智能計(jì)算系統(tǒng)?：專(zhuān)欄·最前線(xiàn) | 中國(guó)石油大學(xué)（北京）：產(chǎn)學(xué)研齊頭并進(jìn)，初生犢攻堅(jiān)克難！
發(fā)布時(shí)間:2021-03-29 | 來(lái)源：智能計(jì)算系統(tǒng) | 瀏覽量：
2021年寒假期間舉辦的智能計(jì)算系統(tǒng)教學(xué)研討班，邀請(qǐng)到了來(lái)自不同高校的6名具備一定開(kāi)課經(jīng)驗(yàn)的一線(xiàn)教師代表，與參會(huì)老師們共同分享探討教學(xué)心得與經(jīng)驗(yàn)。
2020年4月，《智能計(jì)算系統(tǒng)（導(dǎo)論）》在中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院開(kāi)課，學(xué)時(shí)32。這是我們首次面向低年級(jí)大一學(xué)生的開(kāi)課嘗試，教學(xué)團(tuán)隊(duì)迎難而上，積極適應(yīng)性調(diào)整教學(xué)內(nèi)容與課程模式，切實(shí)幫助學(xué)生提高綜合能力。
今天，我們請(qǐng)到了中國(guó)石油大學(xué)（北京）的授課教師——?jiǎng)シ謇蠋?，?lái)為我們分享《智能計(jì)算系統(tǒng)》的開(kāi)課教學(xué)經(jīng)驗(yàn)與心得。
劉偉峰，中國(guó)石油大學(xué)（北京）教授、博士生導(dǎo)師。2002年和2006年分別于中國(guó)石油大學(xué)（北京）計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系獲學(xué)士與碩士學(xué)位，2016年于哥本哈根大學(xué)尼爾斯·玻爾研究所獲計(jì)算科學(xué)博士學(xué)位。他的主要研究方向?yàn)閿?shù)值線(xiàn)性代數(shù)和并行計(jì)算，其中尤其關(guān)注稀疏矩陣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、并行算法和軟件。他關(guān)于并行稀疏矩陣計(jì)算的開(kāi)源代碼被眾多數(shù)學(xué)庫(kù)所采用，多種實(shí)際科學(xué)與工程應(yīng)用因此獲得顯著性能提升。他的研究工作發(fā)表于SC、ICS、PPoPP、ASPLOS、IPDPS和ICPP等重要國(guó)際會(huì)議，并擔(dān)任SC、ICS、IPDPS、ICPP、Cluster和Euro-Par等多個(gè)重要國(guó)際會(huì)議的技術(shù)程序委員會(huì)委員，以及TPDS、SISC和TKDE等多個(gè)重要國(guó)際期刊的審稿人。
2020年授課情況
2020年春季學(xué)期，中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院面向大一學(xué)生，開(kāi)設(shè)《智能計(jì)算系統(tǒng)（導(dǎo)論）》課程，學(xué)時(shí)32。
授課方式：線(xiàn)上授課
選課人數(shù)：課程對(duì)于大一本科生而言難度很大，我們?cè)緦?duì)于選課人數(shù)的預(yù)期也比較低。為了讓老師們能夠更好地備課，我們把課程的開(kāi)課時(shí)段放在整個(gè)學(xué)期的后8周，這個(gè)安排與同學(xué)們的高數(shù)和物理期末考試時(shí)間沖突，再加上五一放假減少了6個(gè)學(xué)時(shí)的課程，導(dǎo)致同學(xué)們?cè)谟邢薜膶W(xué)習(xí)時(shí)間內(nèi)除了應(yīng)付其他課程的考試，還需要吃透這門(mén)高難度的綜合性課程，“壓力山大”。同學(xué)們最初的選課熱情超過(guò)我們的預(yù)期，超過(guò)80人，但因?yàn)殚_(kāi)設(shè)在大一，設(shè)為選修課，支持學(xué)生隨時(shí)退課，最終堅(jiān)持到最后并通過(guò)期末考核的學(xué)生有19人。第一次在大一嘗試，有19人堅(jiān)持下來(lái)，我們覺(jué)得已經(jīng)很棒了。
授課團(tuán)隊(duì)：授課團(tuán)隊(duì)由5名教師組成，分別為劉偉峰(6)、魯強(qiáng)(2)、范江波(6)、吳雙元(6)、張麗英(6)（括號(hào)數(shù)字代表每位老師對(duì)應(yīng)的授課學(xué)時(shí)）
助教團(tuán)隊(duì)：助教團(tuán)隊(duì)有9人，由低年級(jí)研究生和高年級(jí)本科生組成，由于最開(kāi)始選課人數(shù)多，所以助教人數(shù)也安排比較多，最終選課人數(shù)縮減后，實(shí)際上是一名助教對(duì)應(yīng)兩名同學(xué)，保證了良好到位的教學(xué)輔導(dǎo)。
實(shí)驗(yàn)安排：學(xué)生不分組，2大實(shí)驗(yàn)+6個(gè)小作業(yè)
考核方式：無(wú)筆試無(wú)考勤，6個(gè)小作業(yè)以報(bào)告方式考核
課程內(nèi)容設(shè)置
不同于其他學(xué)校，中國(guó)石油大學(xué)（北京）此次開(kāi)課，面對(duì)的是低年級(jí)的大一本科生。對(duì)于他們而言，沒(méi)有足夠的前序知識(shí)鋪墊，也沒(méi)有建立較為完善的知識(shí)體系和系統(tǒng)性思維，教授這門(mén)課挑戰(zhàn)十足。面對(duì)這種情況，劉老師與教學(xué)團(tuán)隊(duì)老師們迎難而上，創(chuàng)新性地將《智能計(jì)算系統(tǒng)》課程實(shí)現(xiàn)“適應(yīng)性降維”調(diào)整，課名改為《智能計(jì)算系統(tǒng)（導(dǎo)論）》，在課程內(nèi)容和教學(xué)方式上也做了相應(yīng)的改變，讓我們來(lái)看看他們是怎么做的吧！
1. 緒論部分（陳云霽，魯強(qiáng)，第1-2學(xué)時(shí)）
選課學(xué)生在前八周通過(guò)《智能計(jì)算系統(tǒng)》教材和B站公開(kāi)課先行自學(xué)部分課程。
第一堂課，陳云霽老師進(jìn)行了線(xiàn)上開(kāi)班致辭，陳老師的親臨指導(dǎo)給歡欣鼓舞的同學(xué)們打了一劑“強(qiáng)心針”；之后，由對(duì)知識(shí)圖譜方面比較專(zhuān)業(yè)的魯強(qiáng)老師，在人工智能的發(fā)展歷史和典型應(yīng)用場(chǎng)景上進(jìn)行了圖文并茂、豐富多彩的介紹，幫助同學(xué)建立對(duì)人工智能和智能計(jì)算系統(tǒng)整體的認(rèn)知與理解。
2. 機(jī)器學(xué)習(xí)基礎(chǔ)（范江波，第3-8學(xué)時(shí)）
首先講授學(xué)習(xí)智能計(jì)算系統(tǒng)所需要理解的基本機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)，包括矩陣-向量計(jì)算和NumPy使用、線(xiàn)性回歸、三層神經(jīng)網(wǎng)訓(xùn)練和其中矩陣-向量計(jì)算的重要性。由于后期對(duì)TensorFlow的學(xué)習(xí)需要這樣的編程環(huán)境，而大一的同學(xué)很多沒(méi)有接觸過(guò)Python以及線(xiàn)性代數(shù)的知識(shí)，對(duì)矩陣-向量計(jì)算概念相對(duì)模糊。在授課結(jié)束后，范老師留了一些作業(yè)，包括線(xiàn)性回歸是如何和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生聯(lián)系的，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的計(jì)算過(guò)程，矩陣-向量計(jì)算的表達(dá)等。
3. 期中Project匯報(bào)（第9-10學(xué)時(shí)）
期中Project題目：淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行分析
期中Project前置自學(xué)內(nèi)容：除了范老師在之前講解的知識(shí)外，同學(xué)們需要自學(xué)吳恩達(dá)深度學(xué)習(xí)課程的第三周之淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。為了降低同學(xué)們的學(xué)習(xí)難度，老師們會(huì)給出編程答案。
期中Project要求：要求能夠結(jié)合理論，理解整個(gè)程序的架構(gòu)，對(duì)語(yǔ)句做注釋?zhuān)嬲斫饷慷纬绦虻暮x。針對(duì)智能計(jì)算系統(tǒng)，老師特別要求學(xué)生需要插入time.time()函數(shù)記錄關(guān)鍵步驟運(yùn)行時(shí)間，找出其中耗時(shí)最長(zhǎng)的幾個(gè)函數(shù)，并嘗試解釋其功能和耗時(shí)較長(zhǎng)的原因。
期中Project考核形式：以PPT形式，獨(dú)立答辯，每人匯報(bào)5分鐘；上交PDF格式報(bào)告，包括代碼、注釋、執(zhí)行時(shí)間分析等。
匯報(bào)反饋：劉老師提到，同學(xué)們?cè)诖舜螀R報(bào)的完成上相當(dāng)不錯(cuò)。
4. 深度學(xué)習(xí)框架和模型（吳雙元，第11-16學(xué)時(shí)）
首先講授最后大實(shí)驗(yàn)所需的TF框架的基本使用方式，之后講授和分析LeNet、 AlexNet等典型的深度學(xué)習(xí)模型，以及其中的卷積、池化等主要計(jì)算模式，并分析計(jì)算和訪(fǎng)存量，從而為之后做系統(tǒng)與高效計(jì)算奠定基礎(chǔ)。最后引入圖像風(fēng)格遷移，并聯(lián)系到之前講授的一系列知識(shí)，考慮到有一定難度，老師們盡量做到能夠淺顯易懂地把知識(shí)講給同學(xué)們。
5. 系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)（劉偉峰，第17-18學(xué)時(shí)）
劉老師提到，“如果說(shuō)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和體系結(jié)構(gòu)以及智能計(jì)算系統(tǒng)這門(mén)課程之間取一個(gè)交集點(diǎn)的話(huà)，這個(gè)交集一定是矩陣計(jì)算，這也是這幾門(mén)課程最重要的知識(shí)點(diǎn)?！?由于采取線(xiàn)上授課的形式，繪圖較為容易，因此在上課時(shí)，劉老師會(huì)給同學(xué)們線(xiàn)上畫(huà)點(diǎn)積算法，講授矩陣相乘的點(diǎn)積算法和行-行算法，之后講授矩陣相乘的分塊算法和使用AVX2的實(shí)現(xiàn)，然后現(xiàn)場(chǎng)編程和編譯運(yùn)行，分析三種算法的性能。最后結(jié)合課程B站視頻，引導(dǎo)同學(xué)們建立對(duì)計(jì)算和訪(fǎng)存的認(rèn)識(shí)。
6. BangC基礎(chǔ)知識(shí)（劉偉峰，第19-20學(xué)時(shí)）
這部分內(nèi)容首先介紹協(xié)處理器硬件架構(gòu)和程序設(shè)計(jì)模式，之后現(xiàn)場(chǎng)從0開(kāi)始編寫(xiě)一個(gè)BangC程序的host代碼，接著為同學(xué)們講解BangC開(kāi)發(fā)手冊(cè)，分析DLP存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)，并編寫(xiě)使用gdram和sram的BangC程序。
7. 關(guān)鍵論文導(dǎo)讀（劉偉峰，第21-22學(xué)時(shí)）
論文導(dǎo)讀部分的課程引入，是《智能計(jì)算系統(tǒng)》課程在各大高校開(kāi)課以來(lái)的首次實(shí)踐。引入此部分內(nèi)容的考慮在于，劉老師認(rèn)為，業(yè)內(nèi)的一些知名企業(yè)/產(chǎn)業(yè)，在最初很多都是基于一個(gè)想法，到一份Paper，在經(jīng)歷無(wú)數(shù)次的嘗試與實(shí)踐后最終落地實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。劉老師希望能夠帶領(lǐng)同學(xué)們逐步了解如何從一份paper到一個(gè)產(chǎn)業(yè)的衍化邏輯，希望同學(xué)們不僅能夠掌握技術(shù)，還能掌握行業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)。
劉老師帶領(lǐng)同學(xué)們用一節(jié)課導(dǎo)讀與課程相關(guān)的在ASPLOS、 ISCA、 MICRO等頂級(jí)會(huì)議和期刊上發(fā)表的關(guān)鍵學(xué)術(shù)論文，同時(shí)也留了作業(yè)，要求同學(xué)們?cè)?014到2019年的論文中任選兩篇進(jìn)行精讀并完成一份報(bào)告。在報(bào)告中需要給出：
論文的研究?jī)?nèi)容對(duì)應(yīng)的是《智能計(jì)算系統(tǒng)》 教材中哪一章哪一節(jié)的知識(shí)點(diǎn)；
論文的每一節(jié)（指諸如Introduction、 Background and Motivation Experimental Methodology等這種）的主要內(nèi)容是什么，并寫(xiě)出一個(gè)你認(rèn)為的亮點(diǎn)；
論文的Introduction一節(jié)里每一個(gè)自然段里的主要內(nèi)容是什么，并描述這些自然段之間的邏輯關(guān)系；
在整篇論文中任選一個(gè)比較長(zhǎng)的自然段，描述該自然段里每一句話(huà)之間的邏輯關(guān)系。
8. 實(shí)驗(yàn)一與實(shí)驗(yàn)二（張麗英，第21-24學(xué)時(shí)）
實(shí)驗(yàn)內(nèi)容同《智能計(jì)算系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)一與二，無(wú)調(diào)整變化。
9. 期末project演示（第25-26學(xué)時(shí)）
最后期末Project的演示，包含論文閱讀的作業(yè)、算子集成的作業(yè)以及圖像風(fēng)格遷移的作業(yè)，通過(guò)整體匯報(bào)展示，同學(xué)們理論與實(shí)踐的綜合水平與系統(tǒng)能力得到顯著提升。
（圖為學(xué)生匯報(bào)成果摘選）
教學(xué)探討
1. 如何實(shí)現(xiàn)降維的適應(yīng)性教學(xué)
在將更適用于高年級(jí)本科生以及低年級(jí)研究生的課程“降維”成面向大一本科生的《智能計(jì)算系統(tǒng)（導(dǎo)論）》時(shí)，劉老師及教學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這實(shí)際上是給授課教學(xué)進(jìn)行了“升維”——同學(xué)們?yōu)榱四軌蛳者@些課程內(nèi)容，需要短時(shí)間內(nèi)惡補(bǔ)許多基礎(chǔ)知識(shí)，如Python、線(xiàn)性代數(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、英文文獻(xiàn)閱讀、Linux等，壓力很大，但可見(jiàn)的實(shí)際效果是，能堅(jiān)持到最后的學(xué)生的綜合素質(zhì)與自學(xué)能力都有明顯提升。
2. 課程教學(xué)中理論與實(shí)驗(yàn)優(yōu)化結(jié)合的探討
劉老師與教學(xué)團(tuán)隊(duì)都認(rèn)為實(shí)驗(yàn)非常不錯(cuò)，基于目前的實(shí)驗(yàn)，有沒(méi)有可能把圖像風(fēng)格遷移案例的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)一步細(xì)化和拆分，在每一章節(jié)都明確學(xué)生需掌握的知識(shí)點(diǎn)與案例的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
小編畫(huà)外音：在之前的文章中也提到，去年的學(xué)校均采用實(shí)驗(yàn)1.0版本，在理論課程全部結(jié)束后完成幾個(gè)實(shí)驗(yàn)。隨后課程團(tuán)隊(duì)對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化迭代，推出實(shí)驗(yàn)2.0版本，并配套自動(dòng)評(píng)測(cè)平臺(tái)，在去年下半年預(yù)先在北大實(shí)行初試點(diǎn)，反饋相當(dāng)不錯(cuò)，由此在2021年將在各大高校全面推行實(shí)驗(yàn)2.0版本。較之1.0版本，2.0版本的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫亟鉀Q劉老師團(tuán)隊(duì)此處的探討：實(shí)驗(yàn)以風(fēng)格遷移作為應(yīng)用驅(qū)動(dòng)，結(jié)合各章節(jié)的重難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了多個(gè)分章節(jié)實(shí)驗(yàn)與拓展思考，理論章節(jié)與分章節(jié)實(shí)驗(yàn)一一對(duì)應(yīng)。同學(xué)們通過(guò)完成每一章學(xué)習(xí)之后的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，能夠明晰切實(shí)地掌握理論知識(shí)。在層層遞進(jìn)的分階段實(shí)驗(yàn)中，將軟硬件知識(shí)點(diǎn)貫穿起來(lái)，讓學(xué)生真正掌握智能計(jì)算系統(tǒng)的部署與優(yōu)化。
3. 如何能夠高效準(zhǔn)確地驗(yàn)證學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的掌握程度（如何判斷“玩家把怪打死了”）
小編畫(huà)外音：如何高效把握學(xué)習(xí)進(jìn)度，如何直觀(guān)感受知識(shí)的“獲得”，也是課程團(tuán)隊(duì)在去年一年實(shí)踐中思考的問(wèn)題。在不久的未來(lái)，《智能計(jì)算系統(tǒng)》教學(xué)團(tuán)隊(duì)將推出配套的實(shí)踐教程，并利用各章節(jié)實(shí)驗(yàn)抽象得出的多個(gè)知識(shí)點(diǎn)構(gòu)建“智能計(jì)算系統(tǒng)知識(shí)樹(shù)”：學(xué)生每完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)，便能夠“點(diǎn)亮”知識(shí)樹(shù)的一部分。通過(guò)遍歷知識(shí)樹(shù)，學(xué)生可以更好地直觀(guān)掌握各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的有機(jī)聯(lián)系，獲得對(duì)整個(gè)技術(shù)棧的體系性理解。同時(shí)，為了調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，我們也在考慮更有意思、互動(dòng)性更強(qiáng)的課程模式，使之不再單單是一門(mén)課程或一本書(shū)，而成為對(duì)教學(xué)的一種新嘗試，這種創(chuàng)新的教學(xué)機(jī)制具體怎樣幫助提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，讓我們拭目以待！
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（編輯 劉曉玉）
