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Unterrichtsentwürfe
Objektorientierte Datenmodellierung am Beispiel einer CD-Bibliothek
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Wie werden Daten in Datenbanken strukturiert?
Themenbereiche Hat Schlagwort::Datenbanken
Schulformen Gymnasium, Gesamtschule
Länge Einzelstunde
Jgst Sek. II
Autor Annika Bölte
Schlagwörter Datenmodellierung, Datenbanksysteme
Lizenz CC-BY-NC-SA-icon-88x31.png


Beschreibung

Übersicht

Stundenziel

Die SuS sollen eine Strukturierung von Daten in Klassen und Beziehungen vornehmen können.

Inhaltliche Teilziele

Die SuS sollen...

  • die Unzulänglichkeit von einer einzigen Tabelle für die effiziente und sichere Speicherung und Verwaltung von großen Datenmengen erkennen können,
  • die Charakteristika einer 1:n-Beziehung beschreiben können,
  • Grundelemente eines Klassen-Beziehungs-Diagramms charakterisieren können,
  • Beschreiben können, wie eine 1:n-Beziehung in Tabellen realisiert werden kann.

Prozessbezogene Teilziele

Die SuS sollen...

  • Vor- und Nachteile einer Speicherstruktur begründen können (Begründen und Bewerten[1]),
  • in der Gruppe effizient zusammen arbeiten können (Kommunizieren und Kooperieren1),
  • die Verwaltung und Speicherung großer Datenmengen mithilfe eines Datenmodells modellieren und in einem Klassen-Beziehungs-Diagramm darstellen können (Modellieren1),
  • die Darstellungsformen Tabelle und Klassen-Beziehungs-Diagramm miteinander in Beziehung setzen (Darstellen und Interpretieren1).

Einbettung in die Unterrichtsreihe

In den bisherigen Unterrichtsstunden haben die SuS Datenbanksysteme als Informatiksysteme zur Verwaltung großer Datenmengen kennen gelernt, die in vielen Bereichen des täglichen Lebens (Banken, Krankenhäuser, Schulen, Kaufhäuser, Internetseiten, ...) Anwendung finden. Anhand des Beispiels einer CD-Liste konnten die SuS erste Erfahrungen mit dem Datenbankmanagementsystem Access machen und beispielsweise neue Spalten oder Datensätze einfügen sowie einfache Abfragen an die Datenbank stellen. Bislang wurden Datenbanksysteme also vor Allem aus der Anwenderperspektive betrachtet.

Die fünfte Unterrichtseinheit der Reihe soll den Fokus von der Anwendersicht hin zur Perspektive der Planenden und Konstruierenden[2] lenken. Die SuS lernen Konzepte des Datenbankentwurfs kennen, so dass sie in die Lage versetzt werden, später selbst eine Datenbank zur Verwaltung ihrer Bodenuntersuchungen[3] zu entwerfen. 

Stunde Thema Bemerkungen
1 Große Datenmengen – Ein Problem? -
2 Wie funktioniert ein Datenbanksystem? – Anlegen einer CD-Liste -
3 Wie bekommt man gezielt Informationen aus einer Datenbank heraus? - Einfache Abfragen auf der Tabelle CD -
4 Welche Daten speichert eine CD-Bibliothek? – Sammlung und Problemaufwurf -
5 Wie werden Daten in Datenbanken strukturiert? – Objektorientierte Datenmodellierung am Beispiel einer CD-Bibliothek -
6 Umsetzung in Access -
7 Wer leiht wann was? – Eigenschaften von Beziehungen -
8 Abfragen über mehrere Tabellen -
9 Projekt Bodenuntersuchung: Welche Informationen werden verwaltet? – Objektorientierte Datenmodellierung -
10 Vom objektorientierten Modell zum Relationenmodell -
11 Realisierung der Datenbank zur Bodenuntersuchung in Access -

Didaktisch-methodischer Kommentar

Beim Entwurf relationaler Datenbanken kommen die SuS zum ersten Mal mit einer objektorientierten Datenmodellierung in Kontakt. Ohne Vorkenntnisse über objektorientierte Sichtweisen (wie sie z. B. im „bayerischen Ansatz“ bereits in der Sekundarstufe 1 gelegt werden) fällt es ihnen schwer, ein Datenbanksystem von Grund auf zu modellieren. Es ist für die SuS dabei u. a. nicht einsichtig, warum nicht alle Attribute in einer Klasse modelliert werden sollten. Dieses Problem ist auch im Anfangsunterricht der Jahrgangsstufe 11 zu beobachten, wenn erste Softwareprojekte objektorientiert modelliert werden.

1. Vorgehen

Um dem oben beschriebenen Problem zu begegnen, dient als Ausgangspunkt der Betrachtungen eine Tabelle, die alle zu speichernden Attribute einer CD-Bibliothek mit konkreten Datensätzen umfasst. Anstatt also – wie im Modellierungskreislauf üblich – von der Realsituation über das Modell zur konkreten Umsetzung in Tabellen zu kommen, wird hier von einer konkreten Realisierung ausgegangen. In dieser Realisierung sind die Daten allerdings gänzlich unstrukturiert: Alle Attribute wurden in einer einzigen Tabelle aufgenommen, so dass viele Daten redundant gespeichert werden. Eine solche Verwaltung der Bibliothek, wie sie beispielsweise auch mit einer Tabellenkalkulation möglich wäre, ist unübersichtlich, Änderungen sind umständlich und aufgrund der redundanten Speicherung kann es leicht zu Inkonsistenzen im Datenbestand kommen.

Eine Lösung für dieses Problem stellt die Aufteilung der Attribute auf mehrere Tabellen dar (vgl. Abbildung). Dabei speichert eine Tabelle alle Attribute, die sich auf den Besitzer beziehen, eine die Attribute der CDs und eine die der Ausleiher. Bei dieser Strukturierung fallen die unerwünschten Redundanzen weg, allerdings geht auch die Information verloren, welche Datensätze jeweils zusammengehören, also z. B. wem welche CD gehört. Diese Beziehung zwischen den Tabellen kann zunächst präformal mit Verbindungslinien eingezeichnet werden. Eine solche Visualisierung macht anschaulich deutlich, welche Kardinalitäten bei den Beziehungen vorliegen und stellt eine gute Grundlage für die Abstraktion zum Klassen-Beziehungs-Diagramm dar.

Bei der Umsetzung des Modells in Tabellen besteht die wesentliche Schwierigkeit in der Umsetzung der Beziehungen. Da es sich jeweils um eine 1:n-Beziehung handelt, kann die Tabelle CD um zwei weitere Spalten ergänzt werden, die die Primärschlüssel der jeweiligen Besitzer bzw. falls vorhanden Ausleiher beinhalten. Es wäre auch denkbar, eine neue Tabelle anzulegen, die die Primärschlüssel aller drei Objekte (CD, Besitzer, Ausleiher) miteinander in Beziehung setzt. Jedoch ist die erste Lösung aus Effizienzgründen vorzuziehen.

In der darauf folgenden Unterrichtsstunde sollen die SuS das erweiterte und neu strukturierte Relationenmodell in Access umsetzen.

2. Methode

Die Arbeitsformen zeichnen sich durch eine starke Anleitung aus. In der Erarbeitungsphase ist den SuS genau vorgegeben, wie sie die große Tabelle aufzuteilen und mit Redundanzen zu verfahren haben. Auch die Phase der Sicherung und Systematisierung wird stark von der Lehrerin geleitet. So wird z. B. die Schreibweise als Klassen-Beziehungs-Diagramm durch sie vorgegeben.

Dieses Vorgehen ist darin begründet, dass es wenig Möglichkeiten gibt, Dinge selbstständig zu entdecken, zu erkunden oder zu modellieren. Würde man z. B. offen lassen, wie die Tabelle umstrukturiert werden soll, so würden viele divergente Ergebnisse zustande kommen, die kaum einen Mehrwert bringen und statt dessen Diskussionen hervorbringen, die schwer zu klären sind und in der Sache nicht weiterführen.

Trotz der starken Anleitung soll allerdings nicht auf eine Selbsttätigkeit der SuS verzichtet werden. Dadurch, dass die SuS selbst die Tabelle zerteilen und die doppelten Datensätze und leeren Zellen herausschneiden, wird ihnen deutlich, was die Umstrukturierung tatsächlich bewirkt. Die Ersparnis an Speicherplatz wird sogar durch die überflüssigen „Schnipsel“ direkt greifbar. Durch Erklärungen, auch mit geeigneten Visualisierungen, sind diese Einsichten schwieriger zu erreichen. Darüber hinaus bewirkt die Erarbeitung in Gruppen, dass sich alle SuS aktiv mit dem Lerngegenstand auseinandersetzen.

Verlaufsplan

Zeit Phase Arbeitsschritte Sozial-/
Aktionsform
Medien /
Material
Bemerkungen
Stundenziel: Die SuS sollen eine Strukturierung von Daten in Klassen und Beziehungen vornehmen können.
5 min Problemaufwurf Die L.’ zeigt eine Tabelle, die die bisherige CD-Bibliothek erweitert. Probleme wie Unübersichtlichkeit, doppelte Datenhaltung und damit einhergehend Komplikationen bei Änderungen werden herausgestellt.

Einteilung der Gruppen und Besprechung des Vorgehens

UG Beamer
Tafel
Eine Datenbank zur Verwaltung von CDs ist den SuS bereits bekannt. Sie soll nun um Daten erweitert werden, die Ausleihvorgänge dokumentieren.

Die Tabelle soll auf Probleme einer schlecht strukturierten Datenbank aufmerksam machen.

5 min Erarbeitung Die SuS teilen die Spalten auf drei Tabellen auf und verbinden die zusammengehörigen Datensätze durch Linien. Sie charakterisieren die Beziehungen zwischen den Tabellen und suchen nach Lösungen, wie solche Beziehungen mit in den Tabellen gespeichert werden können. GA Arbeitsblatt Durch das selbsttätige Teilen und Verbinden der Tabellen sowie durch das Entfernen der Redundanzen und leeren Zellen wird den SuS die Auswirkung der Umstrukturierung deutlich.
5 min Sicherung Die Kriterien, nach denen die Tabelle strukturiert wurde, werden herausgearbeitet.

Die Beziehungen zwischen den Tabellen werden charakterisiert. Die neue Struktur der CD-Bibliothek wird als Klassen-Beziehungs-Diagramm festgehalten. Vorschläge für die Speicherung der Beziehungen in den Tabellen werden gesammelt und umgesetzt.

Rückschau: Haben wir die Probleme der Ausgangstabelle beseitigt?

Designregeln für einen guten Datenbankentwurf werden abgeleitet.


UG Beamer
Tafel
Das Klassen-Beziehungs-Diagramm stellt eine neue Schreibweise für die SuS dar.

Rückbezug zum Problem.

Die SuS führen sich noch einmal vor Augen, wie sie bei der Strukturierung vorgegangen sind.

5 min Anwendung (did. Reserve) Entwurf eines Klassen-Beziehungs-Diagramms für die Verwaltung eines Versandhauses. Sammlung möglicher Attribute. Kartenabfrage Arbeitsblatt Anwendung der Designregeln (voraussichtlich als HA).
Hausaufgabe: Entwurf eines Klassen-Beziehungs-Diagramms für die Verwaltung eines Versandhauses.

Links

  1. Vgl. jeweils Grundsätze und Standards für die Informatik in der Schule. Bildungsstandards Informatik für die Sekundarstufe I, GI 2008.
  2. Vgl. Richtlinien und Lehrpläne Informatik für das Gymnasium, Sekundarstufe I in Nordrhein-Westfalen. Frechen, 1993
  3. Die Bodenuntersuchungen werden in den Biologie-/Chemieanteilen des Differenzierungskurses durchgeführt.