教研结合在地球物理专业教学中的应用与实践

盛书中，万永革，郭子铎，龚丹

摘要：《连续介质力学》课理论性强，内容抽象，难度大，不易理解和掌握。本研究将科研中的库仑软件引入教学中，教研结合，加深学生对概念的理解，开拓学生的视野，让学生了解研究前沿，激发学生的学习兴趣和探索精神，培养学生解决实际问题的能力。

关键词：教研结合；《连续介质力学》；库仑软件；应力

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）47-0148-03

教学与科学研究是高校的两个重要职能，传承文化是高校的基本功能之一，而创新文化则是高校的崇高使命。科学研究是着眼于解决问题的创造性工作，相对于课堂教学被动学习来说，其探索未知的不确定性，强烈地激发着学生的学习兴趣和求知欲。將教学与科研有机结合起来，有助于教学质量的提高和高素质创新人才的培养，有助于将理论与实际相结合，实现从课堂到实际工作的自然过渡。

一、《连续介质力学》课程教学难点

《连续介质力学》课程教学中公式推导复杂，内容抽象，难度大。因此，在教学过程中会遇到以下难点：

1.概念较为抽象，难于理解。如课程教学中涉及应力的概念，一点的应力是张量，在没有系统学习张量理论时，对于初学者，一点的应力状态及其在实际问题中的理解与正确应用是非常困难的。

2.公式推导复杂，需数理基础。《连续介质力学》课程的先修课程为《高等数学》、《线性代数》、《复变函数与积分变换》、《普通物理》、《数理方程》等课程，上述先修课程难度较大，有部分同学对这些课程所学内容掌握不牢固；而上述课程是学习《连续介质力学》课程的基础，且《连续介质力学》课程难度要高于上述先修课程，因此，《连续介质力学》课程教学的“学院式”理论推导方式对部分同学是难以接受的。

二、《连续介质力学》课程教改尝试

1.引入库仑软件，加深概念理解。我们将当前科研中广泛使用的库仑软件引入到《连续介质力学》的课堂教学中，让同学们利用该软件计算分析地震引起的应力应变，探讨地震间以及地震与断层间的相互作用，使理论与实际相结合，在解决实际问题的过程中，加深对所学概念的理解，并达到学以致用的目标。

2.理论实际结合，打破“纸上谈兵”。在课堂教学中，学生以往主要是被动地接受知识，现变为运用软件去探求知识，并解决实际问题，从而激发学生的好奇心和求知欲，让其主动探索未知，从而将课堂教学与科学研究结合起来，达到提升课程的教学质量，提高学生的学习效果，为培育高素质创新人才的目标服务。

三、库仑软件在《连续介质力学》课程中的应用

1.以地震应力触发问题为例。地震是由地下岩石错动产生的。在研究地震产生弹性形变和弹性能释放时，在一级近似下，可以把地球介质简化为半无限空间内均匀各向同性完全弹性体。如果已知地震断层面的几何参数和错动量，则可求出在弹性体内部产生的位移场和应变场，进而用胡克定律计算出应力场。

地震产生的应力场对后续地震的发生和附近区域的断层都有影响，当其在断层面上产生的库仑破裂应力变化为正时，就有利于后续地震的发生；反之，则会抑制后续地震的发生。

通过计算不同地震产生的库仑破裂应力变化以及同一地震对不同的接收断层产生的库仑应力变化的差异，可以加深同学对一点应力状态的理解，即一点的应力是张量，在该点不同方向的面上的应力大小是不一样的。地震产生的库仑破裂应力变化可以用库仑软件进行计算获得，我们在《连续介质力学》课程教学中，为了加深同学们对应力概念的理解，以及将所学内容应用在实际问题中，将该软件引入课堂教学和实践中。

2.库仑软件介绍。库仑软件（http：//earthquake.usgs.gov/research/software/#Coulomb）为美国地质调查局网站上公布的开源软件，该软件被广泛地应用于地震静态应力触发研究。

库仑软件可以计算由地震引起的地形变、静应力变化及地震触发等问题。该软件将计算结果可视化，用色彩丰富图像加以显示。除用在研究外，该软件也可用于地球科学教学，用来展示由地震引起的应力、应变等基本概念。目前，该软件在世界各国已有1600多注册的科学家和学生在使用。

3.库仑软件应用实例。以2008年5月12日四川省的汶川大地震为例，讲述库仑软件计算汶川地震对其周边地区的影响和对后续大余震触发作用，使同学们在研究过程中加深对应力的理解，达到深化所学内容的目的。

由震源机制解建立地震破裂模型。由全球CMT目录（http：//www.globalcmt.org/）中，获取2008年汶川地震的震源机制解参数，并根据库仑软件手册逐步建立地震破裂模型。在建立模型过程中，引导同学们应适当选取参数，包括反映物质性质的剪切模量、泊松比和等效摩擦系数。在研究过程中，让同学们自己合理选取这些参数，进行多次试算，考察所得结果的差异，并总结其规律，理解物质属性对应力计算结果的影响。

震源机制解节面上库仑破裂应力的计算。在建立地震破裂的基础上，该软件可以计算由断层滑动引起的地表以及地下任何深度上的静态位错、应变和应力。如计算2008年汶川地震在其周围地区产生的库仑破裂应力，计算结果见图1。由图1可见，其产生的库仑破裂应力分布呈现出规律性分布，有绿色区域——库仑破裂应力降低区域，这些区域的地震风险降低；黄色和红色区域——库仑破裂应力增加区域，这些区域的地震风险增加，研究过程中，同学们可以通过改变地震破裂模型，考察应力计算结果的变化。

当余震有震源机制解时，我们可以计算本次地震在其节面上产生的库仑破裂应力，以分析其是否收到本次地震的触发作用。我们选用了图2所示区域的主震后至2009年1月1日有震源机制解的地震（选自GCMT目录），共28个地震事件（矩震级为4.8—6.1级），并计算了地震节面上的最大库仑破裂应力（图2）。根据计算结果可以统计节面上最大的库仑破裂应力为正的有21个，为负的有8个，可见汶川地震对其后续余震存在应力触发作用。这一结果体现了，当余震的震源机制解不同，即余震的断层面的走向、倾角和滑动角不同时，计算结果是不一样的，使同学们理解一点应力和其作用面方向是相关的。

四、结语

同学们学会库仑软件后将其应用于当前世界各地发生的地震研究中，分析地震与地震间的相互作用和影响，可以拓展其地球物理视野，了解所学知识的应用领域，将枯燥的学习与实际研究相结合，达到学以致用，从而加深对所学内容的理解，提高课堂教学质量。

本研究将库仑软件应用于《连续介质力学》课程教学中，是提高地球物理学专业课程教学质量的一个初探，将研究与教学相结合，在学习理论知识的同时实践所学理论，加深理解，提高学生的综合素质，也为今后走上工作岗位或从事研究性工作打下基础。在今后的教学工作中，我们将继续将教学和科研相结合，为教学内容注入科学前沿知识，保持教学内容先进性和前沿性。

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