一粒沙中的科學(xué)世界

　　一沙一世界，一花一天堂
　　把無(wú)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(wú)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(jià)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(shí)際上它們有很多種成分，并不單一。仔細(xì)觀察時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，各種巖石材料經(jīng)過風(fēng)化、侵蝕和地質(zhì)搬運(yùn)過程形成了沙子獨(dú)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(lái)源物質(zhì)?
　　什么樣的地殼運(yùn)動(dòng)力移動(dòng)并改變了原始的巖石?
　　經(jīng)過千百萬(wàn)年，什么使大的巖石變成現(xiàn)在我們采集到的小沙粒?
　　對(duì)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(yàn)，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(dòng)。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?dú)特地理和地質(zhì)構(gòu)造的風(fēng)化、搬運(yùn)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(lái)源的巖石，而且還能揭示其形成沙礫的風(fēng)化過程。例如，來(lái)源于花崗石的沙粒早期含有長(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)沙粒的形狀是另一個(gè)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(shuō)明經(jīng)歷的風(fēng)化和搬運(yùn)過程較弱。
　　我們常說(shuō)的“沙子”這個(gè)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(yè)圖)。一般沙粒的直徑為0.0625～2毫米之間。傳統(tǒng)的Wentworth分級(jí)(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(gè)等級(jí)。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(duì)沉積物進(jìn)行分類?；ヂ?lián)網(wǎng)上提供了一個(gè)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(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，用顯微鏡觀察沙土樣本中的個(gè)體顆粒是非常有吸引力的一項(xiàng)活動(dòng)，他們會(huì)時(shí)常地發(fā)出“哇”的驚嘆聲!
　　
　　當(dāng)?shù)厣匙拥臍v史
　　
　　無(wú)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(duì)當(dāng)?shù)氐纳匙舆M(jìn)行調(diào)查開始：學(xué)生采集當(dāng)?shù)靥烊淮嬖诘纳匙樱缓笸ㄟ^礦物學(xué)、風(fēng)化和搬運(yùn)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(shí)，學(xué)生能把更多熟悉的地形和特征聯(lián)系起來(lái)，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(xiàng)活動(dòng)中，學(xué)生利用風(fēng)化過程來(lái)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(diǎn)位置。
　　這項(xiàng)活動(dòng)需要4～7個(gè)50分鐘的課時(shí)，可通過個(gè)人作業(yè)或2～4人小組活動(dòng)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(lái)定位一些沙子采集點(diǎn)，并標(biāo)明經(jīng)度和緯度坐標(biāo)。然后我們給學(xué)生一個(gè)沙子采集地點(diǎn)清單，這些采集地點(diǎn)是我們已經(jīng)探訪過和驗(yàn)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(zhǎng)和監(jiān)護(hù)人的陪同下到這些地點(diǎn)。我們會(huì)提醒學(xué)生和他們的家長(zhǎng)，采集沙子時(shí)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(gè)課堂實(shí)驗(yàn)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(huì)準(zhǔn)備一兩份樣本，以備學(xué)生采集樣本出現(xiàn)問題時(shí)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(yè)圖)進(jìn)行分揀。簡(jiǎn)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(lái)替代。學(xué)生可以用鐵絲網(wǎng)篩出大個(gè)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(lái)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(cuò)。學(xué)生可以用土壤直徑表(表1)來(lái)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(huì)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(lái)獲得機(jī)械性風(fēng)化和搬運(yùn)作用的線索。一個(gè)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(qǐng)參閱Eastern Illinois大學(xué)的沉積巖網(wǎng)頁(yè)(見“互聯(lián)網(wǎng)資源”)。
　　
　　第三步　成分分析
　　
　　這是實(shí)驗(yàn)中問題最多的一步。學(xué)生通常都沒有背景知識(shí)來(lái)辨識(shí)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(lái)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(shí)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(yùn)作用因素，分析它們是否可能是通過流水或冰川消融從來(lái)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(lái)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(lái)。
　　
　　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(guó)家公園或一個(gè)能反映當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)基本狀況的地點(diǎn)是判斷當(dāng)?shù)氐貧?gòu)造變遷的最好的便捷方法?！皣?guó)家公園服務(wù)”網(wǎng)站(見“互聯(lián)網(wǎng)資源”)提供了全美國(guó)家公園陸地景觀最基本的地質(zhì)概況。這些資源對(duì)于學(xué)生重構(gòu)他們沙子樣本的巖石來(lái)源、構(gòu)造應(yīng)力以及風(fēng)化和搬運(yùn)過程非常有幫助。因?yàn)檫@個(gè)活動(dòng)涉及要對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行“解讀”，所以重構(gòu)出的歷史過程就會(huì)有所不同。沙子是一種幾千年甚至可能上百萬(wàn)年時(shí)間的“歷程見證物”。
　　學(xué)生用5～10分鐘的演講來(lái)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(gè)組通過描述風(fēng)化和搬運(yùn)過程，來(lái)展示他們沙粒的巖石來(lái)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(shuō)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(dòng)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(shí)，沙子樣本就會(huì)表現(xiàn)出礦物成分、有機(jī)物、圓滑度和類型的多樣性。對(duì)于當(dāng)?shù)氐纳匙樱瑢W(xué)生通過比照互聯(lián)網(wǎng)上的圖片來(lái)判斷沙子標(biāo)本的成分，但是現(xiàn)在的任務(wù)是要對(duì)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(rùn)的氣候會(huì)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(wàn)年的風(fēng)化而來(lái)，大多數(shù)礦物成分都已被溶化、分解，結(jié)果能保留下來(lái)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(shí)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)的沙粒基本上都是黑色的，帶有狹長(zhǎng)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(xiàng)目介紹了一個(gè)學(xué)生對(duì)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(dòng)。教師們可以請(qǐng)親戚朋友旅游時(shí)帶回沙子，或者通過國(guó)際沙收藏者協(xié)會(huì)(見“互聯(lián)網(wǎng)資源”)付費(fèi)獲得沙子樣本。教師會(huì)議是另一個(gè)獲取沙子樣本的好機(jī)會(huì)。例如美國(guó)科學(xué)教師協(xié)會(huì)(NSTA)的會(huì)議中通常組織“分享”環(huán)節(jié)，老師們帶來(lái)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(huì)議網(wǎng)頁(yè)，見“互聯(lián)網(wǎng)資源”)
　　
　　沙子探究活動(dòng)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(duì)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(shí)斜面最陡的角度)，以及液體化(沙堆無(wú)法保持原有形狀而像液體一樣運(yùn)動(dòng))需要的水量。雖然Clay Robbinson(2005)的沙碉城堡活動(dòng)是為初中學(xué)生設(shè)計(jì)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(gè)氣球安裝了點(diǎn)火裝置，打算發(fā)到美國(guó)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(diǎn)起了火。美國(guó)分析了沙子的成分，推斷它們只可能來(lái)源于日本的5個(gè)地區(qū)。通過對(duì)這些地區(qū)進(jìn)行勘測(cè)，美方鎖定了氣球發(fā)射地點(diǎn)并摧毀了它。
　　沙子也曾經(jīng)用來(lái)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(jìng)賽和沙畫中。上百萬(wàn)種顏色的沙粒被小心地按照設(shè)計(jì)圖布繪成沙壇城(印度教和佛教密宗中的修法場(chǎng)——譯者注)或西藏沙畫。根據(jù)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，整個(gè)制作過程需要幾天到幾個(gè)星期。完成后，收集制作用的沙子被放到河流溪水中，用來(lái)象征萬(wàn)物的無(wú)常(Drepmlg Loseling Monastery 2011)。
　　
　　討論
　　
　　沙子是美麗的，涉及學(xué)科廣泛，廉價(jià)而令人著迷。雖然學(xué)生會(huì)懷疑他們采集的沙子樣本都相同，但活動(dòng)會(huì)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(gè)豐富的科學(xué)信息世界蘊(yùn)含在沙粒之中——它們擁有本地區(qū)巖石來(lái)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(lái)說(shuō)是無(wú)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(duì)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(lái)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(lái)探索地球世界!
　　
　　互聯(lián)網(wǎng)資源
　　
　　地球歷程活動(dòng)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(dòng)：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(shí)驗(yàn)室：http：／／gccweb.gccaz.edu／earthsci／imagearchive／sandsl.htm
　　Google地球搜索：www.google.com／earth／index.html
　　國(guó)際沙收藏者協(xié)會(huì)：www.sandcollectors.org／Picture——Gallex.html
　　國(guó)家公園服務(wù)：www.nps.gov／index.htm
　　美國(guó)科學(xué)教師協(xié)會(huì)(NSTA)會(huì)議：www.nsta.org／conferences
　　海洋GLOBE項(xiàng)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(zhǎng)，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(guó)科協(xié)青少年科技中心。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　
　　Cl