信息與計算科學(xué)專業(yè)并行計算人才培養(yǎng)模式研究與實踐

王同科，常慧賓，王彩華

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信息與計算科學(xué)專業(yè)并行計算人才培養(yǎng)模式研究與實踐

王同科，常慧賓，王彩華

（天津師范大學(xué) 數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，天津 300387）

論述了在信息與計算科學(xué)專業(yè)開展并行計算人才培養(yǎng)的必要性，明確人才培養(yǎng)定位，設(shè)計并行計算系列課程，介紹了課程主要內(nèi)容及人才培養(yǎng)情況．實踐證明，該并行計算人才培養(yǎng)模式是可行的．

信息與計算科學(xué)專業(yè)；并行計算人才培養(yǎng)；并行計算課程

信息與計算科學(xué)專業(yè)自1998 年教育部批準(zhǔn)設(shè)立以來發(fā)展迅速，目前已有500多所高校開辦該專業(yè)．各個學(xué)校在專業(yè)建設(shè)過程中進(jìn)行了許多有益的探索，形成了各自的辦學(xué)特色[1-6]．

信息與計算科學(xué)專業(yè)是一個數(shù)學(xué)與計算機(jī)、物理、化學(xué)、生物、經(jīng)濟(jì)和管理等學(xué)科廣泛交叉的專業(yè)，結(jié)合點在于信息處理與計算，所用工具為計算機(jī)，因此該專業(yè)與計算機(jī)的發(fā)展密切相關(guān)．

從20世紀(jì)40年代開始，現(xiàn)代計算機(jī)發(fā)展歷程可以分為2個明顯的時代，即串行計算時代和并行計算時代．目前，我國處于串行計算向并行計算過渡的時代，但大多數(shù)高校的信息與計算科學(xué)專業(yè)仍然基于單CPU設(shè)置培養(yǎng)方案，與計算機(jī)多核化發(fā)展趨勢不相適應(yīng)．近幾年，國內(nèi)很多高校紛紛建立了服務(wù)于本校師生教學(xué)及科研工作的高性能計算中心，為信息與計算科學(xué)專業(yè)及其它相關(guān)專業(yè)開展并行計算教學(xué)提供了硬件支撐，一些重點大學(xué)也在高性能計算人才培養(yǎng)方面邁出了堅實的步伐[7-8]．

在2011年和2012年，天津師范大學(xué)利用國家實驗室專項投資分別購買了浪潮和曙光高性能計算機(jī)系統(tǒng)，成立了由數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院管理的高性能計算中心．隨之，在信息與計算科學(xué)專業(yè)本科教學(xué)上設(shè)置了高性能計算方向，培養(yǎng)并行計算專門人才．

1人才培養(yǎng)定位與課程設(shè)置

1.1人才培養(yǎng)定位

高性能計算涉及眾多學(xué)科領(lǐng)域[9]，對于信息與計算科學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說，最大的優(yōu)勢在于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)扎實，算法優(yōu)勢明顯，自然地，把人才培養(yǎng)定位于高性能計算的核心領(lǐng)域——并行計算．學(xué)生在大學(xué)期間學(xué)習(xí)并行計算知識，有利于完善其知識結(jié)構(gòu)，對于學(xué)生將來的就業(yè)也是有益的．如果學(xué)生將來從事與計算機(jī)相關(guān)的工作，如軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)分析、圖形圖像及大數(shù)據(jù)處理等，并行計算知識完全有可能用得到．

對并行計算人才培養(yǎng)的定位是：掌握并行程序設(shè)計方法，學(xué)習(xí)基本的并行算法，能夠熟練地使用高性能計算機(jī)進(jìn)行算法實踐，形成并行計算的思維方式，為將來的工作打下更高層次的計算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)．

1.2課程設(shè)置

在本科教學(xué)上，信息與計算科學(xué)專業(yè)高性能計算方向開設(shè)了4門并行計算課程．

1.2.1Linux操作系統(tǒng)高性能計算機(jī)使用的操作系統(tǒng)是Linux，因此Linux操作系統(tǒng)必須先行掌握．本課程在第3或第4學(xué)期開設(shè)，學(xué)時為2＋2，即每周教師講授2課時，學(xué)生上機(jī)實踐2課時．因為學(xué)生已經(jīng)熟悉了Windows操作系統(tǒng)，所以學(xué)習(xí)Linux操作系統(tǒng)沒有實質(zhì)上的困難．教學(xué)內(nèi)容主要包含Linux基本理論、基本操作以及系統(tǒng)管理和網(wǎng)絡(luò)配置等．本課程側(cè)重動手操作和實驗實訓(xùn)，通過操作和實驗，培養(yǎng)學(xué)生熟練操作Linux系統(tǒng)的能力以及分析和解決實際問題的能力．

1.2.2并行程序設(shè)計在第5學(xué)期開設(shè)并行程序設(shè)計課程，學(xué)時為2＋2，主要學(xué)習(xí)OpenMP和MPI，由于學(xué)生已有C語言基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)上障礙不大．該課程為信息與計算科學(xué)專業(yè)高性能計算方向的必修課之一，主要側(cè)重于MPI并行程序設(shè)計及其計算機(jī)實現(xiàn)，包括高性能計算簡介及配置，MPI并行環(huán)境及其基本使用方法、MPI語法以及Openmp編程語言等．

1.2.3并行算法并行算法為并行程序設(shè)計的后繼課程，在第6學(xué)期開設(shè)，學(xué)時為2＋2，主要學(xué)習(xí)數(shù)值分析、最優(yōu)化方法、圖形圖像處理中一些具有天然并行性的算法及其實現(xiàn)．本課程側(cè)重于并行算法理論，同時不局限于并行數(shù)值算法，內(nèi)容主要有：消息傳遞計算、基本并行技術(shù)、分治策略、流水線計算、同步計算、負(fù)載平衡與終止檢測、共享存儲架構(gòu)并行計算以及具體算法和應(yīng)用．

1.2.4并行計算軟件選講在第6學(xué)期開設(shè)并行計算軟件選講課程，學(xué)時為1＋2．在并行計算領(lǐng)域，有很多專門軟件，通過了解這些軟件，拓展學(xué)生在以后工作中使用并行工具解決問題的能力．作為高性能計算方向的進(jìn)階課程，本課程設(shè)置主要以大規(guī)模科學(xué)計算軟件為學(xué)習(xí)對象，重點培養(yǎng)學(xué)生使用這類軟件的實戰(zhàn)能力，即能夠進(jìn)行程序設(shè)計以及快速編寫程序以解決實際工程應(yīng)用問題．

2人才培養(yǎng)實踐

信息與計算科學(xué)專業(yè)從2012級開設(shè)高性能計算方向，2014年6月，學(xué)生開始分方向選修．該年級共有33名學(xué)生，其中17人選擇了高性能計算方向．目前，并行計算課程已開設(shè)了一個輪次．

Linux操作系統(tǒng)以系統(tǒng)管理為核心培養(yǎng)目標(biāo)，注重操作實踐．經(jīng)過課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠在Linux操作系統(tǒng)中完成基本的軟件使用、文檔編輯、賬戶管理和shell腳本編寫等操作．課程講授過程中，注重實踐培養(yǎng)，分配了討論小組，采用分組教學(xué)法，將課程知識傳授分解為若干個小實驗，加強(qiáng)課程中實驗的管理，提升了學(xué)習(xí)效率．大部分學(xué)生表示較為適應(yīng)這種模式，能夠快速適應(yīng)Linux操作系統(tǒng)，期末考試均一次通過．當(dāng)然，在實際學(xué)習(xí)中也反映了一些問題，如學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性有待加強(qiáng)，學(xué)生的綜合編程能力需要進(jìn)一步提升，缺乏處理有一定難度的C程序問題的能力等．這些均需要在以后的課堂學(xué)習(xí)以及綜合實踐中設(shè)計更有效的方式，逐步提升訓(xùn)練難度．

并行程序設(shè)計主要講授基于共享式存儲的OpenMP以及基于分布式存儲的MPI，重點培養(yǎng)學(xué)生的并行編程能力，即調(diào)度多核計算的能力．并行程序設(shè)計課程基于C語言傳授這２類編程API．由于學(xué)生前期的C語言編程基礎(chǔ)較好，因而能夠快速掌握并行程序設(shè)計課程的核心內(nèi)容．并行程序設(shè)計課程的難點在于分布式存儲體系下的消息傳遞模式以及對主從結(jié)構(gòu)（SPMD）的理解，在課程的傳授過程中，減弱算法的困難，并將講授重點轉(zhuǎn)移到并行編程技術(shù)，收到了良好的效果．大部分學(xué)生較為順利地完成了并行程序設(shè)計課程的學(xué)習(xí)．通過學(xué)生的作業(yè)反映出該方法非常有效，并且期末考試全部一次通過．

并行算法是并行程序設(shè)計的后續(xù)課程，二者聯(lián)系緊密．并行算法課程的核心在于突出并行算法，在并行程序設(shè)計課程的基礎(chǔ)上，向廣處和深處發(fā)展．從反饋情況看，并行算法課程不僅使得學(xué)生對基本并行編程語言有了更透徹的理解，而且豐富的應(yīng)用以及編程訓(xùn)練進(jìn)一步提升了學(xué)生的編程能力．在課程教學(xué)中，與時俱進(jìn)，加入了分布式優(yōu)化算法的內(nèi)容，學(xué)生能夠跟蹤了解前沿的并行算法以及應(yīng)用，因而有了濃厚的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)的主動性積極性也有較大提高．該課程在開設(shè)過程中也遇到一些問題，如與并行程序設(shè)計課程相比，該課程難度較高，學(xué)生一開始難以適應(yīng)，在將來的教學(xué)活動開展過程中要適當(dāng)增加引導(dǎo)環(huán)節(jié)，分解核心算法，做一些更細(xì)致的輔導(dǎo)以及上機(jī)實踐訓(xùn)練．

并行計算軟件選講是在并行程序設(shè)計以及并行算法課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，針對高年級學(xué)生開設(shè)的一門課程．并行計算軟件選講課程講解常見的高性能計算軟件或者程序包，如高性能線性方程組求解程序包BLAS，LAPACK等，以及有限差分并行計算軟件PETSc以及Matlab并行計算擴(kuò)展包等．通過課程的學(xué)習(xí)，不僅使學(xué)生掌握基本并行軟件的使用，而且也加強(qiáng)了學(xué)生的編程能力以及分析解決實際問題的能力．在將來的課程規(guī)劃中，還將適當(dāng)引入并行算法的前沿研究理論，提升學(xué)生的科研能力．

3結(jié)束語

看到高性能，人們往往認(rèn)為很高深，不是普通本科生能勝任的，這其實是對字面含義的誤解．從實踐來看，在本科階段，學(xué)生學(xué)會高性能計算機(jī)的使用沒有實質(zhì)性的困難，但對于并行算法不可能學(xué)得太多、太深．本科階段仍然以學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識為主，更深入、更專門的并行計算知識有待研究生階段繼續(xù)學(xué)習(xí)．目前，在本科階段，并行計算人才培養(yǎng)尚未在大部分高校開展，適合本科教學(xué)的教材尚少，教材建設(shè)有待加強(qiáng)．需要指出的是，雖然在信息與計算科學(xué)專業(yè)并行計算人才培養(yǎng)方面進(jìn)行了初步的嘗試，取得了一定的成績，但未來仍有許多創(chuàng)新性的工作要做．真切希望能有更多的學(xué)校開展這方面的人才培養(yǎng)工作，有更多的同行共同切磋討論，為信息與計算科學(xué)專業(yè)的蓬勃發(fā)展尋找更多的方向．

[1] 曾傳華，余大鵬．信息與計算科學(xué)專業(yè)的改革與實踐[J]．重慶文理學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，2（2）：103-105

當(dāng)今世界,人類知識正以前所未有的速度增長,并向更廣大的范圍傳播和轉(zhuǎn)化,文化滲透日趨明顯,傳統(tǒng)的學(xué)科之間的界限日趨模糊,新興學(xué)科、交叉學(xué)科不斷產(chǎn)生,因此高校輔導(dǎo)員要具備廣博的文化知識。首先要有較寬廣的專業(yè)知識修養(yǎng),成為學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)的向?qū)?并能對學(xué)生在專業(yè)選擇上給予指點。但是僅僅具備專業(yè)知識還是不夠的,要不斷學(xué)習(xí)先進(jìn)的文化理念,符合人類知識、科技的這種發(fā)展趨勢,能適應(yīng)人才培養(yǎng)目標(biāo)模式的變化。

[2] 胡焱，張慶國．信息與計算科學(xué)專業(yè)社會適用型人才培養(yǎng)模式探討[J]．大學(xué)數(shù)學(xué)，2011，27（3）：7-11

[3] 張韻華，鄧建松，岳興業(yè)．中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)數(shù)學(xué)系信息與計算科學(xué)專業(yè)建設(shè)探索[J]．大學(xué)數(shù)學(xué)，2009，25（2）：4-8

[4] 李榮華．?dāng)?shù)學(xué)兩個專業(yè)2013版本科培養(yǎng)方案修訂簡介[J]．科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2013（12）：141-142

[5] 趙艷芹，王光輝，付喜輝，等．信息與計算科學(xué)專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式研究[J]．中國電力教育，2014（3）：22-23

[6] 楊韌，謝海英．發(fā)展特色鮮明的一般本科院校信息與計算科學(xué)專業(yè)——以成都信息工程學(xué)院為例[J]．教育與教學(xué)研究， 2011，25（2）：90-92

[7] 孫廣中，陳國良，徐云，等．并行計算系列課程教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)[J]．中國大學(xué)教學(xué)，2008（2）：36-38

[8] 徐新海，唐玉華，林宇斐．跨專業(yè)并行計算基礎(chǔ)課程教學(xué)設(shè)計[J]．計算機(jī)教育，2014（23）：106-109

[9] 歷軍．中國超算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]．中國科學(xué)院院刊，2015，30（1）：16-23

The research and practice on talent training mode of parallel computing in the speciality of information and computing science

WANG Tong-ke，CHANG Hui-bin，WANG Cai-hua

（School of Mathematical Sciences，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

Talked about the talent training of parallel computing in the speciality of information and computing science．Analyzed the necessity for teaching parallel computing courses，clarified the talent training orientations，designed a series of parallel computing courses，outlined the curricula and learning effects for students are．Practice showed that the talent training mode of parallel computing is feasible．

speciality of information and computing science；talent training of parallel computing；parallel computing course

1007-9831（2016）02-0047-03

O1∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.02.014

2015-09-10

天津市普通高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革研究計劃項目

王同科（1965-），男，河南南陽人，教授，博士，從事計算數(shù)學(xué)研究．E-mail：wangtke@sina.com