程媛　黃建忠　游維濤　張滬寅

摘要：高性能計(jì)算機(jī)已成為重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。基于高性能計(jì)算機(jī)開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要存在基礎(chǔ)知識(shí)薄弱、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容不豐富以及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)方式單一等問(wèn)題。文章提出實(shí)踐創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，并針對(duì)上述問(wèn)題從3個(gè)方面闡述層次化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體系，建立開放式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，?gòu)建協(xié)同交流平臺(tái)的解決思路。

關(guān)鍵詞：高性能計(jì)算；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)體系；開放實(shí)驗(yàn)

1、高性能計(jì)算平臺(tái)應(yīng)用概述

高性能計(jì)算機(jī)作為高性能計(jì)算（High Perfor-mance Computing）領(lǐng)域的重要研究成果之一，已經(jīng)在眾多高校中部署，是必不可少的計(jì)算工具和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。高等教育的任務(wù)之一是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高級(jí)專門人才。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)創(chuàng)新型實(shí)踐人才的重要途徑，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和意識(shí)，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)都具有不可替代的作用。為滿足人才培養(yǎng)的需要，武漢大學(xué)高性能計(jì)算實(shí)驗(yàn)室對(duì)基于高性能計(jì)算機(jī)開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和方法進(jìn)行了積極的探索。

2、制定培養(yǎng)目標(biāo)

創(chuàng)新實(shí)踐型人才是指不僅具有創(chuàng)新精神、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，也能將想法付諸實(shí)踐并取得創(chuàng)新成果的人才。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，讓學(xué)生完成基于高性能計(jì)算機(jī)開展的一系列有層次的、進(jìn)階性的實(shí)驗(yàn)，達(dá)到創(chuàng)新實(shí)踐型人才的培養(yǎng)目的，開發(fā)學(xué)生的思維，拓寬學(xué)生的視野。創(chuàng)新實(shí)踐型人才的培養(yǎng)應(yīng)該從如下幾個(gè)方面著手：開發(fā)創(chuàng)新思維，積累創(chuàng)新知識(shí)，落實(shí)創(chuàng)新實(shí)踐，鍛煉創(chuàng)新意志以及增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。開發(fā)超前的創(chuàng)新思維，突破已有的思維束縛，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提出有新意的且可行的構(gòu)想；積累豐富的創(chuàng)新知識(shí)，創(chuàng)新理念的實(shí)現(xiàn)需要豐富的理論知識(shí)作為基礎(chǔ)通過(guò)在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中豐富各項(xiàng)專業(yè)知識(shí)，為創(chuàng)新實(shí)踐打下基礎(chǔ)；落實(shí)科學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐，任何好的創(chuàng)新理念都要通過(guò)各項(xiàng)實(shí)踐環(huán)節(jié)付諸實(shí)施，科學(xué)的創(chuàng)新實(shí)踐方法有助于更好、更有效地落實(shí)創(chuàng)新理念；鍛煉堅(jiān)韌的創(chuàng)新意志，創(chuàng)新是一種求變的過(guò)程，也是一個(gè)艱苦的歷程，期間會(huì)碰到各種困難，堅(jiān)韌的創(chuàng)新意志幫助我們克服障礙，獲取自己期待的結(jié)果；任何創(chuàng)新目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，都不是憑一己之力來(lái)完成的，需要集思廣益、共同合作開發(fā)，好的團(tuán)隊(duì)意識(shí)有助于激發(fā)成員工作的主動(dòng)性，更高效地完成創(chuàng)新項(xiàng)目。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過(guò)教師的指導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)腦、動(dòng)手、合作能力，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力方面具有不可替代的作用。通過(guò)小組合作的形式，研討解決方案，劃分任務(wù)，查找資料，實(shí)施測(cè)試來(lái)完成綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)遇到各種困難，這就需要小組成員共同合作解決。這個(gè)過(guò)程都體現(xiàn)在實(shí)踐創(chuàng)新人才培養(yǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)中。

3、目前實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的主要問(wèn)題

現(xiàn)有的高性能計(jì)算平臺(tái)普遍部署Linux操作系統(tǒng)，使用MPI實(shí)現(xiàn)程序并行，學(xué)生必須通過(guò)LSF作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)提交作業(yè)任務(wù)。但就目前的實(shí)驗(yàn)效果來(lái)看，普遍還存在以下問(wèn)題。

1）學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)薄弱。

雖然大部門學(xué)生能熟練使用Windows操作系統(tǒng)，但普遍缺乏Linux命令行環(huán)境下的基本操作知識(shí)，因此在使用計(jì)算平臺(tái)開展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)上手困難甚至無(wú)法使用平臺(tái)完成基本操作；其次，對(duì)LSF作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)使用不熟練，學(xué)生難以根據(jù)當(dāng)前平臺(tái)的可用計(jì)算資源以及整體作業(yè)運(yùn)行情況靈活設(shè)置作業(yè)提交腳本，導(dǎo)致了用戶作業(yè)提交后出現(xiàn)諸如申請(qǐng)的計(jì)算資源無(wú)法正常分配、作業(yè)運(yùn)行速度緩慢、作業(yè)長(zhǎng)時(shí)間等待甚至作業(yè)無(wú)法運(yùn)行等情況。

2）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容不豐富，開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)力度不夠。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要是基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、測(cè)試性實(shí)驗(yàn)。根據(jù)指導(dǎo)教師提供的程序和數(shù)據(jù)基于平臺(tái)完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以調(diào)用計(jì)算資源為主，基于平臺(tái)提供的軟/硬件資源實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步開發(fā)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)較少，分布式計(jì)算平臺(tái)的功能和特性無(wú)法進(jìn)一步體現(xiàn)。教學(xué)模式仍是以“實(shí)驗(yàn)理論教學(xué)+動(dòng)手實(shí)驗(yàn)”為主，開放性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ浇ㄔO(shè)不充分，不利于學(xué)生發(fā)展創(chuàng)新思維和提高創(chuàng)新能力。

3）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)模式單一。

實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)體現(xiàn)在講解實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)原理并對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題加以指正。但由于缺少穩(wěn)定、長(zhǎng)期的溝通渠道，指導(dǎo)教師必須反復(fù)回答重復(fù)出現(xiàn)的問(wèn)題，耗費(fèi)了大量精力。因此，必須建立一個(gè)有效的平臺(tái)對(duì)出現(xiàn)的各類問(wèn)題以及對(duì)應(yīng)的解決方法加以整理、積累。

4、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法創(chuàng)新

針對(duì)上述過(guò)程中提到的3點(diǎn)問(wèn)題，我們提出了如下的解決方法。

4.1 設(shè)置多層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

首先要因地制宜地設(shè)置有針對(duì)性的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的目的是加深對(duì)于Linux操作系統(tǒng)的了解，掌握Linux系統(tǒng)的操作方法；了解LSF腳本結(jié)構(gòu)，根據(jù)要求靈活編寫腳本并提交作業(yè)；掌握MPI基本概念以及MPI基本程序設(shè)計(jì)方法。

其次要加大設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比重。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是指給定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、要求和?shí)驗(yàn)條件，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并加以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。它能激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性、創(chuàng)造性，提高學(xué)生的認(rèn)識(shí)能力、組織能力和開拓創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上要突出實(shí)踐性和創(chuàng)新性。實(shí)驗(yàn)分組完成，每個(gè)小組3～4人，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括：HPC集群中基于Linux的大型機(jī)環(huán)境的配置及應(yīng)用、基于GPU圖形加速的程序設(shè)計(jì)、集群環(huán)境下基于Linux的集群系統(tǒng)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)等。通過(guò)完成該類型實(shí)驗(yàn)，可以提高學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，同時(shí)提高學(xué)生查閱資料、交流合作的能力。

4.2 建設(shè)開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

實(shí)驗(yàn)室開放實(shí)現(xiàn)了院際間的資源共享，打破了地域上的限制，但其恰恰是許多學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作中的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)室開放方式包括面對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生開放以及面向非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生開放。開放主要采用立項(xiàng)管理，依托于武漢大學(xué)本科生自主科研項(xiàng)目、本科生課程設(shè)計(jì)、本科生在讀期間參與導(dǎo)師項(xiàng)目需求以及大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽等開展。將項(xiàng)目類型劃分為課程設(shè)計(jì)型、科研型和競(jìng)賽型。面向非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生開放的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以應(yīng)用性為主，計(jì)算機(jī)本科學(xué)生申請(qǐng)的項(xiàng)目以設(shè)計(jì)性和開發(fā)性為主。此外，分別針對(duì)參與項(xiàng)目的學(xué)生以及項(xiàng)目本身建立檔案，采用定期回訪機(jī)制，了解項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)展。

4.3 搭建協(xié)同交流平臺(tái)

由于沒(méi)有建立長(zhǎng)效的交流機(jī)制，指導(dǎo)教師需要不斷解決實(shí)驗(yàn)過(guò)程中重復(fù)出現(xiàn)的問(wèn)題，導(dǎo)致了精力的大量浪費(fèi)。同時(shí)由于學(xué)生能力水平差異，水平高的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得不到推廣。開放性教學(xué)模式的建立，教師和學(xué)生處于準(zhǔn)永久性分離性狀態(tài)，無(wú)法給予學(xué)生實(shí)時(shí)指導(dǎo)。搭建“實(shí)驗(yàn)師教師一平臺(tái)用戶”協(xié)同交流平臺(tái)，在教師和學(xué)生、能力高的學(xué)生與能力低的學(xué)生之間建立了離線的交流機(jī)制。

協(xié)同交流平臺(tái)依據(jù)學(xué)生的能力高低、知識(shí)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)使用頻率等進(jìn)行分組，依托高性能計(jì)算實(shí)驗(yàn)室主頁(yè)和電子郵件或即時(shí)交流工具，通過(guò)建立留言板、討論區(qū)，創(chuàng)建電子郵件討論組、QQ群等方式，達(dá)到經(jīng)驗(yàn)共享、協(xié)同交流的效果。

5、結(jié)語(yǔ)

基于高性能計(jì)算平臺(tái)的多層次教學(xué)實(shí)驗(yàn)的開展，開放式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降慕?，以及協(xié)同交流平臺(tái)的搭建，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)形式、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)模式進(jìn)行了全方面的改革實(shí)驗(yàn)，在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力方面取得了明顯的效果。經(jīng)過(guò)初步探索和驗(yàn)證，產(chǎn)生了良好的教學(xué)效果，具備一定的科學(xué)性。但是，教學(xué)實(shí)驗(yàn)改革是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，需要不斷摸索實(shí)踐，充實(shí)更多更與時(shí)俱進(jìn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以滿足實(shí)踐創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需要。endprint