信息與計算科學專業并行計算人才培養模式研究與實踐

王同科，常慧賓，王彩華

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信息與計算科學專業并行計算人才培養模式研究與實踐

王同科，常慧賓，王彩華

（天津師范大學 數學科學學院，天津 300387）

論述了在信息與計算科學專業開展并行計算人才培養的必要性，明確人才培養定位，設計并行計算系列課程，介紹了課程主要內容及人才培養情況．實踐證明，該并行計算人才培養模式是可行的．

信息與計算科學專業；并行計算人才培養；并行計算課程

信息與計算科學專業自1998 年教育部批準設立以來發展迅速，目前已有500多所高校開辦該專業．各個學校在專業建設過程中進行了許多有益的探索，形成了各自的辦學特色[1-6]．

信息與計算科學專業是一個數學與計算機、物理、化學、生物、經濟和管理等學科廣泛交叉的專業，結合點在于信息處理與計算，所用工具為計算機，因此該專業與計算機的發展密切相關．

從20世紀40年代開始，現代計算機發展歷程可以分為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，但大多數高校的信息與計算科學專業仍然基于單CPU設置培養方案，與計算機多核化發展趨勢不相適應．近幾年，國內很多高校紛紛建立了服務于本校師生教學及科研工作的高性能計算中心，為信息與計算科學專業及其它相關專業開展并行計算教學提供了硬件支撐，一些重點大學也在高性能計算人才培養方面邁出了堅實的步伐[7-8]．

在2011年和2012年，天津師范大學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系統，成立了由數學科學學院管理的高性能計算中心．隨之，在信息與計算科學專業本科教學上設置了高性能計算方向，培養并行計算專門人才．

1人才培養定位與課程設置

1.1人才培養定位

高性能計算涉及眾多學科領域[9]，對于信息與計算科學專業的學生來說，最大的優勢在于數學基礎扎實，算法優勢明顯，自然地，把人才培養定位于高性能計算的核心領域——并行計算．學生在大學期間學習并行計算知識，有利于完善其知識結構，對于學生將來的就業也是有益的．如果學生將來從事與計算機相關的工作，如軟件開發、數據分析、圖形圖像及大數據處理等，并行計算知識完全有可能用得到．

對并行計算人才培養的定位是：掌握并行程序設計方法，學習基本的并行算法，能夠熟練地使用高性能計算機進行算法實踐，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應用基礎．

1.2課程設置

在本科教學上，信息與計算科學專業高性能計算方向開設了4門并行計算課程．

1.2.1Linux操作系統高性能計算機使用的操作系統是Linux，因此Linux操作系統必須先行掌握．本課程在第3或第4學期開設，學時為2＋2，即每周教師講授2課時，學生上機實踐2課時．因為學生已經熟悉了Windows操作系統，所以學習Linux操作系統沒有實質上的困難．教學內容主要包含Linux基本理論、基本操作以及系統管理和網絡配置等．本課程側重動手操作和實驗實訓，通過操作和實驗，培養學生熟練操作Linux系統的能力以及分析和解決實際問題的能力．

1.2.2并行程序設計在第5學期開設并行程序設計課程，學時為2＋2，主要學習OpenMP和MPI，由于學生已有C語言基礎，學習上障礙不大．該課程為信息與計算科學專業高性能計算方向的必修課之一，主要側重于MPI并行程序設計及其計算機實現，包括高性能計算簡介及配置，MPI并行環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計的后繼課程，在第6學期開設，學時為2＋2，主要學習數值分析、最優化方法、圖形圖像處理中一些具有天然并行性的算法及其實現．本課程側重于并行算法理論，同時不局限于并行數值算法，內容主要有：消息傳遞計算、基本并行技術、分治策略、流水線計算、同步計算、負載平衡與終止檢測、共享存儲架構并行計算以及具體算法和應用．

1.2.4并行計算軟件選講在第6學期開設并行計算軟件選講課程，學時為1＋2．在并行計算領域，有很多專門軟件，通過了解這些軟件，拓展學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階課程，本課程設置主要以大規?？茖W計算軟件為學習對象，重點培養學生使用這類軟件的實戰能力，即能夠進行程序設計以及快速編寫程序以解決實際工程應用問題．

2人才培養實踐

信息與計算科學專業從2012級開設高性能計算方向，2014年6月，學生開始分方向選修．該年級共有33名學生，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了一個輪次．

Linux操作系統以系統管理為核心培養目標，注重操作實踐．經過課程的學習，學生能夠在Linux操作系統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，分配了討論小組，采用分組教學法，將課程知識傳授分解為若干個小實驗，加強課程中實驗的管理，提升了學習效率．大部分學生表示較為適應這種模式，能夠快速適應Linux操作系統，期末考試均一次通過．當然，在實際學習中也反映了一些問題，如學生的學習主動性有待加強，學生的綜合編程能力需要進一步提升，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習以及綜合實踐中設計更有效的方式，逐步提升訓練難度．

并行程序設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，重點培養學生的并行編程能力，即調度多核計算的能力．并行程序設計課程基于C語言傳授這２類編程API．由于學生前期的C語言編程基礎較好，因而能夠快速掌握并行程序設計課程的核心內容．并行程序設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構（SPMD）的理解，在課程的傳授過程中，減弱算法的困難，并將講授重點轉移到并行編程技術，收到了良好的效果．大部分學生較為順利地完成了并行程序設計課程的學習．通過學生的作業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計的后續課程，二者聯系緊密．并行算法課程的核心在于突出并行算法，在并行程序設計課程的基礎上，向廣處和深處發展．從反饋情況看，并行算法課程不僅使得學生對基本并行編程語言有了更透徹的理解，而且豐富的應用以及編程訓練進一步提升了學生的編程能力．在課程教學中，與時俱進，加入了分布式優化算法的內容，學生能夠跟蹤了解前沿的并行算法以及應用，因而有了濃厚的學習興趣，學習的主動性積極性也有較大提高．該課程在開設過程中也遇到一些問題，如與并行程序設計課程相比，該課程難度較高，學生一開始難以適應，在將來的教學活動開展過程中要適當增加引導環節，分解核心算法，做一些更細致的輔導以及上機實踐訓練．

并行計算軟件選講是在并行程序設計以及并行算法課程學習的基礎上，針對高年級學生開設的一門課程．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并行計算擴展包等．通過課程的學習，不僅使學生掌握基本并行軟件的使用，而且也加強了學生的編程能力以及分析解決實際問題的能力．在將來的課程規劃中，還將適當引入并行算法的前沿研究理論，提升學生的科研能力．

3結束語

看到高性能，人們往往認為很高深，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，學生學會高性能計算機的使用沒有實質性的困難，但對于并行算法不可能學得太多、太深．本科階段仍然以學習基礎知識為主，更深入、更專門的并行計算知識有待研究生階段繼續學習．目前，在本科階段，并行計算人才培養尚未在大部分高校開展，適合本科教學的教材尚少，教材建設有待加強．需要指出的是，雖然在信息與計算科學專業并行計算人才培養方面進行了初步的嘗試，取得了一定的成績，但未來仍有許多創新性的工作要做．真切希望能有更多的學校開展這方面的人才培養工作，有更多的同行共同切磋討論，為信息與計算科學專業的蓬勃發展尋找更多的方向．

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

當今世界,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化,文化滲透日趨明顯,傳統的學科之間的界限日趨模糊,新興學科、交叉學科不斷產生,因此高校輔導員要具備廣博的文化知識。首先要有較寬廣的專業知識修養,成為學生專業學習的向導,并能對學生在專業選擇上給予指點。但是僅僅具備專業知識還是不夠的,要不斷學習先進的文化理念,符合人類知識、科技的這種發展趨勢,能適應人才培養目標模式的變化。

[2] 胡焱，張慶國．信息與計算科學專業社會適用型人才培養模式探討[J]．大學數學，2011，27（3）：7-11

[3] 張韻華，鄧建松，岳興業．中國科學技術大學數學系信息與計算科學專業建設探索[J]．大學數學，2009，25（2）：4-8

[4] 李榮華．數學兩個專業2013版本科培養方案修訂簡介[J]．科技創新導報，2013（12）：141-142

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

[6] 楊韌，謝海英．發展特色鮮明的一般本科院校信息與計算科學專業——以成都信息工程學院為例[J]．教育與教學研究， 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團隊建設[J]．中國大學教學，2008（2）：36-38

[8] 徐新海，唐玉華，林宇斐．跨專業并行計算基礎課程教學設計[J]．計算機教育，2014（23）：106-109

[9] 歷軍．中國超算產業的發展現狀與展望[J]．中國科學院院刊，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

天津市普通高等學校本科教學質量與教學改革研究計劃項目

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