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摘要：結(jié)合在并行編程實踐和《并行計算》課程教學(xué)經(jīng)驗，分析了面向非計算機專業(yè)學(xué)生的《并行計算》課程的設(shè)計原則和目標(biāo)，探索了《并行計算》課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計。通過基礎(chǔ)知識與并行編程知識講授并重、講授與實做并重的授課方式，重點培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用并行計算解決實際應(yīng)用問題的能力。

關(guān)鍵詞：并行計算；教學(xué)方法；探討

一課程設(shè)計原則和目標(biāo)

（一）設(shè)計原則

《并行計算》課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容主要包括：并行算法設(shè)計、并行計算機體系結(jié)構(gòu)和并行編程三部分[1]。該課程面向的學(xué)員大部分為船舶與海洋工程專業(yè)，具有明顯的跨學(xué)科的特點，課程教學(xué)的最終目的是培養(yǎng)學(xué)生用并行計算的思想解決相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)具體應(yīng)用問題的并行求解的能力，因此，課程應(yīng)在圍繞基本理論開展的同時，針對學(xué)生的具體情況，結(jié)合船舶與海洋工程專業(yè)各領(lǐng)域?qū)Σ⑿杏嬎銘?yīng)用的具體需求開展設(shè)計，避免出現(xiàn)重理論、輕實踐的情況。

（二）設(shè)計目標(biāo)

根據(jù)《并行計算》課程的特點和授課對象的特點，課程設(shè)計目標(biāo)如下： （1）在教學(xué)內(nèi)容上，講授必要的計算機結(jié)構(gòu)、編程的基礎(chǔ)知識，彌補非計算機專業(yè)學(xué)生計算機基礎(chǔ)知識的不足；（2）為了達到與各專業(yè)實際應(yīng)用相結(jié)合的目的，根據(jù)不同專業(yè)應(yīng)用背景設(shè)置具體的實做內(nèi)容；同時，課程進行中引導(dǎo)不同專業(yè)學(xué)生之間對各自的并行計算問題進行交流與總結(jié)，達到相互學(xué)習(xí)，共同進步的目的。

二教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

根據(jù)課程的總體規(guī)劃，《并行計算》課程的教學(xué)內(nèi)容分為講授和實做兩部分，講授部分主要包括：基本知識點、并行算法設(shè)計和實現(xiàn)、典型應(yīng)用問題并行算法設(shè)計等內(nèi)容的講授，實做部分主要包括：熟悉并行計算機和編程環(huán)境，典型數(shù)值計算方法并行算法實現(xiàn)，專業(yè)應(yīng)用問題并行算法設(shè)計與實現(xiàn)及討論。

（一）講授

（1）基礎(chǔ)知識點

《并行計算》課程基礎(chǔ)知識點的講授主要包括五部分內(nèi)容，一是普及非計算機專業(yè)學(xué)生關(guān)于并行計算系統(tǒng)的基本知識，二是以MPI為例講授消息傳遞并行編程的基本思想和方法，三是講解并行程序的性能評價和優(yōu)化方法[3]，四是以O(shè)penMP為例講授共享存儲并行編程的基礎(chǔ)知識，五是講授MPI+OpenMP混合編程的方法和實現(xiàn)。1)并行計算概述。首先，從對并行計算應(yīng)用需求談起，介紹并行計算的應(yīng)用方向和領(lǐng)域；接著，給出并行計算的概念，包括：并行計算的定義、高性能計算機TOP排名、并行計算分類等；然后，介紹國內(nèi)外并行計算發(fā)展歷史，結(jié)合并行計算機的發(fā)展歷程講授向量機、共享存儲多處理機計算機、分布式共享存儲并行計算機、大規(guī)模并行計算機、集群等概念；最后，結(jié)合本單位在并行計算研究和應(yīng)用中取得的成果，講授并行計算在實際中的具體應(yīng)用。2)并行計算機體系結(jié)構(gòu)與編程模型。結(jié)合具體的超級計算機示例，首先介紹并行計算機的體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的知識點；再講授進程與線程這兩個核心概念和編程環(huán)境；最后介紹并行編程模型和并行程序設(shè)計的基本思想。3）MPI消息傳遞并行編程。講授內(nèi)容主要包括：基礎(chǔ)概念、基礎(chǔ)編程、高級編程三部分。其中基礎(chǔ)概念包括：MPI發(fā)展歷史、MPI實現(xiàn)種類、MPI程序的一般結(jié)構(gòu)、MPI程序的編譯與運行、MPI數(shù)據(jù)類型以及6個最基本的MPI調(diào)用等內(nèi)容;基本編程主要結(jié)合一些容易理解和實現(xiàn)應(yīng)用問題的并行實現(xiàn)，介紹編寫基本MPI程序的相關(guān)知識點，具體包括MPI程序設(shè)計的基本模式、通信域、消息、點對點通信等相關(guān)概念;高級編程主要結(jié)合實際案例介紹編寫高效MPI程序的相關(guān)知識點，以ð值數(shù)值并行求解為例，分別使用點對點、聚合通信對其進行實現(xiàn)，分析比較不同實現(xiàn)方法的優(yōu)缺點和使用范圍。4）并行程序性能評價和優(yōu)化方法。講授內(nèi)容主要包括基本概念、并行程序性能評價方法、并行程序性能優(yōu)化方法等內(nèi)容。其中，基本概念主要包括：并行程序執(zhí)行時間、加速比、效率等內(nèi)容；性能評價方法，主要講述：加速比、數(shù)值效率、并行效率的概念；性能優(yōu)化，分別講述串行程序性能優(yōu)化、并行程序性能優(yōu)化的常用方法。5）OpenMP共享存儲并行編程。講授內(nèi)容主要包括：基礎(chǔ)概念、OpenMP指導(dǎo)語句、數(shù)據(jù)環(huán)境控制三部分。其中，基礎(chǔ)概念包括：OpenMP發(fā)展歷史、OpenMP指導(dǎo)語句、OpenMP存儲模型等內(nèi)容；OpenMP指導(dǎo)語句部分包括：parallel結(jié)構(gòu)、工作共享結(jié)構(gòu)、Tasking子句、結(jié)構(gòu)嵌套規(guī)則等內(nèi)容；數(shù)據(jù)環(huán)境控制包括：變量共享和私有、并行域邊界數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)環(huán)境控制等內(nèi)容。6）MPI+OpenMP混合并行編程。教書內(nèi)容主要包括：MPI+OpenMP混合編程模式的結(jié)構(gòu)、MPI+OpenMP混合編程模式的實現(xiàn)和性能評價三部分。

（2）并行算法的設(shè)計與實現(xiàn)

本部分內(nèi)容，主要講授如何運用MPI并行編程環(huán)境完成數(shù)值積分、矩陣相乘、線性方程組求解、FFT等典型的數(shù)值求解問題的并行算法設(shè)計、實現(xiàn)和程序性能的優(yōu)化[4，5]，同時，以ð的數(shù)值求解為例講授MPI+OpenMP混合并行編程模式的設(shè)計實現(xiàn)及性能分析。重點培養(yǎng)學(xué)生運用并行計算的手段解決實際應(yīng)用問題的能力。1）數(shù)值積分并行求解。以梯形積分公式（ð的數(shù)值求解）為例，分別講述如何采用簡單區(qū)域分解、主從模式數(shù)值積分并行算法設(shè)計和實現(xiàn)，并對兩種方法的優(yōu)缺點和并行程序的執(zhí)行效率進行分析比較。2）矩陣相乘并行求解。主要講授如何采用行行、行列、列行、列列四種劃分方法實現(xiàn)矩陣相乘的并行算法的設(shè)計和實現(xiàn)，并結(jié)合并行算法對以上四種劃分方法的計算量和通信量進行比較分析。3）線性方程組并行求解。主要講述LU分解、三對角方程組求解得并行算法的設(shè)計和實現(xiàn)。4）FFT求解的并行實現(xiàn)。主要講述一維、二維FFT算法的并行算法設(shè)計和實現(xiàn)，及其在多項式相乘、循環(huán)矩陣方程組求解中的應(yīng)用。5）MPI+OpenMP混合并行編程。主要講述如何在SMP集群上，采用MPI+OpenMP二級混合并行編程方法實現(xiàn)ð的數(shù)值并行求解，并結(jié)合測試結(jié)果，比較MPI、OpenMP、MPI+OpenMP三種并行模式的優(yōu)缺點和使用范圍。

（二）實做與討論

實做與環(huán)節(jié)采用“基礎(chǔ)十領(lǐng)域”的方式，與講述部分穿插進行，實驗既包含典型的MPI案例編程實現(xiàn)，又包括面向各專業(yè)自身領(lǐng)域的并行應(yīng)用開發(fā)。在基礎(chǔ)實驗環(huán)節(jié)，由每個學(xué)生獨立完成，學(xué)生結(jié)合教師對MPI、OpenMP編程知識點的講授，以ð值并行求解、矩陣相乘、線性方程組并行求解等典型應(yīng)用計算問題作為研究對象，采用不同的并行算法和通信方式，反復(fù)練習(xí)和比較分析，強化學(xué)生對MPI、OpenMP及混合編程并行編程基礎(chǔ)知識的理解。在領(lǐng)域并行應(yīng)用開發(fā)實驗環(huán)節(jié)，實做部分主要為選擇2-3個專業(yè)領(lǐng)域中常用問題，采用學(xué)生做、學(xué)生講方式的方式進行，帶領(lǐng)學(xué)生一起完成應(yīng)用問題的并行求解，鍛煉學(xué)生應(yīng)用前面所學(xué)的并行算法設(shè)計、編程等基礎(chǔ)知識解決學(xué)術(shù)研究和專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)具體問題的并行處理的能力。

（三）考核方式

《并行計算》課程的考核可以采用筆試+實做的考核方式，以考核學(xué)生對《并行計算》課程基本知識點的掌握情況和應(yīng)用并行計算解決實際問題的能力，實現(xiàn)對學(xué)生并行計算理解與應(yīng)用能力的綜合評價。

三總結(jié)

隨著并行計算機的普及和應(yīng)用需求的增長，對并行計算基礎(chǔ)知識的教學(xué)提出了新的要求。本文針對并行計算課程，結(jié)合作者在教學(xué)過程中的經(jīng)驗和思考，就如何在非計算機專業(yè)的學(xué)生中開展課程的教與學(xué)進行了探討。 

參考文獻

[1]張林波，遲學(xué)斌，莫則堯，等.并行計算導(dǎo)論[M].北京:清華大學(xué)出版社，2006.

[2]徐新海，唐玉華，林宇斐.跨專業(yè)并行計算基礎(chǔ)課程教學(xué)設(shè)計[J].計算機教育，2014，（23）：106-109.

[3]MichaelJ.Quinn著，陳文光，武永衛(wèi)等譯.MPI與OpenMP并行程序設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[4]陳國良，等．并行算法實踐[M]．北京：高等教育出版社，2004.

[5]BarryWilkinson,MichaelAllen著，陸鑫達等譯.并行程序設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

作者:范培勤 韓梅 單位:海軍潛艇學(xué)院