并行算法與程序設計課程教學改革與交叉領域服務性探索

趙青+熊聰聰+周婧

摘 要： 近期，Google的“阿法狗”戰勝前世界圍棋第一人、韓國九段名將李世石讓全世界人民都聚焦到“大數據”、“深度學習”上來。而這些復雜智能算法的背后，都離不開并行計算、云計算技術的支持。尤其是當今隨著高精尖儀器科學的發展，各領域所能探測和采集的實驗數據都在急劇增長，如何能夠解決海量數據下的計算復雜度高、耗時長、存儲需求大的問題，并行計算技術必不可少，如果說計算機科學是一門工具科學，那么并行計算技術就是工具中的工具。它可以提高科研實驗效率，變不可能為可能，開闊科研思路，從而加快科研成果的產出，對各種其他科研方向都有著重要的推進作用。

關鍵詞：并行算法 程序設計 改革教學

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2016）10-0178-01

傳統并行計算教學主要依靠大型機器，對硬件的要求高，因此學生實踐往往受到限制，今年來，因為成本和擴展性方面的優勢，由普通商業機器組建大型集群也漸成并行分布式領域的主流。而且，隨著多核時代的到來、以及GPU技術的普及，普通PC機的性能已經大大提高，現在簡單幾臺PC機就可以成為并行計算實驗平臺，大大方便了并行計算課程的課上授課和課下實踐教學的展開。因此，如何改革并行算法與程序設計課程的實踐教學環境，并推進與其他交叉領域的擴展和融合，提升并行計算技術對其他領域的服務性是當前研究的關鍵。

本文旨在研究如何合理規劃并行算法與程序設計課程的課時，并在此基礎上探索如何引導學生根據各自的科研課題方向自選實踐課題，培養自主學習和實驗的能力，以達到既能提升并行算法編程能力，又能對所從事的科研方向起到促進作用，從而使并行計算技術真正成為計算機領域科研中一種可以應用、會應用的有效工具，對于培養當今大數據時代的信息技術高級人才至關重要。

一、改進教學方法—— 實例驅動型課程的建設

并行計算與程序設計課程的學習具有一定的復雜性特征，它以串行程序設計、計算機體系結構、數據結構、算法分析等課程為基礎，且并行算法的思想一般較難理解，在算法設計中還要考慮資源競爭中所采取的同步互斥策略，在調試階段由于調試工具的不足和運行本身的復雜性，使得問題頻出，調試難度高。這些都直接導致并行計算在學習上具有一定的難度。因此，在有限的教學學時內讓學生充分掌握并行計算技術的核心思想和應用技巧并不容易。

因此，我們引入了實例驅動型授課方式，對并行計算中的一些較難理解的思想，如劃分與分治方法、同步與互斥中的互斥鎖、信號量等技術，我們把多年教學和科研中積累的典型場景、典型應用引入課堂教學中，并嘗試采用多媒體教學工具動態演示一些較為晦澀的并行執行過程，或結合一些生動有趣的經典小故事，讓學生切實理解并行思想的精要之處。

實例驅動型授課改進的重點在于實例庫的建設和擴充，為此我們既要旁征博引，即參考一些經典課本中的典型應用案例，又要結合我們日常并行計算方向科研自主取得的研究成果，也要積累往屆學生的優秀課程作業，從而進一步提高實例化教學的所占比例，已讓學生達到可以活學活用的目的。

二、自主選題課下實踐教學的推進與考核體系的建立

為了充分體現并行計算技術的實踐性和服務性特征，使學生能夠真正學有所用，可以成為今后科研實驗的有效手段，同時也為了彌補課時的相對不足，我們鼓勵學生在課下的實踐環節通過結合自身科研方向的自主選題展開動手實踐，讓并行計算技術能在各自的研究領域中真正落地，真正能夠對學生的日常科研實驗起到加速的目的，讓并行計算技術能在與我學院的其他優勢科研領域的相互融合和交叉中激發出更多的科研思路。在此基礎上，優化當前的考核體系，以實踐成果為主要檢驗對象，特別是引導學生完成從自主選題，到算法設計、再到并行平臺搭建和程序運行，最后到結果性能分析和課程論文撰寫的全套科研模式，并以完成質量為課程分數的主要衡量標準，并在此基礎上進一步鼓勵學生以找到科研交叉點，撰寫和發表小論文為最優成果，從而培養研一學生的科研能力。

三、教學實踐云平臺的建設

Spark是當今最新最熱門的類Hadoop MapReduce通用并行框架，它擁有經典云平臺Hadoop的所有優點；但不同于MapReduce的是Job中間輸出結果可以保存在內存中，從而不再需要讀寫Hadoop文件系統，因此Spark能更好地適用于數據挖掘與機器學習等需要迭代的MapReduce的算法中。利用機房的數十臺普通PC機器，構建Spark云計算平臺，既能鍛煉學生理解云計算、理解分布式計算處理的能力，又能培養學生的應用并行計算技術解決實際科研領域問題的能力。

四、課下合作小組機制的建立和健全

并行程序在編程思想上與串行程序差別很大，剛開始學生很容易難以適應，而在平臺搭建、程序運行調試等實驗階段，與串行程序相比難度也明顯加大，往往會遇到各種各樣不可預知的異常錯誤，由于并行執行的各個線程或進程對系統資源的搶占，每次執行順序可能都不盡相同，這就導致很多異常很難再現，同時并行調試工具也相對不足，這些都導致并行程序在實際運行中較為困難。鼓勵學生成立合作小組，相互合作、多方探討、共同推進，是提高學生實踐積極性的必然出路。經過前期的教學實踐，這種小組機制已經初見成效，但在小組組織形式、管理模式方面應該進一步優化，提高小組的凝聚力，提高組員的主動性是改革的目標。

五、小結

經過多年的“并行算法與程序設計”課程教學，我們從中體會到要讓學生充分領會并行計算的精要，達到活學活用的目的，就要全面改進授課方式，提高實例教學、實踐教學的比例，并充分調動學生的課后主動實踐、主動應用的積極性，并結合研究生階段的各自研究方向，充分探索并行計算技術在各交叉學科中的應用能力，提高并行計算技術的服務性作用，并鼓勵學生以小組為單位，共同合作，迎難而上，已達到更好的教學效果。