并行與分布計算課程建設探索

郭衛斌　鄭　紅　李建華　羅勇軍

文章編號：1672-5913(2009)02-0082-03

摘 要：本文根據我系近年教學改革與課程建設經驗，探討了面向計算機科學與技術專業本科生的并行與分布計算課程的課程規劃和建設，并總結了一些經驗。

關鍵詞：并行與分布計算；課程建設；改革

中圖分類號：G642

文獻標識碼：A

1 引言

“并行與分布計算”是一門綜合性較廣的科目，屬于計算機學科較前沿的課程，學習本課程必須先學習程序設計語言、計算機系統結構、計算機組成、操作系統、算法設計與分析等課程。本課程以擴展知識面、培養創新力為目標，遵循“理論聯系實踐”的指導思想，指導學生認知最先進的計算機系統技術，培養學生的學習興趣和自我探索創新能力，為學生的工作和研究打下良好的基礎。“并行與分布計算”這門課程培養目標主要是普及并行計算技術，使廣大的程序設計與開發者可以發揮超級計算、分布計算的優勢；同時，向未來的科研人員介紹多核技術及其面臨的挑戰，激發研究興趣，幫助他們更有效地開展科研工作。

長期以來，我們和Intel公司保持著良好的合作關系。2008年4月，作為Intel大學合作計劃的合作伙伴，華東理工大學派遣本課程的授課教師參加了相關技術培訓，該課程進入“Intel大學合作計劃”。2008年5月，雙方正式簽署了合作協議，并接收了Intel公司捐贈的相關實驗設備。2008年6月，該課程被批準為2008年度“教育部－Intel精品課程”建設項目。

2 “并行與分布計算”課程建設規劃

根據并行與分布計算技術的本身特點以及我校課程體系的設置情況，并行與分布計算技術涵蓋了從單機、“多核”、SMP、集群以及Grid的各種尺度的并行技術。將課程平臺建立在系統結構、算法、程序設計實踐等方面，建立了并行和分布計算的全面的課程體系。

在本課程開展初期，由于實驗條件的限制，本課程的教學主要是采用理論教學和單機實驗為主。Intel多核計算機的出現，為教師和學生提供了良好的實驗條件。本課程的建設將Intel多核架構增加到本課程的系統結構部分，在程序設計時重點介紹OpenMP、MPI和微軟的超線程技術及其在Intel多核架構上實現；在硬件建設上，建立多核專業實驗室，用于學生的實踐操作；軟件建設上，建立OpenMP、MPI編程環境，使學生能很方便地進行編程實踐活動。

2.1 教學方式

“并行與分布計算”是一門涉及較廣的課程，內容繁雜，理論知識多。為此，課程組針對本科教學的特點，采用泛講、精講和實踐相結合的方式，設計了相應的實驗來顯式地說明所教授的理論，實踐了以開放－研究為主的新型實驗教學方法。

(1)“開放－研究”為主的教學模式

并行與分布課程涉及內容較廣，內容較新，因此我們及時將先進的知識引入本課程體系，形成“開放”的教學模式；在此基礎上，引導學生“研究”并行程序設計實踐方法，采用MPI和OpenMP解決實踐問題。

(2) 結合最先進計算機技術的教學內容，構建全面的課程體系行與分布計算技術涵蓋了從“多核”、SMP、集群到Grid的各種尺度的并行技術，因此我們將課程平臺建立在系統結構、算法、程序設計實踐等方面，建立了并行和分布計算的全面的課程體系。

(3) 軟硬件相結合的理論及實踐教學方法

本課程主要關注最先進的計算機硬件設計以及為發揮先進的計算機硬件性能而必須獨特設計的軟件模式，因此本課程主要介紹先進計算機軟硬件相結合的設計理念，在實踐教學中強調計算機硬件性能對軟件效率的影響。

2.2 教學條件

經過了數年教學實踐，本課程組已組織編寫了《并行與分布計算》課程講義，并編寫了《并行與分布計算習題解答》和實驗指導講義，通過作業和課外實驗使學生能夠更扎實地理解和掌握并行和分布計算的基本理論和實現技術。

另外，我們已在本校計算機教學實驗中心建立了兩個多核計算機實驗室，擁有近200臺雙核微機，并在這些機器上安裝相應的開源軟件，使得學生能在該實驗室內設計和實踐并行程序。在Web服務器上建立了本課程的教學資料和輔導材料的網站，包括課程介紹、教學資源、教學實驗等內容，使得學生能夠通過互聯網進行學習。此外，我系還計劃組織安排學生參觀我校的上海超級計算中心分中心。

以上各種措施豐富了教學形式，極大地提高了學生學習的積極性和創造性實踐的能力，使教學質量達到一個新的高度。

2.3 課程特色

(1) 提出并實施了“開放－研究”為主的課堂教學新模式

并行與分布計算技術發展很快，封閉式的教材為主的教學方式不適合本課程的教學，因此我們以網絡上或者相關公司提供的最先進的計算機技術為主，在“開放”模式下有層次地“研究”最新的計算機知識，從而達到掌握相應的知識點的目的。

(2) 構建了全面的課程體系

我們從系統結構、算法、程序設計方面，建立了并行和分布計算全面的課程體系，并在不同教學階段有所側重。

(3) 提出了軟硬件相結合的理論及實踐教學方法

軟件的高性能必須依賴于硬件的高性能，硬件的高性能只能依賴軟件才能最大程度發揮出來。在多處理器、多核機器框架下研究軟硬件之間的關系，建立以多核為主的測試環境，實踐軟硬件相結合產生的巨大威力。

3 課程建設的幾點經驗

“并行與分布計算”是當前新興的軟件設計方法和技術，它需要結合計算機系統結構、操作系統等基礎理論知識，還需要掌握并行算法設計的基本思想和方法，以改進和優化已有的串行程序設計。這對課程的教學和研究都提出了新的要求。我們在該課程的建設中在以下方面取得了一些經驗。

(1) 重視科研工作和教學的聯系，以最新科研成果帶動教學水平的提高

本課程團隊長期從事計算機系統結構和基礎軟件的研究工作，對當前并行與分式計算技術的發展比較了解，充分認識到并行與分布計算體系結構對已有軟件設計方法提出的新挑戰和新問題，并在并行與分布計算出現之初就搭建了相關實驗平臺，開始了并行與分布計算的研究工作。正是這些研究工作使得我們具備了并行與分布計算的經驗，掌握了關鍵技術，認識到其中可能存在的誤區和問題，這為后續的課程建設奠定了堅實的基礎。

同時，在科研工作中我們積累了一批項目經驗，這些成果直接為建立并行與分布計算的實踐案例提供了豐富的素材。

(2) 重視案例教學和動手實踐能力的培養

如何通過并行與分布及多核體系結構提升軟件的性能是本課程的核心目標，這需要學生具備一定的并行算法設計能力。針對本科學生的知識水平和接收能力，本課程盡量簡化了相關的理論內容，而采用學生熟悉的串行算法的并行化過程作為教學案例。通過對這些教學案例的深入分析，使得學生能比較直觀地理解并行算法設計的基本思路和方法。

同時，本課程還充分利用已有的多核計算機系統環境，以及Intel公司新近捐贈的多核服務器，為學生提供了良好的并行與分布計算實踐環境。通過對兩個經典串行問題(優先級查找和K值算法)并行化改造過程的實踐，提高分析和解決問題的能力，以及實際動手編程的能力。

4 總結

“并行與分布計算”是隨著并行與分布計算的出現而發展起來的一門新興課程，內容涉及計算機體系結構、操作系統和并行算法等多個基礎知識領域。在“并行與分布計算”課程中，突出了教學實踐環節，強化學生對并行與分布計算基本技術的訓練，引導學生自主分析、設計、實現和評估并行與分布計算上的經典并行算法，并利用多核軟件分析工具對已有軟件進行性能分析和改進，以期增強學生利用并行與分布計算并行特性自主解決實際問題的能力。

參考文獻：

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[3] M. Paprzycki. "Integrating Parallel and Distributed Computing in Computer Science Curricula"[J]. IEEE Distributed Systems Online,2006,7(2).

Discussion on Parallel and Distributed Computing Curriculum Construction

GUO Wei-bin, ZHENG Hong, LI Jian-hua, LUO Yong-jun

Abstract: Parallel and distributed computing course, an undergraduate course, has been offered for senior undergraduates of computer sciences (CS) over ten years, in the department of computer science and engineering at East China University of Science and Technology (ECUST). This paper summarizes and discusses the experiences of course practice and curriculum construction, and gives some improvement suggestions for future curriculum construction..

Keywords: parallel and distributed computing, curriculum construction, innovation