一沙一世界，一花一天堂
　　把無限放在你手掌，永恒在那里收藏。——威廉·布萊克(Will Jam Blake)《天真的預(yù)言》
　　
　　一眼望去，沙子無所不在!它在溪流江河的岸邊，它在干燥的地方形成沙丘，沿著海岸形成沙灘。沙子還有許多經(jīng)濟(jì)價值，被應(yīng)用于建筑、陶器、過濾系統(tǒng)和研磨材料。
　　看到沙粒，我們通常認(rèn)為它們是石英粒的集合體，但實際上它們有很多種成分，并不單一。仔細(xì)觀察時會發(fā)現(xiàn)，各種巖石材料經(jīng)過風(fēng)化、侵蝕和地質(zhì)搬運過程形成了沙子獨特的顆粒結(jié)構(gòu)系列。
　　每一份沙子樣本都包含著科學(xué)奧秘的線索，可以作為探索地球科學(xué)、地質(zhì)學(xué)或生物學(xué)的基礎(chǔ)：
　　什么是沙粒的來源物質(zhì)?
　　什么樣的地殼運動力移動并改變了原始的巖石?
　　經(jīng)過千百萬年，什么使大的巖石變成現(xiàn)在我們采集到的小沙粒?
　　對當(dāng)?shù)厣沉ｉ_展課堂研究將揭示出神奇的地球歷史，可以探討各種跨領(lǐng)域的科學(xué)話題，并能提供豐富的探究體驗，帶領(lǐng)大家從科學(xué)課堂進(jìn)入跨越歷史、文化和藝術(shù)的天地。本文將詳細(xì)描述這方面的探究活動。關(guān)于沙子的科學(xué)
　　沙子多種多樣，每一類沙子都可以講述一段有關(guān)當(dāng)?shù)鬲毺氐乩砗偷刭|(zhì)構(gòu)造的風(fēng)化、搬運和沉積的故事。二氧化硅因其硬度和穩(wěn)定性成為最常見的沙子成分，尤其是石英質(zhì)的沙土。除此之外，沙土也含有其他成分，如小粒的巖石或礦物質(zhì)、生物體殘骸，甚至還有小顆粒的人造物質(zhì)!
　　沙土樣本可以告訴我們什么呢?它不僅能展示它們來源的巖石，而且還能揭示其形成沙礫的風(fēng)化過程。例如，來源于花崗石的沙粒早期含有長石、石英、黑云母等成分，經(jīng)過化學(xué)性氣候侵蝕，不穩(wěn)定的物質(zhì)就分解成黏土。含有不穩(wěn)定的長石和石膏成分的沙粒標(biāo)本可以指示一種較弱的化學(xué)風(fēng)化環(huán)境。單個沙粒的形狀是另一個指標(biāo)線索：圓形的代表經(jīng)歷更強(qiáng)的風(fēng)化過程，有棱角的說明經(jīng)歷的風(fēng)化和搬運過程較弱。
　　我們常說的“沙子”這個詞指的是大小介于較大的顆粒狀沙粒和較小的淤泥狀沙粒的沉積物(見37頁圖)。一般沙粒的直徑為0.0625～2毫米之間。傳統(tǒng)的Wentworth分級(見“互聯(lián)網(wǎng)資源”)更進(jìn)一步地把沙粒從“粗糙”到“精細(xì)”分為bee5001a3fdc2979fcb2ad46d02eaa3ad578c9885d9427b231b9c0337cb02c1c五個等級。諸如Folk and Shephard分類系統(tǒng)的圖解表(見“互聯(lián)網(wǎng)資源”)，可以幫助研究人員按照泥、細(xì)沙、泥沙(介于細(xì)沙和黏土之間)和黏土的比例對沉積物進(jìn)行分類。互聯(lián)網(wǎng)上提供了一個可供教學(xué)使用的沙粒研究資源列表(見“互聯(lián)網(wǎng)資源”)。
　　對于學(xué)生來說，用顯微鏡觀察沙土樣本中的個體顆粒是非常有吸引力的一項活動，他們會時常地發(fā)出“哇”的驚嘆聲!
　　
　　當(dāng)?shù)厣匙拥臍v史
　　
　　無論海邊、河岸、沙丘，還是冰河石碓，都有天然的沙子可用于大多數(shù)課堂學(xué)習(xí)。關(guān)于沙子研究，我們最初一般從對當(dāng)?shù)氐纳匙舆M(jìn)行調(diào)查開始：學(xué)生采集當(dāng)?shù)靥烊淮嬖诘纳匙?，然后通過礦物學(xué)、風(fēng)化和搬運過程分析，進(jìn)行一次深入的地區(qū)性“地球歷程”調(diào)查。
　　以往的研究證實，學(xué)生能把更多熟悉的地形和特征聯(lián)系起來，然而奇特的、非基礎(chǔ)的內(nèi)容更能引發(fā)他們的興趣(Clary and Wandersee 2008)。在這項活動中，學(xué)生利用風(fēng)化過程來追溯當(dāng)?shù)氐纳匙邮侨绾螐乃膸r石發(fā)源地，到它現(xiàn)在——但不是最終——的地點位置。
　　這項活動需要4～7個50分鐘的課時，可通過個人作業(yè)或2～4人小組活動的形式進(jìn)行。
　　
　　第一步　樣本定位
　　
　　我們用谷歌地球程序(Google Earth，見“互聯(lián)網(wǎng)資源”)來定位一些沙子采集點，并標(biāo)明經(jīng)度和緯度坐標(biāo)。然后我們給學(xué)生一個沙子采集地點清單，這些采集地點是我們已經(jīng)探訪過和驗證過的，如河谷、沙洲、沙堆、冰川沖積地區(qū)、湖泊、海灘(我們避免出現(xiàn)建筑工地和商店)。學(xué)生必須在家長和監(jiān)護(hù)人的陪同下到這些地點。我們會提醒學(xué)生和他們的家長，采集沙子時一定要小心，要保證得到在私人領(lǐng)地采集樣本的許可。很少量的沙子就足夠好幾個課堂實驗使用，所以我們的學(xué)生只用小塑料袋采集沙子樣本。通常我們自己也會準(zhǔn)備一兩份樣本，以備學(xué)生采集樣本出現(xiàn)問題時使用。
　　
　　
　　第二步　分揀和圓滑度判定
　　
　　沙粒的大小和形狀能反映出許多它們的地球歷程信息!如果在課堂上準(zhǔn)備一些土壤篩，學(xué)生小組可以把樣本按照其尺寸大小(見37頁圖)進(jìn)行分揀。簡易的土壤篩可以使用紗窗門或面粉篩的鐵絲網(wǎng)以及尼龍襪來替代。學(xué)生可以用鐵絲網(wǎng)篩出大個的巖石粒，透過尼龍網(wǎng)沖洗樣本篩出小粒沙子(把更細(xì)的泥沙和泥土冼掉)。
　　學(xué)生可分組使用各種放大工具(如珠寶匠使用的放大鏡、普通放大鏡和顯微鏡)來研究分揀出的樣品。用金屬針可幫助在放大鏡下分離沙粒，用牙簽分離較大的沙粒也不錯。學(xué)生可以用土壤直徑表(表1)來判別沙粒大小。標(biāo)準(zhǔn)的便攜式沙粒尺寸卡在科學(xué)商店里有售。
　　沙粒大小的均勻性很重要：分揀良好的沙子顆粒大小一致，分揀差的樣本就會存在大小不一的沙粒。在Brooklyn大學(xué)的地質(zhì)學(xué)網(wǎng)站上有沙粒尺寸均勻度的圖表(見“互聯(lián)網(wǎng)資源”)。
　　學(xué)生通過檢查沙粒的形狀來獲得機(jī)械性風(fēng)化和搬運作用的線索。一個最基本的圖示(表2)可以幫助他們確定沙粒的圓滑度。更多詳細(xì)的分類系統(tǒng)請參閱Eastern Illinois大學(xué)的沉積巖網(wǎng)頁(見“互聯(lián)網(wǎng)資源”)。
　　
　　第三步　成分分析
　　
　　這是實驗中問題最多的一步。學(xué)生通常都沒有背景知識來辨識成分，除非沙粒樣本有相當(dāng)明顯的均一礦物質(zhì)成分。我們建議學(xué)生去研究一下當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況，確定暴露在地表的巖石類型。一旦確認(rèn)了沙子潛在的巖石來源，他們就能列出沙子的礦物質(zhì)成分。微生物化石提供了另一方面的信息——學(xué)生可以調(diào)查研究這些微小生物的生存環(huán)境。
　　有的時候，沙粒礦物學(xué)鑒定結(jié)果與當(dāng)?shù)氐乇韼r石成分不符。這種情況我們就讓學(xué)生考慮搬運作用因素，分析它們是否可能是通過流水或冰川消融從來源地被帶到這里。我們也讓學(xué)生考慮化學(xué)性風(fēng)化過程，在這種作用下原來的巖石分解成黏土——只有其中最穩(wěn)定的物質(zhì)保留了下來。
　　
　　第四步　重構(gòu)沙粒的歷史
　　
　　通過采集的沙子樣本的顆粒大小、均勻性(或者缺乏均勻性)和形狀，學(xué)生可以判別沙子樣本的基本風(fēng)化歷史。他們可以將沙子樣本與當(dāng)?shù)氐牡乇韼r石和其他沙粒進(jìn)行比較，得出樣本的基本礦物成分和可能的微生物成分。然后，學(xué)生綜合各種信息梳理出他們沙粒樣本的地球歷程。
　　我們發(fā)現(xiàn)，附近的國家公園或一個能反映當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)基本狀況的地點是判斷當(dāng)?shù)氐貧?gòu)造變遷的最好的便捷方法?！皣夜珗@服務(wù)”網(wǎng)站(見“互聯(lián)網(wǎng)資源”)提供了全美國家公園陸地景觀最基本的地質(zhì)概況。這些資源對于學(xué)生重構(gòu)他們沙子樣本的巖石來源、構(gòu)造應(yīng)力以及風(fēng)化和搬運過程非常有幫助。因為這個活動涉及要對現(xiàn)象進(jìn)行“解讀”，所以重構(gòu)出的歷史過程就會有所不同。沙子是一種幾千年甚至可能上百萬年時間的“歷程見證物”。
　　學(xué)生用5～10分鐘的演講來與同學(xué)們分享沙子的地球歷程(互聯(lián)網(wǎng)上有流程指導(dǎo)，見“互聯(lián)網(wǎng)資源”)。每個組通過描述風(fēng)化和搬運過程，來展示他們沙粒的巖石來源和構(gòu)造應(yīng)力等歷史。展示后，學(xué)生們投票推選出最具說服力的沙粒歷史，并在下次課上宣布獲勝者。
　　
　　通過沙子環(huán)游世界
　　
　　學(xué)生完成當(dāng)?shù)厣匙拥难芯亢?，我們還可以擴(kuò)大活動范圍，進(jìn)行與其他地區(qū)的比較研究。當(dāng)沙子調(diào)查擴(kuò)展到外埠地區(qū)時，沙子樣本就會表現(xiàn)出礦物成分、有機(jī)物、圓滑度和類型的多樣性。對于當(dāng)?shù)氐纳匙?，學(xué)生通過比照互聯(lián)網(wǎng)上的圖片來判斷沙子標(biāo)本的成分，但是現(xiàn)在的任務(wù)是要對比地理位置上的差別了。
　　我們先挑戰(zhàn)學(xué)生，讓他們比較相似的沙子樣本，乍一看上去很相像，例如：新墨西哥州的白石膏沙與佛羅里達(dá)州的白石英沙有相似的外觀，然而新墨西哥州的石膏沙只存在于干燥的環(huán)境里，濕潤的氣候會把石膏化學(xué)性風(fēng)化溶解并帶走。佛羅里達(dá)州的石英沙是從阿巴拉契亞山脈歷經(jīng)百萬年的風(fēng)化而來，大多數(shù)礦物成分都已被溶化、分解，結(jié)果能保留下來的小部分顆粒物質(zhì)主要就是石英了。新墨西哥州和佛羅里達(dá)州的沙粒雖然有相似的大小，但它們實際上截然不同。
　　沙子也有差異很大的。我們挑戰(zhàn)學(xué)生，讓他們提出沙子顏色和形狀不同的原因。例如：華盛頓中北部地區(qū)的沙?；旧隙际呛谏?，帶有狹長的水晶形狀；而上紐約的沙粒則顏色更淺并且色彩多樣(表3)。
　　加州大學(xué)洛杉磯分校海洋科學(xué)中心的海洋GLOBE項目介紹了一個學(xué)生對比沙粒樣本并在世界地圖上標(biāo)注出采集地經(jīng)度和緯度的活動。教師們可以請親戚朋友旅游時帶回沙子，或者通過國際沙收藏者協(xié)會(見“互聯(lián)網(wǎng)資源”)付費獲得沙子樣本。教師會議是另一個獲取沙子樣本的好機(jī)會。例如美國科學(xué)教師協(xié)會(NSTA)的會議中通常組織“分享”環(huán)節(jié)，老師們帶來當(dāng)?shù)氐纳匙訕颖?，進(jìn)行非正式的自由交換。(更多信息參見NSTA會議網(wǎng)頁，見“互聯(lián)網(wǎng)資源”)
　　
　　沙子探究活動的擴(kuò)展
　　
　　課堂學(xué)習(xí)還可以關(guān)注有關(guān)沙子的其他科學(xué)問題，例如，對比其他材料研究沙粒的休止角度(沙粒放在斜面上保持靜止時斜面最陡的角度)，以及液體化(沙堆無法保持原有形狀而像液體一樣運動)需要的水量。雖然Clay Robbinson(2005)的沙碉城堡活動是為初中學(xué)生設(shè)計的，但它同樣也適合在高中課堂里開展(見“互聯(lián)網(wǎng)資源”)。
　　沙子的研究也不僅僅止于科學(xué)研究。我們的學(xué)生還調(diào)研了當(dāng)?shù)厣匙拥慕?jīng)濟(jì)用途和在歷史中發(fā)揮的作用。還有一些有趣的法醫(yī)偵破案例也涉及到沙子。Osborn(1984)曾講述過第二次世界大戰(zhàn)中沙子的作用：在1944至1945年問，日本給幾千個氣球安裝了點火裝置，打算發(fā)到美國的森林里放火。他們使用沙子作為控制氣球高度的壓艙物，但是最后不是所有的氣球都成功地點起了火。美國分析了沙子的成分，推斷它們只可能來源于日本的5個地區(qū)。通過對這些地區(qū)進(jìn)行勘測，美方鎖定了氣球發(fā)射地點并摧毀了它。
　　沙子也曾經(jīng)用來作吸墨水的物質(zhì)，它能從文件表面吸附多余的墨汁，加速晾干過程(Hopen，D’Errico，and Milke 2008)。沙子還可以用在禪宗花園、沙碉競賽和沙畫中。上百萬種顏色的沙粒被小心地按照設(shè)計圖布繪成沙壇城(印度教和佛教密宗中的修法場——譯者注)或西藏沙畫。根據(jù)設(shè)計的復(fù)雜程度，整個制作過程需要幾天到幾個星期。完成后，收集制作用的沙子被放到河流溪水中，用來象征萬物的無常(Drepmlg Loseling Monastery 2011)。
　　
　　討論
　　
　　沙子是美麗的，涉及學(xué)科廣泛，廉價而令人著迷。雖然學(xué)生會懷疑他們采集的沙子樣本都相同，但活動會揭示出沙子是相當(dāng)復(fù)雜的礦物質(zhì)和巖石碎屑的混合物。一個豐富的科學(xué)信息世界蘊含在沙粒之中——它們擁有本地區(qū)巖石來源的線索，見證了風(fēng)化和侵蝕的過程，以及地殼構(gòu)造事件。而且，得到沙子的樣本一般來說是無須花錢的!
　　跨地區(qū)的沙子研究可以從小規(guī)模研究中展現(xiàn)難以想象的多樣性。關(guān)于沙子的研究甚至能擴(kuò)展到眾多的跨學(xué)科領(lǐng)域，如歷史、文化和藝術(shù)。我們的學(xué)生對于課堂開展的沙子研究表現(xiàn)出非常積極的反應(yīng)，特別本地沙子樣本所提供的信息線索，以及世界各地的沙子樣本所展示出來的難以想象的多樣性。我們推薦同行們通過課堂上的沙子調(diào)查來探索地球世界!
　　
　　互聯(lián)網(wǎng)資源
　　
　　地球歷程活動資源：www.nsta.org／highschool／connections.aspx
　　BrooMyn學(xué)院地質(zhì)學(xué)網(wǎng)站：http：／／academic.brooklyn.cuny.edu／geology／leveson／core／topics／rocks／rock_texture／rock_texture.html
　　Clay Robinson沙雕城堡活動：www.wtamu.edu／~crobinson／DrDirt／sndcstl.html
　　Folk分類系統(tǒng)：http：／／pubs.usgs.gov／of／2003／of03-001／htmldocs／images／folk.gif
　　Glendale社區(qū)學(xué)院沙土實驗室：http：／／gccweb.gccaz.edu／earthsci／imagearchive／sandsl.htm
　　Google地球搜索：www.google.com／earth／index.html
　　國際沙收藏者協(xié)會：www.sandcollectors.org／Picture——Gallex.html
　　國家公園服務(wù)：www.nps.gov／index.htm
　　美國科學(xué)教師協(xié)會(NSTA)會議：www.nsta.org／conferences
　　海洋GLOBE項目：www.msc.uda.edu／oceanglobe／pdf／sandybeachesestuary／sandy_Sand.pdf
　　沙子的科學(xué)：www.scienceofsand.info／sand／sandintro.htm
　　沉積巖：www.uxl.eiu.edu／~cfjps／1300／seclrxs.html
　　Shepard分類系統(tǒng)：http：／／pubs.usgs.gov／of／2003／of03-001／htmldocs／images／shephard.gif
　　Wentworth分類系統(tǒng)：http：／／pubs.usgs.gov／of／2003／of03-001／htmldocs／images／chart.Ddf
　　作者：Renee Clary(rclary@geosei.msstate.edu)，密西西比州立大學(xué)Dunn-Seiler博物館館長，地質(zhì)學(xué)副教授；
　　James Wandersee(jwander@lsu.edu)路易斯安那州立大學(xué)生物學(xué)教育客座教授。
　　譯者：姜景一，中國科協(xié)青少年科技中心。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　
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