盛書中，萬永革，郭子鐸，龔丹

摘要：《連續(xù)介質(zhì)力學(xué)》課理論性強(qiáng)，內(nèi)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(xué)中，教研結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)概念的理解，開拓學(xué)生的視野，讓學(xué)生了解研究前沿，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索精神，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

關(guān)鍵詞：教研結(jié)合；《連續(xù)介質(zhì)力學(xué)》；庫侖軟件；應(yīng)力

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）47-0148-03

教學(xué)與科學(xué)研究是高校的兩個(gè)重要職能，傳承文化是高校的基本功能之一，而創(chuàng)新文化則是高校的崇高使命?？茖W(xué)研究是著眼于解決問題的創(chuàng)造性工作，相對(duì)于課堂教學(xué)被動(dòng)學(xué)習(xí)來說，其探索未知的不確定性，強(qiáng)烈地激發(fā)著學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲。將教學(xué)與科研有機(jī)結(jié)合起來，有助于教學(xué)質(zhì)量的提高和高素質(zhì)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，有助于將理論與實(shí)際相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)從課堂到實(shí)際工作的自然過渡。

一、《連續(xù)介質(zhì)力學(xué)》課程教學(xué)難點(diǎn)

《連續(xù)介質(zhì)力學(xué)》課程教學(xué)中公式推導(dǎo)復(fù)雜，內(nèi)容抽象，難度大。因此，在教學(xué)過程中會(huì)遇到以下難點(diǎn)：

1.概念較為抽象，難于理解。如課程教學(xué)中涉及應(yīng)力的概念，一點(diǎn)的應(yīng)力是張量，在沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)張量理論時(shí)，對(duì)于初學(xué)者，一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)及其在實(shí)際問題中的理解與正確應(yīng)用是非常困難的。

2.公式推導(dǎo)復(fù)雜，需數(shù)理基礎(chǔ)?！哆B續(xù)介質(zhì)力學(xué)》課程的先修課程為《高等數(shù)學(xué)》、《線性代數(shù)》、《復(fù)變函數(shù)與積分變換》、《普通物理》、《數(shù)理方程》等課程，上述先修課程難度較大，有部分同學(xué)對(duì)這些課程所學(xué)內(nèi)容掌握不牢固；而上述課程是學(xué)習(xí)《連續(xù)介質(zhì)力學(xué)》課程的基礎(chǔ)，且《連續(xù)介質(zhì)力學(xué)》課程難度要高于上述先修課程，因此，《連續(xù)介質(zhì)力學(xué)》課程教學(xué)的“學(xué)院式”理論推導(dǎo)方式對(duì)部分同學(xué)是難以接受的。

二、《連續(xù)介質(zhì)力學(xué)》課程教改嘗試

1.引入庫侖軟件，加深概念理解。我們將當(dāng)前科研中廣泛使用的庫侖軟件引入到《連續(xù)介質(zhì)力學(xué)》的課堂教學(xué)中，讓同學(xué)們利用該軟件計(jì)算分析地震引起的應(yīng)力應(yīng)變，探討地震間以及地震與斷層間的相互作用，使理論與實(shí)際相結(jié)合，在解決實(shí)際問題的過程中，加深對(duì)所學(xué)概念的理解，并達(dá)到學(xué)以致用的目標(biāo)。

2.理論實(shí)際結(jié)合，打破“紙上談兵”。在課堂教學(xué)中，學(xué)生以往主要是被動(dòng)地接受知識(shí)，現(xiàn)變?yōu)檫\(yùn)用軟件去探求知識(shí)，并解決實(shí)際問題，從而激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，讓其主動(dòng)探索未知，從而將課堂教學(xué)與科學(xué)研究結(jié)合起來，達(dá)到提升課程的教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，為培育高素質(zhì)創(chuàng)新人才的目標(biāo)服務(wù)。

三、庫侖軟件在《連續(xù)介質(zhì)力學(xué)》課程中的應(yīng)用

1.以地震應(yīng)力觸發(fā)問題為例。地震是由地下巖石錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的。在研究地震產(chǎn)生彈性形變和彈性能釋放時(shí)，在一級(jí)近似下，可以把地球介質(zhì)簡(jiǎn)化為半無限空間內(nèi)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(shù)和錯(cuò)動(dòng)量，則可求出在彈性體內(nèi)部產(chǎn)生的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)，進(jìn)而用胡克定律計(jì)算出應(yīng)力場(chǎng)。

地震產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)對(duì)后續(xù)地震的發(fā)生和附近區(qū)域的斷層都有影響，當(dāng)其在斷層面上產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化為正時(shí)，就有利于后續(xù)地震的發(fā)生；反之，則會(huì)抑制后續(xù)地震的發(fā)生。

通過計(jì)算不同地震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化以及同一地震對(duì)不同的接收斷層產(chǎn)生的庫侖應(yīng)力變化的差異，可以加深同學(xué)對(duì)一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)的理解，即一點(diǎn)的應(yīng)力是張量，在該點(diǎn)不同方向的面上的應(yīng)力大小是不一樣的。地震產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力變化可以用庫侖軟件進(jìn)行計(jì)算獲得，我們?cè)凇哆B續(xù)介質(zhì)力學(xué)》課程教學(xué)中，為了加深同學(xué)們對(duì)應(yīng)力概念的理解，以及將所學(xué)內(nèi)容應(yīng)用在實(shí)際問題中，將該軟件引入課堂教學(xué)和實(shí)踐中。

2.庫侖軟件介紹。庫侖軟件（http：//earthquake.usgs.gov/research/software/#Coulomb）為美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站上公布的開源軟件，該軟件被廣泛地應(yīng)用于地震靜態(tài)應(yīng)力觸發(fā)研究。

庫侖軟件可以計(jì)算由地震引起的地形變、靜應(yīng)力變化及地震觸發(fā)等問題。該軟件將計(jì)算結(jié)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(xué)教學(xué)，用來展示由地震引起的應(yīng)力、應(yīng)變等基本概念。目前，該軟件在世界各國(guó)已有1600多注冊(cè)的科學(xué)家和學(xué)生在使用。

3.庫侖軟件應(yīng)用實(shí)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(jì)算汶川地震對(duì)其周邊地區(qū)的影響和對(duì)后續(xù)大余震觸發(fā)作用，使同學(xué)們?cè)谘芯窟^程中加深對(duì)應(yīng)力的理解，達(dá)到深化所學(xué)內(nèi)容的目的。

由震源機(jī)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(jī)制解參數(shù)，并根據(jù)庫侖軟件手冊(cè)逐步建立地震破裂模型。在建立模型過程中，引導(dǎo)同學(xué)們應(yīng)適當(dāng)選取參數(shù)，包括反映物質(zhì)性質(zhì)的剪切模量、泊松比和等效摩擦系數(shù)。在研究過程中，讓同學(xué)們自己合理選取這些參數(shù)，進(jìn)行多次試算，考察所得結(jié)果的差異，并總結(jié)其規(guī)律，理解物質(zhì)屬性對(duì)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的影響。

震源機(jī)制解節(jié)面上庫侖破裂應(yīng)力的計(jì)算。在建立地震破裂的基礎(chǔ)上，該軟件可以計(jì)算由斷層滑動(dòng)引起的地表以及地下任何深度上的靜態(tài)位錯(cuò)、應(yīng)變和應(yīng)力。如計(jì)算2008年汶川地震在其周圍地區(qū)產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果見圖1。由圖1可見，其產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力分布呈現(xiàn)出規(guī)律性分布，有綠色區(qū)域——庫侖破裂應(yīng)力降低區(qū)域，這些區(qū)域的地震風(fēng)險(xiǎn)降低；黃色和紅色區(qū)域——庫侖破裂應(yīng)力增加區(qū)域，這些區(qū)域的地震風(fēng)險(xiǎn)增加，研究過程中，同學(xué)們可以通過改變地震破裂模型，考察應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的變化。

當(dāng)余震有震源機(jī)制解時(shí)，我們可以計(jì)算本次地震在其節(jié)面上產(chǎn)生的庫侖破裂應(yīng)力，以分析其是否收到本次地震的觸發(fā)作用。我們選用了圖2所示區(qū)域的主震后至2009年1月1日有震源機(jī)制解的地震（選自GCMT目錄），共28個(gè)地震事件（矩震級(jí)為4.8—6.1級(jí)），并計(jì)算了地震節(jié)面上的最大庫侖破裂應(yīng)力（圖2）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以統(tǒng)計(jì)節(jié)面上最大的庫侖破裂應(yīng)力為正的有21個(gè)，為負(fù)的有8個(gè)，可見汶川地震對(duì)其后續(xù)余震存在應(yīng)力觸發(fā)作用。這一結(jié)果體現(xiàn)了，當(dāng)余震的震源機(jī)制解不同，即余震的斷層面的走向、傾角和滑動(dòng)角不同時(shí)，計(jì)算結(jié)果是不一樣的，使同學(xué)們理解一點(diǎn)應(yīng)力和其作用面方向是相關(guān)的。

四、結(jié)語

同學(xué)們學(xué)會(huì)庫侖軟件后將其應(yīng)用于當(dāng)前世界各地發(fā)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(xué)知識(shí)的應(yīng)用領(lǐng)域，將枯燥的學(xué)習(xí)與實(shí)際研究相結(jié)合，達(dá)到學(xué)以致用，從而加深對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

本研究將庫侖軟件應(yīng)用于《連續(xù)介質(zhì)力學(xué)》課程教學(xué)中，是提高地球物理學(xué)專業(yè)課程教學(xué)質(zhì)量的一個(gè)初探，將研究與教學(xué)相結(jié)合，在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)實(shí)踐所學(xué)理論，加深理解，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，也為今后走上工作崗位或從事研究性工作打下基礎(chǔ)。在今后的教學(xué)工作中，我們將繼續(xù)將教學(xué)和科研相結(jié)合，為教學(xué)內(nèi)容注入科學(xué)前沿知識(shí)，保持教學(xué)內(nèi)容先進(jìn)性和前沿性。

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