信息与计算科学专业并行计算人才培养模式研究与实践

王同科，常慧宾，王彩华



信息与计算科学专业并行计算人才培养模式研究与实践

王同科，常慧宾，王彩华

（天津师范大学 数学科学学院，天津 300387）

论述了在信息与计算科学专业开展并行计算人才培养的必要性，明确人才培养定位，设计并行计算系列课程，介绍了课程主要内容及人才培养情况．实践证明，该并行计算人才培养模式是可行的．

信息与计算科学专业；并行计算人才培养；并行计算课程

信息与计算科学专业自1998 年教育部批准设立以来发展迅速，目前已有500多所高校开办该专业．各个学校在专业建设过程中进行了许多有益的探索，形成了各自的办学特色[1-6]．

信息与计算科学专业是一个数学与计算机、物理、化学、生物、经济和管理等学科广泛交叉的专业，结合点在于信息处理与计算，所用工具为计算机，因此该专业与计算机的发展密切相关．

从20世纪40年代开始，现代计算机发展历程可以分为2个明显的时代，即串行计算时代和并行计算时代．目前，我国处于串行计算向并行计算过渡的时代，但大多数高校的信息与计算科学专业仍然基于单CPU设置培养方案，与计算机多核化发展趋势不相适应．近几年，国内很多高校纷纷建立了服务于本校师生教学及科研工作的高性能计算中心，为信息与计算科学专业及其它相关专业开展并行计算教学提供了硬件支撑，一些重点大学也在高性能计算人才培养方面迈出了坚实的步伐[7-8]．

在2011年和2012年，天津师范大学利用国家实验室专项投资分别购买了浪潮和曙光高性能计算机系统，成立了由数学科学学院管理的高性能计算中心．随之，在信息与计算科学专业本科教学上设置了高性能计算方向，培养并行计算专门人才．

1人才培养定位与课程设置

1.1人才培养定位

高性能计算涉及众多学科领域[9]，对于信息与计算科学专业的学生来说，最大的优势在于数学基础扎实，算法优势明显，自然地，把人才培养定位于高性能计算的核心领域——并行计算．学生在大学期间学习并行计算知识，有利于完善其知识结构，对于学生将来的就业也是有益的．如果学生将来从事与计算机相关的工作，如软件开发、数据分析、图形图像及大数据处理等，并行计算知识完全有可能用得到．

对并行计算人才培养的定位是：掌握并行程序设计方法，学习基本的并行算法，能够熟练地使用高性能计算机进行算法实践，形成并行计算的思维方式，为将来的工作打下更高层次的计算机应用基础．

1.2课程设置

在本科教学上，信息与计算科学专业高性能计算方向开设了4门并行计算课程．

1.2.1Linux操作系统高性能计算机使用的操作系统是Linux，因此Linux操作系统必须先行掌握．本课程在第3或第4学期开设，学时为2＋2，即每周教师讲授2课时，学生上机实践2课时．因为学生已经熟悉了Windows操作系统，所以学习Linux操作系统没有实质上的困难．教学内容主要包含Linux基本理论、基本操作以及系统管理和网络配置等．本课程侧重动手操作和实验实训，通过操作和实验，培养学生熟练操作Linux系统的能力以及分析和解决实际问题的能力．

1.2.2并行程序设计在第5学期开设并行程序设计课程，学时为2＋2，主要学习OpenMP和MPI，由于学生已有C语言基础，学习上障碍不大．该课程为信息与计算科学专业高性能计算方向的必修课之一，主要侧重于MPI并行程序设计及其计算机实现，包括高性能计算简介及配置，MPI并行环境及其基本使用方法、MPI语法以及Openmp编程语言等．

1.2.3并行算法并行算法为并行程序设计的后继课程，在第6学期开设，学时为2＋2，主要学习数值分析、最优化方法、图形图像处理中一些具有天然并行性的算法及其实现．本课程侧重于并行算法理论，同时不局限于并行数值算法，内容主要有：消息传递计算、基本并行技术、分治策略、流水线计算、同步计算、负载平衡与终止检测、共享存储架构并行计算以及具体算法和应用．

1.2.4并行计算软件选讲在第6学期开设并行计算软件选讲课程，学时为1＋2．在并行计算领域，有很多专门软件，通过了解这些软件，拓展学生在以后工作中使用并行工具解决问题的能力．作为高性能计算方向的进阶课程，本课程设置主要以大规模科学计算软件为学习对象，重点培养学生使用这类软件的实战能力，即能够进行程序设计以及快速编写程序以解决实际工程应用问题．

2人才培养实践

信息与计算科学专业从2012级开设高性能计算方向，2014年6月，学生开始分方向选修．该年级共有33名学生，其中17人选择了高性能计算方向．目前，并行计算课程已开设了一个轮次．

Linux操作系统以系统管理为核心培养目标，注重操作实践．经过课程的学习，学生能够在Linux操作系统中完成基本的软件使用、文档编辑、账户管理和shell脚本编写等操作．课程讲授过程中，注重实践培养，分配了讨论小组，采用分组教学法，将课程知识传授分解为若干个小实验，加强课程中实验的管理，提升了学习效率．大部分学生表示较为适应这种模式，能够快速适应Linux操作系统，期末考试均一次通过．当然，在实际学习中也反映了一些问题，如学生的学习主动性有待加强，学生的综合编程能力需要进一步提升，缺乏处理有一定难度的C程序问题的能力等．这些均需要在以后的课堂学习以及综合实践中设计更有效的方式，逐步提升训练难度．

并行程序设计主要讲授基于共享式存储的OpenMP以及基于分布式存储的MPI，重点培养学生的并行编程能力，即调度多核计算的能力．并行程序设计课程基于C语言传授这２类编程API．由于学生前期的C语言编程基础较好，因而能够快速掌握并行程序设计课程的核心内容．并行程序设计课程的难点在于分布式存储体系下的消息传递模式以及对主从结构（SPMD）的理解，在课程的传授过程中，减弱算法的困难，并将讲授重点转移到并行编程技术，收到了良好的效果．大部分学生较为顺利地完成了并行程序设计课程的学习．通过学生的作业反映出该方法非常有效，并且期末考试全部一次通过．

并行算法是并行程序设计的后续课程，二者联系紧密．并行算法课程的核心在于突出并行算法，在并行程序设计课程的基础上，向广处和深处发展．从反馈情况看，并行算法课程不仅使得学生对基本并行编程语言有了更透彻的理解，而且丰富的应用以及编程训练进一步提升了学生的编程能力．在课程教学中，与时俱进，加入了分布式优化算法的内容，学生能够跟踪了解前沿的并行算法以及应用，因而有了浓厚的学习兴趣，学习的主动性积极性也有较大提高．该课程在开设过程中也遇到一些问题，如与并行程序设计课程相比，该课程难度较高，学生一开始难以适应，在将来的教学活动开展过程中要适当增加引导环节，分解核心算法，做一些更细致的辅导以及上机实践训练．

并行计算软件选讲是在并行程序设计以及并行算法课程学习的基础上，针对高年级学生开设的一门课程．并行计算软件选讲课程讲解常见的高性能计算软件或者程序包，如高性能线性方程组求解程序包BLAS，LAPACK等，以及有限差分并行计算软件PETSc以及Matlab并行计算扩展包等．通过课程的学习，不仅使学生掌握基本并行软件的使用，而且也加强了学生的编程能力以及分析解决实际问题的能力．在将来的课程规划中，还将适当引入并行算法的前沿研究理论，提升学生的科研能力．

3结束语

看到高性能，人们往往认为很高深，不是普通本科生能胜任的，这其实是对字面含义的误解．从实践来看，在本科阶段，学生学会高性能计算机的使用没有实质性的困难，但对于并行算法不可能学得太多、太深．本科阶段仍然以学习基础知识为主，更深入、更专门的并行计算知识有待研究生阶段继续学习．目前，在本科阶段，并行计算人才培养尚未在大部分高校开展，适合本科教学的教材尚少，教材建设有待加强．需要指出的是，虽然在信息与计算科学专业并行计算人才培养方面进行了初步的尝试，取得了一定的成绩，但未来仍有许多创新性的工作要做．真切希望能有更多的学校开展这方面的人才培养工作，有更多的同行共同切磋讨论，为信息与计算科学专业的蓬勃发展寻找更多的方向．

[1] 曾传华，余大鹏．信息与计算科学专业的改革与实践[J]．重庆文理学院学报：自然科学版，2008，2（2）：103-105

当今世界,人类知识正以前所未有的速度增长,并向更广大的范围传播和转化,文化渗透日趋明显,传统的学科之间的界限日趋模糊,新兴学科、交叉学科不断产生,因此高校辅导员要具备广博的文化知识。首先要有较宽广的专业知识修养,成为学生专业学习的向导,并能对学生在专业选择上给予指点。但是仅仅具备专业知识还是不够的,要不断学习先进的文化理念,符合人类知识、科技的这种发展趋势,能适应人才培养目标模式的变化。

[2] 胡焱，张庆国．信息与计算科学专业社会适用型人才培养模式探讨[J]．大学数学，2011，27（3）：7-11

[3] 张韵华，邓建松，岳兴业．中国科学技术大学数学系信息与计算科学专业建设探索[J]．大学数学，2009，25（2）：4-8

[4] 李荣华．数学两个专业2013版本科培养方案修订简介[J]．科技创新导报，2013（12）：141-142

[5] 赵艳芹，王光辉，付喜辉，等．信息与计算科学专业应用型人才培养模式研究[J]．中国电力教育，2014（3）：22-23

[6] 杨韧，谢海英．发展特色鲜明的一般本科院校信息与计算科学专业——以成都信息工程学院为例[J]．教育与教学研究， 2011，25（2）：90-92

[7] 孙广中，陈国良，徐云，等．并行计算系列课程教学团队建设[J]．中国大学教学，2008（2）：36-38

[8] 徐新海，唐玉华，林宇斐．跨专业并行计算基础课程教学设计[J]．计算机教育，2014（23）：106-109

[9] 历军．中国超算产业的发展现状与展望[J]．中国科学院院刊，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

天津市普通高等学校本科教学质量与教学改革研究计划项目

王同科（1965-），男，河南南阳人，教授，博士，从事计算数学研究．E-mail：wangtke@sina.com