并行計算系列課程教學團隊建設(shè)

近幾年來，世界上和我國的高性能并行計算機的發(fā)展取得了長足的進展，每秒數(shù)十萬億次乃至數(shù)百萬億次計算能力的高端并行機已相繼研制成功。同時，廉價的PC機群、多CPU(多核)的桌面系統(tǒng)和個人高性能計算機的出現(xiàn)與發(fā)展，更是使得今日的并行計算機，已經(jīng)“飛入尋常百姓家”了。價廉的桌面式并行系統(tǒng)中，有多個處理器可供使用，迫使人們必須學習并行計算，才能有效地利用手邊的豐富資源。這就為并行計算的教學的發(fā)展和推廣帶來了歷史性的新機遇，也對于并行計算系列課程的建設(shè)與推廣提出了新的要求。在此條件下，為了適應高性能并行計算迅速發(fā)展的需要，充分發(fā)揮計算學科在現(xiàn)代科學和技術(shù)發(fā)展中的作用，在高校中普遍開設(shè)高性能并行計算之類的課程就顯得尤為重要，與之相應的，配合該學科發(fā)展的課程建設(shè)也是刻不容緩的。

20多年來，中國科學技術(shù)大學在并行計算相關(guān)的教學和科研中積累了許多經(jīng)驗，取得了一些成績，逐漸形成了并行計算系列課程的教學團隊。教師是教學過程中最為重要的因素，教學團隊的建設(shè)決定了課程建設(shè)的效果。本文主要介紹我們在教學團隊建設(shè)過程中的一些經(jīng)歷和體會，希望可以有助于并行計算課程的推廣，并為其他課程教學團隊建設(shè)提供有益的借鑒。

1教學團隊的基本情況

本節(jié)先簡要介紹并行計算系列課程的特色，以及中國科學技術(shù)大學并行計算教學團隊的結(jié)構(gòu)和特點，然后介紹20多年來該團隊的發(fā)展建設(shè)的基本情況。

1.1并行計算系統(tǒng)課程特色

并行計算系列課程包括并行計算，并行計算機體系結(jié)構(gòu)，并行算法和并行程序設(shè)計等課程，力圖適應培養(yǎng)面向21世紀的寬口徑、通才、適應性強的高等人才的需要，定位于全國計算機專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，面向全國普通高校中計算機專業(yè)，兼顧全國高校中面向計算型的非計算機專業(yè)。系列課程將“并行計算機”、“并行算法”和“并行編程”融為一體，將“課堂講授”與“上機實踐”融為一體，將“基礎(chǔ)理論”與“學科前沿”融為一體，將“基礎(chǔ)教學”與“培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力”融為一體，努力溝通“計算機科學”、“計算科學”和“計算型應用科學”。

1.2團隊的結(jié)構(gòu)及特色

在并行計算系列課程長期建設(shè)過程中，逐步形成了相對穩(wěn)定的老中青相結(jié)合的教學梯隊。教學團隊的帶頭人為中國科學院院士、全國首屆教學名師陳國良教授。他長期致力于本團隊課程建設(shè)，堅持在本校教學第一線為本科生和研究生授課，指導和培養(yǎng)年輕教師的教學工作。教學團隊成員中包括多名教授/副教授/講師，年輕教師基本具有博士學位。

團隊成員具有良好的知識結(jié)構(gòu)，堅持教學科研相結(jié)合，專業(yè)蘊含了并行算法、并行機體系結(jié)構(gòu)和并行程序設(shè)計等領(lǐng)域。每門課程都配備至少兩位教員，以便輪流執(zhí)教。通過在職培養(yǎng)和短期出國進修，進一步拓寬團隊成員的知識面，優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)。

1.3團隊形成和發(fā)展歷程

20世紀80年代初期，中國科學技術(shù)大學就開展了并行算法的教學和研究工作，并行計算系列課程教學團隊的形成與發(fā)展經(jīng)歷了20余年的歷史。

這20多年大致可以分為兩個階段，在前10年將并行算法逐漸從學術(shù)殿堂搬到大學講堂，使得科研工作逐漸轉(zhuǎn)化為教學內(nèi)容。中國科學技術(shù)大學80年代在國內(nèi)率先進行并行算法研究，從事并行排序與選擇、并行圖論算法和VLSI中的并行算法研究。圍繞并行算法的研究，在研究生中開展了相關(guān)的討論班。在相關(guān)討論班的基礎(chǔ)上，逐漸完善相關(guān)材料，在中國科學技術(shù)大學計算機系開設(shè)了并行算法的研究生課程[1]。

后10年中，從并行算法單一課程發(fā)展到并行計算系列課程，擴展了系列課程覆蓋面。在本科生中開設(shè)并行計算課程，將課程從研究生擴展到本科生。加大并行計算實用技術(shù)的講授，將課程從計算機專業(yè)到面向計算的非計算機專業(yè)，使課程受益面擴展到計算科學學科。此外，教學團隊在全國范圍內(nèi)推廣并行計算系列課程，取得實質(zhì)效果，從校內(nèi)走向校外。

2教學團隊的作用

教學團隊在課程建設(shè)過程中形成并逐漸發(fā)展，教學團隊的建設(shè)同時也對于課程建設(shè)起到了重要的作用。本節(jié)從教材建設(shè)，課程建設(shè)，教學基地建設(shè)，教學成果推廣，以及教學對于學科建設(shè)和科研促進等方面來進行介紹。

2.1教學團隊帶動了系列課程的教材建設(shè)

課程建設(shè)的核心是教材建設(shè)，中國科學技術(shù)大學歷來就非常重視教材建設(shè)工作。早期，在中國科技大學出版社和臺灣儒林圖書公司聯(lián)合出版了國內(nèi)最早的并行算法叢書，包括《并行算法——排序和選擇》(1990/1991)，《VLSI計算理論與并行算法》(1991/1992)和《并行圖論算法》(1991/1992)。

90年代中期以來，教學團隊醞釀和籌劃并行計算課程的配套系列教材建設(shè)工作，根據(jù)并行計算的課程體系，規(guī)劃了并行計算課程的系列教材——并行計算系列叢書：

《并行計算——結(jié)構(gòu)·算法·編程》教材，是以并行計算為主題，探討了并行計算的硬件平臺(并行計算機)、并行計算的理論基礎(chǔ)(并行算法)和并行計算的軟件支撐(并行程序設(shè)計)，強調(diào)了融并行計算機結(jié)構(gòu)、并行算法設(shè)計和并行編程為一體，涉及的內(nèi)容比較廣泛。該教材為“九·五”規(guī)劃教材(1996)，面向21世紀課程教材(1999)，教育部高教社首批百門精品教材(2002)，2000年獲中國高?？茖W技術(shù)一等獎，2006年入選“十一五”規(guī)劃教材。

《并行算法的設(shè)計與分析(修訂版)》教材，是以并行計算模型為主線，探討了計算機科學中諸多常用的數(shù)值和非數(shù)值計算問題的并行算法設(shè)計及其分析方法，加強了學科發(fā)展趨勢的論述，充分吸收了學術(shù)界的最新成果。該教材為“八五”規(guī)劃教材(1991)，獲得1995年國家優(yōu)秀教材一等獎，1997年國家級教學成果二等獎，2006年入選“十一五”規(guī)劃教材。

《并行計算機體系結(jié)構(gòu)》教材，是以當代可擴放并行計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為主題，著重論述了對稱多處理機、大規(guī)模并行處理機、機群系統(tǒng)和分布共享存儲多處理機系統(tǒng)的組成原理、結(jié)構(gòu)特性、設(shè)計方法、性能分析，增加了相應系統(tǒng)的實例，強調(diào)了軟件與硬件的結(jié)合。

《并行算法實踐》教材，是以并行算法編程實現(xiàn)為主題，詳細介紹了并行程序設(shè)計的有關(guān)內(nèi)容、典型的非數(shù)值并行算法和數(shù)值并行算法的MPI編程實現(xiàn)過程，突出了算法設(shè)計與實現(xiàn)的結(jié)合。

2.2教學團隊推動了系列課程的教學建設(shè)和改革[2-3]

團隊推動了教學改革，形成了完整的教改思路。將并行機體系結(jié)構(gòu)、并行算法設(shè)計、并行數(shù)值計算和并行程序設(shè)計有機結(jié)合在一起，在國內(nèi)形成一門新型“并行計算”課程。在保持本學科的經(jīng)典完整內(nèi)容的同時，力圖反應本學科最新成就和學科前沿以及發(fā)展趨勢。保持內(nèi)容先進與新穎，廣泛吸取國際多本同期同類教材中的精彩內(nèi)容。以計算機專業(yè)高年級本科生和研究生為主，兼顧信息科學、計算科學等相關(guān)專業(yè)的研究生，同時考慮國際交流的需要?！安⑿杏嬎恪闭n程于2003年入選首批國家精品課程。

團隊在教改思路的指導下，加強了實驗教學部分。實驗教學強化學生“結(jié)構(gòu)—算法—編程”一體化學習方法的意識，讓學生充分理解對于求解一個給定問題的任何并行算法，都必須采用某種并行編程語言，最終運行在一臺具體的并行計算機上。

團隊在資源建設(shè)方面，針對不同的課程設(shè)置和專業(yè)要求，制作了中文和英文的兩套電子講稿，并根據(jù)科學的最新發(fā)展不斷加以補充和修訂。對于教學中存在的一些難點和重點，采用了課件動畫演示的方法來加強教學效果。此外，還針對部分內(nèi)容進行了示范性教學錄像，可在課堂教學中使用。

并行計算系列課程的推廣需要加強網(wǎng)絡教學。教學團隊制作的網(wǎng)上教學環(huán)境是一個相對完整的自學環(huán)境，其中包括各章節(jié)的知識點、重點難點、例題講解和習題實例，學習參考資料，并在網(wǎng)上提供討論答疑。此外，為了更好地推廣，“并行計算”國家精品課程建設(shè)過程中，教學團隊完成了示范教學錄像(10學時)和全程教學錄像(60學時)上網(wǎng)。實驗教學中的相關(guān)素材，如上機演示，示例程序等也都成為網(wǎng)上教學資源的一部分。

2.3教學團隊創(chuàng)建了全國并行計算教育與培養(yǎng)基地

80年代中期到90年代中期，教學團隊成員在全國各重點高校講演并行算法，在全國各地播下并行算法研究的種子。

90年中期后，隨著國家高性能計算中心(合肥)的成立，教學團隊逐漸形成了全國并行計算教育、培訓和人才培養(yǎng)基地。[4] 基地建設(shè)的成果先后獲得2001年國家級教學成果二等獎，2001年安徽省教學成果一等獎。

教學團隊在全國范圍內(nèi)開展課程推廣和培訓活動。2001年以來先后在貴州、成都、太原、大連、深圳等地舉行課程講習班，使得并行計算系列課程的教學成果逐步推廣和輻射到全國各主要地區(qū)。

2006年中國科技大學與教育部高等教育出版社聯(lián)合成立了“高性能計算課程教學資源研發(fā)基地”。該基地以并行計算系列課程及其教材為建設(shè)目標，致力于在高性能計算的課程建設(shè)、教學內(nèi)容、教學資源等方面進行合作開發(fā)。

2.4教學團隊在全國推廣了并行計算課程

并行計算系列課程的形成，經(jīng)過了長期的積累與建設(shè)，它的建設(shè)對我國該課程的教學起到示范與推動作用。為了將此成果盡早、盡快地推廣并輻射到全國各地，我們采用了邊建設(shè)、邊推廣的辦法，在推廣中不斷地完善課程自身的建設(shè)。

我們非常重視與全國有關(guān)高校同行交流，虛心征求兄弟院校的意見和建議，取長補短以達到不斷完善課程建設(shè)的目的。為此，我們曾分別在國內(nèi)眾多高校等進行了有關(guān)并行算法方面的學術(shù)報告和并行計算方面的專題講演，達到既傳播并行計算類教學成果，又廣泛吸納各方意見的目的。并行計算系列課程教學成果，也與港澳地區(qū)與海外同行進行了廣泛的交流。

并行計算課程的建設(shè)，自始至終得到教育部高等學校計算機教學指導委員會和高等教育出版社的大力支持，近五年來，我們曾根據(jù)教育部統(tǒng)一安排，分別在全國各大地區(qū)舉行過為期10天至1個月的“全國并行算法或并行計算”暑假教師(也包括研究生)課程講習班，積極向全國推廣并輻射并行計算教學成果。通過近幾年的不斷努力，并行計算系列課程的教學成果逐步推廣和輻射到我國各主要地區(qū)。

2.5教學團隊促進了學科建設(shè)和相關(guān)學科發(fā)展

多年來，我校并行計算的研究逐漸形成了并行算法“理論—設(shè)計—實現(xiàn)—應用”一套完整的學科體系，提出了并行計算 “結(jié)構(gòu)—算法—編程”一體化的研究方法。由于我們在并行計算方面有一支訓練有素的研究隊伍以及具有較扎實的理論基礎(chǔ)與研究經(jīng)驗，所以能夠連續(xù)不斷地申請到國家自然科學基金(重點)，“863計劃”(重點)和“973計劃”以及國家教育部博士點基金等項目。并行計算的科研成果很好的促進了并行計算類的教學建設(shè)。

同時，團隊促進了并行計算學科和交叉學科的發(fā)展。在全國正式形成和開設(shè)了并行計算課程，通過國家教指委認證后各個高等學校都可開設(shè)該課程，完成了課程從少數(shù)研究型大學到多數(shù)普通院校的普及，為并行計算學科在國內(nèi)的發(fā)展作出了貢獻。并行計算的受益者除了計算機專業(yè)和計算數(shù)學專業(yè)的學生外，廣大的計算應用型專業(yè)，如計算物理，計算化學等專業(yè)方向的學生，也從該系列課程中受益，這促進了相關(guān)交叉學科的發(fā)展。

3教學團隊的進一步建設(shè)計劃

教學團隊的建設(shè)和發(fā)展是一個不斷更新完善的過程，并行計算系列教學團隊已經(jīng)取得了一些成果，但在現(xiàn)有基礎(chǔ)上還需要進一步加強相關(guān)建設(shè)，使得團隊可以不斷得到發(fā)展和提升。本節(jié)給出進一步建設(shè)的幾點計劃。

3.1進一步加強基地建設(shè)

2006年中國科技大學與教育部高等教育出版社聯(lián)合成立了“高性能計算課程教學資源研發(fā)基地”。該基地以并行計算系列課程及其教材為建設(shè)目標，致力于在高性能計算的課程建設(shè)、教學內(nèi)容、教學資源等方面進行合作開發(fā)。我們將結(jié)合該基地的建設(shè)開發(fā)相關(guān)教學課件，提高教學質(zhì)量，幫助學生更好的學習并行計算課程。

3.2適時修訂《并行計算》系列教材

并行計算系列叢書中的《并行計算》(第三版)和《并行算法的設(shè)計與分析》(第三版)的修訂版作為國家“十一五”規(guī)劃入選教材，將在未來的三年內(nèi)完成。目前課程教材的整體內(nèi)容尚有些偏深，一般高校的普通計算機專業(yè)開始使用時，尚有一定的困難的。針對目前習題數(shù)量偏少，習題質(zhì)量有待提高的情況，在修訂教材的同時將特別加強應用型例題和習題。在條件成熟的情況下，考慮編寫并行計算系列教材的例題和習題選解。同時，增加更多的大型應用綜合作業(yè)，以便于學生從“應用問題—設(shè)計算法—編程實現(xiàn)—機器調(diào)試運行”中了解實際應用問題求解的全過程。

3.3積極引進人才，進一步提高團隊素質(zhì)

在努力培養(yǎng)和建設(shè)已有教學團隊的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國科大計算機系人才引進和教育部“111引智計劃”的實施，聘請海外人員，定期/不定期舉行并行計算的前沿與進展專題講座。利用中國科大“全院辦學，所系結(jié)合”的方針，邀請中科院計算所、軟件所等我校兼職教授以短期、集中的方式講授深層次的、帶有科研背景的并行計算有關(guān)內(nèi)容。同時，通過加強國際交流，提高團隊在國際上的影響。

3.4進一步加強并行計算實驗教學環(huán)節(jié)

并行計算系列課程是一門實踐性很強的課程，除了系統(tǒng)的課堂理論學習外，還需要配有足夠數(shù)量的實踐內(nèi)容，以鞏固和加深學生對并行算法理論、設(shè)計技術(shù)、分析方法和具體實現(xiàn)等各個環(huán)節(jié)的整體理解。實踐證明，這些實踐環(huán)節(jié)是非常必要的和重要的，它可以激發(fā)學生學習并行計算的積極性，縮小理論教學和實際應用能力之間的差距，引導學生進入一個思考和探索的世界，在這個世界里，他們是學習的主動參與者，而不再是被動的接受者。目前并行計算的實驗部分的平臺和實驗內(nèi)容還存在一定的局限，團隊將在未來的建設(shè)中進一步完善。

參考文獻

[1] 陳國良等. 并行算法設(shè)計與分析簡介及其教學法[J]. 教育現(xiàn)代化，1995，(1).

[2] 陳國良等. 并行計算課程的教學方法[J]. 中國大學教學，2004，(2).

[3] 陳國良等. 精品課程“并行計算”的建設(shè)[J]. 中國大學教學，2006，(1).

[4] 陳國良等. 并行算法類課程教學與基地建設(shè)[J]. 教育現(xiàn)代化，1999，(4).