朱建軍+張斌

摘 要：浙江省在新高考方案中，將技術(shù)學(xué)科作為選考科目之一，其中通用技術(shù)學(xué)科的選考內(nèi)容為蘇教版《電子控制技術(shù)》。源于通用技術(shù)學(xué)科的新課程特性，電子控制技術(shù)內(nèi)容的教學(xué)成為通用技術(shù)課程實施的難點，教師除了要在學(xué)科知識上不斷提升，更要從零開始研究適合學(xué)生的教學(xué)方法、教學(xué)策略。其中三極管的原理與應(yīng)用是《電子控制技術(shù)》的核心內(nèi)容之一，三極管的教學(xué)研究，無論是對教師教還是學(xué)生學(xué)，都具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：電子控制技術(shù)；三極管；教學(xué)策略；教學(xué)建議

自浙江省在新高考方案中，將技術(shù)學(xué)科作為選考科目之一以來，該科目就更受到方方面面的重視。但同時，作為通用技術(shù)學(xué)科選考內(nèi)容的蘇教版《電子控制技術(shù)》，無論對于教師的教還是學(xué)生的學(xué)，都有很大的困難，尤其是《電子控制技術(shù)》中核心內(nèi)容之一的三極管的原理與應(yīng)用，更是一塊難啃的骨頭。

《電子控制技術(shù)》教材的編寫比較追求體系完整，重視設(shè)計思想的構(gòu)建，強(qiáng)調(diào)控制過程的實現(xiàn)，但在介紹三極管的原理與應(yīng)用時，并非站在零起點的基礎(chǔ)上，而三極管的工作過程非常復(fù)雜，即使是專業(yè)的電子技術(shù)工作者，想透徹理解其原理與工作過程，也并非易事。對沒有電子基礎(chǔ)的高中學(xué)生來說，基本理解三極管的工作原理，并學(xué)會基礎(chǔ)應(yīng)用，也需要一段時間的摸索和積累。通用技術(shù)教師如何高效地實施教學(xué)乃至應(yīng)對新高考，需要對癥下藥的策略和方法，為此本文提出在“三極管原理與應(yīng)用”教學(xué)及應(yīng)考中，應(yīng)采用“綱舉目張 層層推進(jìn)”的策略，抓住主要環(huán)節(jié)， 帶動次要環(huán)節(jié)，具體地來說，就是以下五點教學(xué)應(yīng)對。

一、站高望遠(yuǎn) 整體把握

課堂教學(xué)中的鋪墊，是教師有意識地為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)內(nèi)容提供準(zhǔn)備，使之形成合理認(rèn)知結(jié)構(gòu)的一種教學(xué)藝術(shù)。在學(xué)習(xí)“設(shè)計中的人機(jī)關(guān)系”時，教師需要先讓學(xué)生了解技術(shù)的價值——滿足人的需求，知道技術(shù)與設(shè)計的關(guān)系——兩者相互促進(jìn)，相互依存。三極管的學(xué)習(xí)也需要這樣的鋪墊和整體上的把握。三極管在電子控制技術(shù)的發(fā)展中具有非常重要的歷史地位和作用，了解三極管的發(fā)明歷程和應(yīng)用范圍，對學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)的形成具有決定性的作用。從1883年愛迪生發(fā)現(xiàn)熱電子效應(yīng)，到1904年弗萊明發(fā)明電子二極管，再到1906 年美國德弗雷斯發(fā)明電子三極管，樹立電子技術(shù)發(fā)展史上的里程碑——三極管的發(fā)明故事充滿樂趣，教師對故事的生動演繹，能充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并感受到學(xué)習(xí)的重要性和必要性。

教師應(yīng)該幫助學(xué)生理清半導(dǎo)體、晶體管、門電路、集成電路等之間的邏輯關(guān)系，讓學(xué)生明白三極管在電子控制技術(shù)中扮演的“身份”，這樣才能居高臨下，把握全局，明確學(xué)習(xí)目的，提高學(xué)習(xí)效率。比如，用結(jié)構(gòu)圖來說明電子控制系統(tǒng)的組成邏輯關(guān)系（如圖1），用表格來體現(xiàn)電子器件的各階段的發(fā)展、聯(lián)系和區(qū)別（如表1）。

二、重功能應(yīng)用 輕結(jié)構(gòu)原理

三極管并不是兩個二極管的簡單組合，它的結(jié)構(gòu)和原理都比較復(fù)雜。在實際生產(chǎn)中，三極管的兩個PN結(jié)在排列上有不同的結(jié)構(gòu)工藝，主要分為平面管和合金管兩種，它們有幾個共同的特點[1]：

（1）基區(qū)做得很薄，發(fā)射結(jié)的面積較小，集電結(jié)的面積要比發(fā)射結(jié)大；

（2）發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（對NPN三極管而言是自由電子）濃度大于集電區(qū)，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基區(qū)的多數(shù)載流子（空穴）；

（3）嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量。

這些重要的特點都是在三極管生產(chǎn)時人為規(guī)劃和控制的，要理解這些結(jié)構(gòu)布局和人為規(guī)劃的目的，需要深入理解其宏觀的工作過程和微觀的工作原理，并對加工工藝有詳盡的了解，顯然以高中學(xué)生的知識儲備，要掌握理解這些知識，難度非常之大。

與之類似的是信息技術(shù)中“算法與程序設(shè)計”的學(xué)習(xí)，教師并不要求高中學(xué)生深刻理解程序在計算機(jī)內(nèi)部的運作過程和機(jī)理，而只需掌握程序的結(jié)構(gòu)和功能，知道在輸入明確的前提下，會產(chǎn)生怎么樣的輸出結(jié)果。三極管的學(xué)習(xí)也可以借鑒這種“黑箱”方法，學(xué)生只需理解：源于三極管的特殊結(jié)構(gòu)和工藝，它在功能上發(fā)生了質(zhì)的飛躍；三極管的三個區(qū)、兩個PN結(jié)相互聯(lián)系、相互作用、相互影響，組成了一個具有特定功能的有機(jī)整體；三極管具有“信號放大”的功能，這是二極管所不具備的，它的特殊結(jié)構(gòu)是其具有特殊功能的內(nèi)因。

為方便理解，教師可以用水流來比喻電流，用粗、細(xì)兩根水管和閘門組成的結(jié)構(gòu)簡易說明三極管的工作原理，如圖2所示。

粗的管子內(nèi)裝有閘門，這個閘門由細(xì)的管子中的水流量控制開啟的程度。如果細(xì)管子中沒有水流，粗管子中的閘門就會關(guān)閉，此時處于截止?fàn)顟B(tài)。注入細(xì)管子中的水流量越大，閘門就開得越大，相應(yīng)地流過粗管子的水就越多，這就體現(xiàn)出“以小控大，以弱控強(qiáng)”的基本原理，此時處于放大狀態(tài)。當(dāng)粗管內(nèi)的閘門開到最大時，水流量就保持恒定，與細(xì)管的水流量變化無關(guān)，此時相當(dāng)于處于飽和狀態(tài)。

學(xué)生掌握三極管的工作條件以及相對應(yīng)的三種工作狀態(tài)，能夠分析最基本的三極管控制電路，從而體會到，正是這三種工作狀態(tài)在電子電路中的豐富應(yīng)用，使三極管成為電子控制技術(shù)發(fā)展歷史上具有里程碑意義的元器件。

三、依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) 有的放矢

三極管的功能和應(yīng)用是蘇教版《電子控制技術(shù)》教學(xué)的重點，也是難點之一，考試標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的內(nèi)容和要求如表2所示。

在脈沖與數(shù)字電路中，三極管作為最基本的開關(guān)元件得到了普遍的應(yīng)用。三極管工作在飽和狀態(tài)時，其UCES≈0，相當(dāng)于開關(guān)的接通狀態(tài)；工作在截止?fàn)顟B(tài)時，IC≈0，相當(dāng)于開關(guān)的斷開狀態(tài)。從考試標(biāo)準(zhǔn)和歷次的考試試題中可以得到，電子控制技術(shù)的選考更注重三極管的開關(guān)特性在數(shù)字電路中的應(yīng)用，如2016年10月技術(shù)選考的第12題。

如圖3所示是某電動玩具的電路圖，下列對該電路的分析中不正確的是（ ）

A.三極管V1在電路中起開關(guān)的作用

B.電機(jī)M工作時，三極管V1的集電結(jié)和發(fā)射結(jié)都處于正向偏置狀態(tài)

C.二極管V2主要用于保護(hù)三極管V1

D.R2換用阻值小一點的電阻，更容易觸發(fā)電機(jī)M啟動

該玩具在使用過程中，光敏電阻上的壓降隨著光照強(qiáng)度變化，會讓三極管處于截止、放大導(dǎo)通和飽和導(dǎo)通三種狀態(tài)。因為三極管集電極連接了繼電器，當(dāng)集電極電流達(dá)到繼電器吸合電流后，繼電器轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)，常開觸點閉合，馬達(dá)轉(zhuǎn)動，此時電動玩具獲得動力，相當(dāng)于接通了開關(guān)。當(dāng)集電極電流減小到繼電器釋放電流（小于吸合電流）后，馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動，電動玩具失去動力，相當(dāng)于開關(guān)斷開。為保持系統(tǒng)可靠性，設(shè)計人員在元器件選擇時，會讓三極管達(dá)到飽和狀態(tài)時的集電極電流大于繼電器的吸合電流，因此從該系統(tǒng)的外部功能判斷，三極管在該電路中僅起到開關(guān)的作用。

選考試題同樣注重多用電表的使用，其中三極管的好壞判斷也是電子控制技術(shù)教學(xué)的難點，教師要根據(jù)現(xiàn)有的實驗裝備條件，安排合理的動手實踐項目，幫助學(xué)生理清判斷思路。三極管是由兩個PN結(jié)組成的電子器件，通過測量兩個PN結(jié)的好壞即可簡單判斷出三極管的好壞。以數(shù)字電表為例，檢測時，將擋位選擇開關(guān)置于二極管測量擋，分別檢測三極管的兩個PN結(jié)，如果正向檢測每個PN結(jié)（紅表筆接P，黑表筆接N）時，顯示屏顯示150～800范圍內(nèi)的數(shù)字（說明阻值較?。聪驒z測每個PN結(jié)時，顯示屏顯示溢出符號“1”，說明三極管正常。

注意，三極管的檢測包括類型檢測、電極極性檢測和好壞檢測，類型檢測和電極極性檢測也是需要掌握的基本功。在實際應(yīng)用中，還需檢測三極管集電極和發(fā)射極之間的漏電電流，如果漏電電流較大，一般也不能使用。

四、典型應(yīng)用 萃取精華

選取經(jīng)典的三極管開關(guān)應(yīng)用電路，分析各個元器件的作用和電路的整體功能原理，是三極管教學(xué)不可缺少的環(huán)節(jié)。對三極管偏置電路（包括固定式偏置電路、分壓式偏置電路）、集電極直流電路、發(fā)射極直流電路中各電子元器件的作用，教師都應(yīng)分析到位，讓學(xué)生不僅知其然，還能知其所以然。如2016年10月技術(shù)選考第13題，該題是一個自動溫度報警電路。如圖4所示，電路中R1、Rg構(gòu)成分壓式偏置電路，分壓電壓加到V1基極，建立V1基極直流偏置電壓，該電壓決定了V1基極電流的大小。對V2來說，R2和Rt構(gòu)成了分壓式偏置電路。電阻R3和R4接在VCC和V1、V2的集電極之間，構(gòu)成了集電極直流電路。工作在放大狀態(tài)下的三極管，必須在三極管集電極、發(fā)射極和地端之間構(gòu)成直流通路，分析這些直流通路，能讓學(xué)生理解這些通路中電阻、電容與電感等元器件的作用。該自動報警電路在三極管的集電極輸出高、低電平，作為或非門的輸入，所以三極管在該電路中僅起到開關(guān)的作用。

再如2015年9月浙江省技術(shù)選考測試卷第17題，該題考查了一個典型的水位自動控制電路，電路包含輸入、控制處理、輸出三個部分，各個水位探頭是系統(tǒng)的輸入.對于不同水位的變化對三極管工作狀態(tài)的影響，應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生分步探究，建議從水箱無水的狀態(tài)開始分析，以每個探頭所在位置的水位為節(jié)點，厘清不同水位所代表的輸入意義。該系統(tǒng)中的三極管同樣只需關(guān)注導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)，如圖5所示，當(dāng)V1導(dǎo)通時，V2截止，V1截止時，V2導(dǎo)通，二極管V4連接在V2的發(fā)射極直流通路中，能保證當(dāng)三極管V1導(dǎo)通時，V2更容易截止，從而讓系統(tǒng)的功能邏輯更清晰，工作過程更穩(wěn)定。

對三極管放大電路，教師也可以有選擇地進(jìn)行典例分析。半導(dǎo)體技術(shù)在經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，目前已經(jīng)形成相當(dāng)龐大的產(chǎn)業(yè)，而晶體管放大器在其中功不可沒。由于半導(dǎo)體集成放大電路的成熟、廉價、便捷，在需要放大器的電路中成為首選，采用分立的晶體管元件搭造放大電路的情形則越來越少，但只有掌握晶體管放大器的基本原理和優(yōu)缺點，才可以在應(yīng)用集成放大器時更為得心應(yīng)手，并在某些需求較為苛刻的情形下用分立元件來構(gòu)造電路。

五、實踐動手 提高認(rèn)知

有效設(shè)計學(xué)生的動手實踐項目，不僅能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更有利于學(xué)生感性認(rèn)知的建立和理性分析能力的培養(yǎng)。電子控制技術(shù)在普通高中剛剛起步，教學(xué)資源有限，教師應(yīng)該想方設(shè)法利用現(xiàn)有條件，創(chuàng)設(shè)動手實踐的平臺。

建議利用好浙江省基礎(chǔ)教育課程教材開發(fā)研究中心編寫的《電子控制技術(shù)學(xué)生活動手冊》，在課時允許的前提下，精選其中2～3個活動項目進(jìn)行動手實踐，如“多功能自動控制電路的制作”“模擬自動干手器的制作”等。

對沒有條件實施手工焊接的學(xué)校，也可以考慮使用電子積木，一般包含三極管和集成電路的電子積木產(chǎn)品，能夠基本滿足普通高中電子控制教學(xué)的動手實踐需求。電子積木具備直觀、快速、實驗效果明顯的特點，如讓學(xué)生搭建延時門鈴模擬電路。在搭建過程中，要使學(xué)生在理解工作原理的基礎(chǔ)上，能快速搭建并試驗電路運行效果，這對提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、理解和體驗三極管的工作原理具有積極的輔助作用。

對于經(jīng)費較為緊張，且不具備手工焊接條件的學(xué)校，也可以考慮購買相應(yīng)的電子控制學(xué)生活動專用配套器材，如三極管和光控電路的實驗電路，學(xué)生可以利用電路板上的燈籠頭接口，使用多用電表檢測三極管各電極上的電壓、電流變化情況，或用于連接負(fù)載，從而全面理解三極管的工作原理與相應(yīng)的控制過程。

萬事開頭難，普通高中電子控制技術(shù)的教學(xué)需要我們有足夠的知識儲備，需要優(yōu)秀的教材、豐富的資源，也需要基本的硬件保障、合理的教學(xué)設(shè)計。希望本文提出的 “三極管原理與應(yīng)用”教學(xué)五點建議，能給一線教師的課堂教學(xué)提供借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 潘平仲. 三極管的工作原理[J]. 電子制作，2010（8）：63.