教研結合在地球物理專業教學中的應用與實踐

盛書中，萬永革，郭子鐸，龔丹

摘要：《連續介質力學》課理論性強，內容抽象，難度大，不易理解和掌握。本研究將科研中的庫侖軟件引入教學中，教研結合，加深學生對概念的理解，開拓學生的視野，讓學生了解研究前沿，激發學生的學習興趣和探索精神，培養學生解決實際問題的能力。

關鍵詞：教研結合；《連續介質力學》；庫侖軟件；應力

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）47-0148-03

教學與科學研究是高校的兩個重要職能，傳承文化是高校的基本功能之一，而創新文化則是高校的崇高使命。科學研究是著眼于解決問題的創造性工作，相對于課堂教學被動學習來說，其探索未知的不確定性，強烈地激發著學生的學習興趣和求知欲。將教學與科研有機結合起來，有助于教學質量的提高和高素質創新人才的培養，有助于將理論與實際相結合，實現從課堂到實際工作的自然過渡。

一、《連續介質力學》課程教學難點

《連續介質力學》課程教學中公式推導復雜，內容抽象，難度大。因此，在教學過程中會遇到以下難點：

1.概念較為抽象，難于理解。如課程教學中涉及應力的概念，一點的應力是張量，在沒有系統學習張量理論時，對于初學者，一點的應力狀態及其在實際問題中的理解與正確應用是非常困難的。

2.公式推導復雜，需數理基礎。《連續介質力學》課程的先修課程為《高等數學》、《線性代數》、《復變函數與積分變換》、《普通物理》、《數理方程》等課程，上述先修課程難度較大，有部分同學對這些課程所學內容掌握不牢固；而上述課程是學習《連續介質力學》課程的基礎，且《連續介質力學》課程難度要高于上述先修課程，因此，《連續介質力學》課程教學的“學院式”理論推導方式對部分同學是難以接受的。

二、《連續介質力學》課程教改嘗試

1.引入庫侖軟件，加深概念理解。我們將當前科研中廣泛使用的庫侖軟件引入到《連續介質力學》的課堂教學中，讓同學們利用該軟件計算分析地震引起的應力應變，探討地震間以及地震與斷層間的相互作用，使理論與實際相結合，在解決實際問題的過程中，加深對所學概念的理解，并達到學以致用的目標。

2.理論實際結合，打破“紙上談兵”。在課堂教學中，學生以往主要是被動地接受知識，現變為運用軟件去探求知識，并解決實際問題，從而激發學生的好奇心和求知欲，讓其主動探索未知，從而將課堂教學與科學研究結合起來，達到提升課程的教學質量，提高學生的學習效果，為培育高素質創新人才的目標服務。

三、庫侖軟件在《連續介質力學》課程中的應用

1.以地震應力觸發問題為例。地震是由地下巖石錯動產生的。在研究地震產生彈性形變和彈性能釋放時，在一級近似下，可以把地球介質簡化為半無限空間內均勻各向同性完全彈性體。如果已知地震斷層面的幾何參數和錯動量，則可求出在彈性體內部產生的位移場和應變場，進而用胡克定律計算出應力場。

地震產生的應力場對后續地震的發生和附近區域的斷層都有影響，當其在斷層面上產生的庫侖破裂應力變化為正時，就有利于后續地震的發生；反之，則會抑制后續地震的發生。

通過計算不同地震產生的庫侖破裂應力變化以及同一地震對不同的接收斷層產生的庫侖應力變化的差異，可以加深同學對一點應力狀態的理解，即一點的應力是張量，在該點不同方向的面上的應力大小是不一樣的。地震產生的庫侖破裂應力變化可以用庫侖軟件進行計算獲得，我們在《連續介質力學》課程教學中，為了加深同學們對應力概念的理解，以及將所學內容應用在實際問題中，將該軟件引入課堂教學和實踐中。

2.庫侖軟件介紹。庫侖軟件（http：//earthquake.usgs.gov/research/software/#Coulomb）為美國地質調查局網站上公布的開源軟件，該軟件被廣泛地應用于地震靜態應力觸發研究。

庫侖軟件可以計算由地震引起的地形變、靜應力變化及地震觸發等問題。該軟件將計算結果可視化，用色彩豐富圖像加以顯示。除用在研究外，該軟件也可用于地球科學教學，用來展示由地震引起的應力、應變等基本概念。目前，該軟件在世界各國已有1600多注冊的科學家和學生在使用。

3.庫侖軟件應用實例。以2008年5月12日四川省的汶川大地震為例，講述庫侖軟件計算汶川地震對其周邊地區的影響和對后續大余震觸發作用，使同學們在研究過程中加深對應力的理解，達到深化所學內容的目的。

由震源機制解建立地震破裂模型。由全球CMT目錄（http：//www.globalcmt.org/）中，獲取2008年汶川地震的震源機制解參數，并根據庫侖軟件手冊逐步建立地震破裂模型。在建立模型過程中，引導同學們應適當選取參數，包括反映物質性質的剪切模量、泊松比和等效摩擦系數。在研究過程中，讓同學們自己合理選取這些參數，進行多次試算，考察所得結果的差異，并總結其規律，理解物質屬性對應力計算結果的影響。

震源機制解節面上庫侖破裂應力的計算。在建立地震破裂的基礎上，該軟件可以計算由斷層滑動引起的地表以及地下任何深度上的靜態位錯、應變和應力。如計算2008年汶川地震在其周圍地區產生的庫侖破裂應力，計算結果見圖1。由圖1可見，其產生的庫侖破裂應力分布呈現出規律性分布，有綠色區域——庫侖破裂應力降低區域，這些區域的地震風險降低；黃色和紅色區域——庫侖破裂應力增加區域，這些區域的地震風險增加，研究過程中，同學們可以通過改變地震破裂模型，考察應力計算結果的變化。

當余震有震源機制解時，我們可以計算本次地震在其節面上產生的庫侖破裂應力，以分析其是否收到本次地震的觸發作用。我們選用了圖2所示區域的主震后至2009年1月1日有震源機制解的地震（選自GCMT目錄），共28個地震事件（矩震級為4.8—6.1級），并計算了地震節面上的最大庫侖破裂應力（圖2）。根據計算結果可以統計節面上最大的庫侖破裂應力為正的有21個，為負的有8個，可見汶川地震對其后續余震存在應力觸發作用。這一結果體現了，當余震的震源機制解不同，即余震的斷層面的走向、傾角和滑動角不同時，計算結果是不一樣的，使同學們理解一點應力和其作用面方向是相關的。

四、結語

同學們學會庫侖軟件后將其應用于當前世界各地發生的地震研究中，分析地震與地震間的相互作用和影響，可以拓展其地球物理視野，了解所學知識的應用領域，將枯燥的學習與實際研究相結合，達到學以致用，從而加深對所學內容的理解，提高課堂教學質量。

本研究將庫侖軟件應用于《連續介質力學》課程教學中，是提高地球物理學專業課程教學質量的一個初探，將研究與教學相結合，在學習理論知識的同時實踐所學理論，加深理解，提高學生的綜合素質，也為今后走上工作崗位或從事研究性工作打下基礎。在今后的教學工作中，我們將繼續將教學和科研相結合，為教學內容注入科學前沿知識，保持教學內容先進性和前沿性。

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