Изучение технологии CUDA как фактор формирования информационных компетенций старшекласников

Мы рассматриваем профессионально-значимые качества в качестве самостоятельной составляющей профессионализма педагога, поскольку считаем, что в отношении педагогической компетентности и педагогического мастерства они являются фундаментом их формирования и развития.

Таким образом, педагогическую компетентность определяется как теоретическая и практическая готовность к осуществлению педагогической деятельности, включающая овладение психолого-педагогическими, предметными, методическими знаниями и умениями, а педагогическое мастерство - это качественная характеристика педагога, отражающую высокий уровень владения педагогическими навыками и технологиями.

Список литературы

7. Зязюн И.А. Основы педагогического мастерства: Учеб. пособие для пед. спец. высш. учеб. заведений / И.А. Зязюн [и др.]. М.: Просвещение, 1989. 302 с.

8. Маркова А.К. Психология профессионализма / А.К. Маркова. М.: Международный гуманитарный фонд «Знание», 1996. 312 с.

9. Митина Л.М. Психология труда и профессионального развития учителя: Учеб.пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений / Л.М. Митина. М.: Издательский центр «Академия», 2004. 320 с.

10. Педагогическая система: теория, развитие, практика: Коллективная монография / В.П. Бедерханова [и др.]; под ред. В.П. Бедерхановой, А.А. Остапенко. М.: Народное образование, 2014. 128 с.

11. Сластенин В.А. Психология и педагогика: учеб.пособие для студ. высш. учеб. заведений / В.А. Сластенин, В.П. Каширин. 4-е изд., стереотип. М.: Издательский центр «Академия», 2006. 480 с.

12. Щербаков А.И. Психологические проблемы профессиональной подготовки учителя в высшей школе / А.И. Щербаков, Л.: Просвещение, 1988. 168 с.

ИЗУЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ CUDA КАК ФАКТОР ФОРМИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ КОМПЕТЕНЦИЙ СТАРШЕКЛАСНИКОВ Суйгусар И.В.

Суйгусар Илья Владимирович - бакалавр, направление: педагогическое образование, профиль: информационные технологии в образовании, кафедра физики и информационных технологий, Институт естественных наук и математики Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова, г. Абакан

Аннотация: в данном исследовании рассмотрены вопросы формирования информационной компетенции учащихся профильных классов при знакомстве с технологией CUDA. Отражен опыт обучения параллельному программированию и описаны результаты пробных занятий.

Ключевые слова: параллельные вычисления, графические процессоры, информационная компетентность, метод проектов.

Развитие информационной компетенции школьников является особо актуальной задачей, решение которой выступает важным условием реализации закона «Об Образовании в Российской Федерации». В виду того, что школе необходимо

воспитать ученика 21 века, учитель выбирает формы обучения и методики, развивающие качества современного ученика [1].

В течение последних нескольких лет в сфере программирования и теоретической информатики происходили большие изменения на фоне очень быстрого качественный рост современных технологий. Рост производительности графических процессоров привлекает к себе большой интерес их применения в неграфических расчетах. Очень удачное воплощение этой идеи является технология CUDA -продукт компании NVIDIA. Эта технология представляет собой C подобный язык программирования со своими библиотеками, компилятором для неграфических расчетов [2].

Проникающий во все сферы жизни человека, процесс информатизации диктует необходимость формирования у обучающихся качеств, обеспечивающих гибкость и готовность к изменениям, обеспечивающих эффективность в будущей профессиональной деятельности. Возрастает необходимость в формирование у учеников информационной компетенции, а также в создания новых образовательных программ и корректировки, существующих для большего их соответствия реальному состоянию предметной области информатики. Применение графических ускорителей в вычислительной технике сильно повлияло на её развитее. Современным ученикам необходимо шагать в ногу с развивающимися технологиями. Ученики должны увидеть, что графические процессоры способны работать не только с графикой, а также способны справляться с вычислительными задачами. Необходимо показать, что архитектура графического процессора позволяет справиться с рядом некоторых вычислительных задач более успешно, чем центральные процессоры.

Вопросом обучения программированию с помощью CUDA заинтересованы уже достаточно многие исследователи. Основными источниками, раскрываю щими степень изученности и проработанности данной темы в нашей стране, явились работы А.Е. Алексеенко, А.М. Казённова, работа Е.Ю. Киселевой, И.В. Гавриловой. В работах Ляпцева А.В. был рассмотрен зарубежный опыт. В работе Е.Ю. Киселевой «Потенциал суперкомпьютерной тематики в проектноисследовательской деятельности школьников» отражены основные элементы проектной деятельности школьников в рамках предмета информатика. Подробно изложен ряд требований образовательных стандартов. Стоит подчеркнуть то, что в работах Е.Ю. Киселевой присутствует большое количество примеров уже реализованных проектов школьников в области применения CUDA программирования, а так же примерные темы проектов с их содержанием

Проблемой изучения технологии CUDA в профильных классах средней школы н в соседнем регионе г. Красноярске. Автор научной работы — Яковлев И. С. Статья в журнале актуальные проблемы авиации и космонавтики.

Плаксин М.А. занимается вопросами включении в школьный курс информатики темы «параллельные вычисления» свои труды опубликовал в журнале «современные информационные технологии и ит-образоване». Упоминается ряд возникающих при этом проблем, рассматривается цель изучения темы, отбор материала, некоторые предложения по методике обучения, механизмы апробации предложенной методики и накопленный опыт. По мнению автора сосредоточение внимания на супер ЭВМ существенно обедняет и усложняет тему параллельных вычислений, отвлекает учащихся от множества важных и доступных вопросов. Целью темы «параллельные вычисления» в средней школе является не обучение «реальному» параллельному программированию (изучение соответствующих языковых конструкций, языков программирования и технологий), а ознакомление учащихся с соответствующим набором понятий и понимание особенностей параллельной работы [3].

Проанализировав программу профильного курса информатики было установлено, что на раздел программирования уделено 63 часа. На структурное программирование выделяется значительно больше времени, чем на рекурсивные методы

программирования. На основе анализа программы анализа опыта обучения программированию на основе технологии CUDA разработана программа элективного курса «Вычисления на графических процессорах».

Особенностью курса является приобщение старшеклассников к научной деятельности, через освоение вычислений на графических процессорах. На сегодняшний день технология CUDA применяется в различных областях науки, таких как физика, вычислительная математика, вычислительная биология, астрономия, квантовая химия. Разнообразие областей применения CUDA технологии позволяет каждому школьнику применить в своей практической деятельности. Применение данной технологии позволяет добиться прироста скорости вычислений в 100-140 раз

Данный курс состоит из двух разделов. Первый раздел курса дает представление о структуре графического и центрального процессора. Рассматривается область применения параллельных расчетов, дается сравнение производительности центрального процессора и графического в ряде задач. Выделяются условия при которых перевод расчетов на графический процессор эффективен. Рассматриваются массивно-параллельные вычислительные устройства на примере ускорителей семейства NVidia Tesla/Fermi, их основные достоинства и недостатки. Дается введение в CUDA технологию. Рассматривается структура CUDA-программы, модель распараллеливания вычислений. Подробно рассматриваются все виды памяти и целесообразность их использования в конкретных задачах. Также здесь даются сведения о функциях поддержки выполнения CUDA-программ и библиотеке NVidia CUDA SDK [4].

Во втором разделе курса отражены методы создания эффективных приложений с использованием графических процессоров. Рассматриваются основные методы оптимизации. Подробно рассматриваются примеры конкретных параллельных методов для решения типовых задач вычислительной математики и теории обработки сигналов.

Изучение элективного курса базируется на методе проектов, развивающем познавательные, творческие навыки учащихся, умения самостоятельно конструировать свои знания и ориентироваться в информационном пространстве.

После изучения каждой темы предусмотрена работа над проектами.

Изучив тему «Предназначение и сферы использования мощных вычислительных устройств» учащиеся создают мини-проекты «ТОП 10 суперкомпьютеров мира», «Развитие суперкомпьютеров», «Суперкомпьютеры России», «Энергопотребление суперкомпьютеров», которые помогают развить представление о мощных вычислительных устройствах и областях их применения.

При изучении темы «Архитектура ЭВМ. Организация расчетов на ЦП и ГП.» — мини-проекты: «Центральный процессор», «Графический процессор», «Архитектура NVidia Tesla», «Принцип работы параллельного программирования».

Изучив тему «Реализация основных алгоритмов на массивах с использованием CUDA» учащиеся создают презентацию «Программно-аппаратная платформа NVIDIA CUDA»

Изучая второй раздел курса «Параллельное программирование» ученики знакомятся с основами параллельного программирования ,оттачивая свои навыки на практических занятиях курса. Изучение курса завершается выполнением индивидуальных проектов .На их выполнение и презентацию результатов по плану отведено 6 часов. Темы проектов: «Алгоритм сжатия по Хаффману с использованием CUDA», «Гравитационная задача N тел», «Сравнение быстродействия CPU и GPU на примере обратного деления» «Расчет числа Pi на CPU», «Сравнение быстродействия CPU и GPU на примере умножения матриц ».

Защита проекта, которая может пройти в форме конкурса, презентации, семинара, конференции. Учащиеся демонстрируют и комментируют глубину разработки

поставленной проблемы, её актуальность, объясняют полученный результат, развивая при этом свои ораторские способности. Оценивается каждый проект всеми участниками занятий. Учащиеся с интересом смотрят работы других и с помощью преподавателя учатся оценивать их.

Была проведена апробация элективного курса «Вычисления на графических процессорах. В 11 классе МБОУ СОШ No9 г. Абакана были проведены обзорные занятия о вычислениях на графических процессорах, на которых ученики познакомились с тем, как появлялись и развивались параллельные вычисления на графических процессорах. Ученикам было продемонстрировано, каких приростов в скорости вычислений позволяет добиться CUDA технология, а также раскрыты основные области её применения. Занятие было проведено во внеурочное время, с целью заинтересовать учеников CUDA технологией и привлечь их исследовательской деятельности. По результатам проведенного анкетирования выяснилось, что среди 24 присутствующих изъявили желание учувствовать в исследовательской деятельности

Для всех старшеклассников, определившихся с выбором специальности необходимо ещё и поступить по выбранной специальности. Для облегчения этой задачи многие ученики начинают готовить портфолио для поступления. После проведенного анкетирования были выявлены ученики ,заинтересованные в сотрудничестве с учителем информатики, ради достижения новых результатов и реализации себя ,как программиста

Система программирования VisualStudio с использованием технологии CUDA показала себя хорошим средством для развития информационной компетентности обучающихся на практике. Глядя на результаты проектов, можно сказать, что ученики хорошо справились с поставленной задачей. Отмечена высокая заинтересованность учеников в освоение данной технологией, подкрепленная желанием стать успешными специалистами. На исследовательском этапе проекта ученики активно работали с большими объёмами информации, занимались отбором походящей информации. Опыт формирования исследовательской компетентности с применением технологии CUDA, оказавшись достаточно удачным, показал возможность применения этой технологии в школе. Практическая значимость данной работы заключается в том, что применение проектной деятельности при обучении школьников CUDA технологии устанавливает связь между темами архитектура компьютера и программирование, а так же способствует приобретение простейших умений и навыков школьников в области параллельных вычислений и параллельного программирования.

Список литературы

1. Концепция модернизации российского образования на период до 2020 года. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.mma.ru/article/id10055/ (дата обращения: 31.05.2018).

2. NVIDIA CUDA — неграфические вычисления на графических процессорах [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.ixbt.com/video3/cuda-1.shtml/ (дата обращения: 31.05.2018).

3. Иванова Н.Г., Плаксин М.А., Русакова О.Л. ТРИЗформашка. // Информатика. № 5 (606), 1-15.03.2010. С. 3-19.

4. Сандерс ^Технология CUDA в примерах. Введение в программирование графических процессов / Д. Сандерс, Э. Кэндрот. М.: ДМК Пресс, 2011. 232 с.