摘要：針對目前高性能機群人才需求旺盛而高校對高性能機群計算知識普及不夠的現(xiàn)狀，以培養(yǎng)工程實踐性機群系統(tǒng)管理人員為目標(biāo)，闡述面向高校計算機專業(yè)本科生開設(shè)高性能機群計算課程的教學(xué)目標(biāo)；并進(jìn)行課程設(shè)計，包括教學(xué)內(nèi)容及教材選取、課時安排以及教學(xué)方法設(shè)計。北京工業(yè)大學(xué)的教學(xué)實踐表明，上述課程設(shè)計取得了較好的教學(xué)成效。
　　關(guān)鍵詞：高性能機群；工程人才；課程設(shè)計
　　
　　高性能機群計算是指以提高科學(xué)計算及企業(yè)計算能力為目的的機群技術(shù)，是高性能計算的支撐技術(shù)。目前，機群以其高性價比、可擴(kuò)展性等優(yōu)勢已成為高性能計算的主流平臺架構(gòu)。隨著企業(yè)、高校及科研院所紛紛構(gòu)建機群系統(tǒng)，對機群系統(tǒng)管理人員的需求旺盛[1]。針對高校學(xué)生，尤其是計算機專業(yè)學(xué)生，普及高性能機群計算技術(shù)，培養(yǎng)機群技術(shù)人才是適應(yīng)社會人才需求、促進(jìn)高性能機群產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要舉措。
　　目前，對高校本科生開展高性能機群計算普及和推廣教學(xué)的主要形式是在高性能計算相關(guān)課程，如并行計算、Web計算、計算機體系結(jié)構(gòu)等，設(shè)置獨立章節(jié)，從課程自身的視角，將機群系統(tǒng)作為一種應(yīng)用運行支撐平臺或一種并行計算機體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行概要性介紹，課時約在2～6個學(xué)時[2-5]。然而，高性能機群計算在其近30年的發(fā)展中已形成較為完善的理論基礎(chǔ)和實踐方法。目前的教學(xué)內(nèi)容和方式難以幫助學(xué)生形成系統(tǒng)而完整的機群計算知識體系。因此，面向計算機專業(yè)本科生開設(shè)獨立的高性能機群計算課程勢在必行。
　　高性能機群計算是北京工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院面向高年級本科生新近開設(shè)的一門學(xué)科基礎(chǔ)選修課程。該門課程以培養(yǎng)工程實踐型機群系統(tǒng)管理人才為主體目標(biāo)，結(jié)合計算機學(xué)院高年級本科生的知識背景，進(jìn)行了教學(xué)內(nèi)容和教材選擇以及課程設(shè)計，力求使學(xué)生獲取較為全面而系統(tǒng)的機群理論和實踐知識。教學(xué)結(jié)果表明，該門課程的教學(xué)取得了較好的成效。
　　1人才培養(yǎng)與教學(xué)目標(biāo)
　　機群系統(tǒng)管理人員屬于工程實踐型人才，其主要職責(zé)是機群系統(tǒng)的構(gòu)建、管理和維護(hù)，對意外和系統(tǒng)故障進(jìn)行實時響應(yīng)和現(xiàn)場解決。因此，在知識結(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)管理員除了應(yīng)具備扎實的機群基礎(chǔ)理論知識外，這類人員還需要具備機群系統(tǒng)實際操作、管理等相關(guān)工程知識。
　　北京工業(yè)大學(xué)高性能機群計算本科教學(xué)以培養(yǎng)機群系統(tǒng)管理人員為目標(biāo)，緊扣管理員的知識結(jié)構(gòu)需求，力圖通過理論和實踐兩種教學(xué)形式相結(jié)合，使學(xué)生初步具備成為機群系統(tǒng)管理員的知識基礎(chǔ)和技術(shù)素養(yǎng)。因此，我們確定了課程教學(xué)的3個具體目標(biāo).
　　1) 使學(xué)生牢固掌握高性能機群計算的核心概念和基礎(chǔ)理論，形成對機群系統(tǒng)層次化架構(gòu)的基本認(rèn)識。
　　2) 使學(xué)生熟練掌握典型機群系統(tǒng)的構(gòu)建和管理的主要方法，能夠完成機群系統(tǒng)的構(gòu)建和測試，并掌握機群系統(tǒng)日常監(jiān)控的基本方法。
　　3) 使學(xué)生掌握高性能機群知識獲取的主要渠道，具備一定的獨立獲取和更新機群知識的能力，為日后的深入學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。
　　2課程設(shè)計
　　2.1教學(xué)內(nèi)容選取
　　“系統(tǒng)而全面”是該門課程教學(xué)內(nèi)容選取上應(yīng)貫徹的核心思想。
　　圖1是高性能機群系統(tǒng)的普適性架構(gòu)圖[6]。在該門課程教學(xué)內(nèi)容選取上，系統(tǒng)性主要落實為以該層次化的架構(gòu)圖為主線，對架構(gòu)圖各層次的理論和實踐知識進(jìn)行講解，最終使學(xué)生對一個完整機群系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)以及各技術(shù)間的層次關(guān)系有明晰的理解。
　　教學(xué)內(nèi)容選取的全面性體現(xiàn)為兩點。第一，理論和實踐知識并重。緊扣培養(yǎng)工程實踐型機群系統(tǒng)管理人員的目標(biāo)，該門課程在工程實踐的講解上，選取了目前在高性能計算領(lǐng)域占主流的Linux機群系統(tǒng)的構(gòu)建和管理作為主要內(nèi)容。第二，覆蓋主要機群類型。針對兩大機群類型，即科學(xué)計算型機群和事務(wù)處理型機群，分別講述所涉及的關(guān)鍵理論和技術(shù)，以及各類Linux機群的構(gòu)建和管理的技術(shù)要點。
　　因此，我們設(shè)計該門課程的教學(xué)內(nèi)容主要包括如下內(nèi)容：1)機群概述：機群的基本概念、整體層次化架構(gòu)和機群的主要應(yīng)用場景與技術(shù)需求；2)機群節(jié)點構(gòu)成：機群系統(tǒng)的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源的基礎(chǔ)組成和主要互連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；3)機群中間件(即可用性和單一系統(tǒng)映像基礎(chǔ)設(shè)施)的關(guān)鍵技術(shù)：共性技術(shù)及各類機群的個性技術(shù)；4) 機群應(yīng)用開發(fā)簡介；5)典型的科學(xué)計算型Linux機群系統(tǒng)以及事務(wù)處理型Linux機群系統(tǒng)的構(gòu)建和管理。
　　在教材的選取上，目前尚缺乏理論和實踐并重的高性能機群教材。我們選取了電子工業(yè)出版社的《高性能集群計算：結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)》、機械工業(yè)出版社的《微機集群組建、優(yōu)化和管理》、以及中國水利水電出版社的《Linux企業(yè)集群——用商用硬件和免費軟件構(gòu)建高可用集群》。上述3本書的內(nèi)容分別側(cè)重于機群理論知識，科學(xué)計算型機群構(gòu)建管理和事務(wù)處理型機群構(gòu)建管理，是高性能機群計算領(lǐng)域較典型的教材，因此能夠滿足教學(xué)需求。
　　2.2教學(xué)計劃
　　高性能機群計算課程的前導(dǎo)課程包括計算機體系結(jié)構(gòu)、計算機操作系統(tǒng)以及計算機網(wǎng)絡(luò)，后續(xù)課程包括并行計算、web計算等。因此，該門課程適合安排在大三下學(xué)期或大四上學(xué)期，面向高年級計算機專業(yè)本科生開設(shè)。高性能機群計算課程共有32學(xué)時，其中理論課時18學(xué)時，實驗課時14學(xué)時。該課程的課時安排如表1所示。
　　表1中1-4部分屬于理論知識教學(xué)，5屬于實踐知識教學(xué)。6則屬于學(xué)生自主開展的理論實踐綜合調(diào)研學(xué)習(xí)。本課程的課時安排是以人才培養(yǎng)為導(dǎo)向，存在如下特點：
　　1) 理論與實踐知識講解的課時比例接近1比1。力求使學(xué)生在掌握基礎(chǔ)理論的前提下，真正掌握成為機群系統(tǒng)管理員所需要的實踐技術(shù)基礎(chǔ)。
　　2) 在機群理論知識講解中，機群中間件層占用了50% 的課時，其原因是機群中間件層是機群系統(tǒng)的核心層，針對不同機群類型的技術(shù)差異主要體現(xiàn)在這個層次，其設(shè)計優(yōu)劣直接影響機群系統(tǒng)的效率；且該層次包含的技術(shù)要點在其余高性能計算相關(guān)課程中未涉及。
　　3) 機群節(jié)點構(gòu)成與機群應(yīng)用開發(fā)兩部分，分別與前導(dǎo)課程(如計算機體系結(jié)構(gòu)、計算機網(wǎng)絡(luò))和后續(xù)課程(如并行計算、Web計算)存在知識交集?？梢栽谇皩?dǎo)知識基礎(chǔ)上擴(kuò)展講解，并為后續(xù)課程開一個好頭。因此，安排課時相對較少。
　　2.3教學(xué)方式與方法
　　以培養(yǎng)工程實踐性人才為導(dǎo)向，服務(wù)于3個具體教學(xué)目標(biāo)，高性能機群計算課程教學(xué)中需要理論教學(xué)與實踐教學(xué)兩種方式并舉，并采用多種教學(xué)方法，主要體現(xiàn)為理論教學(xué)中理論與實例相結(jié)合、以能力為本的層次化實驗教學(xué)設(shè)計、以及通過分組專題調(diào)研和討論培養(yǎng)學(xué)生再學(xué)習(xí)能力。
　　2.3.1理論教學(xué)
　　根據(jù)課前的學(xué)生知識背景調(diào)查，本科生群體對于高性能機群這個領(lǐng)域基本陌生，僅靠機械灌輸理論概念很難讓學(xué)生對所學(xué)知識記憶深刻。因此，在理論講解時需要結(jié)合高性能機群經(jīng)典案例，讓學(xué)生對這些抽象的理論知識有感性認(rèn)識。例如，在各層次理論講解中，將經(jīng)典的Beowulf機群以及先進(jìn)的IBM BlueGen/L機群貫穿始終，讓學(xué)生了解這些機群從節(jié)點構(gòu)成、中間件設(shè)計到應(yīng)用開發(fā)的各個層次，如何運用理論知識確定實際實現(xiàn)方案，并在實際應(yīng)用中不斷優(yōu)化。
　　此外，本課程采用多媒體教學(xué)。通過章節(jié)分明的ppt文字、生動的圖片和動畫演示，幫助學(xué)生掌握核心知識點、降低學(xué)習(xí)難度，提高教學(xué)的效率。在課堂講解時啟發(fā)式問答方式，對一些重要概念和關(guān)鍵技術(shù)設(shè)置問題，通過提問的方式，啟發(fā)學(xué)生的思考，活躍課堂氣氛，加深學(xué)生理解。
　　2.3.2實踐教學(xué)
　　機群的實踐知識多而繁雜，而學(xué)生的理解能力和實踐能力各異，因此需要因材施教、區(qū)分對待。為此，我們設(shè)計了以能力為本的層次化實踐教學(xué)，將實踐教學(xué)分為3個層次。
　　
　　1) 基礎(chǔ)層，設(shè)計一個基礎(chǔ)機群系統(tǒng)的構(gòu)建和維護(hù)。包括節(jié)點網(wǎng)絡(luò)配置，Linux相關(guān)基礎(chǔ)服務(wù)配置，以及面向科學(xué)計算型機群所必須的并行程序運行環(huán)境和作業(yè)管理系統(tǒng)構(gòu)建和狀態(tài)監(jiān)控，面向事務(wù)處理型機群的高可用服務(wù)構(gòu)建和監(jiān)控等。所有學(xué)生必須熟練掌握并獨立完成基礎(chǔ)層的各項實驗內(nèi)容。
　　2) 提高層，在基礎(chǔ)機群系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對不同類型的機群系統(tǒng)的關(guān)鍵功能部件設(shè)計優(yōu)化問題，如對機群作業(yè)調(diào)度策略進(jìn)行改造。讓學(xué)生通過C，Shell等語言對既有配置進(jìn)行優(yōu)化修改，并利用性能測試工具，跟蹤機群應(yīng)用性能，實現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)。通過這個層次的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生深刻體會關(guān)鍵功能部件對機群性能和效率的影響。
　　3) 綜合層，模擬實際項目案例，設(shè)計一個綜合性的機群系統(tǒng)建設(shè)問題。如從一個企業(yè)機群構(gòu)建需求出發(fā)，分析機群需具備的類型特征；指導(dǎo)學(xué)生完成從節(jié)點選型、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計、機群中間件選取和安裝配置到應(yīng)用部署的全過程；并利用模擬負(fù)載，指導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)機群實際運行中可能的性能瓶頸，利用其具備的機群優(yōu)化知識，進(jìn)行實際系統(tǒng)的優(yōu)化。通過這個層次的學(xué)習(xí)，不僅培養(yǎng)學(xué)生對所學(xué)實踐知識綜合應(yīng)用的能力，而且也為他們初步模擬了機群系統(tǒng)管理人員對系統(tǒng)問題實時響應(yīng)和現(xiàn)場解決的場景。
　　上述3個層次的實驗內(nèi)容中，基礎(chǔ)層要求所有學(xué)生掌握，而提高層和綜合應(yīng)用層則鼓勵學(xué)有余力和對機群知識興趣濃厚的學(xué)生以分組的形式進(jìn)行實踐。
　　2.3.3分組專題匯報與討論
　　高性能機群的知識多且廣，32個課時僅能講授機群系統(tǒng)最核心的概念和基礎(chǔ)理論和技術(shù)。設(shè)置分組專題匯報和討論是該門課程培養(yǎng)學(xué)生具備獨立獲取和更新機群知識能力的主要途徑。在理論課程講解中，教師根據(jù)機群系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵技術(shù)點設(shè)置技術(shù)專題，并為學(xué)生提供主要的機群知識查詢途徑，包括文章、書籍和網(wǎng)站信息。學(xué)生自愿分組，選取感興趣的專題進(jìn)行技術(shù)調(diào)研，在調(diào)研中，根據(jù)文章的參考文獻(xiàn)，網(wǎng)站的相關(guān)鏈接信息，擴(kuò)大知識獲取來源，并撰寫技術(shù)調(diào)研報告進(jìn)行調(diào)研匯報和討論。通過專題調(diào)研和討論，讓學(xué)生親身經(jīng)歷了一次完整的知識搜集、分析整理和總結(jié)的過程，較好地培養(yǎng)了他們再學(xué)習(xí)的能力。
　　3考核方式及教學(xué)效果分析
　　該門課程的考核包含3種形式：理論知識閉卷考試(40%)、實踐考試(40%)以及專題技術(shù)報告(20%)。在實踐考試環(huán)節(jié)，學(xué)生除了完成現(xiàn)場演示外，還需要提交實驗報告，以文字、圖表等形式完整描述操作過程和操作結(jié)果。專題技術(shù)報告則需進(jìn)行匯報和答辯。2～3名學(xué)生自由組隊，選擇專題方向，最終由組代表以答辯的形式向教師和全體同學(xué)進(jìn)行技術(shù)調(diào)研匯報。通過上述環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生筆頭和口頭表述能力以及團(tuán)隊協(xié)作精神。
　　考核結(jié)束后，針對該門課程確定的教學(xué)目標(biāo)，我們對教學(xué)效果進(jìn)行了調(diào)查和考核結(jié)果統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結(jié)果如表2。
　　通過上表，我們可以得出以下結(jié)論。
　　該門課程的教學(xué)基本達(dá)到了教學(xué)目標(biāo)，學(xué)生在3個目標(biāo)上達(dá)到合格的人數(shù)均超過90%。
　　1) 學(xué)生在實踐知識的掌握上成績比較好，近84%的學(xué)生達(dá)到良好以上，即能夠獨立、完整地構(gòu)建基礎(chǔ)機群。學(xué)生調(diào)查也顯示，學(xué)生在實踐部分的興趣最高。
　　2) 在理論知識學(xué)習(xí)和掌握上略欠。學(xué)生調(diào)查結(jié)果也顯示學(xué)生對理論的枯燥性有一定的抵觸。因此，在今后的教學(xué)中，我們將加強學(xué)生對理論學(xué)習(xí)重要性的認(rèn)識，加大理論與實例相結(jié)合的力度，力求獲得更好的教學(xué)成效。
　　4結(jié)論
　　北京工業(yè)大學(xué)以培養(yǎng)工程實踐性機群系統(tǒng)管理人員為目標(biāo)，面向計算機專業(yè)本科生開設(shè)高性能機群計算課程。這門課程通過系統(tǒng)而全面的教學(xué)內(nèi)容及教材選取，理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)方式以及多種形式的教學(xué)方法和考核手段，力求使學(xué)生具備成為機群系統(tǒng)管理人員的基本知識背景和技術(shù)素養(yǎng)。教學(xué)效果分析表明，這門課程的開設(shè)是培養(yǎng)機群技術(shù)人才、促進(jìn)高性能機群產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一次有益嘗試。
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1] 樊建平. 高性能計算機的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]. 計算