Загрузить - Кафедра АСОИиУ СКГМИ(ГТУ)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФГБОУ ВПО «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»
(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
Утверждаю:
проректор по учебной работе
____________________________
«____» ____________ 2014 г.
Рабочая программа
дисциплины:
«Параллельные вычисления в локальных вычислительных сетях,
кластерах и видеоплатах»
для направления подготовки:
230100 – Информатика и вычислительная техника
профиль:
«Автоматизированные системы обработки информации и управления»
квалификация (степень) выпускника:
магистр
форма обучения – очная
Разработчики программы:
доц. кафедры АОИ
асс. кафедры АОИ
к.т.н. Мирошников А.С.
Гречанный С.В.
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры
«Автоматизированной обработки информации»
(протокол № ___ от «___» _______ 2014 г.)
Зав. кафедрой
Гроппен В.О.
2014 г.
Рабочая программа составлена на основании ФГОС ВПО по направлению
подготовки (специальности) 230100 – «Информатика и вычислительная
техника», утвержденного приказом Минобрнауки РФ от 09.11.2009 г.
№ 554, и учебного плана по данному направлению подготовки, утвержденного ученным советом СКГМИ (ГТУ) от «___» ________. 201_ г. № _____,
с учетом рекомендаций по разработке образовательных программ, содержащихся в Письме Департамента государственной политики в образовании
от 28.12.2009 г. № 03-2672.
Одобрено советом факультета информационных технологий
Председатель совета
декан ФИТ
Хатагов А.Ч.
Согласовано с управлением методической работы
начальник УМР
Мерзлов В.С.
Согласовано с управлением учебной работы
начальник УУР
2
Олисаева О.В.
Содержание
1. Цели и задачи дисциплины .......................................................................... 5
1.1. Цель преподавания дисциплины........................................................... 5
1.2. Задачи изучения дисциплины ............................................................... 5
2. Место дисциплины в структуре ООП магистратуры ................................ 6
3. Требования к результатам освоения дисциплины..................................... 6
3.1. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины (модуля)....................................................................................... 6
3.2. Матрица соответствия результатов изучения дисциплины
результатам освоения ООП ............................................................................. 7
4. Объем дисциплины и отдельных видов учебной работы ......................... 7
5. Содержание дисциплины ............................................................................. 8
5.1. Разделы дисциплины и виды занятий .................................................. 8
5.2. Содержание разделов дисциплины (по лекциям) ............................... 8
5.3. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с
обеспечиваемыми последующими дисциплинами ....................................... 9
5.4. Практические занятия .......................................................................... 10
5.5. Лабораторные работы .......................................................................... 10
5.6. Самостоятельная работа ...................................................................... 11
6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины .. 14
6.1. Основная литература ............................................................................ 14
6.2. Дополнительная литература ................................................................ 14
6.3. Программное обеспечение................................................................... 14
6.4. Базы данных, информационно-справочные и поисковые системы 15
7. Материально-техническое обеспечение дисциплины ............................ 15
8. Интерактивные образовательные технологии, используемые в
аудиторных занятиях ........................................................................................ 16
9. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины . 16
9.1. Методические рекомендации для преподавателей ........................... 16
9.2. Методы и формы организации обучения ........................................... 18
10. Оценочные средства промежуточной аттестации по итогам освоения
дисциплины........................................................................................................ 22
10.1. Виды контроля, аттестации и формы оценочных средств ............... 22
3
10.2. Оценочные средства для промежуточной аттестации ...................... 23
Приложение 1. Лекция с запланированными ошибками (лекция –
провокация)
27
Приложение 2. «Мозговой штурм» ............................................................... 29
Приложение 3. Лекция-визуализация ........................................................... 31
Приложение 4. Анализ конкретных ситуаций (case-study)......................... 32
Приложение 5. Вопросы для проведения промежуточной аттестации ..... 37
4
1. Цели и задачи дисциплины
1.1. Цель преподавания дисциплины
Обучение студентов основным знаниям в области архитектуры параллельных вычислительных систем, технологиям параллельного программирования, численным методам решения задач. Подготовить специалистов в области создания эффективных программных комплексов, на базе
компьютеров с параллельной архитектурой. Воспитание интереса к новым
информационным технологиям. Развитие самостоятельности студентов в
познавательной и практической деятельности.
1.2. Задачи изучения дисциплины
Дисциплина нацелена на подготовку студента к решению следующих профессиональных задач:
– проектирование программных средств в соответствии с техническим заданием с использованием средств автоматизации проектирования;
– ставить задачу и разрабатывать алгоритм ее решения, использовать прикладные системы программирования, разрабатывать основные
программные документы;
– работать с современными системами программирования, включая
объектно-ориентированные;
– составлять алгоритмы решения прикладных задач для систем с
общей и распределенной памятью;
– умение работы с интерфейсами MPI, OpenMP.
5
2. Место дисциплины в структуре ООП магистратуры
Дисциплина входит в вариативную часть общенаучного цикла
(М1.В.ДВ.1.1)основной образовательной программы подготовки магистров
по направлению 230100 – «Информатика и вычислительная техника», и
относится к дисциплинам по выбору.
Для успешного освоения данной дисциплины необходимы знания и
умения по дисциплинам (пререквизиты): «Программирование на Delphi»
(Б3.Б.7.2), «Программирование на С++» (Б3.Б.7.4), «Основы теории графов» (Б2.В.ОД.1), «Программирование на C#» (Б3.Б.7.3).
Кореквизиты дисциплины – «Выпускная квалификационная работа».
Приобретенные студентами знания и навыки могут быть непосредственно использованы при выполнении выпускной квалификационной работы (магистра), а также последующей производственной деятельности.
3. Требования к результатам освоения дисциплины
3.1. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины (модуля)
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
ПК-1 – применять перспективные методы исследования и решения
профессиональных задач на основе знаний мировых тенденций развития
вычислительной техники и информационных технологий;
ПКД-4 – способность применять в профессиональной деятельности
современные языки параллельного программирования и инструменты разработки, профилирования и отладки параллельных программ.
6
3.2. Матрица соответствия результатов изучения дисциплинырезультатам освоения ООП
Результаты освоения
ООП (компетенции)
ПК-1
ПКД-4
Результаты изучения дисциплины
Студент должен:
Знать: модели представления и методы обработки знаний, системы принятия решений;
Уметь:разрабатывать математические модели процессов
и объектов, методы их исследования, выполнять их сравнительный анализ;
Владеть: методами научного поиска;
Знать: архитектуру, классификации современных высокопроизводительных вычислительных систем, основные
способы организации параллельных вычислений.
Уметь: составлять алгоритмы решения прикладных задач
для систем с общей и распределенной памятью.
Владеть: навыками работы с интерфейсами MPI,
OpenMP.
4. Объем дисциплины и отдельных видов учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины в соответствии с учебным планом
составляет 4 зачетные единицы (144 часа). Трудоемкость отдельных видов
учебной работы студентов очной формы обучения приведена в таблице
4.1.
Таблица 4.1
Вид учебной работы
Аудиторные занятия (всего)
в том числе:
лекции
лабораторные работы
практические занятия
Самостоятельная работа (всего)
в том числе:
курсовая работа
подготовка к лабораторным работам
Всего
часов
48
–
12
24
12
96
–
44
24
Семестр
А
48
–
12
24
12
96
–
44
24
7
Всего
часов
12
12
4
–
144
4
Вид учебной работы
подготовка к практическим занятиям
подготовка к промежуточной аттестации
самостоятельное изучение разделов дисциплины
Вид промежуточной аттестации – зачет с оценкой
Общая трудоемкость
час
зач. ед.
Семестр
А
12
12
4
–
144
4
5. Содержание дисциплины
5.1. Разделы дисциплины и виды занятий
№
п/п
1.
2.
Наименование раздела
дисциплины
Кластерные вычислительные
системы.
Языкпараллельногопрограммирования MC#.
Итого:
Всего Формир.
час. компет.
Лек.
Лаб.
Пр.
СРС
6
12
6
48
72
6
12
6
48
72
12
24
12
96
144
ПК-1,
ПКД-4.
ПК-1,
ПКД-4.
5.2. Содержание разделов дисциплины (по лекциям)
№
п/п
1.
Наименование
раздела
дисциплины
Кластерные
вычислительные системы.
Содержание раздела
1. Введение: кластерныевычислительныесистемы.
Архитектура высокопроизводительных процессоров и кластерных систем. Кластерные вычислительные системы и их
архитектура. Принципы построения быстрых сетей передачи
данных. Примеры архитектур кластерных вычислительных
систем: BlueGene/L, семейство SGI Altix. Операционные системы для кластерных систем: Windows ComputeClusterServer
2003. Исполнение множеств последовательных задач на кластерных системах.
2. Основыпрограммированияна MPI.
Общая характеристика интерфейсов MPI-1 и MPI-2 и их конкретных реализаций. Функции управления вычислительным
окружением. Методы передачи данных в MPI: "точка-точка" и
радиовещательные (broadcast) сообщения. Коллективные операции и их исполнение. Управление процессами в MPI. Организация логических топологий процессов. Отладка параллель-
8
Формир.
компет.
ПК-1,
ПКД-4.
№
п/п
Наименование
раздела
дисциплины
Формир.
компет.
Содержание раздела
ных программ с использованием MicrosoftVisualStudio 2005.
3. Высокоуровневыйязыкпараллельногопрограммирования MC#.
Модель программирования языка MC#: async- и movableметоды, каналы, обработчики связки. Async- и movableметоды. Каналы и обработчики канальных сообщений. Синхронизация в языке MC#. Примеры программирования на языке MC#. Обход двоичного дерева. Вычисление частичных
сумм массива. Сведения о практической реализации языка
MC#.
2.
Языкпараллельногопрограммирования
MC#.
4. Новыесредстваязыка MC#: async- иmovableметоды, каналыиобработчики.
ПК-1,
ПКД-4.
Новые средства языка MC#: async- и movable-методы, каналы
и обработчики. Async- и movable-методы. Каналы и обработчики.
5. Программированиенаязыке MC#.
Вычисление чисел Фибоначчи. Обход бинарного дерева. Быстрое преобразование Фурье. Построения списка простых чисел
методом "решета Эратосфена". Наивный алгоритм. Пакетный
алгоритм. Программа all2all.
6. Windows ComputeCluster.
Конфигурирование кластера. Подготовка заданий для выполнения на кластере под управлением ComputeClusterServer.
5.3. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми последующими дисциплинами
№
п/п
1.
Наименование обеспечиваемых
последующих дисциплин
Выпускная квалификационная
работа
Номера разделов данной дисциплины,
необходимых для изучения обеспечиваемых последующих дисциплин
1
2
*
*
9
5.4. Практические занятия
№
п
/
п
1
.
2
.
3
.
4
.
5
.
6
.
№
раздела
дисципл
ины
Трудоемк.
(час.
)
Тематика практических занятий
Параллельныйпоискэкстремумафункции n переменных.
2
1
1
Параллельныйпоискинтегралафункции
домМонте-Карло.
1
ПараллельныйпоискэкстремумаиинтегралафункцииnпеременныхметодомМонте-Карло.
2
2
Параллельныйпоискмаксимальногоиминимальногозначенийфункции n переменных.
2
n
переменныхмето2
2
Параллельныйпоисквнеоднороднойвычислительнойсетирешенияаддитивнойиминимакснойзадачикоммивояжераполнымперебором.
2
2
ПараллельнаяорганизациявнеоднороднойвычислительнойсетипоискавсехпутейиконтуроввориентированномграфеметодомНеметри.
2
Фор
мир
.
ком
пет.
ПК1,
ПК
Д-4.
ПК1,
ПК
Д-4.
ПК1,
ПК
Д-4.
ПК1,
ПК
Д-4.
ПК1,
ПК
Д-4.
ПК1,
ПК
Д-4.
12
Итого:
5.5. Лабораторные работы
№
п/п
1.
№ раздела
Наименование лабораторных работ
дисциплины
Критическиеразделы.
1
2.
1
Обменсообщениями.
3.
1
Приоритетыпотоков.
4.
2
Исследованиесистемыобменасообщениями.
10
Трудоемк. Формир.
(час.)
компет.
ПК-1,
4
ПКД-4.
ПК-1,
4
ПКД-4.
ПК-1,
4
ПКД-4.
ПК-1,
4
ПКД-4.
№
п/п
5.
№ раздела
Наименование лабораторных работ
дисциплины
Примерработы MPI-программы.
2
6.
2
Основныефункции MPI.
Итого:
Трудоемк. Формир.
(час.)
компет.
ПК-1,
4
ПКД-4.
ПК-1,
4
ПКД-4.
24
5.6. Самостоятельная работа
5.6.1. Виды самостоятельной работы
№
п/п
№ раздела
дисциплины
1.
1, 2
Курсовая работа
44
2.
1, 2
Подготовка к лабораторным работам
24
3.
1, 2
Подготовка к практическим занятиям
12
4.
1, 2
5.
1, 2
Итого:
Виды самостоятельной
работы (детализация)
Трудоемкость(ч
ас.)
Подготовка к промежуточной аттестации
Самостоятельное изучение разделов дисциплины
12
4
Компетенции
Контрольвыполнения работы
ПК-1,
ПКД-4.
ПК-1,
ПКД-4.
Защита курсовой
работы
Оценка по результатам выполнения
работы.
ПК-1,
Оценка по резульПКД-4. татам выполнения
работы.
ПК-1,
Оценка на зачете
ПКД-4.
ПК-1,
Устный опрос.
ПКД-4.
96
5.6.2. Задания для самостоятельного изучения разделов дисциплины
№
№ раздела
дисциплины
1.
1
2.
1
3.
2
4.
2
Содержание задания
Самостоятельное изучение темы «Основыпрограммированияна MPI».
Самостоятельное изучение темы «Высокоуровневыйязыкпараллельногопрограммирования MC#».
Самостоятельное изучение темы «Программированиенаязыке MC#.».
Самостоятельное изучение темы «Windows
ComputeCluster».
Трудоемкость (час)
1
1
1
1
11
Итого:
4
5.6.3. Курсовая работа
Курсоваяработа выполняется студентами очной формы обучения и
является промежуточным этапом изучения дисциплины «Параллельные
вычисления в локальных вычислительных сетях, кластерах и видеоплатах».
Целью курсовой работы является обучение студентов основным знаниям в области архитектуры параллельных вычислительных систем, технологиям параллельного программирования, численным методам решения
задач.
При выполнении курсовой работы формируются следующие компетенции: ПК-1,ПКД-4.
Варианты заданий на курсовое проектирование:
1. Написать программу, определяющую оптимальную стратегию
распараллеливания решения пакета, состоящего из N зависимых задач, в
кластере, состоящем из P узлов. Цель оптимизации — минимизация стоимости решения пакета задач.
2. Написать программу, определяющую оптимальную стратегию
распараллеливания решения пакета, состоящего из N зависимых задач, в
кластере, состоящем из P узлов. Цель оптимизации — минимизация времени решения пакета задач.
3. Написать программу, определяющую оптимальную стратегию
распараллеливания решения пакета, состоящего из N независимых задач, в
кластере, состоящем из P узлов. Цель оптимизации — минимизация стоимости решения пакета задач.
4. Написать программу, определяющую оптимальную стратегию
распараллеливания решения пакета, состоящего из N независимых задач, в
12
кластере, состоящем из P узлов. Цель оптимизации — минимизация стоимости решения пакета задач.
5. Написать программу, определяющую оптимальную стратегию
распараллеливания решения пакета, состоящего из N независимых задач, в
кластере, состоящем из P узлов. Цель оптимизации — минимизация времени решения пакета задач.
6. Написать программу, определяющую оптимальную стратегию
распараллеливания решения пакета, состоящего из N независимых задач, в
кластере, состоящем из P узлов. Цель оптимизации — минимизация времени решения пакета задач.
7. Написать программу сложения матриц W ветвями.
8. Написать программу умножения матриц W ветвями.
9. Написать программу вычисления определителя N-го порядка W
ветвями.
10. Написать программу поиска экстремума функции F(x1, x2, x3) W
ветвями методом прямого поиска.
11. Написать программу поиска экстремума функции F(x1, x2, x3) W
ветвями методом Монте-Карло.
12. Написать программу вычисления определенного интеграла функции F(x1, x2, x3) W ветвями.
13. Написать программу поиска экстремума функции F(x1, x2, x3) W
ветвями методом Монте-Карло.
14. Написать программу поиска экстремума функции F(x1, x2, x3) W
ветвями методом спуска по градиенту.
15. Написать программу поиска простых контуров на взвешенном
орграфе W ветвями.
16. Написать программу поиска кратчайшего пути для каждой пары
вершин на взвешенном орграфе W ветвями.
13
17. Написать программу поиска кратчайшего пути для каждой пары
вершин на взвешенном графе W ветвями.
18. Написать программу сортировки массива W ветвями.
6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
6.1. Основная литература
1. Воеводин В.В., Воеводин Вл.В. Параллельные вычисления. –
СПб.: БХВ-Петербург, 2002. – 608 с.
2. Антонов А.С. Параллельное программирование с использованием
технологии MPI: Учебное пособие. – М.: Изд-во МГУ, 2004. – 71 с.
6.2. Дополнительная литература
1. Корнеев В.Д. Параллельное программирование в MPI. – МоскваИжевск: Институт компьютерных исследований, 2003.
2. В.М.Баканов, Д.В.Осипов Введение в практику разработки параллельных программ в стандарте MPI: Учебно-методическое пособие по
выполнению лабораторных работ. -М.: МГАПИ, 2005. –63 c.: ил.
6.3. Программное обеспечение
1. Microsoft Office;
2. MPICH;
3. MicrosoftVisual Studio.
14
6.4. Базы данных, информационно-справочные и поисковые системы
1. Научная электронная библиотека www.eLibrary.ru.
2. Официальный сайт НТБ СКГМИ (ГТУ) http://lib.skgmi-gtu.ru/.
3. Поисковые системы:
http://www.google.ru/; http://www.yandex.ru/; http://www.rambler.ru/
4. Российская государственная библиотека http://www.rsl.ru
5. Российская национальная библиотека http://www.nlr.ru
6. Портал Microsofthttp://www.microsoft.com.
7. Федеральный
портал
«Российское
образование»
http://www.edu.ru/
8. Федеральное хранилище «Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов» http://school-collection.edu.ru/
9. Портал «Параллельные вычисления» http://www.parallels.ru.
7. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Для обеспечения освоения дисциплины студентами в наличии имеются учебные аудитории, снабженные мультимедийными средствами для
презентаций лекций, видеофайлов практических занятий и демонстрационных лабораторных работ.
Лабораторные работы проводятся в компьютерных классах на специализированном оборудовании и на компьютерах с установленным современным программным обеспечением.
При использовании электронных учебных пособий каждый обучающийся во время занятий и самостоятельной подготовки обеспечен рабочим
местом в компьютерном классе с выходом в Интернет и корпоративную
сеть института.
15
8. Интерактивные образовательные технологии, используемые в
аудиторных занятиях
Формы Лекции Лабораторные Практические
Всего
(час)
работы (час) занятия (час)
Методы
Лекция-визуализация
Лекция с запланированными ошибками (лекция- провокация)
Анализ конкретных ситуаций (casestudy)
Метод «мозгового штурма»
Итого интерактивных занятий
4
–
–
4
2
–
–
2
–
4
4
8
–
6
2
6
2
6
4
18
9. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины
9.1. Методические рекомендации для преподавателей
Преподавание дисциплины осуществляется в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования.
Перечень вопросов, включенных в рабочую программу дисциплины,
может быть изложен с различной степенью глубины в соответствии с объемом часов на самостоятельную работу студентов.
Изучение дисциплины должно базироваться на использовании постоянно поступающих в библиотеку филиала новых периодических и непериодических изданий, раскрывающих различные проблемы дисциплины.
С учетом этого разрабатываются содержание курса и основные методические рекомендации, соответствующие современному уровню знаний в области параллельной обработки информации. Информация о временном
графике работ сообщается преподавателем на установочной лекции. Преподаватель дает указания также по организации самостоятельной работы
16
студентов, срокам сдачи и выполнения лабораторных работ, проведения
тестирования.
В процессе чтения лекций преподаватель должен формировать у студентов системное представление об изучаемой дисциплине, как науке,
формировать профессиональные интересы, воспитывать сознательное отношение к процессу обучения, стремление к самостоятельной творческой
работе, всестороннему овладению специальностью.
В лекциях необходимо использовать внутри- и междисциплинарные
логические связи, знание фундаментальных и общепрофессиональных
дисциплин, внедрять проблемные лекции, используя обратную связь с
аудиторией. Для максимального усвоения дисциплины рекомендуется
проведение компьютерного тестирования студентов по материалам лекций. Подборка вопросов для тестирования осуществляется на основе изученного теоретического материала. Такой подход позволяет повысить мотивацию студентов при конспектировании лекционного материала.
Для организации изучения дисциплины рекомендуется использовать
следующие средства:
•
рекомендуемую основную и дополнительную литературу;
•
учебную программу дисциплины;
•
материалы для аудиторной работы по дисциплине: тексты лек-
ций, задания для закрепления теоретических сведений и практических
навыков;
•
методические рекомендации для подготовки к лабораторным ра-
ботам;
•
методические рекомендации для подготовки к практическим за-
нятиям;
•
методические рекомендации для выполнения курсовой работы.
Профессиональная подготовка магистров по данной дисциплине
предполагает реализацию, разработку и применение современных образо17
вательных технологий, выбор оптимальной стратегии преподавания и целей обучения, создание творческой атмосферы образовательного процесса;
выявление взаимосвязей научно-исследовательского и учебного процессов
в высшей школе, использование результатов научных исследований для
совершенствования образовательного процесса; формирование профессионального мышления, развитие системы ценностей, смысловой и мотивационной сфер личности и проведение исследований частных и общих проблем высшего профессионального образования.
9.2. Методы и формы организации обучения
Для успешного освоения дисциплины применяются различные образовательные технологии, которые обеспечивают достижение планируемых
результатов обучения согласно основной образовательной программе и с
учетом требований к объему занятий в интерактивной форме.
Занятия, проводимые в интерактивных формах составляют 18 ч.
(37%), в том числе занятия лекционного типа 6 ч. (12%).
В процессе преподавания данной дисциплины используются классические методы обучения (лекции, практические занятия и лабораторные
работы), различные виды самостоятельной работы студентов по заданию
преподавателя, а также интерактивные формы обучения, направленные на
развитие творческих качеств студентов и на поощрение их интеллектуальных инициатив.
9.2.1. Лекции
Чтение лекций по данной дисциплине проводится как в классической
форме, так и с использованием мультимедийных презентаций. Слайдконспект курса лекций предназначен для более глубокого усвоения мате18
риала при изучении разделов, связанных с технической частью курса. Презентация позволяет преподавателю очень хорошо иллюстрировать лекцию.
Студентам предоставляется возможность копирования презентаций для
самоподготовки, подготовке к текущему контролю знаний и промежуточной аттестации.
9.2.2. Лабораторные работы
Лабораторные работы по данной дисциплине проводятся в компьютерных классах, с использованием методического пособия и индивидуальных заданий.
Структурно лабораторные занятия, состоят из трех частей – вводной,
основной и заключительной.
Во вводной части лабораторного занятия преподавателем формулируются название, цель и задачи занятия; проверяется готовность студентов
к выполнению работы.
Основная часть лабораторного занятия, в течение которой проводятся составление студентами отчетов по работе, эксперименты и измерения,
обрабатывают полученные результаты, проводят анализ опытных данных,
формулируют выводы, выполняется студентами самостоятельно в присутствии преподавателя.
В заключительной части преподаватель даёт пояснения по оформлению отчета по результатам выполнения работы, отвечает на вопросы студентов, подводит итоги занятия и проводит защиту лабораторной работы.
19
9.2.3. Практические занятия
При проведении практических занятий по дисциплине не менее 1 часа из двух (50% времени) отводиться на самостоятельную работу студентов. Практические занятия строятся следующим образом:
•
вводная (цели занятия, основные вопросы, которые должны быть
рассмотрены);
•
беглый опрос;
•
решение типовых задач у доски;
•
самостоятельное решение задач;
•
разбор типовых ошибок при решении (в конце текущего занятия
или в начале следующего).
По результатам самостоятельной работы выставляется на каждом занятии оценка. Оценка предварительной подготовки студента к практическому занятию осуществляется путем тестов и опросов (тестовые задания
закрытой формы) в течение 5 – 10 минут. Таким образом, при интенсивной
работе на каждом занятии каждому студенту можно поставить, по крайней
мере, две оценки.
По материалам раздела студенту выдаются разнообразные задания и
на последнем практическом занятии по разделу подводятся итоги их выполнения, обсуждаются оценки каждого студента, выдаются дополнительные задания тем студентам, которые хотят повысить оценку за текущую
работу.
9.2.4. Самостоятельная работа
При организации внеаудиторной самостоятельной работы по данной
дисциплине используются следующие ее формы:
•
20
выполнение курсовой работы;
•
подготовка к лабораторным работам;
•
подготовка к практическим занятиям;
•
подготовка к промежуточной аттестации;
•
самостоятельное изучение разделов дисциплины.
9.2.5. Занятия в интерактивной форме обучения
Целью введения интерактивных форм проведения занятий и инновационных технологий обучения в учебный процесс по данной дисциплине
является:
•
проведение учебного процесса в соответствии с требованиями
ФГОС-3;
•
переход от преимущественной активности преподавателя к ак-
тивному участию студентов;
•
создание условий, способствующих формированию у студентов
способности самостоятельного приобретения знаний и выработки навыка
решения практических задач;
•
приобретение коммуникационных навыков в процессе выполне-
ния групповых заданий;
•
развитие способности самостоятельно критически оценивать
практическую деятельность, эффективность используемых методов и регламентов.
При проведении лекций, практических занятийи лабораторных работ
применяются элементы образовательных технологий, заменяющие предметно-информационный
тип
преподнесения
материала
креативно-
развивающими формами проведения занятий, такими как:
•
Лекция-визуализация.
•
Лекция с запланированными ошибками (лекция-провокация).
21
•
Анализ конкретных ситуаций (case-study).
•
Метод «мозгового штурма».
№
Вид
аудиторных занятий
1.
Лекция
2.
Лекция
3.
Лекция
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Лабораторная
работа
Лабораторная
работа
Практическое
занятие
Практическое
занятие
Лабораторная
работа
Практическое
занятие
Формы занятий с
использованием
интерактивных образовательных
технологий
Лекциявизуализация
Лекциявизуализация
Лекция с запланированными ошибками (лекцияпровокация)
Анализ конкретных ситуаций
(case-study)
Анализ конкретных ситуаций
(case-study)
Анализ конкретных ситуаций
(case-study)
Анализ конкретных ситуаций
(case-study)
Метод «мозгового
штурма»
Метод «мозгового
штурма»
Темы, проблемы, ситуации и т.п.
Трудоемкость
(час.)
1. Введение: кластерныевычислительныесистемы.
2.
Основыпрограммированияна
MPI
Высокоуровневыйязыкпарал3.
лельногопрограммирования MC#.
2
2
2
Обмен сообщениями.
2
Основныефункции MPI.
2
Параллельныйпоискэкстремумафункции n переменных.
Параллельныйпоискинтегралафункции n переменныхметодомМонте-Карло.
Исследованиесистемыобменасообщениями
ПараллельнаяорганизациявнеоднороднойвычислительнойсетипоискавсехпутейиконтуроввориентированномграфеметодомНеметри.
Итого:
2
2
2
2
18
10. Оценочные средства промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
10.1. Виды контроля, аттестации и формы оценочных средств
№
22
№
Виды
Наименование разде-
Оценочные средства
п/п
1.
семестра
А
контроля
иаттестации
Промежуточная
аттестация
лаучебной дисциплины(модуля)
1. Кластерные вычислительные системы.
2. Языкпараллельногопрограммирования MC#.
Форма
Кол-во
вопросов
в задании
Кол.
билетов
Зачет с
оценкой
Практика: 3
10
10.2. Оценочные средства для промежуточной аттестации
Формой проведения промежуточной аттестации по дисциплине «Параллельные вычисления в локальных вычислительных сетях, кластерах и
видеоплатах» является зачет с оценкой. В соответствии с требованиями
ФГОС ВПО и основными положениями компетентностного подхода к
профессиональной подготовке будущих специалистов промежуточная аттестация студентов призвана диагностировать и оценивать уровень владения учебно-исследовательскими умениями и профессиональными компетенциями. С этой целью в содержание зачета включены практические задания (задачи), качество выполнения которых позволит оценить уровень
владения студентами определенными компетенциями.
Зачет состоит из письменного решения трехпредложенных практикоориентированных задач. Зачет нацелен на диагностику иоценку уровня
сформированности конкретной компетенции с помощью специальных заданий (задач). При этом часть заданий будет предложена студентам до зачета для того, чтобы студенты смогли более обдуманно подойти к их выполнению.
В ходе сдачи зачетастуденту следует продемонстрировать аналитические, проектировочные и конструктивные умения, а также умение применять теоретические знания на практике.
Оценивание результатов зачета производится следующим образом:
1. Оценка «отлично» выставляется студенту, проявившему творческие способности в понимании, изложении и использовании материалов
23
изученной дисциплины, безупречноответившему на дополнительные вопросы в рамках основной программы дисциплины зачета, правильно выполнившему практические задания.
2. Оценка «хорошо» выставляется студенту, показавшему систематический характер знаний по дисциплине, правильно выполнившему практические задания, но допустившему при этом непринципиальные ошибки.
3. Оценка «удовлетворительно» выставляется студентам, допустившим погрешность при выполнении практических заданий, но обладающим
необходимыми знаниями для их устранения под руководством преподавателя, либо неправильно выполнившему практическое задание, но по указанию экзаменатора выполнившему другие практические задания из того же
раздела дисциплины.
4. Оценка «Неудовлетворительно» выставляется студенту, имеющему серьезные пробелы в знаниях основного материала изученной дисциплины, допустившему принципиальные ошибки в выполнении предусмотренных программой заданий, а точнее студенту, не овладевшему ни одной
из предусмотренных учебным планом по дисциплине компетенций.
Оценка «Неудовлетворительно» ставится студентам, которые не могут продолжить обучение или приступить к профессиональной деятельности по окончании вуза без дополнительных занятий по соответствующей
дисциплине.
Оценка «Неудовлетворительно» выставляется также, если студент:
•
после начала зачета отказался его сдавать;
•
нарушил правила сдачи зачета (списывал, подсказывал, обманом
пытался получить более высокую оценку и т.д.).
Критерии оценки результатов промежуточной аттестации
(компетентностный подход)
Критерии оценки результата промежуточной аттестации
Оценка
Студент:
Знает
24
Умеет
Владеет
Критерии оценки результата промежуточной аттестации
Оценка
Студент:
Знает
Отлично
Хорошо
Удовлетворительно
Неудовлетворительно
а)модели представления
и методы обработки знаний, системы принятия
решений(ПК-1);
б)архитектуру, классификации современных высокопроизводительных
вычислительных систем,
основные способы организации
параллельных
вычислений(ПКД-4)
а)модели представления,
системы принятия решений (ПК-1);
б)архитектуру современных
высокопроизводительных вычислительных
систем, основные способы организации параллельных
вычислений
(ПКД-4)
а)модели представления,
системы принятия решений (ПК-1);
б)архитектуру современных
высокопроизводительных вычислительных
систем (ПКД-4)
–
Умеет
Владеет
а)разрабатывать
а)методами
математические
модели процессов и объектов,
методы их исследования, выполнять их сравнительный анализ (ПК-1);
б)составлять алгоритмы решения прикладных
задач для систем
с общей и распределенной памятью (ПКД-4)
а)разрабатывать
математические
модели процессов, методы их
исследования,
выполнять
их
сравнительный
анализ (ПК-1);
б)составлять алгоритмы решения прикладных
задач для систем
с общей и распределенной памятью (ПКД-4)
а)разрабатывать
математические
модели процессов, выполнять
их сравнительный анализ (ПК1);
б)составлять алгоритмы решения прикладных
задач для систем
с общей памятью
(ПКД-4)
научного поиска (ПК-1);
б)навыками работы с интерфейсами MPI,
OpenMP (ПКД4)
–
–
а)методами
научного поиска (ПК-1);
б)навыками работы с интерфейсами MPI,
OpenMP (ПКД4)
а)методами
научного поиска (ПК-1);
б)навыками работы с интерфейсами MPI,
OpenMP (ПКД4)
25
Вопросы для проведения промежуточной аттестации приведены в
приложении 5.
Образец билета для проведения промежуточной аттестации:
ФГБОУ Северо-Кавказский горно-металлургический институт
(государственный технологический университет)
Направление подготовки: 230100 – Информатика и вычислительная техника
Квалификация выпускника: магистр
Профиль: «Автоматизированные системы обработки информации и управления»
Кафедра «Автоматизированной обработки информации»
Дисциплина: «Параллельные вычисления в локальных вычислительных сетях, кластерах и видеоплатах»
Форма промежуточной аттестации: экзамен; зачет с оценкой; зачет.
Билет № 1
1. Очередь заданий кластера содержит 3, связанных между собой задачи. Каковы минимальные материальные затраты на их решение? Стоимость кластера, состоящего из 12 узлов, составляет 2200 у.е., стоимость одного узла 100 у.е., а среднее время на синхронизацию вычислений не превышает 2 с. Рассматриваемые задачи на одном узле кластера решаются за 9 с., 16 с. и 3 с. соответственно.
2. Дан многомашинный вычислительный комплекс общей стоимостью 3300 у.е. в который входит 10
одинаковых рабочих станций по цене 200 у.е. Необходимо определить выигрыш по стоимости, используя
оптимальную стратегию распараллеливания, минимизирующую стоимость решения пакета из 4 независимых задач за время равное 9 с., со случаем использования при решении одной ЭВМ. Рассматриваемые
задачи на одной рабочей станции МВК решаются за 9 с. 4 с, 3 с. и 25 с. соответственно, а время, затрачиваемое в ходе вычислений на синхронизацию, составляет 3 с.
3. Используя кластер необходимо одновременно решить 2 задачи. Каковы будут минимальные временные затраты на их решение, если на выполнение отводится не более 9900 у.е.? Стоимость кластера, состоящего из 12 узлов, составляет 3700 у.е., стоимость одного узла 200 у.е., а среднее время на синхронизацию вычислений не превышает 1 с. Рассматриваемые задачи на одном узле кластера решаются за 3 с. и
9 с. соответственно.
Зав. кафедрой
__________ Гроппен В.О.
Преподаватель __________ Мирошников А.С.
26
Приложение 1.
Лекция с запланированными ошибками (лекция – провокация)
Лекция с запланированными ошибками (лекция – провокация) позволяет развить у обучаемых умение оперативно анализировать профессиональные ситуации, выступать в роли экспертов, оппонентов, рецензентов,
выделять неверную и неточную информацию.
Цель: активизация внимания слушателей и вовлечение их в процесс
усвоения знаний.
Задачи:
•
заинтересовать слушателей для процесса усвоения знаний;
•
вовлечь слушателей в процесс обсуждения получаемых знаний
для поиска объявленных ошибок;
•
развитие коммуникативных навыков (навыков общения);
•
снятие психологической и физической нагрузки на занятии.
Методика осуществления:
На предыдущем занятии объявляется тема следующего занятия, количество ожидаемых ошибок и даются материалы (или ссылки на источники) для предварительного ознакомления с заявленной темой. Перед
началом лекции учащихся разделяют на небольшие подгруппы по 3-5 человек (сидящих рядом друг с другом). Изложение материала рекомендуется разделить на несколько (3-4) подразделов. После каждого подраздела
дается 2-3 минуты на обсуждение материала в подгруппе и вынесение заключения: имеются ли ошибки и сколько их сделано в данном подразделе.
По каждой подгруппе на доске фиксируется количество ошибок.
Изложение всего материала рекомендуется закончить не менее чем
за 10 мин до конца занятия. Представителям каждой подгруппы предлагается озвучить все указанные ими факты ошибок и записать их на доске.
Можно предложить другим подгруппам опровергнуть заявленные факты
27
или обосновать последствия этих ошибок, давая возможность показать
студентам уровень владения темой.
В заключении необходимо указать правильные ответы и поощрить те
подгруппы, в которых отмечен наибольший процент правильных ответов.
Поощрением могут служить баллы рейтинговой системы, выставляемые за
занятие или проценты от итоговой оценки за дисциплину.
28
Приложение 2.
«Мозговой штурм»
«Мозговая атака», «мозговой штурм» – это метод, при котором принимается любой ответ обучающегося на заданный вопрос. Важно не давать
оценку высказываемым точкам зрения сразу, а принимать все и записывать
мнение каждого на доске или листе бумаги. Участники должны знать, что
от них не требуется обоснований или объяснений ответов.
«Мозговой штурм» – это простой способ генерирования идей для
разрешения проблемы. Во время мозгового штурма участники свободно
обмениваются идеями по мере их возникновения, таким образом, что каждый может развивать чужие идеи.
Цель: выявление информированности или подготовленности аудитории в течение короткого периода времени.
Задачи:
•
формирование общего представления об уровне владения знани-
ями у студентов, актуальными для занятия;
•
развитие коммуникативных навыков (навыков общения).
Методика проведения:
1. Задать участникам определенную тему или вопрос для обсуждения.
2. Предложить высказать свои мысли по этому поводу.
3. Записывать все прозвучавшие высказывания (принимать их все без
возражений). Допускаются уточнения высказываний, если они кажутся вам
неясными (в любом случае записывайте идею так, как она прозвучала из
уст участника).
4. Когда все идеи и суждения высказаны, нужно повторить, какое
было дано задание, и перечислить все, что записано вами со слов участников.
29
5. Завершить работу, спросив участников, какие, по их мнению, выводы можно сделать из получившихся результатов и как это может быть
связано с темой тренинга.
После завершения «мозговой атаки» (которая не должна занимать
много времени, в среднем 4-5 минут) необходимо обсудить все варианты
ответов, выбрать главные и второстепенные.
30
Приложение 3.
Лекция-визуализация
К интерактивным методам относятся лекции-визуализации с использованием различных вспомогательных средств: доски, книг, видео, слайдов, постеров, компьютеров и т.п., с последующим обсуждением материалов.
Цель: организация процесса изучения теоретического содержания в
интерактивном режиме.
Задачи:
•
совершенствование способов поиска, обработки и предоставле-
ния новой информации;
•
развитие коммуникативных навыков;
•
актуализация и визуализация изучаемого содержания на лекции.
Методика проведения:
Перед презентацией необходимо поставить перед обучаемыми несколько (3-5) ключевых вопросов. Можно останавливать презентацию на
заранее намеченных позициях и проводить дискуссию. По окончании презентации необходимо обязательно совместно со студентами подвести итоги и озвучить извлеченные выводы.
31
Приложение 4.
Анализ конкретных ситуаций (case-study)
Ситуация (фр. – положение, обстановка) – совокупность обстоятельств (внутренних и внешних), содержащая условия, противоречия, в которых развивается какая-либо деятельность индивида, группы, организации,
требующая конкретного разрешения, но не имеющая мгновенного однозначного решения для выхода из создавшегося положения). Также этот метод в литературе называется «Кейс-стади».
Метод анализа конкретных ситуаций насчитывает около 30 модификаций, одной из которых является кейс-метод (Casestudy). Это техника
обучения, использующая описание реальных ситуаций (от англ. case–
«случай»). Обучающихся просят проанализировать ситуацию, разобраться
в сути проблем, предложить возможные варианты решения и выбрать
лучший из них. Кейс-метод концентрирует в себе значительные достижения технологии «создание успеха». Для него характерна активизация обучающихся, стимулирование их успеха, подчеркивание достижений участников. Именно ощущение успеха выступает одной из главных движущих
сил метода, способствует формированию устойчивой позитивной мотивации и наращиванию познавательной активности.
Ситуации бывают:
•
стандартная (часто повторяющаяся ситуация при одних и тех же
обстоятельствах, имеющая одни и те же источники. Она может иметь как
положительный, так и отрицательный характер);
•
критическая (нетипичная ситуация, разрушающая первоначаль-
ные расчеты и планы, требующая радикального вмешательства);
•
экстремальная (уникальная ситуация, не имеющая в прошлом
аналогов, приводящая к негативным изменениям, полевые);
32
•
ситуации-оценки (описание конкретного события и принятых мер
и формулировка задачи оценивания причины, механизма, значения и следствия ситуации и принятых мер);
•
ситуации-иллюстрации (на конкретном примере демонстрируют-
ся закономерности или механизмы социальных процессов, позитивная и
негативная деятельность личностей и коллективов, эффективность использования методов и приемов работы, значение каких-либо факторов и условий),
•
кресельные, базовые и конкретные;
•
ситуации-проблемы, ситуации-тренинги;
•
классические, «живые» ситуации, разбор корреспонденции, дей-
ствие по алгоритму.
Источники ситуаций: художественная и публицистическая литература, статистические данные, научные статьи, реальные события местной
жизни и источники в сети интернет.
Требования к конкретной ситуации (КС):
•
КС должна соответствовать содержанию теоретического курса и
профессиональным потребностям обучающихся;
•
желательно, чтобы ситуация отражала реальный, а не вымыш-
ленный профессиональный сюжет, в ней должно быть отражено «как
есть», а не «как может быть»;
•
следует вести разработку кейсов на местном материале и «встра-
ивать» их в текущий учебный процесс;
•
ситуация должна отличаться «драматизмом» и проблемностью,
выразительно определять «сердцевину» проблемы и содержать необходимое и достаточное количество информации;
33
•
нужно, чтобы ситуация показывала как положительные (путь к
успеху фирмы, организации), так и отрицательные примеры (причины неудач и пр.);
•
КС должна быть по силам обучающимся, но в то же время не
очень простой;
•
ситуация должна быть описана интересно, простым и доходчи-
вым языком (целесообразно приводить высказывания, диалоги участников
ситуации);
•
текст ситуационного упражнения не должен содержать подсказок
относительно решения поставленной проблемы;
•
ситуация должна также сопровождаться четкими инструкциями
по работе с нею.
Вместо подготовленных текстов можно использовать аудио- или видеозаписи, газетные статьи, официальные документы или их подборки,
рассказы, содержащие описания производственных ситуаций. Участники
могут предложить и рассмотреть примеры из собственной практики.
При этом необходимо очень четко сформулировать задание, чтобы
обучающиеся не поддались желанию пассивно воспринимать информацию.
Принципы построения конкретных ситуаций: проблемность, моделирование профессиональных ситуаций и их решений, коллективноиндивидуальная деятельность, диалогичность общения.
Анализ конкретной ситуации – деятельное исследование реальной
или искусственно сконструированной ситуации для выявления проблем и
причин, вызвавших ее для оптимального и оперативного разрешения. Этот
метод может использоваться как в процессе чтения лекций (возможны три
уровня), так и как самостоятельное практическое занятие (классический
вариант, свободный вариант, смешанный вариант).
34
Цель метода анализа конкретной ситуации метода– научить студентов анализировать информацию, выявлять ключевые проблемы, выбирать альтернативные пути решения, оценивать их, находить оптимальный
вариант и формулировать программы действий.
Стадии создания кейса:
•
определение того раздела курса, которому посвящена ситуация;
•
формулирование целей и задач;
•
определение проблемной ситуации, формулировка проблемы;
•
поиск необходимой информации;
•
создание и описание ситуации.
Этапы работы с кейсом:
1. Этап введения в изучаемую проблему
Кейсы могут быть розданы каждому обучающемуся за день до занятий или на самом занятии. На ознакомление выделяется 5-7 мин. в зависимости от сложности кейса. Преподаватель начинает занятие с контроля
знания обучающимися (слушателями) содержания кейса, например, спрашивает: «Сколько всего персонажей действует в данной ситуации?» или
«Что является центральной проблемой данного кейса?». Далее участники
задают руководителю вопросы с целью уточнения ситуации и получения
дополнительной информации, которая фиксируется на доске для последующего обсуждения.
2. Анализ ситуации.
Каждый из участников или группа представляют свой вариант решения в виде устного доклада (регламент устанавливается).
3. Этап презентации.
Умение публично представить интеллектуальный продукт, хорошо
его прорекламировать, показать его достоинства и возможные направления
эффективного использования, а также выстоять под шквалом критики
35
представляется очень ценным интегральным качеством современного специалиста.
4. Этап общей дискуссии.
Как правило, во всех дискуссиях при обсуждении ситуационных
упражнений формулируются четыре основных вопроса:
•
Почему ситуация выглядит как дилемма?
•
Кто принимал решения?
•
Какие варианты решения он имел ввиду?
•
Что ему надо было сделать?
5. Этап подведения итогов.
Преподаватель должен «раскрыть карты». Для кейсов, написанных
на примере реальных конкретных ситуаций – это информация о том, как
были решены проблемы, которые обсуждались слушателями в реальной
жизни. Для «кабинетных» кейсов важно обосновать версию преподавателя.
Следует акцентировать внимание на том, что кейс может иметь и другие
решения: «Жизнь богаче любой теории», а затем выделить лучшие решения и расставить акценты поощрительного характера (рейтинг успеваемости, призы, зарубежные стажировки).
В методе «кейс-стади» может быть использован мозговой штурм, когда группа зашла в тупик и затрудняется принять решение.
36
Приложение 5.
Вопросы для проведения промежуточной аттестации
1. Очередь заданий кластера содержит 3, связанных между собой задачи. Каковы минимальные материальные затраты на их решение? Стоимость кластера, состоящего из P узлов, составляет S у.е., стоимость одного
узла b у.е., а среднее время на синхронизацию вычислений не превышает t
с. Рассматриваемые задачи на одном узле кластера решаются за x с., y с. и z
с. соответственно.
2. Дан многомашинный вычислительный комплекс общей стоимостью S у.е. в который входит P одинаковых рабочих станций по цене b у.е.
Необходимо определить выигрыш по стоимости, используя оптимальную
стратегию распараллеливания, минимизирующую стоимость решения пакета из 4 независимых задач за время равное t с., со случаем использования
при решении одной ЭВМ. Рассматриваемые задачи на одной рабочей станции МВК решаются за w с, x с, y с. и z с. соответственно, а время, затрачиваемое в ходе вычислений на синхронизацию, составляет l с.
3. Используя кластер необходимо одновременно решить 2 задачи.
Каковы будут минимальные временные затраты на их решение, если на
выполнение отводится не более S у.е.? Стоимость кластера, состоящего из
P узлов, составляет M у.е., стоимость одного узла b у.е., а среднее время на
синхронизацию вычислений не превышает t с. Рассматриваемые задачи на
одном узле кластера решаются за y с. и z с. соответственно.
37