高性能計算實驗室創新實踐型人才培養

程媛　黃建忠　游維濤　張滬寅

摘要：高性能計算機已成為重要的實驗平臺。基于高性能計算機開展的實驗項目主要存在基礎知識薄弱、實驗項目內容不豐富以及實驗指導方式單一等問題。文章提出實踐創新型人才的培養目標，并針對上述問題從3個方面闡述層次化實驗項目體系，建立開放式實驗模式，構建協同交流平臺的解決思路。

關鍵詞：高性能計算；實驗教學；教學體系；開放實驗

1、高性能計算平臺應用概述

高性能計算機作為高性能計算（High Perfor-mance Computing）領域的重要研究成果之一，已經在眾多高校中部署，是必不可少的計算工具和實驗平臺。高等教育的任務之一是培養具有創新精神和實踐能力的高級專門人才。實驗教學是培養創新型實踐人才的重要途徑，對培養學生的創新能力和意識，提高學生的綜合素質都具有不可替代的作用。為滿足人才培養的需要，武漢大學高性能計算實驗室對基于高性能計算機開展的實驗項目和方法進行了積極的探索。

2、制定培養目標

創新實踐型人才是指不僅具有創新精神、創新思維和創新能力，也能將想法付諸實踐并取得創新成果的人才。在實驗教學過程中，讓學生完成基于高性能計算機開展的一系列有層次的、進階性的實驗，達到創新實踐型人才的培養目的，開發學生的思維，拓寬學生的視野。創新實踐型人才的培養應該從如下幾個方面著手：開發創新思維，積累創新知識，落實創新實踐，鍛煉創新意志以及增強團隊合作意識。開發超前的創新思維，突破已有的思維束縛，在現有基礎上提出有新意的且可行的構想；積累豐富的創新知識，創新理念的實現需要豐富的理論知識作為基礎通過在實驗環節中豐富各項專業知識，為創新實踐打下基礎；落實科學創新實踐，任何好的創新理念都要通過各項實踐環節付諸實施，科學的創新實踐方法有助于更好、更有效地落實創新理念；鍛煉堅韌的創新意志，創新是一種求變的過程，也是一個艱苦的歷程，期間會碰到各種困難，堅韌的創新意志幫助我們克服障礙，獲取自己期待的結果；任何創新目標的實現，都不是憑一己之力來完成的，需要集思廣益、共同合作開發，好的團隊意識有助于激發成員工作的主動性，更高效地完成創新項目。

實驗教學通過教師的指導，培養學生動腦、動手、合作能力，在培養學生創新實踐能力方面具有不可替代的作用。通過小組合作的形式，研討解決方案，劃分任務，查找資料，實施測試來完成綜合性、設計性實驗。在實驗過程中會遇到各種困難，這就需要小組成員共同合作解決。這個過程都體現在實踐創新人才培養的各個環節中。

3、目前實驗過程中存在的主要問題

現有的高性能計算平臺普遍部署Linux操作系統，使用MPI實現程序并行，學生必須通過LSF作業調度系統提交作業任務。但就目前的實驗效果來看，普遍還存在以下問題。

1）學生基礎知識薄弱。

雖然大部門學生能熟練使用Windows操作系統，但普遍缺乏Linux命令行環境下的基本操作知識，因此在使用計算平臺開展實驗項目時上手困難甚至無法使用平臺完成基本操作；其次，對LSF作業調度系統使用不熟練，學生難以根據當前平臺的可用計算資源以及整體作業運行情況靈活設置作業提交腳本，導致了用戶作業提交后出現諸如申請的計算資源無法正常分配、作業運行速度緩慢、作業長時間等待甚至作業無法運行等情況。

2）實驗項目內容不豐富，開放實驗教學建設力度不夠。

實驗項目主要是基礎性實驗、測試性實驗。根據指導教師提供的程序和數據基于平臺完成實驗項目，以調用計算資源為主，基于平臺提供的軟/硬件資源實現進一步開發的設計性實驗較少，分布式計算平臺的功能和特性無法進一步體現。教學模式仍是以“實驗理論教學+動手實驗”為主，開放性實驗模式建設不充分，不利于學生發展創新思維和提高創新能力。

3）實驗指導模式單一。

實驗教師的指導體現在講解實驗步驟、實驗原理并對實驗過程中出現的問題加以指正。但由于缺少穩定、長期的溝通渠道，指導教師必須反復回答重復出現的問題，耗費了大量精力。因此，必須建立一個有效的平臺對出現的各類問題以及對應的解決方法加以整理、積累。

4、實驗內容及方法創新

針對上述過程中提到的3點問題，我們提出了如下的解決方法。

4.1 設置多層次的實驗內容

首先要因地制宜地設置有針對性的基礎性實驗項目?；A性實驗的目的是加深對于Linux操作系統的了解，掌握Linux系統的操作方法；了解LSF腳本結構，根據要求靈活編寫腳本并提交作業；掌握MPI基本概念以及MPI基本程序設計方法。

其次要加大設計性實驗的比重。設計性實驗是指給定實驗目的、要求和實驗條件，由學生自行設計實驗方案并加以實現的實驗。它能激發學生的主動性、創造性，提高學生的認識能力、組織能力和開拓創新意識，培養學生的實踐能力和創新精神。設計性實驗在實驗內容上要突出實踐性和創新性。實驗分組完成，每個小組3～4人，實驗項目包括：HPC集群中基于Linux的大型機環境的配置及應用、基于GPU圖形加速的程序設計、集群環境下基于Linux的集群系統監控程序設計等。通過完成該類型實驗，可以提高學習積極性和主動性，同時提高學生查閱資料、交流合作的能力。

4.2 建設開放性實驗教學模式

實驗室開放實現了院際間的資源共享，打破了地域上的限制，但其恰恰是許多學校實驗教學工作中的一個難點問題。實驗室開放方式包括面對計算機專業學生開放以及面向非計算機專業學生開放。開放主要采用立項管理，依托于武漢大學本科生自主科研項目、本科生課程設計、本科生在讀期間參與導師項目需求以及大學生學科競賽等開展。將項目類型劃分為課程設計型、科研型和競賽型。面向非計算機專業學生開放的實驗項目以應用性為主，計算機本科學生申請的項目以設計性和開發性為主。此外，分別針對參與項目的學生以及項目本身建立檔案，采用定期回訪機制，了解項目實施進展。

4.3 搭建協同交流平臺

由于沒有建立長效的交流機制，指導教師需要不斷解決實驗過程中重復出現的問題，導致了精力的大量浪費。同時由于學生能力水平差異，水平高的學生在實驗過程中的經驗總結得不到推廣。開放性教學模式的建立，教師和學生處于準永久性分離性狀態，無法給予學生實時指導。搭建“實驗師教師一平臺用戶”協同交流平臺，在教師和學生、能力高的學生與能力低的學生之間建立了離線的交流機制。

協同交流平臺依據學生的能力高低、知識結構、系統使用頻率等進行分組，依托高性能計算實驗室主頁和電子郵件或即時交流工具，通過建立留言板、討論區，創建電子郵件討論組、QQ群等方式，達到經驗共享、協同交流的效果。

5、結語

基于高性能計算平臺的多層次教學實驗的開展，開放式實驗模式的建立，以及協同交流平臺的搭建，對實驗內容、實驗形式、實驗指導模式進行了全方面的改革實驗，在培養學生的創新精神和實踐能力方面取得了明顯的效果。經過初步探索和驗證，產生了良好的教學效果，具備一定的科學性。但是，教學實驗改革是一個長期的過程，需要不斷摸索實踐，充實更多更與時俱進的實驗項目，以滿足實踐創新型人才培養的需要。endprint