新工科理念下高性能計算導論課程內容與實踐教學的探索

王玉柱 張玉清 季曉慧 管建和 夏軍寶

摘要：本文從新工科背景下高性能計算導論課程建設的目標出發，陳述了該課程在國內的教學現狀。在此基礎上，結合自身的教學實踐闡述了課程的設計和實踐教學的探索，分析了教學實踐的效果，強調了動手實踐在課程教學中的重要性。

關鍵詞：高性能計算；實踐教學；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）25-0097-02

2017年12月，國務院辦公廳《關于深化產教融合的若干意見》提出：“適應新一輪科技革命和產業變革及新經濟發展，促進學科專業交叉融合，加快推進新工科建設”。2018年3月，教育部公布了兩大類612項新工科研究與實踐項目，我國新工科建設的行動已經全面展開[1]。2018年，中國地質大學（北京）信息工程學院負責了兩項新工科研究與實踐項目。在新工科背景下，我院計算機科學與技術教研室開展了計算機科學與技術專業課程的教學改革與實踐。

近年來，我國高性能計算技術快速發展，作為科學研究的重要手段，高性能計算已經滲透到科學研究和社會生活的各個方面。在多核計算和大數據時代，作為計算機科學與技術專業的學生迫切需要掌握高性能計算的理論、方法和技術，了解高性能計算與其他學科的交叉應用，以適應社會對新工科人才不斷增長的需求。因此，我教研室進行了新大綱改革，為計算機科學與技術專業本科生開設了高性能計算導論課程。

一、高性能計算課程的現狀

1998年，教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會將“并行計算”課程定位在高等學校計算機專業高年級本科生或研究生以及面向計算學科的非計算機專業的研究生層次上。設置該課程的宗旨是為了我國培養面向21世紀的厚基礎、寬口徑、強能力、高素質，具有時代性多樣化人才的需要[1]。為了培養計算機專業本科生并行與分布式計算思維與系統能力，國內知名高校已開始面向本科生開設高性能計算相關的課程。比如，清華大學開設了“高性能計算導論”，北京大學開設了“多核編程”，浙江大學開設了“多核計算”、“網格計算和分布式系統”、“并行計算機體系結構和編程”，中國科學技術大學開設了“并行計算”，華中科技大學開設了“并行編程原理與實踐”[2]。

雖然一些名校開設了與高性能計算相關的課程，但是大部分高校仍然沒有開設相關課程，在高性能計算的基礎知識教育方面存在明顯不足，主要原因包括：（1）高性能計算支撐環境費用昂貴，相關教學研究人員比較匱乏；（2）高性能計算是一門理論與實踐相結合的綜合性課程，涉及的先修知識又較為廣泛，由于學生已經習慣于串行計算的思維和編程模式，對于具有綜合性和復雜性的高性能計算知識結構和內容不容易掌握，以致教學質量不盡如人意。針對教學中面臨的突出問題，高校需要加大對高性能計算環境的投入，教師需要設計合理的教學實踐內容才能激發學生的學習興趣，促進學生對知識的吸收理解。

二、課程設計

（一）教學內容

在中國地質大學（北京），高性能計算導論課程為計算機科學與技術專業大三學生的專業核心課程，每年在秋季學期授課。根據本課程教學的特點，采用“講授+實踐”相結合的方式。該課程重點為學生講授高性能計算的基本概念、并行計算機體系結構、消息傳遞編程接口MPI和共享編程模型OpenMP。關于該門課程的教學內容，我們設計為六個章節。第一章：計算的演化發展。主要講授早期的計算模式、并行/分布式計算、網格計算和云計算。第二章：高性能計算基礎。主要講授高性能計算的基本概念、并行計算性能評估、并行計算機體系結構和存儲結構。第三章：并行程序設計。主要講授并行程序開發方法、并行程序設計模型和循環程序并行化的一般方法。第四章：Linux系統和并行環境。主要講授Linux系統的使用、Linux并行計算平臺搭建及應用。第五章：MPI并行編程。主要講授與MPI相關的基本概念、MPI基本函數、自定義數據類型和聚合通信。第六章：OpenMP并行編程。主要講授OpenMP編程制導語句、OpenMP庫函數和OpenMP計算實例。

（二）教學計劃

高性能計算導論課程共有48學時，其中理論課32學時，實驗課16學時。該課程的課時安排如下表所示。下表中1—6部分屬于理論知識教學，7—10部分屬于實踐知識教學。

三、課程實踐教學的探索

高性能計算導論課程是一門實踐性很強的課程，除了講授基礎的理論知識外，還需要設計相關的實驗內容，以便鞏固和加深學生對并行計算機體系結構、并行編程模型和并行軟件設計與實現的整體理解。

從上表中可以看出，該課程設置了16個學時的實驗內容，具體包括四個實驗：Linux系統的安裝與使用實驗、并行環境的安裝與使用實驗、MPI并行程序的設計與編寫、OpenMP并行程序的設計與編寫。關于實驗環境，我們為學生提供了一個Linux集群，供學生做實驗使用，但原則上我們要求學生在公共實驗室的計算機上獨立安裝Linux系統和并行計算環境，并且這四個實驗要求學生獨立完成，實驗的具體內容如下：（1）實驗一要求掌握Linux系統的安裝和Linux基本命令的使用，學會在Linux系統下編譯和運行C或C++程序。（2）實驗二要求掌握并行計算環境的搭建與使用，具體是安裝MPICH，構建MPI編程環境。（3）實驗三要求掌握基于MPI的并行編程方法，具體是編寫課件第五章PPT中的案例，使用SPMD編程模式編寫一個求解π的MPI程序。（4）實驗四要求掌握基于OpenMP的并行編程方法，具體是編寫課件第六章PPT中的案例，編寫求解π的OpenMP程序，編寫求解π的MPI+OpenMP程序。其中，需要編寫4個版本求解π的OpenMP程序，分別是：并行域并行求解、使用for循環制導計算、使用帶reduction子句的for循環制導計算、通過private子句和critical制導計算。

該課程實踐教學的考核要求是每位學生需要提交實驗報告一份，并且在實驗報告中需要包含程序代碼、運行結果的截圖、實驗結果分析以及對高性能計算的理解與體會。

四、考核方式及教學效果分析

本課程的學生成績由平時成績、實驗成績和期末成績三部分組成，其中平時成績占10%、實驗成績占30%、期末成績占60%，成績以百分制記。平時成績由出勤、課堂表現和平時作業等綜合評定。實驗成績更注重考查學生動手編程的能力。通過考核結果分析，我們得出以下結論：（1）該課程的教學達到了教學目標。（2）60%以上的學生成績為優良，說明課程和實驗內容的設計整體是合理的。（3）大概13%的學生只是達到了及格水平，仍然有一部分學生對高性能計算理論的枯燥性有一定的抵觸。因此，在今后的教學中，我們將進一步凸顯高性能計算的重要性，加大理論與案例相結合的力度，提高學生學習該課程的積極性，爭取獲得更好的教學效果。

五、結語

本課程通過合理的教學和實踐內容設計，理論與實踐相結合的教學方式，以及多種形式的教學方法和考核手段，達到了良好的教學效果，同時，高性能計算技術本身也在不斷地發展，因此在以后的教學過程中我們將不斷充實新的教學內容，始終保持高性能計算課程內容的前沿性、先進性，從而高質量地完成高性能計算的教學任務。

參考文獻：

[1]陳國良，孫廣中，徐云，吳俊敏.并行計算課程的教學方法[J].中國大學教育，2004，（2）：35-37.

[2]陸楓，金海.將并行計算納入本科教育 深化計算機學科創新人才培養[J].高等工程教育研究，2016，（6）：108-112.