高性能计算实验室创新实践型人才培养

摘要：高性能计算机已成为重要的实验平台。基于高性能计算机开展的实验项目主要存在基础知识薄弱、实验项目内容不丰富以及实验指导方式单一等问题。文章提出实践创新型人才的培养目标，并针对上述问题从3个方面阐述层次化实验项目体系，建立开放式实验模式，构建协同交流平台的解决思路。

关键词：高性能计算；实验教学；教学体系；开放实验

1、高性能计算平台应用概述

高性能计算机作为高性能计算（High Perfor-mance Computing）领域的重要研究成果之一，已经在众多高校中部署，是必不可少的计算工具和实验平台。高等教育的任务之一是培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才。实验教学是培养创新型实践人才的重要途径，对培养学生的创新能力和意识，提高学生的综合素质都具有不可替代的作用。为满足人才培养的需要，武汉大学高性能计算实验室对基于高性能计算机开展的实验项目和方法进行了积极的探索。

2、制定培养目标

创新实践型人才是指不仅具有创新精神、创新思维和创新能力，也能将想法付诸实践并取得创新成果的人才。在实验教学过程中，让学生完成基于高性能计算机开展的一系列有层次的、进阶性的实验，达到创新实践型人才的培养目的，开发学生的思维，拓宽学生的视野。创新实践型人才的培养应该从如下几个方面着手：开发创新思维，积累创新知识，落实创新实践，锻炼创新意志以及增强团队合作意识。开发超前的创新思维，突破已有的思维束缚，在现有基础上提出有新意的且可行的构想；积累丰富的创新知识，创新理念的实现需要丰富的理论知识作为基础通过在实验环节中丰富各项专业知识，为创新实践打下基础；落实科学创新实践，任何好的创新理念都要通过各项实践环节付诸实施，科学的创新实践方法有助于更好、更有效地落实创新理念；锻炼坚韧的创新意志，创新是一种求变的过程，也是一个艰苦的历程，期间会碰到各种困难，坚韧的创新意志帮助我们克服障碍，获取自己期待的结果；任何创新目标的实现，都不是凭一己之力来完成的，需要集思广益、共同合作开发，好的团队意识有助于激发成员工作的主动性，更高效地完成创新项目。

实验教学通过教师的指导，培养学生动脑、动手、合作能力，在培养学生创新实践能力方面具有不可替代的作用。通过小组合作的形式，研讨解决方案，划分任务，查找资料，实施测试来完成综合性、设计性实验。在实验过程中会遇到各种困难，这就需要小组成员共同合作解决。这个过程都体现在实践创新人才培养的各个环节中。

3、目前实验过程中存在的主要问题

现有的高性能计算平台普遍部署Linux操作系统，使用MPI实现程序并行，学生必须通过LSF作业调度系统提交作业任务。但就目前的实验效果来看，普遍还存在以下问题。

1）学生基础知识薄弱。

虽然大部门学生能熟练使用Windows操作系统，但普遍缺乏Linux命令行环境下的基本操作知识，因此在使用计算平台开展实验项目时上手困难甚至无法使用平成基本操作；其次，对LSF作业调度系统使用不熟练，学生难以根据当前平台的可用计算资源以及整体作业运行情况灵活设置作业提交脚本，导致了用户作业提交后出现诸如申请的计算资源无法正常分配、作业运行速度缓慢、作业长时间等待甚至作业无法运行等情况。

2）实验项目内容不丰富，开放实验教学建设力度不够。

实验项目主要是基础性实验、测试性实验。根据指导教师提供的程序和数据基于平成实验项目，以调用计算资源为主，基于平台提供的软/硬件资源实现进一步开发的设计性实验较少，分布式计算平台的功能和特性无法进一步体现。教学模式仍是以“实验理论教学+动手实验”为主，开放性实验模式建设不充分，不利于学生发展创新思维和提高创新能力。

3）实验指导模式单一。

实验教师的指导体现在讲解实验步骤、实验原理并对实验过程中出现的问题加以指正。但由于缺少稳定、长期的沟通渠道，指导教师必须反复回答重复出现的问题，耗费了大量精力。因此，必须建立一个有效的平台对出现的各类问题以及对应的解决方法加以整理、积累。

4、实验内容及方法创新

针对上述过程中提到的3点问题，我们提出了如下的解决方法。

4.1 设置多层次的实验内容

首先要因地制宜地设置有针对性的基础性实验项目。基础性实验的目的是加深对于Linux操作系统的了解，掌握Linux系统的操作方法；了解LSF脚本结构，根据要求灵活编写脚本并提交作业；掌握MPI基本概念以及MPI基本程序设计方法。

其次要加大设计性实验的比重。设计性实验是指给定实验目的、要求和实验条件，由学生自行设计实验方案并加以实现的实验。它能激发学生的主动性、创造性，提高学生的认识能力、组织能力和开拓创新意识，培养学生的实践能力和创新精神。设计性实验在实验内容上要突出实践性和创新性。实验分组完成，每个小组3～4人，实验项目包括：HPC集群中基于Linux的大型机环境的配置及应用、基于GPU图形加速的程序设计、集群环境下基于Linux的集群系统监控程序设计等。通过完成该类型实验，可以提高学习积极性和主动性，同时提高学生查阅资料、交流合作的能力。

4.2 建设开放性实验教学模式

实验室开放实现了院际间的资源共享，打破了地域上的限制，但其恰恰是许多学校实验教学工作中的一个难点问题。实验室开放方式包括面对计算机专业学生开放以及面向非计算机专业学生开放。开放主要采用立项管理，依托于武汉大学本科生自主科研项目、本科生课程设计、本科生在读期间参与导师项目需求以及大学生学科竞赛等开展。将项目类型划分为课程设计型、科研型和竞赛型。面向非计算机专业学生开放的实验项目以应用性为主，计算机本科学生申请的项目以设计性和开发性为主。此外，分别针对参与项目的学生以及项目本身建立档案，采用定期回访机制，了解项目实施进展。

4.3 搭建协同交流平台

由于没有建立长效的交流机制，指导教师需要不断解决实验过程中重复出现的问题，导致了精力的大量浪费。同时由于学生能力水平差异，水平高的学生在实验过程中的经验总结得不到推广。开放性教学模式的建立，教师和学生处于准永久性分离性状态，无法给予学生实时指导。搭建“实验师教师一平台用户”协同交流平台，在教师和学生、能力高的学生与能力低的学生之间建立了离线的交流机制。

协同交流平台依据学生的能力高低、知识结构、系统使用频率等进行分组，依托高性能计算实验室主页和电子邮件或即时交流工具，通过建立留言板、讨论区，创建电子邮件讨论组、QQ群等方式，达到经验共享、协同交流的效果。

5、结语

基于高性能计算平台的多层次教学实验的开展，开放式实验模式的建立，以及协同交流平台的搭建，对实验内容、实验形式、实验指导模式进行了全方面的改革实验，在培养学生的创新精神和实践能力方面取得了明显的效果。经过初步探索和验证，产生了良好的教学效果，具备一定的科学性。但是，教学实验改革是一个长期的过程，需要不断摸索实践，充实更多更与时俱进的实验项目，以满足实践创新型人才培养的需要。