发布时间：2023-10-12 17:43:00
绪论：一篇引人入胜的电磁辐射的基本性质，需要建立在充分的资料搜集和文献研究之上。搜杂志网为您汇编了三篇范文，供您参考和学习。
【关键词】工科实验室；创新性；应用型；管理机制；XRD
引言
随着科学技术的发展，国内外材料科学与工程专业的研究领域正从金属材料向无机非金属材料、有机高分子材料领域拓展；同时，随着计算机技术、微电子及制造技术的进步，“材料结构与显微分析”实训课程所需仪器不断向集成化、自动化、精密化方向发展，材料分析表征新技术不断涌现。
作为我校轻化工学院材料科学与工程专业实践教育实训课程的重要课程——“材料结构与显微分析”，正是为迅速适应这种新形势而推出及实施的。然而，通过对材料结构分析课程在国内的教学现状的调研后发现，该课程主要是作为理论课讲授的，有的学校再辅以一定的实验，学生在学习中常常感到课程内容零散，没有针对性和系统性，对具体仪器的使用不熟练，对其应用领域也不甚了解；或实验只为测试某一单项技术参数，为实验而实验，不知对材料结构的精细化剖析需要多种分析技术手段的科学集成。因此，常常是学过就忘，待走上工作岗位要真正用到时，就不知从何着手，动手能力差，应用能力差。目前，该课程教学手段相对迟后，特别是围绕应用型市场人才需求的培养方案研究甚少，为此，亟需加大投入，加快课程教学改革步伐，以迅速适应当今高科技新材料研究发展的时代要求。
1、体系构建的意义
材料测试技术是材料科学与工程专业研究以及应用的重要手段和方法，目的就是通过对材料的成分、细微组织结构进行了解，获知它们与材料性能的关系，即了解材料的基本性质和基本规律，同时为研究开发新材料提供新途径、新方法。在现代制造业中，测试技术具有非常重要的地位和作用，特别是基于电磁辐射及运动粒子束与物质相互作用的各种性质建立的各种分析方法已成为材料现代测试分析方法的重要组成部分，以光谱分析、电子能谱分析、衍射分析与电子显微分析等四大类方法，以及基于其他物理性质或电化学性质与材料的特征关系建立的色谱分析、质谱分析、电化学分析及热分析等方法也是材料现代分析的重要方法。
针对当前材料结构分析课程在教学及现实应用中存在的问题，结合我校材料科学与工程专业开设“材料结构与显微分析”实训课在实践中存在的不足，本课题提出要以培养适应社会发展、满足社会需求的创新型、应用型人才为目标，注重理论与实践的结合，通过材料结构与显微分析课程的科学、系统、集成化培养模式的构建，使同学们掌握扎实的基础，并结合理论知识，通过现有的教学测试仪器及分析手段的集成，让同学们真正全面掌握材料的综合分析方法，能从应用的角度设计实验分析方案，从微观上了解、研究材料，为新材料的研究开发及生产提供高水平、专业化、职业化服务，提高我校材料工程专业在业界的影响力，开创我校乃至我国“材料结构与显微分析”课程建设新局面。
2、如何构建体系
1）在教学思想和教学理念上，本课程的重点是通过理论学习材料结构表征及测试方法，结合实验掌握材料结构表征和测试方法的应用，按照“宽专业、厚基础、高素质、强能力”的人才培养模式要求，坚持“以学生为本，融知识传授、能力培养、素质教育于一体”的先进教学理念，既重视发挥教师的主导作用，又尊重学生在学习活动中的主体地位，实行启发式教学，全面激发和培养了学生的创新思维和创造能力。
2）本课程紧扣人才培养目标和课程定位，精选“X射线衍射分析”、“红外光谱分析”和“电子显微分析技术”为主要教学内容，遵循现代教育教学规律，科学地设计了课程体系，实现了科学性、先进性、应用型、创新性的有机统一。
3）在理论教学上，以材料结构与显微分析表征及测试技术为主线，恪守“表征为核心、仪器重操作、技术抓应用”的原则，采用案例教学法，将主讲教师承担科研项目获得的典型实验结果、流程引入课堂，并不断引入国内外最新研究成果和老师科研工作中获得的材料结构分析测试图谱，扩大了学生的知识面，促进了学生对教学内容的深入理解和掌握。这样既正确处理好经典与现代的关系，又能确保教学内容的基础性、研究性和前沿性。
4）在实验教学上，科学、系统设置“基础型”实验3项，“综合设计型”实验4项，“研究创新型”实验2项，覆盖X射线衍射分析技术、红外光谱分析和电子显微分析技术的实验原理、技术与应用，制订并引导学生参加课外科技创新实验和科学研究的办法，形成了“课程实验＋课外创新实验＋毕业论文”四年不断线的实验教学格局，在系统传授知识的同时能有效培养学生的实践能力和创新能力。
5）教学内容上，注重夯实基础、把握前沿，施行并凝炼了“课前预习＋学生发问＋难点讲解＋老师质疑＋小组报告＋学生汇报讲演”教学法。理论教学以材料结构表征、分析仪器及测试技术为主线，恪守“表征为核心、仪器重操作、技术重应用”的原则。实验教学内容丰富，针对“基本操作”、“测试手段”和“研究方法”三大训练模块，通过扎实的理论教学和过硬的实验训练，学生的综合知识水平和实验技能得到了很大地提高。
结束语
本体系的构建，重视发挥教师的主导作用，又尊重学生在学习活动中的主体地位，实行启发式教学，全面激发和培养了学生的创新思维和创造能力；同时遵循现代教育教学规律，科学地设计了课程体系，实现了科学性、先进性、应用型、创新性的有机统一，正确处理好了经典与现代的关系，又确保了教学内容的基础性、研究性和前沿性。激发了学生的学习兴趣，明显地提高了教学质量，有效促进本科生形象思维和创新能力的培养，为培养地方性人才打下了夯实的基础。
参考文献
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中图分类号：B08 文献标识码：A 文章编号：1000－2731(2012)02－0016－07
近年来，在基础科学和复杂性科学研究的领域，信息科学的作用正在大幅度增长。这是因为，现代科学自身发展的逻辑导致的，这一逻辑就是基于信息科学的相关概念和方法的应用形成了新的科学范式和新的科学研究方法。
一、信息现象的现实结构
依据许多研究人员的看法，信息是我们面对世界的最重要的，同时也是最神秘的现象。
在今天的科学文献中，对信息的定义有几十个，然而，其中没有一个能够被普遍的接受。这是因为，科学家们在进行某一科学领域的研究时，都是从他们研究领域的特定角度出发，制定或选择一个最适合其研究领域的特定的具体的信息定义。
此外，有些科学文献甚至宣称，为信息概念下一个一般性的本质定义也许是永远不可能的，至少在今后几年中这种尝试不可能达到。也许，“信息”这一概念从根本上就是无法定义的，也许，它仅只是一个同音异义的术语，在日常使用中，它可能被用来指称完全不同的或根本没有关联的不同的对象。
然而，与此同时，信息已经成为一种普遍性的科学范畴，今天，许多研究人员都已经公认，信息在关于自然现象、技术系统、生物世界、以及人与社会的问题等众多研究领域的价值正在迅速增长。
信息现象是多层面的，因此，它不仅在不同状态的信息过程中，而且也在这些过程现实运行的不同阶段上都以特殊的方式表现出来。
从正统的唯物主义的观点来看，在现实世界中，除了物质和能量之外什么都不存在。并且，物质和能量的各个组成部分之间又是密切相关、连续运动的。
因此，物理世界(物理的现实)乃是一个被运动着的物质和能量充满了的世界，其他的世界(其他的现实)根本就不存在。这就是从笛卡儿和牛顿的时代就开始占据科学的主导地位的关于物质和能量的世界图景。
有没有另外一个现实的世界――一个现实的理想的世界?虽然，整个生活的实践使我们相信这样一个现实的理想的世界也是存在的。但是，是什么构造了这个理想的现实?它是否是独立于人的意识而客观存在的?
众所周知的控制论的创始人诺伯特・维纳曾经针对信息的本质说道：“信息不是物质，也不是能量，而是第三种存在”。换句话说，维纳认为，除了物质和能量之外，世界上还有“第三种”存在，而这个“第三种”存在便是信息。
但是，信息本身是什么，它与物质和能量的关系怎样?关于这些哲学问题的答案我们在维纳的著作中并没有找到。然而，后来的一些更多的科学家都认为，物质、能量和信息是现实世界的三个基本组成部分，是独立于我们的意识之外而存在的客观现实的不同表现形式。
然而，如何揭示这三者的相互关系?如何把它们和理想现实的概念进行比较?
为了找出上述问题的答案，我们将做一个思想实验。假定一个现实的物理系统，其中只包含两个组成部分――A和B。A是一个塑料球，B是一个台球，很难在这两个球之间找到一种一致性的关系。接下来假定，使这两个小球相互接触，然后再分开。其结果是，在A的表面形成了一个凹坑，这就是由于B的作用在A的表面留下的一个痕迹。
难道现在我们还不能从现实世界结构运动的角度来说，这就是两个物体之间相互作用的结果吗?事实证明，这种结构的改变已经是相当明显了!事情还并不仅仅如此，并不仅仅是改变了A的表面形状，使A的表面有了一个凹痕。事情更为重要的方面还在于，这个凹痕乃是A通过与B的接触而对B的某些内容的反映(镜像印迹)。
这样，我们可以说，我们观察到了一个现实的过程，之前只有两个分离的对象，通过它们的相互作用，产生了第三个对象C。这个c是某种痕迹(凹痕)，是在A的表面呈现着的对B的表面的某些内容的反映。这个新的对象不是物质，所以，应当把它看作是一种理想现实的对象。
这个对象确实存在着，它不是我们凭空的想象。它不是一种意识的精神产品，它很真实，它是我们周围现实的物理世界中的物质对象间的客观相互作用的结果。
因此，理想的现实是客观存在的。它与物理现实有着千丝万缕的联系，它由物理世界中的物体间的相互作用产生。这是从上述分析中得出的第一个和非常重要的哲学结论。
现在我们来探讨“理想现实”和“信息”概念间的关系。可以说，这两个概念的含义非常相似。通过上面的例子，我们已经可以确定，两个物体之间相互作用所产生的结果是物理现实世界中的一种现象，其中一方的结构的产生是对另一方的部分内容的反映，这就能够从某一对象的某些表面结构的模式中获得另一个对象的某些特性(信息)。
我们还发现，信息本身不是一个物理对象，属于理想的现实世界。当然，信息自身的显示必须以现实的物理对象(或过程)为其载体。如果没有这些作为载体的对象(或过程)信息的显现在原则上是不可能的。
我们现在来证明，尽管信息具有理想特征的本质，但是，它却能够影响物理现实的对象和过程。正如我们在上面所举的例子那样，在两个对象的相互作用过程中，对象A以其有所改变的凹痕的形式反映了对象B的某些内容，并且可以使我们由此获得关于这些内容的副本，也就是，其物理材料的模式。
因此，我们认为，这一过程正是信息从一个物理现实的对象转移到另一个物理现实的对象的具体机制。
基于上述分析，可以得出一个带有根本性价值的重要的哲学结论，这就是，在我们所面对的世界中，物理的现实和理想的现实是密切相关的，它们之间能够发生非常明显的相互影响。
因此，客观现实的世界具有二重化的特征，因为它同时包含着物理现实和理想现实，并且，在这两种现实之间具有相互反映的性质。我们把这一现象称为信息，令人惊讶的是，关于这一现象的很多方面我们现在还没有搞清楚。要搞清楚这一现象的本质的困难在很大程度上是由于这样一个事实，这就是，在不同的条件下它表现出来的行为是不同的，也就是说，它在无生命的自然的物理系统中、在生物系统中、在人类创造的技术设备中、在社会系统中，以及在人的头脑中它所表现出来的行为都是不同的。
信息具有多方面的表现，这就是为什么经常会出现运用同一术语所描述的具体现象却有不同的表
现形式的原因。
正因为如此，这才导致了目前不仅在一般的科学文献中，而且也在各种版本的百科全书中，对“信息”这一术语有了各种各样的解释。
信息现象并不仅仅表现在物理现实的某些对象的相互作用所产生的结果中。它也可以是现实发生的某些过程相互作用的结果。下面我们将证明，在相互作用的结果中，如何改变了某些过程的性质，我们应当把这样的变化看作是信息活动的一种形式，称之为动态信息。
下面我们将用无线电方面的例子来进行证明。假设有两个动态过程，其中之一是一个随时间参数作周期性振荡的物理现象，如，电流或电磁场。我们假定，在我们观察的整个时间段上，它们的频率、振幅和相位都保持一个恒定值，也就是说，与时间无关。
同时，我们假定第二个过程的一些参数值具有随时间发生变化的性质，但是，它变化的速率大大慢于上一假定过程的振荡周期。
进一步的假定则是，第二个过程可能对第一个过程发生影响，这就是，第一个过程振幅变化的比例将会被第二个过程的相应参数所改变。在电台广播中这种效应被称为调幅。还有其他类型的调制，如频率相、脉冲代码等。
在此很容易看到，我们所研究的两种动态过程的相互作用的结果同样是一个动态的过程，这一过程以其结构的性质反映了两个相互作用过程的源流。
无线电领域的专家都知道，由此过程产生的频谱是复杂的，它包含两个频率，两个频率分别对应的是原来的过程。同时，其中的一个过程具有较高的振荡频率，它扮演着第二个过程的载体的角色。
在无线电领域，甚至还为此采用了一个特殊的术语，称为“载波频率”。事实上，由于作为第二个过程的影响结果的第一个过程的相应参数随着时间的推移发生了变化，所以，在这一过程的结构中就反映了第二个过程的动态参数，也就是说，将其转变成了自己的某些动态性质的“成果”。
这个例子说明，由于上述相互作用的结果，我们观察到了两个物理过程的现实结构发生了变化。这一变化的实质在于，这里呈现的不是两个初始的物理过程，而是另外的两个物理过程。这两个物理过程中的第一个是作为初始来源的物理过程，而另一个过程则是在调解过程的影响下产生的理想的过程。这一过程是通过第一个原始过程的振幅的动态变化对第二个原始过程的相应参数的一种反映。
重要的是，这些变化是很真实的，它们可以通过适当的程序来确定。因此，在相互作用中产生出来的理想过程可以在另一个过程的结构形式中检测出来。
从上面所举的关于物理过程的交互信息现象的动态表现的例子中，可以引申出一个重要的结论，这个结论是关于我们面对世界的现实结构以及其组成部分的构造方式和属性特点的。
这一结论的实质是客观存在的现实结构既是物理的过程，又是理想的过程。这个理想过程产生于物理过程相互作用的结果，并作为物理过程相互作用的结果的一种反映。
反过来说，理想过程也是现实世界的一个部分，因为它们可以通过相应的物理过程的程序来确定谁是他们的物质载体，因此，他们可能会再次被一个现实的物理过程所表征，并且，还可能以另外一个物理过程为基础。
基于上述分析可以得出以下结论。
1.我们面对世界的现实结构具有二重化的性质，因为，这个世界同时包括两个主要的组成部分：物理现实和理想现实。这两个部分都是客观存在的，并且是相互作用的，因而它们具有相互反映的特性。
2.物理现实包括了所有现存的物质世界的对象，无论这些对象是实体性的还是非实体性的(如：电磁场、引力场或其他性质的场)，同时也包括了所有这些对象的运动过程和内部变化的过程
3.理想现实也是独立于意识活动之外的客观存在，它和物理现实一样也是现实世界的重要组成部分。它产生于物理现实的对象(或过程)的相互作用，并以在其他对象(或过程)的结构中反映某些对象(或过程)的性质的方式表现出来。
4.物理现实和理想现实的相互反映能力是它们的基本性质，这就在事实上构成了信息现象的多方面表现的可能性。
5.信息不是物理的对象和过程，它属于理想现实的世界。但是，信息要显示自己，就必须以物理现实的对象(或过程)作为其载体。如果没有这些作为载体的对象(或过程)，信息要显示自己在原则上是不可能的。
6.作为载体物的物理性质是什么，对于信息来说，在原则上是不重要的。重要的是，这些载体有能力通过适当改变其内部结构(物理对象)或它的状态参数(动态过程)来感应信息。
7.尽管信息属于理想现实的世界，并且与一个物理对象(或过程)相关联，但是，它却可以与其他的物理世界的对象(或过程)发生作用，并以与其发生作用的对象(或过程)作为其新的载体。这样的方式，便是信息从一个物理现实的对象(或过程)转移到另一个物理现实的对象(或过程)的传输机制。
8.要确定信息与它的载体(物理现实的对象或过程)的关联关系，需要有一些特殊的程序，其中最重要的程序就是比较。对这些程序的详细研究超出了本书论述的范围，它需要专门的讨论。
9.信息是信息科学的基本概念之一，信息科学是关于在不同性质的系统中进行信息处理的原则和规律的科学。正是由于信息科学的相关思想的发展和传播使信息概念在今天获得了一般科学概念的地位，并且，关于信息原则和规律的统一性观念，又在极大程度上促进了现代科学的世界图景的形成。
10.近年来，俄罗斯的科学家们获得的一系列新成果表明，在形形的系统中，以及在各类系统的信息活动过程中，信息规律占有重要的地位。此外，人们还发现，这些信息规律对物理过程的实际运行可能施加某种限制。
所有这些都表明，需要对信息现象作进一步的哲学认识，其中最主要的是关于信息概念的本质、物理现实和理想现实在系统中的表现方式，以及信息与物质和能量的相互作用的机制。
二、信息的本质
有哲学著作宣称，给“信息”下一个普遍性的定义是不可能的，因为信息概念在原则上是不可能统一的。因此，他们辩称，我们不得不继续接受已经存在于不同科学领域中的那些十分不同的关于信息的定义。
这样的观点是难以接受的。特别是在信息概念已经广泛使用于科学知识和人类实践活动的各个领域的今天，信息概念早已成了一般的科学范畴。
B.M.格鲁斯柯夫院士关于信息的定义是最常见的信息定义之一。在45年前发表的论文中他写道：“信息这个概念，在最一般的意义上，它指的是物质和能量在时间和空间中分布的不均匀性的变化程度，这种变化存在于世界上发生的所有过程之中”。
对这个定义进行分析，我们可以得出这样的结论，它是用属性的方法对信息概念所作的规定，其要点包含两个方面：一个是静态的规定(物质和能量在空间中的分布状态)，另一个是动态的规定(这一状态随着时间的推移的变化)。定义中强调的这两个方面在我们看来是非常重要的，因为，它提供给研
究人员们关注的是自然界中存在的两种类型的信息：静态的和动态的。
在他和ю.и.谢玛根教授的著作中，都曾多次提到过信息的这种双重的性质。他强调指出，静态信息的主要载体就是自然界中的物质(实体)，它承担着存储信息的功能，从而确保了信息在时间中的保存和传输。
至于动态信息，它的主要载体是能量(场)，它承担着信息在空间中的传播。
在今天看来，对于B.M.格鲁斯柯夫的“信息”定义，不仅需要进行非常重大的改进，而且也需要重新予以解释。
我们现在来探讨信息现象的物理本质，这个问题的正确解答有助于我们给出一个关于“信息”概念的一般性定义。在我们看来，有必要合理使用r，B.毕司朵夫斯基在其著作《信息物理的要素》中所指明的“信息”和“不对称”这两个概念之间的关系的观点。
根据г.B.毕司朵夫斯基的看法，不对称性，即对称破缺的结果，就是信息。然而，他并没有据此给出完整和精确的“信息”的定义。
利用B.M.格鲁斯柯夫和г.B.毕司朵夫斯基研究信息概念所用的方法，可以对信息概念下一个新的定义：“在最广泛意义上，信息是现实世界的客观属性，它是物质和能量在空间和时间中分布的差异性(不对称)的表现，这些表现存在于所有自然发生的生命界、无生命界，以及人类社会和意识活动的非平衡过程之中。”
换句话说，差异性――非平衡性的本意指的就是，物质和能量在空间和时间中分布的对称性破缺的结果，这些结果是在我们周围世界的不同对象、过程和现象中呈现出来的，只要这些现象中呈现出了差异性的特征，就应当把它称之为信息。因此需要特别指出的是，如果在均匀介质，以及均衡发生的过程中就不存在信息。
从客观的角度来看，信息，并不是我们凭空的想象，也不是什么意识的产物，而是一个真实的物理现象，是物质或能量的状态和运动的特征。信息和物质与能量密不可分，物质和能量是信息的载体。信息是物质和能量的属性，也就是说，信息是物质和能量的内在性质。
因此，这种类型的信息可以相对于“理想信息”被称为“物理信息”，“理想信息”是意识活动的产物，应该把“理想信息”的实质和“物理信息”的实质分开加以讨论。
在这里，我想强调的是，信息的物理性质是信息的“第一性的”或“依附的”性质，它是从现实世界对象的物质和能量的差异性中产生出来的。
毕竟物理信息相对于“二次派生的”信息是一种具有本源性的信息，这种派生的信息是对本源信息的一种“反映”，它可以脱离本源信息而存在。
物质或能量的空间分布的不均匀性(不对称性)，指的正是静态信息。
如果我们观察到的是一些随时间变化的不均匀过程，这就应当属于动态信息。
我们观察到的不均匀变化过程，几乎在所有的自然、社会和人的意识活动中都会发生。这是现实世界的基本性质表现的结果，我们有理由把它称为信息。
信息最重要的一个特性是它的相对性。事实上，当我们观察到物质和能量在空间和时间上分布的差异性的时候，这就意味着，我们通过了某种关于差异性的参考集(进行对比的基础)，并且运用了比较性程序的检测。
换句话说，为了获得必要的信息，就必须对观察的对象与另一些现象的状态和过程进行比较，并且，观察者以往的经验和知识的积累也可以成为上述的参考集(进行对比的基础)中的内容。
然而，由于不同的观察者拥有的以往的经验和知识不同，所以，他们在对同样的对象、过程和现象进行观测时，便可能获得十分不同的新的信息。这正是人们所感知的信息所具有的相对性的原因。
因此，人的认识能力，人们对技术系统和物理对象的认识，不仅依赖于外部世界的信息的性质，而且还依赖于他所拥有的“内部词典”，这个词典是建立在他以前对外部世界进行观察时所产生的经验积累的基础之上的。
这一结论是信息论的一个极为重要的成果，这一成果不仅符合哲学认识论的基本原则，而且同时也是创建智能系统的一个基本原理。
信息现象极为多样和具体，它不仅表现在我们周围世界的不同环境之中，而且还表现在信息相互作用过程的不同阶段，并且永恒存在于自然和社会中的各种对象之间。
正因为我们面对的信息现象有极为多样化的表现，所以就需要用不同的方法来确定它的性质和属性，这就是为什么现代科学所使用的信息概念拥有大量的不同定义的原因。
在关于信息本质的问题上存在诸多方面的争议，甚至有些混乱的一个原因就来自信息自身的本性，一方面，信息是现实物理世界本身的能动表现，另一方面，它又是一个十分真实的，作为物质世界的反映的理想世界中的现象。
造成这种情况的另一个原因则是，通常在信息相互作用过程的不同阶段上，相应信息现象的表现十分不同，因此，这就要求有必要采用与这些不同表现形式分别对应的不同的信息定义。
三、信息科学的哲学基础
物质概念是最重要的哲学范畴之一。然而，在我们看来，基于目前研究的成果，同样重要的哲学范畴还应当有“能量”和“信息”等概念。事实上，如果说“物质”(物体)这个概念是对现实的自我组织和某种长期存在的能力的属性的描述的话，那么，“能”这个概念描述的则是物质运动的能力，而能量这一概念则描述的是物质运动的强度。
至于谈到运动，它可能是一个在空间中的(机械性)运动，或者是一个在一段时间内与系统的内部结构的进化或退化相关联的发生了变化的演化的过程。因此，演化可以被看作是特殊形式的运动――在时间中的运动。
至于“信息”概念，它所描述的是有组织的物质或能量系统的复杂性程度。据此，可以把信息量看作是对有组织系统的结构的复杂性程度的定量测度。
此外，信息还可能激发物质和能量系统在空间中的运动，并确定其运动的方向。
信息还是物质和能量系统演化发展过程中的决定性因素。在不同性质的自组织系统的演化的分岔点上，系统能够根据外部信息的影响对自身未来发展的可能方向做出选择。
因此，在今天，在一般的科学哲学中，“物质”“能量”和“信息”这三个概念都是重量级的范畴，这三个范畴密切联系、相辅相成，分别描述了我们观察的物理现实中的对象、过程和现象的不同方面的特点。
运动的根本原因是不对称性，是物质或能量的非均匀分布，亦即是信息。正是信息导致了物质和能量的运动，是物质和能量运动的基本的、首要的原因。重要的是，我们还应当注意到，物质和能量运动的趋势是从高浓区向低浓区过渡。因此，信息不仅是物质和能量运动的首要原因，而且也决定着这一运动的方向。
电磁辐射和光辐射的物理过程可以作为太空中能量运动的例子。另一些典型的例子是我们在自然界中到处可以观察到的导致平衡态的动态过程衰减的趋势。从我们的观点来看，它们也都服从信息活动的基本原理。事实上，任何动态过程本身都会随着时间的推移改变它的某些参数，也就是说，都会在
时间中运动。而这些运动的过程都服从自然发展的平衡态趋势，即消除物质和能量在时间中分布的不均匀性。
由此可以得出一个合理的结论，所有的动态过程产生的信息，即物质和能量在时间中的非对称性分布，都会随着这些动态过程的衰减自发地趋向于消解，也就是说，达到平衡态。可以得出的一个类似的结论是，关于物质(质量)在空间中均匀分布的自然趋势。化学元素的原子核衰变，以及分子在气体和液体介质中的扩散的运动可以看成是这一方面的例子。
在此，我们想强调的是，信息不仅是任何物质运动的根源，而且，它还决定着这一运动的方向，它实现着某种有目的性的运动――从物质分布的高浓度区域向物质分布的低浓度区域扩散。
有必要提醒我们注意的是，A.и.捷敏在其出版的《信息经济基础》一书中早已强调指出了，在信息和物质的运动方向之间有一个相互一致的关联性。该书用单独的一章专门对信息现象进行了分析，并且揭示了热力学第二定律的信息本质。
该书作者得出的结论认为，信息代表着物质和能量运动的实际方向。换句话说，信息乃是物质或能量运动的属性之一。然而，在我们看来，这个结论是错误的，因为根本的原因是信息导致了运动，运动只是信息活动的一个后果。
形象地讲，可以说，信息导致了物质和能量在空间和时间中的运动。但是，长期以来，哲学中有一个著名的观点，认为“时间”的概念和“运动”的概念有着不可分割的联系。如果没有运动，时间也就不存在，因为如果没有物质或能量对象的变化要确证时间的存在是不可能的。因此，我们可以说，信息导致了运动，而反过来，运动又产生了时间。
信息产生了运动，而运动又反过来产生了时间。但是，必须强调的是，在这个因果关系链中，首要的因素正是信息。
当然，对于信息科学来说，上述的哲学问题的分析是不完整的。然而，依据这些分析所得出的相关结果和结论，仍然可以形成一些科学的原理。这些原理可以成为进一步研究信息科学的哲学基础，并推动对自然和社会中的信息相互作用过程进行研究的信息基础科学的进一步发展。可以把这些相关的原理简单地概括如下。
1.在最广泛的意义上信息是现实世界的客观属性，它表现为物质和能量在空间和时间中分布的非均匀性(不对称性)，它存在于世界上所有的有生命和无生命的自然界，以及人类社会和意识活动中的非平衡发展的过程之中。
2.物理信息具有客观的现实性，它体现为物质和能量在空间和时间中分布的差异性本身，以及在无生命的自然界系统、技术系统、生物系统中发生着的非平衡动态过程。
3.信息量是任何性质的有组织系统的复杂性的度量，它可以对系统的复杂性程度进行定量评价。
4.信息贯穿于我们周围世界的有组织的物质和能量的各个层次，它是物质和能量运动的首要的原因，并决定着它们在空间和时间中运动的方向。
5.信息是进化的决定性因素，它决定着自然和社会进化过程的发展方向。
6.“物质”“能量”和“信息”这三个概念乃是科学哲学中最为一般性的范畴。它们相互补充，描述了物理现实中的科学对象、过程和现象的不同侧面。
7.信息是现实世界中的多方面的现象，它以某种特定的方式体现于自然的生命界和无生命界的各种信息环境之中，体现于信息活动过程的不同条件之中。其涉及的范围包括：天然的无生命的自然界、人类创造的人工自然的技术对象和系统、生物系统，以及人类社会和意识的领域。然而，我们可以假定，在这些一般的信息流程、现实对象，以及任何形式的过程和现象中，都体现着某些基本的信息规律。对这些特殊规律的研究，应当成为作为基础科学的信息科学中的最重要的任务之一。这同时也体现着信息科学在科学知识体系中发挥着跨学科作用的情景。
关于中学化学课程中环境教育的基本要求和知识要点,高中化学课程标准中已有明确的规定,并建议了部分供参考的活动课题。而且在选修模块―《化学反应原理》中除去过去已有的化学反应速率、化学平衡等内容之外,又增加了与环境问题密切相关的焓和熵函数,以及过程自发性等概念。如果能够在实际教学中把有关的基本概念与知识和环境教育更好地结合起来,使得“贴近生活、贴近社会”的原则,落实在环境保护这个受到广大群众密切关注的大问题上,将有利于提升学生学习化学的积极性和环境保护意识。要实现这个预期目标,有几个方面的问题值得研究和探讨。
1化学在环境教育中的作用不可替代
造成环境污染的原因很多,已为大家所熟知的有:噪声污染、光污染、热污染、核污染、电磁辐射污染、强磁污染、微生物污染和化学物质污染等等。污染源并非只有对环境有害的化学物质。后者虽与化学密切相关,但是了解什么是化学污染物、污染过程、它的危害性以及可能采取的环境保护措施等,只能是中学化学课程的主题之一,并不是中学化学课程的全部任务。中学化学教育的任务和一般性环境教育的区别在于,化学更着重于对化学物质的普遍了解,并不限于目前已知的与环境安全有关的化学物质;但是通过基础化学教学,特别是在学习了化学物质的动态性质之后,有助于形成对环境无害物质转变为有害物质的可能性及所需条件的认识,也有助于增长将污染物转变为对环境无害物质(甚至于成为新的资源或能源)的信心, 而且后者尤为重要。因为认识并且关注环境问题的迫切性,虽然是环境教育的一个重要方面,建立通过科学技术和社会发展可以逐步解决环境问题的信心和责任感,则是环境教育不可或缺的另一个重要方面,二者并重,才是完整的环境教育,从而决定了中学化学在环境教育中的重要性和不可替代性。
2 化学有助于认识环境污染物的危害性和它们的动态变化特性
通过基础化学的学习,特别是对化学实验现象的观察,可以增强对有关污染物的危害性(例如它们的腐蚀性、毒性、窒息性、能使蛋白质变性、能通过不饱和多重键的氧化导致油脂和药物变性,以及转变为潜在致癌物等等)的认识;还可以对某些原本无害物质通过化学或物理变化转化为有害物质(例如矽肺、氟利昂、生活垃圾在不完全焚烧条件下生成的二英和苯并芘、某些合金制品因腐蚀生成的有毒重金属离子等)的一般途径有所了解,并辅以不同程度的理性认识。建立了元素论概念之后,由元素的“不变性”来理解有害元素在环境中的可迁移性和在生物体内形成积累的可能性。这些化学基础知识,将有助于增进对防治环境污染的措施和治理方案的科学依据的了解。
其次,化学物质是否可能成为环境污染物不仅决定于它的基本性质,还决定于它的存在形式和浓度。污染物的防治可以和化学有关,也可以和化学无关。但是其源头的发现或推定以及对处理后新生废弃物的预见和评价,却与化学关系密切。例如在考虑和探究人为污染过程和环境自净过程的速率是否匹配的问题中,过程速率和影响因素是一个核心概念。
3 化学有助于形成废弃物不废的观念
在学习了与热力学有关的基本概念之后,通过热化学计算可以看到,所有物质,包括一切废弃物,如废弃塑料、废弃金属、冶金熔渣、生活垃圾甚至于锅炉废气等等,不仅可以成为新物质组成中原料元素的来源,而且通过适当的化学反应它们都可能释放能量,甚至成为新的能源。例如高炉煤气、焚烧垃圾发电、沼气等已为大家所熟知并已进入人们的生活,以地沟油为原料制造生物柴油的技术正在开发之中。所以从化学的视角来看,应当不承认有绝对意义的废弃物[2]!所谓废弃,无非是原来认为有用物质的组成元素改变了、分散了或者重新组合成了“无用物质”而已。只要能够开发出使它们再次组合成为所谓“有用物质”的新工艺,就像糖类(包括纤维素在内)代谢生成的CO2和H2O能够被绿色植物通过光合作用把它们重新转化为葡萄糖和纤维素那样,就可以实现“变废为宝”的理想目标。
4 化学物质对环境的污染过程具有自发性
由大量微粒所组成热力学体系,自发性过程的方向可以由体系的始态与终态间提供有效功能力的差别和微粒分布情况的差别来判定(即所谓自由能判据和熵判据)。一般认为,功源自微粒的有序运动,而熵函数则和微粒分布的无序性相关,也就是通常所说的与“混乱程度”相关。如果把两种或多种气体放入同一个密闭容器中,它们将会自动混合,直至容器中任意选取的两个或多个空间中的气体混合物组成和分布情况完全一样为止(此处指的是整个体系的“状态”,实际上每个气体微粒的空间位置仍在不停地变化)。如果没有外界的干扰,这种状态将一直保持下去。物理学把这种现象归结为“熵增原理”。类似的现象在混合两种浓度不同的溶液、混合几种不同的溶液或压强不同的气体时都可以观察到,说明这是自然界普遍存在的一类自发过程。熵不过是用来描述和判断这类过程的一个物理量。微粒的混合、压强或浓度差别通过微粒的自动扩散过程而消失都具有自发性,亦即都是熵增过程。
简单的例子有配制溶液、熔炼合金、半导体材料掺杂等过程中体系内组分的自动均一化过程都属于熵增过程[注], 亦即都具有自发性。结合环境污染问题时,我们就可以发现,原来与环境污染有关的物质属于化学物质,但是造成环境污染的过程却是具有自发性的物理过程!对大气污染和水源污染过程所具有的自发性有所认识之后就会想到,隔绝气体污染物和大气,或者防止可溶性污染物或污水进入水源,才是防止环境污染的最有力的措施。当我们在生活中,特别是在实验中,通过溶质溶入溶剂的自发性和从溶液中回收某种溶质(如粗盐提纯)时往往既耗能又费时费事的体验,将有利于加深某些不良企业往江、河、湖、海中排放污水行为的严重危害环境安全的认识。
注: 由熵的定义和它的可加和性,不难推出纯净物a和b混合后熵值将增大的结论。即有:ΔSmix=-R(nalnχa+nblnχb)>0 。式中χi表示i在混合物组成中的分率,因为∑χi=1,所以lnχi
5 建立污染物对环境产生危害时需要达到临界浓度的观念
在研究或认识环境污染问题时,除去上面讨论过的污染物的变与不变、污染过程是否自发外,还应当建立起污染物对环境产生污染效应时所需临界浓度的概念。因为污染是一种宏观现象,中学化学的教学应当帮助学生建立这个概念。初中化学在介绍燃烧现象时所列举的三个基本条件中,易燃物的着火温度以及空气中氧的浓度,实际上已经隐含着实现燃烧过程时体系温度和助燃物氧的浓度必须分别达到某个临界值的要求;在介绍pH和指示剂的变色范围以及各种可燃气体与空气的混合物形成易爆混合物时比率的上下限等,只要加以引导,都可以形成临界浓度或临界值的概念。高中化学课程中涉及的浓度对反应速率、反应产物、可逆反应的平衡状态、化学物质的活泼性、反应产物的组成颜色甚至晶型等的影响,不仅是化学学科的基本概念,对于涉及物质性质和变化的一切领域,包括环境科学与技术领域,同样是必需的基本概念。
此外,物质体系的分散程度、固态物质的表面状态以及催化剂对物质的化学活性(有时表现为毒性)的影响, 在课程中均有所涉及,这些知识和概念在研究和关注环境问题时都非常有用。如果在讲述物质的分散系时,由分散系的分类和它们稳定性的差别来了解沙尘暴、可吸入颗粒物、酸雾等对环境和人体健康的影响,更能够体现联系生活和联系社会和学以致用的原则。
6 简单的总结
(1)环境保护和治理措施取决于污染源,化学物质污染只是其中之一,但是最为普遍。
(2)污染物进入环境的过程具有自发性,所以阻止或减缓过程的最有效措施是使污染物和环境隔离。这不只限于化学方法或技术。
(3)可以把中学化学中和环境教育相关的核心概念归结为三个层次,即:①元素论。元素是构成世界万物的基石,不因物理或化学过程而改变;②物质的性质由其组成、结构和所处环境决定。化学变化可以归结为源于元素形态和结合方式的可变性;③物质的宏观物理性质和化学性质和它们在给定体系中的浓度有关,在探讨或表述某种污染物对环境的影响时,临界浓度是一个重要的概念。
(4)目前普遍关注的环境问题,主要涉及人类生活质量及健康和维持社会可持续发展密切相关的问题。但是在青少年的环境教育中,环境教育的迫切性不应当只体现在问题的严重性(例如资源匮乏、淡水面临枯竭、化石能源即将耗尽等信息)方面,片面地强调环境问题的严重性,把地球的未来描绘成“悲惨世界”的做法,有可能对部分青少年产生误导,致使他们或多或少地萌生无可奈何甚至绝望的心态,从而违背了环境教育的初衷。通过有关学科的教育,从多个方面帮助青少年在认识到环境问题、资源问题和能源问题的迫切性的同时,也要帮助它们认识到科学技术和社会进步是解决环境问题的有效途径,帮助他们对未来建立起坚强的信心。从而使得爱护环境和保护环境的认识和行动,不仅限于废弃物的回收、保持公共环境的清洁卫生、保护野生动物和生态环境等,更重要的是结合对科学技术的正确评价,提高自己的学习兴趣和社会责任感。
