Konzeption und Entwicklung eines E-Learning Tools zum Datenbankentwurf

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1 Diplomarbeit Konzeption und Entwicklung eines E-Learning Tools zum Datenbankentwurf vorgelegt von Christian Vogel im Fachbereich VI Studiengang Medieninformatik an der Technischen Fachhochschule Berlin im Sommersemester 2004

2 2 Betreuer: Gutachter: Prof. Dr. Robert Strzebkowski Prof. Dr. Petra Sauer Prof. Dr. Günter Siegel 2

3 3 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Gegenstand der Arbeit Aufgabenstellung Aufbau der Arbeit Grundlagen des Datenbankentwurfs Ausgangspunkt Entitytypen bestimmen Attribute zuordnen Beziehungstypen bestimmen Datentypen festlegen Primär- und Fremdschlüssel bestimmen Koppel-Entitytypen und Koppel-Tabellen SQL notieren Konzeption Lösungsweg und Benutzerführung Laden und Speichern Überprüfung und Beurteilung von Lösungen Generierung von Lösungsvarianten Verwaltung von Aufgaben Aufgabenpool Pflichtenheft Zielbestimmung Musskriterien Wunschkriterien Abgrenzungskriterien Produkteinsatz Anwendungsbereiche Zielgruppen Betriebsbedingungen Produktumgebung Software Hardware Produktübersicht Aufgabentool

4 Verwaltungstool Administrationstool Produktfunktionen Anwendungsfall-Diagramm Anwendungsfälle Daten Leistungen Qualitätsanforderungen Benutzbarkeit Änderbarkeit Erweiterbarkeit Übertragbarkeit Testfälle Entwicklungsumgebung Teilprodukte Entwurf Drei Schichten Architektur Model-View-Controller-Prinzip Client-Server-Technologien Serverseitige Technologien Clientseitige Technologien Entwurf der zugrundeliegenden Datenbank Entwurf des Verwaltungstool Implementierung UIObject Event Handling DataSet-Komponente Flash-PHP Kommunikation Abschließendes Entwicklungsstand Evaluation Konzeption, Entwurf und Implementierung Einführung Nutzung Unterscheidung von Koppel-Entitytypen Zusammenfassung und Ausblick

5 5 8. Anhang Quellenverzeichnis Installationsanleitung Tool lokal benutzen Tool lokal entwickeln Tool auf einem Webserver veröffentlichen Kurzanleitung für das Verwaltungstool Start der Anwendung Aufgabe laden / Aufgabenliste anzeigen Aufgabe speichern Aufgaben bearbeiten / erstellen Anwendungsfälle Aufgabentool Verwaltungstool Administrationstool Allgemein Eidesstattliche Erklärung

6 6 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Schritte des Datenbankentwurfs Abbildung 2: Beispielaufgabe Entitytypen bestimmen Abbildung 3: Beispielaufgabe - Attribute zuordnen Abbildung 4: MC-Notation Abbildung 5: Krähenfußnotation Abbildung 6: (min, max )-Notation Abbildung 7: Klassen von Beziehungstypen Abbildung 8: Beispielaufgabe - Beziehungstypen bestimmen (vorläufige Lösung) Abbildung 9: Beispielaufgabe Auflösung des Beziehungstyps Buchempfehlung Abbildung 10: Beispielaufgabe - Beziehungstypen bestimmen (endgültige Lösung) Abbildung 11: Beispielaufgabe Datentypen festlegen Abbildung 12: Beispielaufgabe Primär- und Fremdschlüssel bestimmen Abbildung 13: Konzeption der Navigation Abbildung 14: Lösungsvariante maximale Lösung Abbildung 15: Lösungsvariante 2 (ungeschickt) Abbildung 16: Lösungsvariante 3 (kleiner) Abbildung 17: Produktübersicht Abbildung 18: Aufgabentool Allgemeine Anwendungsfälle Abbildung 19: Aufgabentool - Aufgabe lösen Abbildung 20: Verwaltungstool allgemeine Anwendungsfälle Abbildung 21: Verwaltungstool Aufgabe bearbeiten Abbildung 22: Drei Schichten Architektur nach [Bal99, S. 372] Abbildung 23: Gartner Definition nach [ArBu95] Abbildung 24: Model View Controller Architektur nach [Bal99, S. 373] Abbildung 25: Kommunikation beim MVC-Prinzip nach [Bal99, S. 374] Abbildung 26: ER-Diagramm der zugrundeliegenden Datenbank Abbildung 27: Drei-Schichten-Architektur des Verwaltungstool Abbildung 28: Klassenstruktur des Verwaltungstools Abbildung 29: Klassenstruktur des Package exercise_model Abbildung 30: Sequenzdiagramm: Bearbeitungsschritt wechseln Abbildung 31: Sequenzdiagramm: Datentyp festlegen Abbildung 32: Flash Komponenten Architektur Abbildung 33: Schritt 1 - Struktur der Bibliothek Abbildung 34: Schritt 2 - Symboleigenschaften Abbildung 35: Schritt 2 - Komponentendefinition Abbildung 36 Beispiel-Anwendung zum Event Handling Abbildung 37: PHP-Flash Daten gesendet Abbildung 38: PHP-Flash Daten empfangen Abbildung 39: Mehr-Film-Variante Abbildung 40: Anwendung in einem Fenster Abbildung 41: Datenbankunterstützung von Koppel-Entitytypen und -Tabellen

7 Kapitel 1 Einleitung 7 1. Einleitung 1.1 Gegenstand der Arbeit Gegenstand dieser Arbeit ist die Konzeption und Entwicklung eines E- Learning Tools zum Datenbankentwurf. Ein wichtiger Teil des Informatikstudiums beschäftigt sich mit der Entwicklung von Datenbanken. Hier werden die Grundlagen für Datenbank- Anwendungen in klassischen Anwendungsgebieten, wie z.b. im Verwaltungsbereich, gelehrt. Doch auch bei der Entwicklung dynamischer Internetanwendungen, einem relativ jungen Einsatzgebiet von Datenbanken, wird der systematische Datenbankentwurf zunehmend akzeptiert. Zudem machen die Arbeit im Team und die Kommunikation mit dem zukünftigen Benutzer es unerlässlich, sich während der Entwicklung einer geeigneten abstrakten und bildhaften Beschreibungssprache für den Datenbankentwurf zu bedienen. In der Praxis werden sehr häufig relationale Datenbanksysteme verwendet. Eine geeignete grafische Beschreibungssprache für relationale Datenmodelle ist das Entity-Relationship-Modell (ER-Modell), das erstmalig von Peter Chen im Jahr 1976 [Chen76] vorgestellt und seitdem weiterentwickelt wurde. Es ermöglicht eine natürliche Sicht auf die Daten und ist trotzdem unabhängig von den tatsächlichen Speicherung derselben. Im Studium wird der Datenbankentwurf mittels Entity-Relationship- Diagrammen (ER-Diagrammen) gelehrt, jedoch ist der geschickte Datenbankentwurf komplex und benötigt Erfahrung. Zunächst müssen die zu speichernden Informationen klassifiziert und auf ihre relevanten Eigenschaften reduziert werden. Danach müssen die sachlogischen Zusammenhänge zwischen den Informationstypen erkannt und Unterscheidungsmerkmale für Objekte desselben Informationstyps festgelegt werden. Diese Aufgabenschritte verlangen Abstraktionsfähigkeit und sind zeitaufwendig, so dass sie im Rahmen einer Vorlesung nicht häufig genug durchgeführt werden können. Der Lernende muss die Aufgaben in der Nachbereitung der Vorlesung wiederholen und weitere Aufgaben lösen, um den Lernstoff zu festigen und die nötige Routine zu erlangen. Hierbei kann ein E-Learning Tool den Lernenden unterstützen. 7

8 Kapitel 1 Einleitung Aufgabenstellung Das Thema dieser Arbeit ist aus einer Semesteraufgabe im Fach Datenbanken 2 bei Frau Prof. Dr. Sauer an der TFH-Berlin (siehe [Sa03]) hervorgegangen. In Zusammenarbeit mit dem Labor Online Learning wurden die Anforderungen und die Einsatzmöglichkeiten eines solchen Tools analysiert. Ziel ist es, ein Tool für den Einsatz im Blended Learning und Web Based Training Bereich zu entwickeln. Beim Web Based Training werden Lerneinheiten online auf einem Webserver veröffentlicht und können raum- und zeitunabhängig flexibel genutzt werden. Der Lernende eignet sich dabei den Lernstoff im Selbststudium an. Zusätzlich bietet das Web Based Training Möglichkeiten zur Kommunikation mit Dozenten und anderen Lernenden, so dass ein Austausch über den Lernstoff stattfinden kann. Das Web Based Training bietet gegenüber dem Computer Based Training, bei dem Lerninhalte auf einem Datenträger veröffentlicht werden, leicht zu aktualisierende und anpassbare Inhalte, so dass die Lehre ständig verbessert werden kann. Beim Blended Learning werden die theoretischen Grundlagen und ein großer Teil des Lernstoffs in der Präsenzveranstaltung vermittelt. Die Vor- und Nachbereitung einer Lehrveranstaltung wird durch den Einsatz von Computer oder Web Based Learning Anwendungen unterstützt. Durch diese Mischung (engl.: blend ) sollen die Vorteile von E-Learning und Präsenzlehre verbunden und die Nachteile kompensiert werden. Präsenzveranstaltung + sozialer Kontakt zwischen Teilnehmern + Dozent und Teilnehmer lernen sich persönlich kennen + ganzheitliche Kommunikation - alle Personen müssen zur gleichen Zeit am gleichen Ort sein - alle Teilnehmer müssen gleich schnell oder langsam lernen - die Teilnehmer müssen das gleiche lernen E-Learning + Zeit- und Ortsunabhängigkeit + individuelles Lerntempo + gut aufbereiteter Lernstoff - keine soziale Bindung zu anderen Teilnehmern - Missdeutungen von Lerninhalten bleiben unbemerkt - hohe Selbstlernkompetenz erforderlich Gegenüberstellung entnommen aus [Wikipedia] ( ): 8

9 Kapitel 1 Einleitung 9 Mit diesem E-Learning Tool soll es Dozenten ermöglicht werden, Aufgaben zum Datenbankentwurf im Internet zu veröffentlichen, die dann von den Lernenden gelöst werden können. Das Tool soll zum Einem als Ergänzung des Präsenzunterrichts an der TFH-Berlin verwendet oder anderen Hochschulen als Service vom Labor Online Learning zur Verfügung gestellt werden können. Zum Anderen wird eine Verwendung des Tools im Rahmen des Informatikstudiums am Hochschulverband Virtuelle Fachhochschule 1 (VFH) angestrebt. 1.3 Aufbau der Arbeit In Kapitel 2 werden die Grundlagen des Datenbankentwurfs anhand eines durchgängigen Beispiels erläutert. Dieses Kapitel soll ein Verständnis für die Aufgaben schaffen, die mit dem E-Learning Tool gelöst werden sollen. Das Kapitel 3 geht auf einige konzeptionelle Gedanken des E-Learning Tools ein. Aus diesen Gedanken werden die ersten Anforderungen an das Tool abgeleitet. Schließlich werden diese und weitere Anforderungen im Pflichtenheft in Kapitel 4 zusammengefasst. Kapitel 5 erläutert zunächst einige Grundlagen zur Systemarchitektur und Client-Server-Technologien und geht dann auf den Entwurf der dem E- Learning Tool zugrundliegenden Datenbank und Systemarchitektur ein. Das Kapitel 6 geht auf die bisherige Implementierung des E-Learning Tools ein. Es werden einige der verwendeten Komponenten von Macromedia Flash MX 2004 und neue Features von ActionScript 2.0 erklärt. Kapitel 7 fasst zum Abschluss den Entwicklungsstand zusammen, erläutert das Evaluationskonzept für das E-Learning Tool und gibt einen Ausblick über Fortsetzungspläne der Entwicklung und Erweiterbarkeit des E-Learning Tools. Im Anhang befindet sich eine Installations- und eine Bedienungsanleitung für das Tool, die ebenfalls erklärt wo das Tool online zu erreichen ist. Auf der Begleit-CD zu dieser Arbeit befinden sich die Source-Dateien des Tools, einige verwendete Quellen und dieses Dokument im PDF-Format. 1 Die Hochschulen des Hochschulverbund Virtuelle Fachhochschule bieten die länderübergreifenden Studiengänge Medieninformatik und Wirtschaftsingenieurwesen an (siehe 9

10 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs Grundlagen des Datenbankentwurfs Der Entwurf einer Datenbank erfolgt in zwei groben Schritten, der Entwicklung des konzeptionellen Datenmodells mit Hilfe der grafischen Beschreibungssprache des Entity-Relationship-Modells und dessen Transformation in ein logisches Datenschema eines relationalen Datenbank- Modells. Jeder dieser beiden Schritte besteht aus mehreren Teilschritten. An dieser Stelle sollen nun anhand eines Beispiels, diese Schritte erläutert werden. Es werden Definitionen formuliert, auf die Syntax der ER- Diagramme eingegangen und verschiedene Darstellungsmöglichkeiten erläutert. Dieses Kapitel dient dem Verständnis der Aufgaben, die von den Studierenden mit dem E-Learning Tool bearbeitet werden können. Der vorgestellte Ablauf wurde vom Autor dieser Arbeit festgelegt. Es ist möglich, dass verschiedene Lehrbücher oder Dozenten einen anderen Ablauf bevorzugen oder die Schritte feiner unterteilen. Entities klassifizieren Attribute zuordnen Beziehungen festlegen Datentypen festlegen Identifizierungen bestimmen referentielle Integrität sichern Abbildung 1: Schritte des Datenbankentwurfs (vom Autor festgelegt) 10

11 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs Ausgangspunkt Als Ausgangspunkt für den Datenbankentwurf dient eine Beschreibung der zu speichernden Daten, Vorgänge und Funktionen der geplanten Anwendung. Eine solche Beschreibung kann im persönlichen Gespräch mit dem zukünftigen Nutzer der Anwendung erarbeitet oder aus dem Pflichtenheft einer Anwendung ersichtlich werden. Sie wird nachfolgend beispielhaft dargestellt. Ein Literaturzirkel möchte auf seiner Homepage ein Forum einrichten. Die Mitglieder des Zirkels wollen in dem Forum zu verschiedenen Themen Beiträge schreiben und diskutieren. Sie wollen außerdem einen Bücherpool anlegen, in dem jedes Mitglied die Bücher eintragen kann, die es gelesen hat oder gerade liest. Zu so einer Eintragung gehören neben dem Titel und Erscheinungsjahr die ISBN-Nummer und der Autor mit seinem Geburtstag und Todestag. Frau Müller liest pro Monat ungefähr vier Bücher. Herr Meier muss viel arbeiten und hat deshalb noch kein Buch gelesen. Das Buch Wanderungen durch die Mark Brandenburg von Fontane gehört Frau Gärtner, Herr Fischer hat es sich gerade ausgeliehen und hat es ohne Frage bald fertig gelesen. Das Buch Unterm Birnbaum, ebenfalls von Fontane, ist im Lesezirkel sehr beliebt und wurde von vielen gelesen. Damit etwas Ordnung herrscht, soll es möglich sein, verschiedene Bereiche einzurichten, die von jeweils einem oder mehreren Mitgliedern moderiert werden. Herr Weber ist ein ausgesprochener Fan der französischen Literatur des 19. Jahrhunderts, er moderiert den Bereich dazu. Das Ehepaar Fuhrmann moderiert gemeinsam mit Frau Weber, den Bereich der modernen Literatur. Jedes Mitglied soll in den Bereichen neue Themen eröffnen, Beiträge zu Themen schreiben oder anderen Beiträgen mit einem eigenen Beitrag antworten können. Beim Eröffnen eines Themas muss man einen Beitrag schreiben. Herr Zimmermann schreibt häufig Rezensionen zu den Büchern, die er gelesen hat. Herr Jäger nutzt das Forum nur, um sich über Bücher zu informieren, er schreibt selbst jedoch keine Beiträge. Das Forum soll es außerdem ermöglichen, miteinander persönliche Buchempfehlungen auszutauschen. Frau Gärtner empfiehlt Herrn Meier das Buch Die Wand von Jean-Paul Sartre als Geburtstagsgeschenk für seine Frau. 11

12 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs Entitytypen bestimmen Im ersten Schritt werden alle Objekte (engl. entities (pl.)) herausgesucht, zu denen Informationen gespeichert werden sollen. Dabei wird eine Klassifizierung der Objekte in Objekttypen (engl. entity types (pl.)) vorgenommen, d.h. es werden Objekte gruppiert, zu denen gleich strukturierte Informationen gespeichert werden. Im Folgenden werden die Begriffe Entity und Entitytyp verwendet. Entity Definition: Eine Entity ist ein konkretes Exemplar einer Person (z.b. Mitglied), Gegenstands (z.b. Buch), Ereignisses (z.b. Buchempfehlung) oder anderer immaterieller Dinge (z.b. Besitzverhältnis) über das Informationen gespeichert werden. (vgl. [Ja03, S.31] und [St03, S. 14]) Entitytyp Definition: Ein Entitytyp ist eine durch einen Entitytyp-Namen eindeutig benannte Klasse von Entities, über die dieselben Informationen gespeichert und die prinzipiell auf die gleiche Weise verarbeitet werden. (vgl. [Ja03, S.31] und [St03, S. 14]) Syntax im ER-Diagramm: Entitytyp-Name Ein Entitytyp wird im ER-Diagramm durch eine Box dargestellt. Im Kopfteil der Box wird der Name des Entitytyps notiert. Der Name steht im Singular und muss für das gesamte Datenmodell eindeutig sein. In dieser Aufgabe sind z.b. Frau Müller und Herr Meier jeweils Entities vom Entitytyp Mitglied, denn zu den beiden werden die gleichen Arten von Daten gespeichert. Wanderungen durch die Mark Brandenburg, Die Wand und Nordseekrabben wurden zum Entitytyp Buch zusammengefasst. Weitere Entitytypen sind Thema, Bereich, Beitrag und Autor. 12

13 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs 13 Im Laufe dieses Kapitels wird herausgestellt, dass dies noch nicht alle Entitytypen sind, die sich aus dem Text bestimmen lassen. Vorerst werden jedoch nur diese gefundenen Entitytypen in das ER-Diagramm eingetragen und später um die fehlenden ergänzt. Autor Bereich Buch Thema Mitglied Beitrag Abbildung 2: Beispielaufgabe Entitytypen bestimmen 13

14 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs Attribute zuordnen Im zweiten Schritt werden den gefundenen Entitytypen relevante Eigenschaften zugeordnet, die zu jeder Entity gespeichert werden sollen. Diese Eigenschaften werden als Attribute bezeichnet. Attribut Ein Attribut ist die Benennung für ein relevantes Merkmal aller Entities, die in einem Entitytyp zusammengefasst werden. (vgl. [Ja03, S.34] und [St03, S. 14]) Attributwert Ein Attributwert ist eine spezielle Ausprägung, die ein Attribut für eine bestimmte Entity annimmt. Ein Attribut kann nur einen Wert zur gleichen Zeit annehmen, d.h. der Wert ist atomar. (vgl. [Ja03, S.34] und [St03, S. 14]) Syntax im ER-Diagramm: Entitytyp-Name Attribut 1 Attribut 2 Attribut 3 Attribut 4 Die Attribute werden im unteren Teil der Entity-Box aufgelistet, zu der die Attribute gespeichert werden. Die Reihenfolge der Attribute ist egal. Der Name eines Attributs muss innerhalb eines Entitytyps eindeutig sein. In dem Beispiel können dem Entitytyp Buch die Attribute Titel, Erscheinungsjahr und ISBN-Nummer zugeordnet werden. Zum Entitytyp Autor gehören der Geburtstag und der Todestag. Es lassen sich noch weitere Attribute bestimmen, die in der Problembeschreibung lediglich als Attributwerte vorkommen, so wird zu jedem Mitglied der Name gespeichert, es sollte auch für jeden Autor der Name gespeichert werden. Zu einem Bereich und einem Thema wird zweifellos ein Titel gespeichert, genauso wie zu einem Beitrag ein Text gehört. 14

15 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs 15 Autor Name Geburtstag Todestag Bereich Titel Buch Titel Erscheinungsjahr ISBN-Nummer Thema Titel Mitglied Name Beitrag Text Abbildung 3: Beispielaufgabe - Attribute zuordnen 15

16 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs Beziehungstypen bestimmen Zur Beschreibung sachlogischer Zusammenhänge zwischen den Entitytypen werden im dritten Schritt Beziehungstypen festgelegt. Dabei werden zunächst duale Beziehungstypen, Zusammenhänge zwischen zwei Entities unterschiedlicher Entitytypen, und rekursive Beziehungstypen, Zusammenhänge zwischen zwei Entities desselben Entitytyps, betrachtet. Beziehung Eine Beziehung kennzeichnet den konkreten Zusammenhang zwischen zwei existierenden Entities. (vgl. [Ja03, S.46] und [St03, S. 16]) Beziehungstyp Ein (dualer/rekursiver) Beziehungstyp beschreibt den typmäßigen sachlogischen Zusammenhang, der zwischen Entities zweier/derselben Entitytypen besteht. (vgl. [Ja03, S.47] und [St03, S. 16]) Eine Beziehung zwischen zwei Entities wird durch zwei Sätze formuliert, die diese in beide Richtungen näher beschreibt. Beitrag Mitglied: Ein Beitrag wird immer von genau einem Mitglied geschrieben. Mitglied Beitrag: Ein Mitglied kann einen oder mehrere Beiträge schreiben. Mit diesen beiden Sätzen wird die Beziehung benannt und Auskunft über die Optionalität, Kardinalität und Begrenzung der Kardinalität gegeben. Mit der Benennung der Beziehung wird festgelegt, dass nur die Beziehung des Schreibens betrachtet wird und eine Lese -Beziehung, die zwischen den Beiträgen und Mitglieder ebenfalls existiert, nicht abgebildet wird. Weiterhin wird ersichtlich, dass zu einem Beitrag immer genau ein Mitglied gehört, dass diesen verfasst hat. Hinsichtlich der Optionalität wird also festgestellt, dass die Beziehung zwischen Beitrag und Mitglied nicht optional ist. In umgekehrter Richtung ist die Beziehung jedoch optional, weil ein Mitglied einen Beitrag schreiben kann, jedoch nicht zwangsläufig muss, um existieren zu können. 16

17 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs 17 Aussagen über die Kardinalität und deren Begrenzung geben an wie viele Entities vom Typ A mit wie vielen anderen Entities vom Typ B (bei rekursiven Beziehungen vom gleichen Typ) in Beziehung stehen. In der Beispielaufgabe steht ein Beitrag immer mit genau einem Mitglied, d.h. mit mindestens einem und höchstens einem Mitglied in Beziehung. Andersherum wird ausgedrückt, dass ein Mitglied mit beliebig vielen (n) Beiträgen in Beziehung steht. Für die Notation einer Beziehung im ER-Diagramm gibt es verschiedene gängige Möglichkeiten, die kurz erläutert und tabellarisch verglichen werden sollen. MC-Notation Mitglied Name 1 CN R Beitrag Text schreibt wird geschrieben Abbildung 4: MC-Notation Mit der MC-Notation lassen sich Aussagen hinsichtlich der Optionalität und Kardinalität durch die Angabe von zwei Zeichen machen. Das erste Zeichen drückt die Optionalität durch ein C (optional) oder eine 1 (obligatorisch) aus. Die Kardinalität wird durch 1 oder N als zweites Zeichen angegeben. Die Zeichenkombination C1 wird zu C zusammengefasst, dasselbe gilt für 11 und 1N, die als 1, bzw. N notiert werden. Sind die Kardinalitäten auf beiden Seiten unbegrenzt, so wird ein N auf der einen und M auf der anderen Seite notiert, um eine Unterscheidung zu ermöglichen. Krähenfußnotation Mitglied Name R Beitrag Text schreibt wird geschrieben Abbildung 5: Krähenfußnotation Die Optionalität wird mit der Krähenfußnotation durch einen Kreis (optional) oder einen Strich (obligatorisch) auf den jeweiligen Enden der Verbindungslinie dargestellt. Die Kardinalität wird mit den Enden selbst notiert. Eine normal auslaufende Linie entspricht der 1 der MC-Notation, 17

18 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs 18 ein sich in drei Linien aufteilendes Ende ( Krähenfuß ) steht für die Kardinalität N. (min, max)-notation Mitglied Beitrag Name (0,*) R (1,1) Text schreibt wird geschrieben Abbildung 6: (min, max )-Notation Mit der (min, max)-notation werden zusätzlich zur Optionalität und Kardinalität Angaben zur Begrenzung der Kardinalität gemacht, in dem ein Minimal- und Maximalwert notiert werden. Ist der Minimalwert, der zuerst notiert wird, gleich Null, so ist die Beziehung optional. Der als Zweites notierte Maximalwert wird als * notiert, wenn die Kardinalität unbegrenzt ist. Im Gegensatz zur MC- und Krähenfussnotation werden hier die Kardinalitäten anders herum aufgeschrieben, d.h. auf der Seite der Entity wird notiert, mit wie vielen Entities des anderen Typs sie in Beziehung steht. Auf der Seite des Beitrags wird notiert, wie viele Mitglieder benötigt werden, um einen Beitrag zu schreiben. Auf der Mitglied -Seite wird notiert, wie viele Beiträge ein Mitglied schreiben kann. Es existieren auch Mischformen zwischen diesen Notationen, so werden bei der Krähenfußnotation in konkreten Fällen Begrenzungen der Kardinalitäten mittels der (min, max)-notation angegeben. In dieser Arbeit wird die (min, max)-notation ohne eine Benennung der Beziehung verwendet. 18

19 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs 19 Syntax im ER-Diagramm dualer Beziehungstyp: Entitytyp_A Attribut 1 Attribut 2 Attribut 3 Attribut 4 (1,1) (1,*) Entitytyp_B Attribut 1 Attribut 2 Eine duale Beziehung zwischen zwei Entitytypen A und B wird durch eine Verbindungslinie zwischen den beiden dargestellt. Es wird die (min, max)- Notation ( oben) zur Darstellung von Optionalität und Kardinalität verwendet. rekursiver Beziehungstyp: (0,*) Entitytyp_C Attribut 1 Attribut 2 Attribut 3 Attribut 4 (0,1) Eine rekursive Beziehung zwischen zwei Entities vom gleichen Typ wird durch eine aus dem Entitytyp heraus- und wieder zurückgeführte (rekursive) Linie dargestellt. Es wird die (min, max)-notation ( oben) zur Darstellung von Optionalität und Kardinalität verwendet. Die Anzahl der möglichen Beziehungstypen lässt sich feststellen. Es wird eine Beziehung zwischen zwei Entities immer in beide Richtungen, von Entity A zu Entity B und umgekehrt von B zu A betrachtet. Hinsichtlich der Optionalität und Kardinalität gibt es jeweils zwei Varianten die eine Beziehung annehmen kann. Für eine Seite gibt es also 2 (Optionalität) x 2 (Kardinalität) = 4 Möglichkeiten wie die Beziehung aussehen kann. In Kombination mit der anderen Seite, die ebenfalls die vier Möglichkeiten annehmen kann, ergeben sich so 4 x 4 = 16 Beziehungstypen. Werden diese nun von spiegelbildlichen (symmetrischen) Beziehungen (C:1, N:C, 19

20 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs 20 CN:M, N:1, CN:C, CN:1) befreit, so bleiben 10 symmetriefreie Beziehungstypen übrig (vgl. [Ja03, S. 50] und [St03, S. 17]). Bei rekursiven Beziehungstypen sind die Entitytypen A und B identisch, d.h. sie können nur existieren, wenn die Mächtigkeit der Mengen A und B gleich groß ist. Lässt sich über das Größenverhältnis der Mengen keine Aussage machen, so ist ein rekursiver Beziehungstyp möglich, weil beide Mengen die gleiche Mächtigkeit besitzen können (vgl. [Ja03, S. 67]). A B Kardinalität 1 Kardinalität N B A nichtoptional optional nichtoptional optional 1:1 1:C 1:N 1:CN 1 n o (1,1) (1,1) (0,1) (1,1) (1,*) (1,1) (0,*) (1,1) = = = = = = A = B A > B A < B k. A. C:1 C:C C:N C:CN o (1,1) (0,1) (0,1) (0,1) (0,1) (1,*) (0,*) (0,1) = = A < B k. A. = = A < B k. A. N n o o N:1 N:C N:M N:CM (1,1) (1,*) (1,*) (0,1) (1,*) (1,*) (0,*) (1,*) = = A > B CN:1 CN:C CN:M CN:CM (1,1) (0,*) (0,1) (0,*) (1,*) (0,*) (0,*) (0,*) k. A. = = A > B k. A. k. A. k. A. k. A. k. A. Legende: MC-Notation Krähenfußnotation (min, max)-notation Mengenverhältnis hierarchische Beziehungen konditionelle Beziehungen netzwerkförmige Beziehungen spiegelbildliche Beziehungen k. A. = keine Aussage zum Mengenverhältnis möglich Abbildung 7: Klassen von Beziehungstypen nach [Ja03, S. 51: Tab. 2-1, S. 69: Tab. 2-2] und [St03, S. 17, Bild 3.5] 20

21 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs 21 Autor Name Geburtstag Todestag Bereich Titel (1,*) Buch (1,1) Titel Erscheinungsjahr ISBN-Nummer Thema Titel (1,1) (0,*) (1,*) (0,*) Mitglied Name (1,*) (0,*) (1,1) Beitrag Text (1,1) (0,1) (0,*) Abbildung 8: Beispielaufgabe - Beziehungstypen bestimmen (vorläufige Lösung) In der Beispielaufgabe wird erläutert, dass sich ein Beitrag auf einen anderen beziehen kann. Dieser Zusammenhang wird durch die rekursive Beziehung dargestellt. Der Aufgabentext macht deutlich, dass einerseits Mitglieder Bücher lesen und andererseits Mitglieder Bücher anderen Mitgliedern empfehlen. Im ER-Diagramm wird jedoch nur die Lesen - Beziehung abgebildet, denn die Empfehlen -Beziehung bedarf weiterer Überlegungen. Es handelt sich hier um einen rekursiven Beziehungstyp zwischen Mitgliedern, der mit einem Buch in Beziehung steht und dadurch auch als ternärer (höherer) Beziehungstyp bezeichnet werden kann. Es kann auch davon gesprochen werden, dass der Beziehungstyp ein Buch als Eigenschaft hat. Ein solcher Beziehungstyp, sowohl ein höherer als auch ein Beziehungstyp zu dem weitere Eigenschaften gespeichert werden, ist im ER-Diagramm nicht darstellbar und muss umgewandelt werden (vgl. [Ja03, S. 82 und S.277]). Die Mitglied - Buch - Mitglied - 21

22 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs 22 Beziehung wird durch einen extra Entitytyp aufgelöst, der mit den jeweiligen Entitytypen in dualer Beziehung steht. Dieser Entitytyp wird Buchempfehlung genannt. Eine Buchempfehlung steht mit genau einen Buch und genau zwei Mitgliedern in Beziehung. (0,*) empfiehlt Mitglied Name (1,1) wird empfohlen Buch Titel Erscheinungsjahr ISBN-Nummer (0,*) bekommt empfohlen empfiehlt (0,*) Mitglied Name wird ausgesprochen von (1,1) Buchempfehlung wird empfohlen (1,1) (1,1) bezieht sich auf Buch Titel Erscheinungsjahr ISBN-Nummer (0,*) bekommt empfohlen (1,1) ist gerichtet an Mitglied Buchempfehlung Buch Name (0,*) (2,2) (1,1) (1,1) Titel Erscheinungsjahr ISBN-Nummer Abbildung 9: Beispielaufgabe Auflösung des Beziehungstyps Buchempfehlung 22

23 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs 23 Höherer Beziehungstyp Ein höherer Beziehungstyp drückt einen sachlogischen Zusammenhang Z zwischen Entities mehrerer Entitytypen E 1 E 2 E 3,..., E N aus. Im ER-Diagramm wird ein solcher Beziehungstyp durch einen Entitytyp Z dargestellt, der mit den Entitytypen E 1 E 2 E 3,..., E N jeweils durch einen dualen Beziehungstyp verbunden ist. (vgl. [Ja03, S. 277]) Beispiel: Pilot PersNo Name Vorname Alter Flugzeug Nummer Typ Sitzplätze Reiseziel Flughafen Ort Pilot PersNr Name Vorname Alter Flug Flugzeug Nummer Typ Sitzplätze Reiseziel Flughafen Ort 23

24 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs 24 Autor Name Geburtstag Todestag Bereich Titel (1,*) Buch (1,1) Buchempfehlung (0,*) Titel Erscheinungsjahr ISBN-Nummer (0,*) (1,1) Thema Titel (1,1) (1,*) (2,2) (0,*) Mitglied (1,*) Name (0,*) Beitrag (1,1) (0,*) (1,1) Text (0,1) (0,*) Abbildung 10: Beispielaufgabe - Beziehungstypen bestimmen (endgültige Lösung) 24

25 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs Datentypen festlegen Aus dem entwickelten konzeptionellen Datenmodell wird nun die Struktur der Datenbank, das logische Datenschema, abgeleitet. Als ersten Schritt werden die Datentypen der Attribute festgelegt, damit wird eine grundlegende Einschränkung des Wertebereichs (Domäne) der Attribute vorgenommen. Dieses Beispiel beschränkt sich auf die allgemeinen Datentypen Number, Text, Date und Blob. Die meisten Datenbanksysteme unterstützen spezifischere Datentypen, die eine weitere Einschränkung des Wertebereichs zulassen. Wertebereich (Domäne) Der Wertebereich enthält diejenigen Attributwerte, die ein Attribut einer konkreten Entity als Ausprägung annehmen kann. (vgl. [Ja03, S. 126] und [St03, S. 14]) Datentyp Der Datentyp schränkt den zulässigen Wertebereich eines Attributs ein. Die unterstützten Datentypen sind von Datenbanksystem zu Datenbanksystem unterschiedlich. Number: numerischer Datentyp Text: alphanumerischer Datentyp Date: Datum (Tag und Uhrzeit) Blob: Binary Large Object, das sind binäre Daten, z.b. Dateien, Bilder, etc. Syntax im ER-Diagramm Entitytyp-Name Attribut 1:Datentyp Attribut 2:Datentyp Attribut 3:Datentyp Attribut 4:Datentyp Der Datentyp eines Attributs wird nach diesem, durch einen Doppelpunkt getrennt, notiert. 25

26 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs 26 Die Festlegung der Datentypen ist in der Beispielaufgabe einfach nachzuvollziehen, lediglich für die Attribute ISBN-Nummer und Erscheinungsjahr des Entitytyps Buch besteht Erklärungsbedarf. Für das Erscheinungsjahr wurde der Datentyp Number gewählt, weil hier nur das Jahr, nicht jedoch der genaue Tag oder die Uhrzeit des Erscheinungszeitpunkts gespeichert werden soll. Eine ISBN-Nummer besteht sowohl aus Ziffern als auch aus Buchstaben, so dass hier ein alphanumerischer Datentyp zum Speichern benötigt wird. Autor Name:Text Geburtstag:Date Todestag:Date Bereich Titel:Text (1,*) (1,1) (0,*) Buch Buchempfehlung Titel:Text Erscheinungsjahr:Number ISBN-Nummer:Text (0,*) (1,1) Thema Titel:Text (1,1) (1,*) (2,2) (0,*) Mitglied (1,*) Name:Text (0,*) Beitrag (1,1) (0,*) (1,1) Text:Text (0,1) (0,*) Abbildung 11: Beispielaufgabe Datentypen festlegen 26

27 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs Primär- und Fremdschlüssel bestimmen In diesem Schritt wird die Typbeschreibung für Entitytypen und deren Attribute eingeführt. Damit wird die Lösung der Aufgabe dem relationalen Datenbank-Modell weiter angenähert. Es werden die Identifizierungen (Primärschlüssel) für die einzelnen Entitytypen festgelegt und Fremdschlüssel definiert, um Beziehungen zwischen Entitytypen im relationalen Datenbank-Modell auszudrücken. Typbeschreibung Ein Entitytyp ist im Wesentlichen eine Zusammenfassung von Attributen, die diesen Entitytyp ausmachen. Die Typbeschreibung ist die Dokumentation der Bedeutung eines Entitytyps, indem hinter den Namen des Entitytyps in Klammern dessen Attribute notiert werden. (vgl. [Ja03,S. 125] und [St03, S. 19]) Syntax der Typbeschreibung Entitytyp-Name( Attribut 1, Attribut 2, Attribut 3, Attribut 4) In der Beispielaufgabe wird notiert: Autor (Name, Geburtstag, Todestag) Buch (Titel, Erscheinungsjahr, ISBN-Nummer) Buchempfehlung () Mitglied (Name) Beitrag (Text) Thema (Titel) Bereich (Titel) Die Typbeschreibung und die Relation über die Wertebereiche der Attribute eines Entitytyps können als Tabelle dargestellt werden, in der die Attribute als Spaltennamen eingetragen werden und jedes Element der Relation einem Datensatz (Zeile) der Tabelle entspricht. Tabelle Autor: Name Geburtstag Todestag Theodor Fontane Jean-Paul Sartre

28 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs 28 Im relationalen Datenbank-Modell erfolgt der Datenzugriff ausschließlich über spezielle Werte der Attribute 2. Zur Identifizierung einer Tabellenzeile muss also festgelegt werden, welches Attribut oder welche Attributkombination eine eindeutige Unterscheidung zwischen den Datensätzen möglich machen. Schlüssel Ein Schlüssel eines Entitytyps (Tabelle) ist ein Attribut (Spalte) oder eine Attributkombination, die zur eindeutigen Identifizierung einer Entity des Typs (Zeile der Tabelle) dienen kann. Schlüsselattribute sind eingabepflichtig, d.h. sie müssen zu jeder Zeit definiert und dürfen nicht Null sein. Ein Entitytyp kann mehrere solcher Schlüsselattribute haben. Diese werden als Schlüsselkandidaten bezeichnet. (vgl. [Ja03, S. 131ff] und [St03, S. 18]) Primärschlüssel Ein Schlüsselkandidat eines Entitytyps wird als Primärschlüssel ausgewählt und dient vornehmlich zum eindeutigen Zugriff auf die Entities des Typs. (vgl. [Ja03, S. 134] und [St03, S. 18]) Syntax der Typbeschreibung Entitytyp-Name (Attribut 2, Attribut 1, Attribut 3, Attribut 4) Entitytyp-Name (Attribut 1, Attribut 2, Attribut 3, Attribut 4) Ein Attribut, das Primärschlüssel ist oder zum Primärschlüssel gehört, wird unterstrichen dargestellt, es sollte immer an erster Stelle notiert werden. Sollte kein Attribut eines Entitytyps als Schlüsselkandidat in Frage kommen und eine Attributkombination auch nicht geeignet sein, so kann aus verwaltungstechnischen Gründen ein künstlicher Primärschlüssel als Attribut dem Entitytyp hinzugefügt werden. Der Name des künstlichen Primärschlüssels wird aus dem Entitytyp-Namen und dem Suffix _id zusammengesetzt. 2 z.b. SELECT * FROM Mitglied WHERE Name = Müller Suche alle Mitglieder, die Müller heißen 28

29 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs 29 In der Beispielaufgabe ergeben sich folgende Typbeschreibungen: Autor (Autor_id, Name, Geburtstag, Todestag) Buch (ISBN-Nummer, Titel, Erscheinungsjahr) Buchempfehlung () Mitglied (Mitglied_id, Name) Beitrag (Beitrag_id, Text) Thema (Thema_id, Titel) Bereich (Bereich_id, Titel) Um nun Beziehungen zwischen zwei Entitytypen zu realisieren, wird ein Fremdschlüssel in die Typbeschreibungen eingefügt. Dabei wird überlegt, welcher Entitytyp einen Fremdschlüssel eines anderen Entitytyps speichern soll. Fremdschlüssel Soll ein Datensatz einer Tabelle A auf einen Datensatz einer Tabelle B verweisen, so wird der Primärschlüssel der Tabelle B als zusätzliches Attribut der Tabelle A hinzugefügt. Dieses zusätzliche Attribut wird in Tabelle A als Fremdschlüssel bezeichnet. Eine Tabelle kann mehrere Fremdschlüssel enthalten, ein Fremdschlüssel kann auch Primärschlüssel oder Teil des Primärschlüssels sein. (vgl. [Ja03, S. 135] und [Sa03, S. 19]) Syntax der Typbeschreibung Entitytyp-Name (Attribut 2, FS_1, Attribut 1, Attribut 3, Attribut 4) Entitytyp-Name (Attribut 2, FS_1, Attribut 1, Attribut 3, Attribut 4) Ein Fremdschlüssel wird kursiv dargestellt. Sollte der Fremdschlüssel zusätzlich zum Primärschlüssel gehören oder der Primärschlüssel sein, so wird er zusätzlich unterstrichen. Es existieren Regeln für die Ableitung von Fremdschlüsseln aus den verschiedenen Beziehungstypen des ER-Diagramms. Auf diese soll hier nicht näher eingegangen werden (vgl. [Ja03, S. 160 ff]). 29

30 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs 30 Diese Fremdschlüssel werden in der Beispielaufgabe definiert: Autor (Autor_id, Name, Geburtstag, Todestag) Buch (ISBN-Nummer, Autor_id, Titel, Erscheinungsjahr) Buchempfehlung (Mitglied_1_id, ISBN-Nummer, Mitglied_2_id) Mitglied (Mitglied_id, Name) Beitrag (Beitrag_id, Mitglied_id, Thema_id, Bez_Beitrag_id, Text) Thema (Thema_id, Bereich_id, Titel) Bereich (Bereich_id, Titel) Die rekursive Beziehung von Beiträgen untereinander wurde aufgelöst, in dem ein Beitrag eine Referenz auf einen anderen Beitrag als Fremdschlüsselattribut ( Bez_Beitrag_id ) speichern kann. Der Beziehungstyp zwischen Mitglied und Buch, eine CN:M Beziehung, kann jedoch nicht so einfach aufgelöst werden. Ein Buch wird von mindestens einem Mitglied gelesen. Ein Mitglied liest beliebig viele Bücher. Es kann nicht einer der beiden Entitytypen einfach ein Fremdschlüssel, der auf den anderen Entitytyp verweist, zugeordnet werden, weil ein Attribut nur einen atomaren Wert und nicht gleichzeitig mehrere Werte annehmen kann. Die Lösung ist hier die Einführung einer Koppel-Tabelle, diese Tabelle enthält beide Fremdschlüssel, den, der ein Buch referenziert, und den, der sich auf ein Mitglied bezieht. Die Kombination der beiden Fremdschlüsselattribute wird gleichzeitig als Primärschlüssel verwendet. Diese Koppel-Tabelle der Beispielaufgabe wird Lesen benannt. Autor (Autor_id, Name, Geburtstag, Todestag) Buch (ISBN-Nummer, Autor_id, Titel, Erscheinungsjahr) Buchempfehlung (Mitglied_1_id, ISBN-Nummer, Mitglied_2_id) Lesen (ISBN-Nummer, Mitglied_id) Mitglied (Mitglied_id, Name) Beitrag (Beitrag_id, Mitglied_id, Thema_id, Bez_Beitrag_id, Text) Thema (Thema_id, Bereich_id, Titel) Bereich (Bereich_id, Titel) Abbildung 12: Beispielaufgabe Primär- und Fremdschlüssel bestimmen 30

31 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs Koppel-Entitytypen und Koppel-Tabellen In diesem Abschnitt soll nun die Unterscheidung zwischen Beziehungstypen, Koppel-Entitytypen und Koppel-Tabellen erläutert werden. Alle drei Begriffe sind Bezeichnungen für Konstruktionen, mit denen bestimmte sachlogische Zusammenhänge abgebildet, bzw. umgewandelt werden. Diese Konstruktionen werden in der Beispielaufgabe verwendet. Bei der Buchempfehlung handelt es sich um einen Koppel-Entitytyp, der eingeführt wurde, um den Beziehungstyp Mitglied empfiehlt einem anderen Mitglied ein Buch zu realisieren. Koppel-Entitytypen werden genutzt, um höhere Beziehungstypen ( Seite 23) abzubilden oder eine Beziehung durch weitere Eigenschaften, als ihre bloße Existenz, zu spezifizieren. Dazu wird die Definition des Entitytyps ( Seite 12) wie folgt erweitert: Entitytyp Definition: Ein Entitytyp im erweiterten Sinne ist eine durch einen Entitytyp- Namen eindeutig benannte Klasse von elementaren Entities oder von sachlogischen Verbindungen von Entities, über die dieselben Informationen gespeichert und prinzipiell auf die gleiche Weise verarbeitet werden. (vgl. [Ja03, S. 76]) In der Textaufgabe können solche Koppel-Entitytypen in Form von Verben (z.b. empfehlen ) oder auch Substantiven (z.b. Buchempfehlung ) gefunden werden. Eine Koppel-Tabelle Lesen wird genutzt, um den netzwerkförmigen CN:M Beziehungstyp Mitglied liest Buch ( Seite 30) aufzulösen. Der Unterschied zwischen Koppel-Tabelle und Koppel-Entitytyp kann am Zeitpunkt der Verwendung fest gemacht werden. Koppel-Tabellen werden lediglich verwendet, um das konzeptionelle Datenmodell an die Anforderungen der relationalen Datenbanken anzupassen. Sie müssen deshalb erst bei der Bestimmung von Fremdschlüsseln eingeführt werden und speichern keine weiteren Eigenschaften. Die Benennung einer Koppel- Tabelle kann dabei durch eine Kombination der beteiligten Entitytypen, z.b. Mitglied/Buch, erfolgen. Es kann auch ein geeignetes Wort (ggf. aus dem Aufgabentext), z.b. Lesen, verwendet werden. 31

32 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs 32 Dualer/Rekursiver Beziehungstyp Bildet ausschließlich die Tatsache ab, dass zwei Entities unterschiedlichen oder gleichen Typs miteinander in Beziehung stehen. Koppel-Entitytyp Bildet höhere Beziehungstypen ab oder spezifiziert Beziehungen durch weitere Attribute näher. Koppel-Tabelle Löst netzwerkförmige Beziehungen auf, damit diese in relationalen Datenbanken repräsentiert werden können. Bei der Entwicklung des E-Learning Tools wurde die Trennung zwischen Beziehungstypen, Koppel-Entitytypen und Koppel-Tabellen nicht implementiert. Koppel-Tabellen und Koppel-Entitytypen werden wie elementare Entitytypen behandelt. Am Schluss dieser Arbeit ( Kapitel 7.3) werden verschiedene Möglichkeiten der Implementierung dieser Unterscheidung aufgezeigt. 32

33 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs SQL notieren Im letzten Schritt werden die SQL-Befehle notiert, die nötig sind, um die Tabellen zu erstellen. Hierbei werden Festlegungen getroffen, um die referentielle Integrität zu sichern, in dem definiert wird, was im Falle einer Änderung oder des Löschens einer Entity mit auf ihr referenzierenden Entities geschehen soll. Structured Query Language (SQL) SQL ist die normierte Sprache für den Datenzugriff. Sie wurde zur Speicherung, Auswertung, Änderung und Löschung von Daten in relationalen bzw. objekt-relationalen Datenbank-Managementsystemen entwickelt. (vgl. [Ja03, S. 19] und [St03,S. 6]) Referentielle Integrität Die Überprüfung, ob der Wert eines Fremdschlüssels als Wert eines Primärschlüssels in der referenzierten Tabelle vorkommt, nennt man referentielle Integrität. Der Wert des Fremdschlüssels darf ggf. auch nicht definiert sein. Zu jedem Zeitpunkt muss gewährleistet sein, dass der Fremdschlüssel auf einen existierenden Schlüssel zeigt oder explizit nicht definiert ist. (vgl. [Ja03, S. 144] und [St03, S. 45]) Verletzung der referentiellen Integrität Die referentielle Integrität kann durch die Eingabe eines Fremdschlüssels, zu dem es keinen Primärschlüssel gibt, die Änderung oder das Löschen eines Primärschlüssels, auf den ein Fremdschlüssel verweist, verletzt werden. Die Reaktionen des Datenbank-Managementsystems können mittels SQL eingestellt werden. Folgende Reaktionen sind möglich: No Action / Restrict Änderungen oder das Löschen eines Primärschlüssel wird mit einer Fehlermeldung abgelehnt. Cascade Bei Änderungen oder Löschen eines Primärschlüssel werden alle abhängigen Fremdschlüssel ebenfalls geändert oder gelöscht. 33

34 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs 34 Set Null Sollte ein Primärschlüssel geändert oder gelöscht werden, so werden abhängige Fremdschlüssel auf Null gesetzt. Dies ist nur bei nicht eingabepflichtigen Fremdschlüsseln möglich. Der SQL-Befehl zum Erstellen einer Tabelle und Definieren der Primär und Fremdschlüssel wird nach einer Schablone generiert. CREATE TABLE <EntitytypName> ( <Attribut1Name> <Datentyp>, <Attribut2Name> <Datentyp>, <Attribut3Name> <Datentyp>, <Attribut4Name> <Datentyp>, PRIMARY KEY(<Attribut1>, <Attribut2>), FOREIGN KEY(<Attribut3>) REFERENCES <ReferenzEntitytypName(Primärschlüssel)> ON UPDATE <Reaktion> ON DELETE <Reaktion> ); Im Folgenden wird nun für eine Tabelle eine solche Schablone ausgefüllt. CREATE TABLE Beitrag ( Beitrag_id NUMBER, Mitglied_id NUMBER, Thema_id NUMBER, Bez_Beitrag_id NUMBER, Text TEXT, PRIMARY KEY(Beitrag_id), FOREIGN KEY(Mitglied_id) REFERENCES Mitglied(Mitglied_id) ON UPDATE CASCADE ON DELETE CASCADE, FOREIGN KEY(Thema_id) REFERENCES Thema(Thema_id) ON UPDATE CASCADE ON DELETE CASCADE, FOREIGN KEY(Bez_Beitrag_id) REFERENCES Beitrag(Beitrag_id) ON UPDATE CASCADE ON DELETE SET NULL ); Es wurde festgelegt, dass beim Löschen eines Mitglieds, alle Beiträge des Mitglieds entfernt werden sollen. Wird die Mitglieds_id des Mitglieds geändert, so übernehmen alle Beiträge des Mitglieds diese Änderung. Wird ein ganzes Thema gelöscht, so sollen auch alle Beiträge zu diesem Thema gelöscht werden. Änderungen der Thema_id werden ebenfalls übernommen. Es wird gespeichert, dass sich ein Beitrag auf einen anderen bezieht. Wird nun der Beitrag, auf den sich bezogen wird, gelöscht, so haben wir definiert, dass der Bezug nehmende Beitrag nicht geändert wird, sondern der Verweis entfernt wird. Dadurch bleiben alle Bezug nehmenden Beiträge erhalten. Änderungen der Beitrags_id sollen auf alle Bezug nehmende Beiträge übertragen werden. 34

35 Kapitel 2 Grundlagen des Datenbankentwurfs 35 Die SQL-Befehle für die weiteren Tabellen: CREATE TABLE Mitglied (Mitglied_id NUMBER, Name TEXT, PRIMARY KEY (Mitglied_id)); CREATE TABLE Buch (ISBN-Nummer TEXT, Autor_id NUMBER, Titel TEXT, Erscheinungsjahr NUMBER, PRIMARY KEY (ISBN-Nummer), FOREIGN KEY (Autor_id) REFERENCES Autor (Autor_id) ON UPDATE CASCADE ON DELETE CASCADE); CREATE TABLE Autor (Autor_id NUMBER, Geburtstag DATE, Todestag DATE, Titel TEXT, PRIMARY KEY (Autor_id)); CREATE TABLE Bereich (Bereich_id NUMBER, PRIMARY KEY (Bereich_id)); CREATE TABLE Thema (Thema_id NUMBER, Bereich_id NUMBER, Titel TEXT, PRIMARY KEY (Thema_id), FOREIGN KEY (Bereich_id) REFERENCES Bereich (Bereich_id) ON UPDATE OF CASCADE ON DELETE OF CASCADE); CREATE TABLE Lesen (ISBN-Nummer TEXT, Mitglied_id NUMBER, PRIMARY KEY (ISBN-Nummer, Mitglied_id), FOREIGN KEY (ISBN-Nummer) REFERENCES Buch (ISBN-Nummer) ON UPDATE OF CASCADE ON DELETE OF CASCADE, FOREIGN KEY (Mitglied_id) REFERENCES Mitglied (Mitglied_id) ON UPDATE CASCADE ON DELETE CASCADE); 35

36 Kapitel 3 Konzeption Konzeption Die Konzeption des E-Learning Tools zum Datenbankentwurf verfolgt die pragmatische Erfolgsdefinition: Das E-Learning Tool ist erfolgreich, wenn es von vielen Studenten und Dozenten eingesetzt wird. Es steht in direkter Konkurrenz zur herkömmlichen handschriftlichen Bearbeitung einer Textanalyse-Aufgabe zum Datenbankentwurf, weil es als Blended Learning Anwendung im Rahmen einer Lehrveranstaltung Datenbanken eingesetzt werden soll. Es muss Dozenten und Studenten alle Funktionen der handschriftlichen Bearbeitung und zusätzliche Vorteile bieten und auch beim Einsatz innerhalb einer Lerneinheit im Web Based Training zum Lernerfolg beitragen. 3.1 Lösungsweg und Benutzerführung Die Konzeption wurde stark vom Gedanken beeinflusst, dass das Tool nicht nur dieselben didaktischen Inhalte 3 lehren, sondern auch dieselbe Methodik 4 verwenden soll. Dies erleichtert den Dozenten die Integration des Tools in ihren Unterricht und legt für die Gestaltung der Benutzeroberfläche und Bedienung klare Vorgaben fest. Das E-Learning Tool soll die handschriftliche Bearbeitung einer Textanalyse nachbilden, damit dem Lernenden der Übergang zur computergestützten Bearbeitung erleichtert wird, ohne jedoch den Bezug zur handschriftlichen Arbeit zu verlieren. Es soll dem Lernenden einen linearen Lösungsweg anbieten, den er auch aus der Präsenzveranstaltung kennt. Er soll jedoch auch die Möglichkeit bekommen, zwischen den einzelnen Lösungsschritten zu springen, um Korrekturen vorzunehmen oder die Schritte in einer anderen Reihenfolge durchzuführen. Diese Flexibilität verschafft dem Tool einen wichtigen Vorteil gegenüber der handschriftlichen Bearbeitung, den der Lernende auch unbedingt von einer Computeranwendung erwartet, die Grundsätzen der Software-Ergonomie 5 entspricht. 3 Lehre des Datenbankentwurfs, Umgang mit Entity-Relationship-Diagrammen 4 Lösungsweg: Textanalyse, ER-Diagramm zeichnen, Typbeschreibungen entwickeln, SQL notieren 5 Lehre v. d. Benutzbarkeit u. Gebrauchstauglichkeit v. Computer-Programmen, Leitlinie ist die internationale Norm EN ISO 9421 Ergonomische Anforderungen für Bürotätigkeiten und Bildschirmgeräte Teil 10 befasst sich mit Kriterien der Dialoggestaltung [vgl. Stoy03, S.289] 36

37 Kapitel 3 Konzeption <<< zurück weiter >>> Abbildung 13: Konzeption der Navigation 3.2 Laden und Speichern Sowohl der handschriftliche als auch der vom Tool gebotene Lösungsweg sind komplex und benötigen Zeit. Die handschriftliche Bearbeitung kann der Lernende jederzeit unterbrechen und später fortsetzen. Um konkurrenzfähig zu sein, muss das Tool dem Nutzer auch die Möglichkeit geben, seine Arbeit bei Bedarf zu unterbrechen, den Lösungsstand zu speichern und später fortzusetzen. 3.3 Überprüfung und Beurteilung von Lösungen Das E-Learning Tool soll von den Lernenden selbstständig genutzt werden und sie beim Lernen unterstützen. Dazu muss es deren Lösung auf Fehler überprüfen und möglichst zeitnah auf gefundene Fehler reagieren können. Es sollte außerdem Lösungsvorschläge geben können. Beim Datenbankentwurf gibt es jedoch häufig mehrere Lösungsvarianten. Auch in der Praxis hat der Entwickler einen gewissen Gestaltungsspielraum. Der Dozent kann sich beim Beurteilen und Korrigieren der handschriftlichen Aufgaben genauso flexibel verhalten. So gibt es geschickte und ungeschickte Lösungen, die alle prinzipiell richtig sind. Welche Lösungen zu bevorzugen sind, kann jedoch nur aus der Erfahrung festgestellt werden. Bei der Konzeption des E-Learning Tools wurde entschieden, dass das Tool die formale Richtigkeit der Lösungen eines Lernenden überprüfen und ihn in dieser Hinsicht korrigieren soll. Die logische Korrektheit muss jedoch vom Autor der Aufgabe, dem Dozent, beurteilt werden. 37

38 Kapitel 3 Konzeption 38 Unmittelbar daraus folgt die Notwendigkeit, dass der Lernende seine Lösung an den Autor der Aufgabe schicken und dass dieser sich die eingeschickten Lösungen ansehen kann. Es wäre wünschenswert, wenn der Dozent ausgewählte Lösungen den Lernenden als Musterlösungen zur Verfügung stellen kann. 3.4 Generierung von Lösungsvarianten Die Trennung zwischen formal richtiger und logisch korrekter Lösung verringert für den Dozenten den Aufwand bei der Eingabe einer Aufgabe. Er soll lediglich die maximale Lösung einer Aufgabe festlegen, das Tool soll daraus weitere formal richtige Lösungsvarianten generieren. An folgendem Sachverhalt soll dieses Konzept kurz deutlich gemacht werden. Die Mitarbeiter einer Firma können jeweils genau einen Firmenwagen benutzen. Ein Firmenwagen wird genau einem Mitarbeiter zugeteilt. Firma Mitarbeiter Firmenwagen FirmaID Name Adresse Telefon Fax (0,*) (1,1) PersonalNr FirmaID Name Beruf Geburtsdatum (0,1) (1,1) KfzKennzeichen PersonalNr Model Baujahr Farbe Abbildung 14: Lösungsvariante maximale Lösung Abbildung 14 zeigt die vom Dozenten einzugebene maximale Lösung für diesen Sachverhalt. Der Entitytyp Firmenwagen speichert dabei einen Fremdschlüssel PersonalNr, der auf den zugeordneten Mitarbeiter verweist. Firma FirmaID Name Adresse Telefon Fax (0,*) Mitarbeiter PersonalNr FirmaID (0,1) (1,1) KfzKennzeichen Name Beruf Geburtsdatum (1,1) Abbildung 15: Lösungsvariante 2 (ungeschickt) Firmenwagen KfzKennzeichen Model Baujahr Farbe Eine weitere formal richtige Lösung in Abbildung 15 unterscheidet sich lediglich in der Zuordnung der Fremdschlüssel. Hier speichert der Entitytyp Mitarbeiter den Fremdschlüssel KfzKennzeichen, der auf den zugeordneten Firmenwagen verweist. Bei Mitarbeitern, die keinen Firmenwagen nutzen, ist dementsprechend der Wert vom Fremdschlüssel KfzKennzeichen gleich Null. Manche Autoren vertreten jedoch die Meinung, dass ein Fremdschlüssel den Wert Null nicht annehmen darf (vgl. 38