информационно-поисковые системы.

Информационно-поисковая система – это система, где хранится информация, из которой по требованию пользователя выдается нужная информация, поиск которой осуществляется либо в ручную, либо автоматически.

Информационно-поисковая система состоит из двух частей:

• большой, специально организованной совокупности данных (она называется базой данных);
• программа, позволяющая оперировать этими данными (СУБД – система управления базой данных)

В настоящее время в мире создано сотни тысяч информационно-поисковых систем. Они применяются в банках, в библиотеках, в больницах, в институтах, в магазинах и т. д. Некоторые информационно-поисковые системы объединяются в крупные, централизованные информационно-поисковые системы, и называются банками данных или базами данных.

Так вот, классифицированные нами медицинские данные учеников и представляют собой базу данных.

База данных – это совокупность специально организованных данных, которые хранятся на каком – либо носителе (бумаге, диске и т.п.)

СУБД – система программ, позволяющая создавать БД, обновлять хранимую в ней информацию, обеспечивающая удобный доступ к ней с целью просмотра и поиска.

Современна СУБД должна также обеспечивать возможность работы с БД в глобальных и локальных сетях.

Широко используются такие БД:

• информационные системы по продаже и резервированию авиа – и железнодорожных билетов;
• заменяющие привычный библиотечный каталог;
• электронные энциклопедии со сведениями, например, о музыкальных инструментах, шедеврах Эрмитажа, сотрудниках какого-либо учреждения и т.п.;

Устройства внешней памяти, предназначенные для хранения БД, должны иметь высокую информационную емкость и малое время доступа к хранимой информации.

В работе с СУБД возможны следующие режимы: создание, редактирование, поиск, манипулирование. Под манипулированием понимаются такие действия с БД, как: просмотр, копирование файлов на какой-либо носитель, сортировка данных по заданному признаку и т.д.

Для работы с БД СУБД должна обеспечивать:

• возможность внесения и чтения информации;
• работу с большим объемом данных;
• быстроту поиска данных;
• целостность данных (их непротиворечивость);
• защиту от разрушения, уничтожения (не только при случайных ошибках пользователя), от несанкционированного доступа;
• систему дружественных подсказок (в расчете на пользователя без специальной подготовки)

Данные находящиеся в одной базе, должны быть логически взаимосвязаны.

БД классифицируются по трем признакам.

Запишем: Классификация БД:

1. По характеру хранимой информации.

• Фактографические – содержат краткие сведения об описываемых объектах, представленных в строго определенном формате. Например:  БД книжного фонда библиотеки хранит следующие данные о книге: год издания, автор, название. Сам текст книги в БД содержаться не будет. Т. е фактографические БД – это картотеки.
• Документальные – содержат обширную информацию самого разного типа: текстовую, графическую, звуковую, мультимедийную. Документальные БД – архивы.

2. По способу хранения информации

• Централизованные  - вся информация хранится на одном ПК
• Распределенные – части информации хранятся на разных ПК, используются в локальных и глобальных компьютерных сетях.

3. По структуре организации

• Реляционные
• Иерархические
• Сетевые

Ядром любой БД является модель данных. Модель данных – структура организации данных и способов их обработки.

Иерархическая модель данных – совокупность элементов, связанных между собой по определенным правилам. В ней существует упорядоченность элементов в записи, один элемент считается главным, остальные – подчиненными. Данные в записи упорядочены в определенную последовательность, как ступеньки лестницы, и поиск данных может осуществляться лишь последовательным «спуском» со ступеньки на ступеньку.

Графически иерархическая модель данных будет иметь вид:

Пример: Институт – Группа – Студент

Сетевая модель данных – каждый ее элемент связан с любым другим элементом. Т. е. эта БД отличается большей гибкостью, так кА в ней существует возможность устанавливать дополнительно к вертикальным иерархическим связям горизонтальные связи. Это облегчает процесс поиска требуемых элементов данных, так как не требует обязательного прохождения всех предшествующих ступеней.

Графически сетевая  модель данных будет иметь вид:

Пример: Структура БД, содержащей сведения о студентах, участвовавших в НИР.

Один студент участвует в нескольких НИР, несколько студентов участвуют одной НИР.

– Итак, в настоящее уже время в больших книжных магазинах и не только в книжных, в аптеках и т. д. вся необходимая информация представлена в базах данных, что помогает быстрому поиску нужной информации. Но для того чтобы воспользоваться информацией, заложенной в компьютере, необходимо не только представлять, как это происходит, но и научиться это делать самому, то есть создавать базу данных, осуществлять поиск информации, заменять и дополнять различные сведения.

Принципы, лежащие в основе разработки структуры БД:

1. Правильность разработанной структуры (поля уникальны, тип, размер, формат):

1. каждый элемент таблицы представляет собой один элемент данных, повторяющиеся элементы отсутствуют;
2. все поля в таблице однородные;
3. поля имеют уникальные идентификаторы.

2. Соблюдается условие нормализации (поля таблицы должны отражать непосредственные характеристики (свойства, атрибуты) объекта, к которому относится запись).
3. Полнота (Помни(!) избыточность, недостаточность атрибутов).
4. Непротиворечивость данных (дублирование записей).
5. Удобный доступ к данным.

Атрибуты – это свойства, входящих в систему объектов.

Очевидно, что не все свойства включаются в модель. Учитываются лишь те свойства, которые необходимы с точки зрения целей использования системы.

Любая система данных может быть отражена с помощью таблиц. Простейшая реляционная БД содержит одну таблицу, более сложная может состоять из множества взаимосвязанных таблиц.

III. Практическая работа учащихся

Предлагаю учащимся выполнить следующие задания.

1. Дана иерархическая модель данных. Определить к какой БД будет относиться данная модель по характеру хранимой информации.                                                              

2. Добавьте год издания книг авторов предложенных в задании 1 и превратите иерархическую БД в сетевую.
3. При помощи текстового редактора Ms Word создайте свою иерархическую модель данных.

IV. Постановка домашнего задания

Дома необходимо выучить все основные определения понятий и найти, где еще применяются базы данных. Составить схему по одной из перечисленных ниже тем:

1. Больница (стационар)
2. Больница (поликлиника)
3. Расписание уроков своего класса
4. Библиотека (книги, читатели)
5. ДТП (участники, машины, обстоятельства ДТП)
6. Футбольный чемпионат (команды, график игр, результаты игр, футболисты)
7. Городская телефонная сеть (например, телефоны всех моих друзей)
8. Авиарейсы (самолеты, пилоты, рейсы, пассажиры)
9. Отдел кадров нашей школы (сотрудники, должности, стаж работы, …)
10. Магазин (отделы, товары, продавцы, поставщики)
11. Вступительные экзамены в ВУЗ (факультеты, специальности, абитуриенты, экзамены, оценки)
12. Каталог музыки (диски, исполнители, названия песен)

V. Подведение итогов урока

На доске выписаны все новые понятия, изученные на уроке, и повторение материала с учениками ведется по ним.

С помощью небольшого опроса устанавливается, как учащиеся усвоили материал данного урока.

Выставление оценок. Выполнил полностью работу в  Ms Word и активно участвовал на уроке – «5».

2 урок. Системный анализ предметной области

Предметная область - РАСПИСАНИЕ УРОКОВ

Цель использования информационной системы – учебная.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Цели:

Образовательные – познакомить учащихся с системным анализом предметной области и построения ее инфологической модели.

Развивающие – научить строить инфологическую модель данных, развитие внимания, логического мышления.

Воспитательные – показать роль учащихся в процессе создания БД,  самостоятельность, культуру учебного труда.

Вид урока: комбинированный.

Формы работы: 

• Проверка д/з и выставление оценок
• Объяснение нового материала – фронтальная работа
• Практическая работа – индивидуальная работа.

ХОД УРОКА

I. Организационный момент. Приветствие учащихся. Проверка д/з и выставление оценок.

Вступительное слово учителя. Дома каждый попробовал составить таблицу БД и,  наверное, понял, что это не очень простое занятие. Таблицы БД содержат в себе упорядоченную информацию и являются частью информационной системы. Разработка информационной системы начинается с системного анализа предметной области и построения её инфологической (информационно-логической) модели. На сегодняшнем уроке построим модель расписания уроков в нашей школе, нарисуем её граф.

Фронтальный опрос:

- Что называется моделью? (Новый объект, заменяющий исходный с какой-либо целью).

- От чего зависят свойства модели? (Свойства модели зависят от её назначения).

- Какие виды информационных моделей мы знаем? (Табличные и графы)

- Какие виды табличных моделей мы знаем? (ОС, ООО, ООН, ОСО)

II. Объяснение нового материала

Запишем в тетрадях: Инфологическая модель – это структурная модель реальной системы, отражающая её основные составляющие и связи между ними. Системный анализ – процесс создания инфологической (информационно-логической) модели.

Свойства инфологической модели тоже зависят от её назначения.

Определим назначение нашей будущей информационной системы. Из неё мы должны узнать:

• В какие дни недели мы учимся
• Для каких классов составлено наше расписание
• Начало и конец каждого урока
• В каком кабинете и у какого учителя проходит урок

Построим граф нашей информационной системы (рисую на доске). Основные объекты и связи между ними:

В отличие от графов, которые мы изучали, здесь связи, обозначаемые линиями, имеют разный смысл. Например, линия между уроками и расписанием имеет смысл «входят  в состав», а между уроками и кабинетами обозначает «проходят в», расписание и классы «составлено для».

Какие еще записи мы здесь видим?

Есть еще одна характеристика связи – (в теории баз данных она называется показателем кардинальности). Типы связей бывают: «один к одному» (1-1), «один ко многим» (1-∞), «многие ко многим» (∞-∞). Например, связь между объектами УРОКИ, КАБИНЕТЫ - «один к одному»  потому, что в одном классе может проходить  один урок.

Объясните типы связей между остальными объектами. Уроки «проходят в» классах, классы «учатся в» кабинетах – связь «многие ко многим» и т.д.

III. Практическая работа учащихся.

Для отображения инфологической модели Ченом (1976г.) было предложено использовать диаграммы типа «сущность-связь» (ER-диаграммы). Для того, чтобы придать нашей схеме вид ER-диаграммы, к ней надо добавить ромбики с указанием имени связи и овалы с указанием атрибутов объектов.

Что такое атрибуты?

Теперь давайте, ребята, нарисуем инфологическую модель нашей информационной системы в текстовом редакторе Word и обозначим все связи.

Ученики рисуют инфологическую модель, кто выполнил всю работу, садятся за свои места.

IV. Постановка домашнего задания

Дома необходимо выучить все основные определения понятий.

Придумать инфологическую модель своей базы данных (созданной после 1-го урока) по примерным темам.

V. Подведение итогов урока

На доске выписаны все новые понятия, изученные на уроке, и повторение материала с учениками ведется по ним.

С помощью небольшого опроса устанавливается, как учащиеся усвоили материал данного урока.

Выставление оценок. Нарисовал полностью инфологическую модель и активно участвовал на уроке – «5».

3 урок. Методика нормализации модели данных

Тип урока: урок изучения нового материала.

Цели:

Образовательные – познакомить учащихся с нормализацией модели данных и кприведению таблицы к третьей нормальной формы.

Развивающие – развитие внимания, логического мышления.

Воспитательные – показать роль учащихся в процессе создания БД,  самостоятельность, культуру учебного труда.

Вид урока: комбинированный.

Формы работы: 

• Проверка д/з и выставление оценок
• Объяснение нового материала – фронтальная работа
• Практическая работа – индивидуальная работа.

ХОД УРОКА

I. Организационный момент. Приветствие учащихся. Проверка д/з и выставление оценок.

Вступительное слово учителя. Дома каждый попробовал составить таблицу БД и,  наверное, понял, что это не очень простое занятие.

Для небольших учебных БД ошибки при проектировании не столь существенны. Но если создается большая база, в которой будут сохраняться многие тысячи записей, то ошибки при проектировании могут стоить очень дорого. Основные последствия неправильного проектирования – избыточность информации, ее противоречивость, потеря целостности, т.е. взаимосвязи между данными. В результате БД может оказаться не работоспособной и потребовать дорогостоящей переделки.

Фронтальный опрос:

- Что называется системным анализом? (процесс создания инфологической (информационно-логической) модели).

- Что называется инфологической моделью? (это структурная модель реальной системы, отражающая её основные составляющие и связи между ними).

- Какие виды информационных моделей мы знаем? (Табличные и графы)

II. Объяснение нового материала

Если в реляционной таблице встречается избыточное дублирование данных, то от этой избыточности можно избавиться, разбив отношение на более мелкие. Этот процесс называется нормализацией.

Нормализация представляет собой процесс реорганизации данных путем ликвидации избыточных дублированных данных и иных противоречий в хранении данных с целью приведения таблиц к виду, позволяющее осуществить непротиворечивое и корректное редактирование данных.

Или другими словами:

Нормализация – это разбиение одного отношения на 2 и более в соответствии со специальной процедурой определения разбиений.

Существуют три нормальные формы: сначала все данные, которые планируется включить в БД, представляются в первой нормальной форме, затем преобразуются ко второй и на последнем шаге – к третьей нормальной форме.

Первая нормальная форма.

Чтобы таблица соответствовала I н.ф. все значения ее полей должны быть атомарными, а все записи уникальными.

Рассмотрим задачу, предметной областью которой является лечебное заведение – поликлиника.

БД должна содержать сведения о посещении пациентами поликлиники своего участкового врача. Сначала строится одна таблица, в которую заносятся Фамилия пациента, Дата его рождения, Номер участка, к которому он приписан, Фамилия участкового врача, Дата посещения врача и установленный Диагноз болезни.

Вот так может выглядеть экземпляр такой таблицы:

БД «Поликлиника»

Нетрудно понять недостатки такой организации данных:

1. Очевидна избыточность информации: повторение даты рождения одного и того же человека, повторение врача одного и того же участка.
2. В такой БД велика вероятность иметь недостоверные, противоречивые данные – например, если на втором участке сменится врач, то придется просматривать всю базу и вносить изменения во все записи, относящиеся к данному участку. При этом велика вероятность что-то пропустить.

Полученная таблица соответствует первой нормальной форме.

Для устранения отмеченных недостатков требуется дальнейшая нормализация.

Вторая нормальная форма.

Согласно определению второй нормальной формы, все неключевые поля должны функционально зависеть от поля ключа.

Структура такой таблицы записывается следующим образом:

ПОЛИКЛИНИКА (Фамилия, Дата_рождения, Участок, Врач, Дата_посещения, Диагноз)

Перед скобками записывается имя отношения, в скобках – поля, а поля, составляющие основной ключ, подчеркивается (еще говорят – первичный ключ).

Необходимо установить основной ключ записей. Здесь ключ составной, который включает в себя два поля: Фамилия и Дата_посещения. Каждая запись – это информация о конкретном посещении пациентом поликлиники. Если допустить, что в течение одного дня данный пациент может сделать только один визит к участковому врачу, то в разных записях не будет повторяться комбинация двух полей фамилия пациента и даты посещения врача. Очевидно, что если допустить возможность нескольких посещений в один день, то надо добавить в ключ еще одно поле – время посещения врача (можно – номер посещения).

В данной таблице лишь Диагноз определяется одновременно фамилией пациента и датой посещения. Остальные поля связаны лишь с фамилией, т.е. от даты посещения они не зависят. Для преобразования ко второй нормальной форме таблицу нужно разбить на две следующие:

ПОЛИКЛИНИКА (Фамилия, Дата_посещения, Диагноз)

ПАЦИЕНТЫ (Фамилия, Дата_рождения, Участок, Врач)

В отношении Посещения по-прежнему действует составной ключ из двух полей, а в отношении Пациенты – одно ключевое поле Фамилия.

Нетрудно понять, что и в таком варианте опять будет иметь место избыточности данных. Например, сведения о том, что на участке 2 участковым врачом работает Петрова О.И., будут повторяться столько раз, сколько пациентов относятся к этому участку.

Как избавиться от этой избыточности?

Третья нормальная форма.

Таблица находится в третьей нормальной форме, если она находится во второй нормальной форме и все ее неключевые поля зависят только от первичного ключа.

В нашем случае потребуется еще одно разбиение отношения Пациенты на два отношения.

В итоге получаем БД, состоящую из трех отношений:

ПОЛИКЛИНИКА (Фамилия, Дата_посещения, Диагноз)

ПАЦИЕНТЫ (Фамилия, Дата_рождения, Участок)

ВРАЧИ (Участок, Врач)

В третьем отношении ключом является номер участка, поскольку он повторяться не может. В то же время возможна ситуация, когда один врач обслуживает больше одного участка. Полученная структура БД удовлетворяет требованием третьей нормальной формы: в таблицах все неключевые поля полностью функционально зависят от своих ключей.

Еще одним важным свойством полученной модели данных является то, что между тремя отношениями существует взаимосвязь через общие поля. Отношения Посещения и Пациенты связаны общим полем Фамилия. Отношения Пациенты и Врачи связаны через поле Участок.

III. Практическая работа учащихся.

Приведите таблицы к III нормальной форме:

1. Шофера- Машины

Нмаш – номер машины

Нмар – номер маршрута

Нвод – номер водителя

Нмех – номер механика

Нгар – номер гаража

2. Библиотека

Нчит – номер читателя

Срок – на сколько дней выдана книга

Изд – издательство

Ком – номер комнаты, в которой находится эта книга

3.  Междугородние переговоры

IV. Постановка домашнего задания

Дома ученикам необходимо выучить все основные определения понятий.

По темам своих индивидуальных проектов свести  инфологическую  модель данных своей БД к третьей нормальной форме.

V. Подведение итогов урока

На доске выписаны все новые понятия, изученные на уроке, и повторение материала с учениками ведется по ним.

С помощью небольшого опроса устанавливается, как учащиеся усвоили материал данного урока.

Выставление оценок. Выполнил полностью нормализацию данных – «5».