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一粒沙中的科学世界

物理 生态环境 地理 初中 高中 艺术人文 能源资源

教学目标

对当地沙粒开展课堂研究将揭示出神奇的地球历史,可以探讨各种跨领域的科学话题,并能提供丰富的探究体验,带领大家从科学课堂进入跨越历史、文化和艺术的天地。本课将带领大家探究沙中的世界。
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中国科技教育杂志

引题:关于沙子的科学

沙子多种多样,每一类沙子都可以讲述一段有关当地独特地理和地质构造的风化、搬运和沉积的故事。沙土样本可以告诉我们什么呢?它不仅能展示它们来源的岩石,而且还能揭示其形成沙砾的风化过程。例如,来源于花岗石的沙粒早期含有长石、石英、黑云母等成份,经过化学性气候侵蚀,不稳定的物质就分解成粘土。含有不稳定的长石和石膏成份的沙粒标本可以指示一种较弱的化学风化环境。单个沙粒的形状是另一个指标线索:圆形的代表经历更强的风化过程,有棱角的说明经历的风化和搬运过程较弱。


我们常说的“沙子”这个词指的是大小介于较大的颗粒状沙粒和较小的淤泥状沙粒的沉积物。一般沙粒的直径为0.0625-2毫米之间。传统的Wentworth分级更进 一步地把沙粒从“粗糙”到“精细”分为五个等级。诸如Folk and Shephard分类系统的图解表,可以帮助研究人员按照泥、细沙、泥沙(介于细沙和黏土之间)和黏土的比例对沉积物进行分类。互联网上提供了一个可供教学使用的沙粒研究资源列表。


无论海边、河岸、沙丘,还是冰河石碓、都有天然的沙子可用于大多数课堂学习。关于沙子研究,我们最初一般从对当地的沙子进行调查开始:学生们采集当地天然存在的沙子,然后通过矿物学、风化和搬运过程分析,进行一次深入的地区性“地球历程”调查。

样本定位

我们用地图程序来定位一些沙子采集点,并标明经度和纬度坐标。然后我们给学生一个沙子采集地点清单,这些采集地点是我们已经探访过和验证过的,如河谷、沙洲、沙堆、冰川冲积地区、湖泊、海滩(我们避免出现建筑工地和商店)。学生必须在家长和监护人的陪同下到这些地点。我们会提醒学生和他们的家长,采集沙子时一定要小心。很少量的沙子就足够好几个课堂实验使用,所以我们的学生只用小塑料袋采集沙子样本。通常我们自己也会准备一两份样本,以备学生采集样本出现问题时使用。


活动中应注意下列安全注意事项:

  • 请在教师列出的验证过的地点采集沙子样本,并保证样本没有被动物粪便和化学毒物污染过。商业沙箱中的沙子可能含有高含量的二氧化硅,因此要避免使用。

  • 学生必须在家长或监护人的陪同下采集沙子样本。家长或监护人必须签署安全须知表,其中告知了采集场地的潜在危险及预防方法。

  • 沙子可能被霉菌、细菌和其他致病菌污染,所以在课堂上使用前应该进行消毒。要采用干热消毒的方法,需先用温水彻底洗涤,然后放在平底锅内,再放入烤箱用150℃烘烤2个半小时。

  • 必须佩戴安全护目镜。

  • 使用铁丝网时要注意,防止锋利的铁丝割伤或刺伤皮肤。

  • 学生在完成实验后必须用肥皂和清水洗手。


分拣和圆滑度判定

沙粒的大小和形状能反映出许多它们的地球历程信息!如果在课堂上准备一些土壤筛,学生小组可以把样本按照其尺寸大小进行分拣。简易的土壤筛可以使用纱窗门或面粉筛的铁丝网以及尼龙袜来替代。学生们可以用铁丝网筛出大个的岩石粒,透过尼龙网冲洗样本筛出小粒沙子(把更细的泥沙和泥土洗掉)。

 

学生可分组用各种放大工具(如珠宝匠使用的放大镜、普通放大镜和显微镜)来研究分拣出的样品。用金属针可帮助在放大镜下分离沙粒,用牙签分离较大的沙粒也不错。学生们可以用土壤直径表(表1)来判别沙粒大小。沙粒大小的均匀性很重要:分拣良好的沙子颗粒大小一致,分拣差的样本就会存在大小不一的沙粒。


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沙粒大小的均匀性很重要:分拣良好的沙子颗粒大小一致,分拣差的样本就会存在大小不一的沙粒。在Brooklyn大学的地质学网站上有沙粒尺寸均匀度的图表。 


学生们通过检查沙粒的形状来获得机械性风化和搬运作用的线索。沙粒的基本形状揭示出它们经历了多少机械性风化。下面的图示可以帮助他们确定沙粒的圆滑度。


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成分分析

这是实验中问题最多的一步。学生们通常都没有背景知识来辨识成分,除非沙粒样本有相当明显的均一矿物质成分。我们建议学生们去研究一下当地的地质情况,确定暴露在地表的岩石类型。一旦确认了沙子潜在的岩石来源,他们就能列出沙子的矿物质成分。微生物化石提供了另一方面的信息——学生们可以调查研究这些微小生物的生存环境。

 

有的时候,沙粒矿物学鉴定结果与当地地表岩石成分不符。这种情况我们就让学生们考虑搬运作用因素,分析它们是否可能是通过流水或冰川消融从来源地被带到这里。我们也让学生们考虑化学性风化过程,在这种作用下原来的岩石分解成粘土——只有其中最稳定的物质保留了下来。


重构沙粒的历史

通过采集的沙子样本的颗粒大小、均匀性(或者缺乏均匀性)和形状,学生们可以判别沙子样本的基本风化历史。他们可以将沙子样本与当地的地表岩石和其他沙粒进行比较,得出样本的基本矿物成分和可能的微生物成分。然后,学生们综合各种信息梳理出他们沙粒样本的地球历程。

 

我们发现,附近的国家公园或一个能反映当地地质基本状况的地点是判断当地地壳构造变迁的最好的便捷方法。这些资源对于学生们重构他们沙子样本的岩石来源、构造应力以及风化和搬运过程非常有帮助。因为这个活动涉及要对现象进行“解读”,所以重构出的历史过程就会有所不同。沙子是一种几千年甚至可能上百万年时间的“历程见证物”。

 

学生们用5~10分钟的演讲来与同学们分享沙子的地球历程。每个组通过描述风化和搬运过程,来展示他们沙粒的岩石来源和构造应力等历史。展示后,学生们投票推选出最具说服力的沙粒历史,并在下次课上宣布获胜者。


通过沙子环游世界

学生们完成当地沙子的研究后,我们还可以扩大活动范围,进行与其他地区的比较研究。当沙子调查扩展到外埠地区时,沙子样本就会表现出矿物成分、有机物、圆滑度和类型的多样性。对于当地的沙子,学生们通过比照互联网上的图片来判断沙子标本的成分,但是现在的任务是要对比地理位置上的差别了。

 

我们先挑战学生,让他们比较相似的沙子样本,乍一看上去很相像,例如:新墨西哥州的白石膏沙与佛罗里达州的白石英沙有相似的外观,然而新墨西哥州的石膏沙只存在于干燥的环境里,湿润的气候会把石膏化学性风化溶解并带走。佛罗里达州的石英沙是从阿巴拉契亚山脉历经百万年的风化而来,大多数矿物成分都已被溶化、分解,结果能保留下来的小部分颗粒物质主要就是石英了。新墨西哥州和佛罗里达州的沙粒虽然有相似的大小,但它们实际上截然不同。


沙子也有差异很大的。我们挑战学生,让他们提出沙子颜色和形状不同的原因。例如:华盛顿中北部地区的沙粒基本上都是黑色的,带有狭长的水晶形状;而上纽约的沙粒则颜色更浅并且色彩多样(表 3)。加州大学洛杉矶分校海洋科学中心的海洋GLOBE项目介绍了一个学生对比沙粒样本并在世界地图上标注出采集地经度和纬度的活动。教师们可以请亲戚朋友旅游时带回沙子,或者通过国际沙收藏者协会付费获得沙子样本。教师会议是另一个获取沙子样本的好机会。例如美国科学教师协会(NSTA)的会议中通常组织“分享”环节,老师们带来当地的沙子样本,进行非正式的自由交换。


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沙子探究活动的扩展

课堂学习还可以关注有关沙子的其他科学问题,例如,对比其他材料研究沙粒的休止角度(沙粒放在斜面上保持静止时斜面最陡的角度),以及液体化(沙堆无法保持原有形状而像液体一样运动)需要的水量。虽然 Clay Robbinson(2005)的沙碉城堡活动是为初中学生设计的,但它同样也适合在高中课堂里开展。


沙子的研究也不仅仅止于科学研究。我们的学生还调研了当地沙子的经济用途和在历史中发挥的作用。还有一些有趣的法医侦破案例也涉及到沙子。曾讲述过第二次世界大战中沙子的作用:在1944至1945年间,日本给几千个气球安装了点火装置,打算发到美国的森林里放火。他们使用沙子作为控制气球高度的压舱物,但是最后不是所有的气球都成功地点起了火。美国分析了沙子的成分,推断它们只可能来源于日本的5个地区。通过对这些地区进行勘测,美方锁定了气球发射地点并摧毁了它。


沙子也曾经用来作吸墨水的物质,它能从文件表面吸附多余的墨汁,加速晾干过程。沙子还可以用在禅宗花园、沙碉竞赛和沙画中。上百万种颜色的沙粒被小心地按照设计图布绘成沙坛城或西藏沙画。根据设计的复杂程度,整个制作过程需要几天到几个星期。完成后,收集制作用的沙子被放到河流溪水中,用来象征万物的无常。


教学总结

沙子是美丽的,涉及学科广泛、廉价而令人着迷。虽然学生会怀疑他们采集的沙子样本都相同,但活动会揭示出沙子是相当复杂的矿物质和岩石碎屑的混合物。一个丰富的科学信息世界蕴含在沙粒之中——它们拥有本地区岩石来源的线索,见证了风化和侵蚀的过程,以及地壳构造事件。而且,得到沙子的样本一般来说是无须花钱的!跨地区的沙子研究可以从小规模研究中展现难以想象的多样性。关于沙子的研究甚至能扩展到众多的跨学科领域,如历史、文化和艺术。我们的学生对于课堂开展的沙子研究表现出非常积极的反应,特别是本地沙子样本所提供的信息线索,以及世界各地的沙子样本所展示出来的难以想象的多样性。我们推荐同行们通过课堂上的沙子调查来探索地球世界!