并行算法與程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革與交叉領(lǐng)域服務(wù)性探索

趙青+熊聰聰+周婧

摘 要： 近期，Google的“阿法狗”戰(zhàn)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(shù)據(jù)”、“深度學(xué)習(xí)”上來。而這些復(fù)雜智能算法的背后，都離不開并行計(jì)算、云計(jì)算技術(shù)的支持。尤其是當(dāng)今隨著高精尖儀器科學(xué)的發(fā)展，各領(lǐng)域所能探測和采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都在急劇增長，如何能夠解決海量數(shù)據(jù)下的計(jì)算復(fù)雜度高、耗時長、存儲需求大的問題，并行計(jì)算技術(shù)必不可少，如果說計(jì)算機(jī)科學(xué)是一門工具科學(xué)，那么并行計(jì)算技術(shù)就是工具中的工具。它可以提高科研實(shí)驗(yàn)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(chǎn)出，對各種其他科研方向都有著重要的推進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：并行算法 程序設(shè)計(jì) 改革教學(xué)

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

傳統(tǒng)并行計(jì)算教學(xué)主要依靠大型機(jī)器，對硬件的要求高，因此學(xué)生實(shí)踐往往受到限制，今年來，因?yàn)槌杀竞蛿U(kuò)展性方面的優(yōu)勢，由普通商業(yè)機(jī)器組建大型集群也漸成并行分布式領(lǐng)域的主流。而且，隨著多核時代的到來、以及GPU技術(shù)的普及，普通PC機(jī)的性能已經(jīng)大大提高，現(xiàn)在簡單幾臺PC機(jī)就可以成為并行計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺，大大方便了并行計(jì)算課程的課上授課和課下實(shí)踐教學(xué)的展開。因此，如何改革并行算法與程序設(shè)計(jì)課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，并推進(jìn)與其他交叉領(lǐng)域的擴(kuò)展和融合，提升并行計(jì)算技術(shù)對其他領(lǐng)域的服務(wù)性是當(dāng)前研究的關(guān)鍵。

本文旨在研究如何合理規(guī)劃并行算法與程序設(shè)計(jì)課程的課時，并在此基礎(chǔ)上探索如何引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)各自的科研課題方向自選實(shí)踐課題，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)的能力，以達(dá)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(jìn)作用，從而使并行計(jì)算技術(shù)真正成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域科研中一種可以應(yīng)用、會應(yīng)用的有效工具，對于培養(yǎng)當(dāng)今大數(shù)據(jù)時代的信息技術(shù)高級人才至關(guān)重要。

一、改進(jìn)教學(xué)方法—— 實(shí)例驅(qū)動型課程的建設(shè)

并行計(jì)算與程序設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)具有一定的復(fù)雜性特征，它以串行程序設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法分析等課程為基礎(chǔ)，且并行算法的思想一般較難理解，在算法設(shè)計(jì)中還要考慮資源競爭中所采取的同步互斥策略，在調(diào)試階段由于調(diào)試工具的不足和運(yùn)行本身的復(fù)雜性，使得問題頻出，調(diào)試難度高。這些都直接導(dǎo)致并行計(jì)算在學(xué)習(xí)上具有一定的難度。因此，在有限的教學(xué)學(xué)時內(nèi)讓學(xué)生充分掌握并行計(jì)算技術(shù)的核心思想和應(yīng)用技巧并不容易。

因此，我們引入了實(shí)例驅(qū)動型授課方式，對并行計(jì)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(shù)，我們把多年教學(xué)和科研中積累的典型場景、典型應(yīng)用引入課堂教學(xué)中，并嘗試采用多媒體教學(xué)工具動態(tài)演示一些較為晦澀的并行執(zhí)行過程，或結(jié)合一些生動有趣的經(jīng)典小故事，讓學(xué)生切實(shí)理解并行思想的精要之處。

實(shí)例驅(qū)動型授課改進(jìn)的重點(diǎn)在于實(shí)例庫的建設(shè)和擴(kuò)充，為此我們既要旁征博引，即參考一些經(jīng)典課本中的典型應(yīng)用案例，又要結(jié)合我們?nèi)粘２⑿杏?jì)算方向科研自主取得的研究成果，也要積累往屆學(xué)生的優(yōu)秀課程作業(yè)，從而進(jìn)一步提高實(shí)例化教學(xué)的所占比例，已讓學(xué)生達(dá)到可以活學(xué)活用的目的。

二、自主選題課下實(shí)踐教學(xué)的推進(jìn)與考核體系的建立

為了充分體現(xiàn)并行計(jì)算技術(shù)的實(shí)踐性和服務(wù)性特征，使學(xué)生能夠真正學(xué)有所用，可以成為今后科研實(shí)驗(yàn)的有效手段，同時也為了彌補(bǔ)課時的相對不足，我們鼓勵學(xué)生在課下的實(shí)踐環(huán)節(jié)通過結(jié)合自身科研方向的自主選題展開動手實(shí)踐，讓并行計(jì)算技術(shù)能在各自的研究領(lǐng)域中真正落地，真正能夠?qū)W(xué)生的日?？蒲袑?shí)驗(yàn)起到加速的目的，讓并行計(jì)算技術(shù)能在與我學(xué)院的其他優(yōu)勢科研領(lǐng)域的相互融合和交叉中激發(fā)出更多的科研思路。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化當(dāng)前的考核體系，以實(shí)踐成果為主要檢驗(yàn)對象，特別是引導(dǎo)學(xué)生完成從自主選題，到算法設(shè)計(jì)、再到并行平臺搭建和程序運(yùn)行，最后到結(jié)果性能分析和課程論文撰寫的全套科研模式，并以完成質(zhì)量為課程分?jǐn)?shù)的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步鼓勵學(xué)生以找到科研交叉點(diǎn)，撰寫和發(fā)表小論文為最優(yōu)成果，從而培養(yǎng)研一學(xué)生的科研能力。

三、教學(xué)實(shí)踐云平臺的建設(shè)

Spark是當(dāng)今最新最熱門的類Hadoop MapReduce通用并行框架，它擁有經(jīng)典云平臺Hadoop的所有優(yōu)點(diǎn)；但不同于MapReduce的是Job中間輸出結(jié)果可以保存在內(nèi)存中，從而不再需要讀寫Hadoop文件系統(tǒng)，因此Spark能更好地適用于數(shù)據(jù)挖掘與機(jī)器學(xué)習(xí)等需要迭代的MapReduce的算法中。利用機(jī)房的數(shù)十臺普通PC機(jī)器，構(gòu)建Spark云計(jì)算平臺，既能鍛煉學(xué)生理解云計(jì)算、理解分布式計(jì)算處理的能力，又能培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用并行計(jì)算技術(shù)解決實(shí)際科研領(lǐng)域問題的能力。

四、課下合作小組機(jī)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(xué)生很容易難以適應(yīng)，而在平臺搭建、程序運(yùn)行調(diào)試等實(shí)驗(yàn)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(yù)知的異常錯誤，由于并行執(zhí)行的各個線程或進(jìn)程對系統(tǒng)資源的搶占，每次執(zhí)行順序可能都不盡相同，這就導(dǎo)致很多異常很難再現(xiàn)，同時并行調(diào)試工具也相對不足，這些都導(dǎo)致并行程序在實(shí)際運(yùn)行中較為困難。鼓勵學(xué)生成立合作小組，相互合作、多方探討、共同推進(jìn)，是提高學(xué)生實(shí)踐積極性的必然出路。經(jīng)過前期的教學(xué)實(shí)踐，這種小組機(jī)制已經(jīng)初見成效，但在小組組織形式、管理模式方面應(yīng)該進(jìn)一步優(yōu)化，提高小組的凝聚力，提高組員的主動性是改革的目標(biāo)。

五、小結(jié)

經(jīng)過多年的“并行算法與程序設(shè)計(jì)”課程教學(xué)，我們從中體會到要讓學(xué)生充分領(lǐng)會并行計(jì)算的精要，達(dá)到活學(xué)活用的目的，就要全面改進(jìn)授課方式，提高實(shí)例教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)的比例，并充分調(diào)動學(xué)生的課后主動實(shí)踐、主動應(yīng)用的積極性，并結(jié)合研究生階段的各自研究方向，充分探索并行計(jì)算技術(shù)在各交叉學(xué)科中的應(yīng)用能力，提高并行計(jì)算技術(shù)的服務(wù)性作用，并鼓勵學(xué)生以小組為單位，共同合作，迎難而上，已達(dá)到更好的教學(xué)效果。