《并行程序設計原理》課程教學大綱

《ADDINCNKISM.UserStyle并行程序設計原理》教學大綱課程名稱：并行程序設計原理課程編號：1392英文名稱：PrinciplesofParallelProgramming學時：32學時 學分：2學分開課學期：第6學期適用專業(yè)：數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術專業(yè)課程類別：理論課課程性質：專業(yè)方向與拓展先修課程：《程序設計基礎（C語言）》、《數(shù)據(jù)結構》、《算法設計與分析》一、課程的性質及任務《并行程序設計原理》課程是數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術專業(yè)學生的專業(yè)方向與拓展課程，培養(yǎng)學生的并行思維、算法設計、系統(tǒng)架構及性能調優(yōu)等多方面的能力。通過本課程的學習，學生理解數(shù)據(jù)科學中多種并行編程工具和語言，如MPI、OpenMP、CUDA等，以便學生能夠在實際項目中靈活應用所學知識。依據(jù)河北工程大學數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術專業(yè)培養(yǎng)計劃，本課程需要培養(yǎng)學生的能力是：能夠基于數(shù)據(jù)科學相關科學原理和數(shù)學模型方法正確表達大數(shù)據(jù)應用領域的復雜工程問題（畢業(yè)要求指標2.2）能運用數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術的基本原理，借助文獻研究，分析過程的影響因素，獲得有效結論（畢業(yè)要求指標2.4）掌握大數(shù)據(jù)工程設計和產品開發(fā)全周期、全流程的基本設計/開發(fā)方法和技術，了解影響設計目標和技術方案的各種因素（畢業(yè)要求指標3.1）能夠針對智能信息系統(tǒng)設計、大數(shù)據(jù)技術應用等大數(shù)據(jù)應用領域的復雜工程問題設計實驗方案、構建實驗系統(tǒng)和測試平臺、獲得實驗結果（畢業(yè)要求指標4.2）具有良好的表達能力和專業(yè)的描述方式，能夠與業(yè)界同行及社會公眾進行準確、高效的溝通和交流（畢業(yè)要求指標10.2）二、課程目標與要求2.1課程目標理解并行計算機體系結構的特征，掌握并行算法的設計和分析方法。熟悉并行編程語言和并行編程環(huán)境的使用，能夠設計并實現(xiàn)高效的并行程序。培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和實踐能力，能夠有效地運用這些知識和技術來解決實際問題。

并行程序設計原理課程教學大綱PAGE16PAGE4222.2課程目標與畢業(yè)要求對應關系畢業(yè)要求二級指標畢業(yè)要求123●●2-2能夠基于數(shù)據(jù)科學相關科學原理和數(shù)學模型方法正確表達大數(shù)據(jù)應用領域的復雜工程問題2.掌握統(tǒng)計與機器學習的基本方法，能夠綜合運用數(shù)學、自然科學和數(shù)據(jù)科學的基本原理，對復雜的工程系統(tǒng)，識別問題、描述問題并通過文獻研究分析與大數(shù)據(jù)相關的工程問題，以獲得有效結論。●●2-4能運用數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術的基本原理，借助文獻研究，分析過程的影響因素，獲得有效結論●●3-1掌握大數(shù)據(jù)工程設計和產品開發(fā)全周期、全流程的基本設計/開發(fā)方法和技術，了解影響設計目標和技術方案的各種因素3.能夠設計出大數(shù)據(jù)應用領域的復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，并能夠在設計環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識，考慮社會、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能夠針對智能信息系統(tǒng)設計、大數(shù)據(jù)技術應用等大數(shù)據(jù)應用領域的復雜工程問題設計實驗方案、構建實驗系統(tǒng)和測試平臺、獲得實驗結果4.能夠基于數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術原理并采用科學方法對大數(shù)據(jù)應用領域的復雜工程問題進行研究，包括設計實驗、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到合理有效的結論?！?0-2具有良好的表達能力和專業(yè)的描述方式，能夠與業(yè)界同行及社會公眾進行準確、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)應用領域的復雜工程問題與業(yè)界同行及社會公眾進行有效溝通和交流，包括撰寫報告及設計文稿，清晰表達和答辯；并具備一定的國際視野，能夠在跨文化背景下進行溝通和交流。2.3課程目標與培養(yǎng)環(huán)節(jié)對應矩陣序號課程目標理論教學課后作業(yè)1理解并行計算機體系結構的特征，掌握并行算法的設計和分析方法。HL2熟悉并行編程語言和并行編程環(huán)境的使用，能夠設計并實現(xiàn)高效的并行程序。ML3培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和實踐能力，能夠有效地運用這些知識和技術來解決實際問題。ML注：H表示該能力的在此環(huán)節(jié)重點培養(yǎng)；M表示該能力在此環(huán)節(jié)有應用要求；L表示該能力在此環(huán)節(jié)有所涉及。數(shù)據(jù)挖掘與機器學習課程教學大綱PAGE2PAGE4272.4目標達成度的評價課程目標1,2,3主要通過理論教學環(huán)節(jié)、課后作業(yè)和課程論文進行培養(yǎng)。主要通過課堂提問、課后作業(yè)和課程論文進行考核，目標達成綜合以上內容進行評價。三、教學方法及手段理論教學以課堂講授為主，面向基礎知識的準確、扎實掌握，突出對原理的分析、對方法的總結以及理論體系的完整建立。理論教學強調將并行程序設計的方法與工程實現(xiàn)的實際情況緊密聯(lián)系，面向知識的實際應用。理論教學與實際操作相結合，幫助學生更好地理解并行程序設計知識，提高學生的創(chuàng)新能力。四、課程的基本內容與教學要求第1章并行計算機[教學目的與要求]：了解巨大挑戰(zhàn)性問題對計算機有更強計算能力的需求，掌握并行計算機的概念和類型，掌握消息傳遞多計算機的體系結構特征，掌握機群在中使用多計算機的方法。[本章主要內容]：1.1對計算速度的需求1.2提高計算速度的潛力 1.3并行計算機的類型1.4機群計算[本章重點]：并行計算機及其編程，加速比及其他系數(shù)，由單處理器系統(tǒng)擴展成一個共享存儲器多處理機系統(tǒng)，消息傳遞多計算機，機群計算。[本章難點]：。第2章消息傳遞計算[教學目的與要求]：掌握消息傳遞程序的基本結構以及進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)，評估消息傳遞并行程序。[本章主要內容]：2.1消息傳遞程序設計基礎2.2使用計算機機群2.3并行程序的評估2.4用經驗方法進行并行程序的調試和評估[本章重點]：基本的消息傳遞技術，發(fā)送、接收和集合操作，控制工作站網(wǎng)絡的軟件工具，通信的建模，通信時延和時延隱藏，并行算法的時間復雜性，并行程序的調試和評估。[本章難點]：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，調試和優(yōu)化程序。第3章易并行計算[教學目的與要求]：掌握易并行程序設計與編寫。[本章主要內容]：3.1理想的并行計算3.2易并行計算舉例[本章重點]：理想的易并行計算，易并行問題和分析，分割二維數(shù)據(jù)集，獲得負載平衡的工作池方法，計數(shù)器終止算法，蒙特卡羅法，并行隨機數(shù)生成。[本章難點]：數(shù)據(jù)劃分和負載平衡。第4章劃分和分治策略[教學目的與要求]：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-體問題并行計算。[本章主要內容]：4.1劃分4.2分治技術舉例[本章重點]：劃分和分治的基本概念，樹結構，桶排序，數(shù)值積分，N體問題并行計算。[本章難點]：數(shù)值積分和N體問題并行計算。第5章流水線計算[教學目的與要求]：掌握流水線技術的基本思想、應用范圍和計算平臺，熟練運用流水線技術解決實際問題。[本章主要內容]：5.1流水線技術5.2流水線應用的計算平臺5.3流水線程序舉例[本章重點]：流水線技術的基本思想，插入排序、生成質數(shù)和解上三角形線性方程組的流水線方法。[本章難點]：利用流水線技術解決實際問題的過程。課程學時分配教學課次教學內容教學環(huán)節(jié)與計劃時數(shù)教學環(huán)節(jié)計劃時數(shù)1并行計算機理論課62消息傳遞計算理論課63易并行計算理論課6４劃分和分治策略理論課65流水線計算理論課8六、課程考核與成績評定6.1考核方式考核環(huán)節(jié)包括課程學習過程考核和期末考核，其中課程過程考核占總成績的30%，分別由課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)進行評定；期末考核占總成績的70%，各環(huán)節(jié)的比重如下：考核環(huán)節(jié)比重合計過程考核（平時成績）課堂表現(xiàn)10%30%作業(yè)20%期末考核課程論文70%70%總計100%100%6.2考核內容及要求本課程為考查課，考核內容及分值分配如下：考核方式考核內容分值課程目標總分值期末考核70%課程論文70目標1、2、3100分過程考核30%課堂表現(xiàn)課堂出勤情況10目標1、2、310分課后作業(yè)作業(yè)完成情況20目標1、2、320分6.3成績評定1.課堂表現(xiàn)課堂表現(xiàn)總分10分，由課堂出勤情況評定。2.課后作業(yè)課后作業(yè)總分20分，由作業(yè)完成情況評定。每學期布置作業(yè)10次，每次作業(yè)占2分，評分標準如下：評分標準分值標準描述課后作業(yè)2能夠按時認真完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度認真、書寫清楚、分析計算正確。1按時完成作業(yè)，書寫較為清楚，分析計算基本正確。0不交作業(yè)或作業(yè)態(tài)度不認真、抄襲他人作業(yè)。3.期末考試采用課程論文形式進行，期末成績?yōu)榘俜种?，計入總成績時乘以70%，限制時間為1周。七、課程評價與持續(xù)改進7.1課程評價課程評價周期定為每1年評價一次。設置達成情況目標值，采用成績分析法進行評價。課程達成評價根據(jù)數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術專業(yè)課程達成評價方法進行計算，評價結果用于持續(xù)改進。大數(shù)據(jù)系負責人組織教師實施課程評價，制定持續(xù)改進措施，監(jiān)督持續(xù)改進過程。課程負責人負責撰寫課程考核總結報告，實施課程評價持續(xù)改進。7.2持續(xù)改進1）日常教學：根據(jù)學生學習情況，教師采取座談會、與學生單獨交流，及時調整教學方法、進度，做出教學改進。2）課堂質疑或短時間交流討論：對課堂質疑或討論的效果進行分析，提出課程持續(xù)改進意見，用于本課持續(xù)改進。3）期末成績總結：根據(jù)課程目標，實現(xiàn)課程達成評價，撰寫課程總