一沙一世界，一花一天堂 把无限放在你手掌，永恒在那里收藏。——威廉 布莱克（William Blake）《天真的预言》
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。本文将详细描述这方面的探究活动。
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。二氧化硅因其硬度和稳定性成为最常见的沙子成份，尤其是石英质的沙土。除此之外，沙土也含有其他成分，如小粒的岩石或矿物质，生物体残骸，甚至还有小颗粒的人造物质！
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5个等级。
对于学生来说，用显微镜观察沙土样本中的一个个颗粒是非常有吸引力的一项活动，他们会时常地发出“哇”的惊叹声！
当地沙子的历史
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。
在这项活动中，学生们利用风化过程来追溯当地的沙子是如何从它的岩石发源地，到它现在——但不是最终——的地点位置。
这项活动需要4～7个50分钟的课时，可通过个人作业或2～4人小组活动的形式进行。
第一步 样本定位
我们用地图程序（可以利用百度地图的API坐标拾取工具）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。
第二步 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）。
表1
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。
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。一个最基本的图示（表2）可以帮助他们确定沙粒的圆滑度。
表2
第三步 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。
第四步 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，但矿物成分大相径庭。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。
讨 论
沙子是美丽的，涉及学科广泛，廉价而令人着迷。虽然学生们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需花钱的！
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！
安全提示
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°C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。
