《并行程序設(shè)計(jì)原理》課程教學(xué)大綱

《ADDINCNKISM.UserStyle并行程序設(shè)計(jì)原理》教學(xué)大綱課程名稱：并行程序設(shè)計(jì)原理課程編號(hào)：1392英文名稱：PrinciplesofParallelProgramming學(xué)時(shí)：32學(xué)時(shí) 學(xué)分：2學(xué)分開課學(xué)期：第6學(xué)期適用專業(yè)：數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)課程類別：理論課課程性質(zhì)：專業(yè)方向與拓展先修課程：《程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（C語言）》、《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》、《算法設(shè)計(jì)與分析》一、課程的性質(zhì)及任務(wù)《并行程序設(shè)計(jì)原理》課程是數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)學(xué)生的專業(yè)方向與拓展課程，培養(yǎng)學(xué)生的并行思維、算法設(shè)計(jì)、系統(tǒng)架構(gòu)及性能調(diào)優(yōu)等多方面的能力。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生理解數(shù)據(jù)科學(xué)中多種并行編程工具和語言，如MPI、OpenMP、CUDA等，以便學(xué)生能夠在實(shí)際項(xiàng)目中靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)。依據(jù)河北工程大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃，本課程需要培養(yǎng)學(xué)生的能力是：能夠基于數(shù)據(jù)科學(xué)相關(guān)科學(xué)原理和數(shù)學(xué)模型方法正確表達(dá)大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題（畢業(yè)要求指標(biāo)2.2）能運(yùn)用數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的基本原理，借助文獻(xiàn)研究，分析過程的影響因素，獲得有效結(jié)論（畢業(yè)要求指標(biāo)2.4）掌握大數(shù)據(jù)工程設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開發(fā)全周期、全流程的基本設(shè)計(jì)/開發(fā)方法和技術(shù)，了解影響設(shè)計(jì)目標(biāo)和技術(shù)方案的各種因素（畢業(yè)要求指標(biāo)3.1）能夠針對(duì)智能信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)、大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用等大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和測(cè)試平臺(tái)、獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果（畢業(yè)要求指標(biāo)4.2）具有良好的表達(dá)能力和專業(yè)的描述方式，能夠與業(yè)界同行及社會(huì)公眾進(jìn)行準(zhǔn)確、高效的溝通和交流（畢業(yè)要求指標(biāo)10.2）二、課程目標(biāo)與要求2.1課程目標(biāo)理解并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的特征，掌握并行算法的設(shè)計(jì)和分析方法。熟悉并行編程語言和并行編程環(huán)境的使用，能夠設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)高效的并行程序。培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，能夠有效地運(yùn)用這些知識(shí)和技術(shù)來解決實(shí)際問題。

并行程序設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)大綱PAGE16PAGE4222.2課程目標(biāo)與畢業(yè)要求對(duì)應(yīng)關(guān)系畢業(yè)要求二級(jí)指標(biāo)畢業(yè)要求123●●2-2能夠基于數(shù)據(jù)科學(xué)相關(guān)科學(xué)原理和數(shù)學(xué)模型方法正確表達(dá)大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題2.掌握統(tǒng)計(jì)與機(jī)器學(xué)習(xí)的基本方法，能夠綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和數(shù)據(jù)科學(xué)的基本原理，對(duì)復(fù)雜的工程系統(tǒng)，識(shí)別問題、描述問題并通過文獻(xiàn)研究分析與大數(shù)據(jù)相關(guān)的工程問題，以獲得有效結(jié)論?！瘛?-4能運(yùn)用數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的基本原理，借助文獻(xiàn)研究，分析過程的影響因素，獲得有效結(jié)論●●3-1掌握大數(shù)據(jù)工程設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開發(fā)全周期、全流程的基本設(shè)計(jì)/開發(fā)方法和技術(shù)，了解影響設(shè)計(jì)目標(biāo)和技術(shù)方案的各種因素3.能夠設(shè)計(jì)出大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題的解決方案，具有數(shù)據(jù)采集、處理、分析、挖掘的能力，并能夠在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)，考慮社會(huì)、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等多維度協(xié)同發(fā)展因素?！瘛?-2能夠針對(duì)智能信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)、大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用等大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和測(cè)試平臺(tái)、獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果4.能夠基于數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)原理并采用科學(xué)方法對(duì)大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題進(jìn)行研究，包括設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論?！?0-2具有良好的表達(dá)能力和專業(yè)的描述方式，能夠與業(yè)界同行及社會(huì)公眾進(jìn)行準(zhǔn)確、高效的溝通和交流具有溝通的能力、方法和技巧，能夠就大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題與業(yè)界同行及社會(huì)公眾進(jìn)行有效溝通和交流，包括撰寫報(bào)告及設(shè)計(jì)文稿，清晰表達(dá)和答辯；并具備一定的國(guó)際視野，能夠在跨文化背景下進(jìn)行溝通和交流。2.3課程目標(biāo)與培養(yǎng)環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)矩陣序號(hào)課程目標(biāo)理論教學(xué)課后作業(yè)1理解并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的特征，掌握并行算法的設(shè)計(jì)和分析方法。HL2熟悉并行編程語言和并行編程環(huán)境的使用，能夠設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)高效的并行程序。ML3培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，能夠有效地運(yùn)用這些知識(shí)和技術(shù)來解決實(shí)際問題。ML注：H表示該能力的在此環(huán)節(jié)重點(diǎn)培養(yǎng)；M表示該能力在此環(huán)節(jié)有應(yīng)用要求；L表示該能力在此環(huán)節(jié)有所涉及。數(shù)據(jù)挖掘與機(jī)器學(xué)習(xí)課程教學(xué)大綱PAGE2PAGE4272.4目標(biāo)達(dá)成度的評(píng)價(jià)課程目標(biāo)1,2,3主要通過理論教學(xué)環(huán)節(jié)、課后作業(yè)和課程論文進(jìn)行培養(yǎng)。主要通過課堂提問、課后作業(yè)和課程論文進(jìn)行考核，目標(biāo)達(dá)成綜合以上內(nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià)。三、教學(xué)方法及手段理論教學(xué)以課堂講授為主，面向基礎(chǔ)知識(shí)的準(zhǔn)確、扎實(shí)掌握，突出對(duì)原理的分析、對(duì)方法的總結(jié)以及理論體系的完整建立。理論教學(xué)強(qiáng)調(diào)將并行程序設(shè)計(jì)的方法與工程實(shí)現(xiàn)的實(shí)際情況緊密聯(lián)系，面向知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用。理論教學(xué)與實(shí)際操作相結(jié)合，幫助學(xué)生更好地理解并行程序設(shè)計(jì)知識(shí)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。四、課程的基本內(nèi)容與教學(xué)要求第1章并行計(jì)算機(jī)[教學(xué)目的與要求]：了解巨大挑戰(zhàn)性問題對(duì)計(jì)算機(jī)有更強(qiáng)計(jì)算能力的需求，掌握并行計(jì)算機(jī)的概念和類型，掌握消息傳遞多計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)特征，掌握機(jī)群在中使用多計(jì)算機(jī)的方法。[本章主要內(nèi)容]：1.1對(duì)計(jì)算速度的需求1.2提高計(jì)算速度的潛力 1.3并行計(jì)算機(jī)的類型1.4機(jī)群計(jì)算[本章重點(diǎn)]：并行計(jì)算機(jī)及其編程，加速比及其他系數(shù)，由單處理器系統(tǒng)擴(kuò)展成一個(gè)共享存儲(chǔ)器多處理機(jī)系統(tǒng)，消息傳遞多計(jì)算機(jī)，機(jī)群計(jì)算。[本章難點(diǎn)]：。第2章消息傳遞計(jì)算[教學(xué)目的與要求]：掌握消息傳遞程序的基本結(jié)構(gòu)以及進(jìn)程之間的消息傳遞過程，了解特定消息傳遞系統(tǒng)MPI(消息傳遞接口)，評(píng)估消息傳遞并行程序。[本章主要內(nèi)容]：2.1消息傳遞程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2使用計(jì)算機(jī)機(jī)群2.3并行程序的評(píng)估2.4用經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行并行程序的調(diào)試和評(píng)估[本章重點(diǎn)]：基本的消息傳遞技術(shù)，發(fā)送、接收和集合操作，控制工作站網(wǎng)絡(luò)的軟件工具，通信的建模，通信時(shí)延和時(shí)延隱藏，并行算法的時(shí)間復(fù)雜性，并行程序的調(diào)試和評(píng)估。[本章難點(diǎn)]：消息傳遞的基本概念和原理，掌握編程模型和接口，處理并行和并發(fā)問題，調(diào)試和優(yōu)化程序。第3章易并行計(jì)算[教學(xué)目的與要求]：掌握易并行程序設(shè)計(jì)與編寫。[本章主要內(nèi)容]：3.1理想的并行計(jì)算3.2易并行計(jì)算舉例[本章重點(diǎn)]：理想的易并行計(jì)算，易并行問題和分析，分割二維數(shù)據(jù)集，獲得負(fù)載平衡的工作池方法，計(jì)數(shù)器終止算法，蒙特卡羅法，并行隨機(jī)數(shù)生成。[本章難點(diǎn)]：數(shù)據(jù)劃分和負(fù)載平衡。第4章劃分和分治策略[教學(xué)目的與要求]：掌握劃分和分治的基本思想，掌握使用桶排序法排序、數(shù)值積分和N-體問題并行計(jì)算。[本章主要內(nèi)容]：4.1劃分4.2分治技術(shù)舉例[本章重點(diǎn)]：劃分和分治的基本概念，樹結(jié)構(gòu)，桶排序，數(shù)值積分，N體問題并行計(jì)算。[本章難點(diǎn)]：數(shù)值積分和N體問題并行計(jì)算。第5章流水線計(jì)算[教學(xué)目的與要求]：掌握流水線技術(shù)的基本思想、應(yīng)用范圍和計(jì)算平臺(tái)，熟練運(yùn)用流水線技術(shù)解決實(shí)際問題。[本章主要內(nèi)容]：5.1流水線技術(shù)5.2流水線應(yīng)用的計(jì)算平臺(tái)5.3流水線程序舉例[本章重點(diǎn)]：流水線技術(shù)的基本思想，插入排序、生成質(zhì)數(shù)和解上三角形線性方程組的流水線方法。[本章難點(diǎn)]：利用流水線技術(shù)解決實(shí)際問題的過程。課程學(xué)時(shí)分配教學(xué)課次教學(xué)內(nèi)容教學(xué)環(huán)節(jié)與計(jì)劃時(shí)數(shù)教學(xué)環(huán)節(jié)計(jì)劃時(shí)數(shù)1并行計(jì)算機(jī)理論課62消息傳遞計(jì)算理論課63易并行計(jì)算理論課6４劃分和分治策略理論課65流水線計(jì)算理論課8六、課程考核與成績(jī)?cè)u(píng)定6.1考核方式考核環(huán)節(jié)包括課程學(xué)習(xí)過程考核和期末考核，其中課程過程考核占總成績(jī)的30%，分別由課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)進(jìn)行評(píng)定；期末考核占總成績(jī)的70%，各環(huán)節(jié)的比重如下：考核環(huán)節(jié)比重合計(jì)過程考核（平時(shí)成績(jī)）課堂表現(xiàn)10%30%作業(yè)20%期末考核課程論文70%70%總計(jì)100%100%6.2考核內(nèi)容及要求本課程為考查課，考核內(nèi)容及分值分配如下：考核方式考核內(nèi)容分值課程目標(biāo)總分值期末考核70%課程論文70目標(biāo)1、2、3100分過程考核30%課堂表現(xiàn)課堂出勤情況10目標(biāo)1、2、310分課后作業(yè)作業(yè)完成情況20目標(biāo)1、2、320分6.3成績(jī)?cè)u(píng)定1.課堂表現(xiàn)課堂表現(xiàn)總分10分，由課堂出勤情況評(píng)定。2.課后作業(yè)課后作業(yè)總分20分，由作業(yè)完成情況評(píng)定。每學(xué)期布置作業(yè)10次，每次作業(yè)占2分，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如下：評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)分值標(biāo)準(zhǔn)描述課后作業(yè)2能夠按時(shí)認(rèn)真完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度認(rèn)真、書寫清楚、分析計(jì)算正確。1按時(shí)完成作業(yè)，書寫較為清楚，分析計(jì)算基本正確。0不交作業(yè)或作業(yè)態(tài)度不認(rèn)真、抄襲他人作業(yè)。3.期末考試采用課程論文形式進(jìn)行，期末成績(jī)?yōu)榘俜种?，?jì)入總成績(jī)時(shí)乘以70%，限制時(shí)間為1周。七、課程評(píng)價(jià)與持續(xù)改進(jìn)7.1課程評(píng)價(jià)課程評(píng)價(jià)周期定為每1年評(píng)價(jià)一次。設(shè)置達(dá)成情況目標(biāo)值，采用成績(jī)分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)。課程達(dá)成評(píng)價(jià)根據(jù)數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)課程達(dá)成評(píng)價(jià)方法進(jìn)行計(jì)算，評(píng)價(jià)結(jié)果用于持續(xù)改進(jìn)。大數(shù)據(jù)系負(fù)責(zé)人組織教師實(shí)施課程評(píng)價(jià)，制定持續(xù)改進(jìn)措施，監(jiān)督持續(xù)改進(jìn)過程。課程負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)撰寫課程考核總結(jié)報(bào)告，實(shí)施課程評(píng)價(jià)持續(xù)改進(jìn)。7.2持續(xù)改進(jìn)1）日常教學(xué)：根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況，教師采取座談會(huì)、與學(xué)生單獨(dú)交流，及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法、進(jìn)度，做出教學(xué)改進(jìn)。2）課堂質(zhì)疑或短時(shí)間交流討論：對(duì)課堂質(zhì)疑或討論的效果進(jìn)行分析，提出課程持續(xù)改進(jìn)意見，用于本課持續(xù)改進(jìn)。3）期末成績(jī)總結(jié)：根據(jù)課程目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)課程達(dá)成評(píng)價(jià)，撰寫課程總