綱舉目張層層推進

朱建軍+張斌

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

關鍵詞：電子控制技術；三極管；教學策略；教學建議

自浙江省在新高考方案中，將技術學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，作為通用技術學科選考內容的蘇教版《電子控制技術》，無論對于教師的教還是學生的學，都有很大的困難，尤其是《電子控制技術》中核心內容之一的三極管的原理與應用，更是一塊難啃的骨頭。

《電子控制技術》教材的編寫比較追求體系完整，重視設計思想的構建，強調控制過程的實現，但在介紹三極管的原理與應用時，并非站在零起點的基礎上，而三極管的工作過程非常復雜，即使是專業的電子技術工作者，想透徹理解其原理與工作過程，也并非易事。對沒有電子基礎的高中學生來說，基本理解三極管的工作原理，并學會基礎應用，也需要一段時間的摸索和積累。通用技術教師如何高效地實施教學乃至應對新高考，需要對癥下藥的策略和方法，為此本文提出在“三極管原理與應用”教學及應考中，應采用“綱舉目張 層層推進”的策略，抓住主要環節， 帶動次要環節，具體地來說，就是以下五點教學應對。

一、站高望遠 整體把握

課堂教學中的鋪墊，是教師有意識地為學生學習后續內容提供準備，使之形成合理認知結構的一種教學藝術。在學習“設計中的人機關系”時，教師需要先讓學生了解技術的價值——滿足人的需求，知道技術與設計的關系——兩者相互促進，相互依存。三極管的學習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的發展中具有非常重要的歷史地位和作用，了解三極管的發明歷程和應用范圍，對學生學習動機的形成具有決定性的作用。從1883年愛迪生發現熱電子效應，到1904年弗萊明發明電子二極管，再到1906 年美國德弗雷斯發明電子三極管，樹立電子技術發展史上的里程碑——三極管的發明故事充滿樂趣，教師對故事的生動演繹，能充分激發學生的學習興趣，并感受到學習的重要性和必要性。

教師應該幫助學生理清半導體、晶體管、門電路、集成電路等之間的邏輯關系，讓學生明白三極管在電子控制技術中扮演的“身份”，這樣才能居高臨下，把握全局，明確學習目的，提高學習效率。比如，用結構圖來說明電子控制系統的組成邏輯關系（如圖1），用表格來體現電子器件的各階段的發展、聯系和區別（如表1）。

二、重功能應用 輕結構原理

三極管并不是兩個二極管的簡單組合，它的結構和原理都比較復雜。在實際生產中，三極管的兩個PN結在排列上有不同的結構工藝，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）基區做得很薄，發射結的面積較小，集電結的面積要比發射結大；

（2）發射區的多數載流子（對NPN三極管而言是自由電子）濃度大于集電區，且遠遠大于基區的多數載流子（空穴）；

（3）嚴格控制雜質含量。

這些重要的特點都是在三極管生產時人為規劃和控制的，要理解這些結構布局和人為規劃的目的，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中“算法與程序設計”的學習，教師并不要求高中學生深刻理解程序在計算機內部的運作過程和機理，而只需掌握程序的結構和功能，知道在輸入明確的前提下，會產生怎么樣的輸出結果。三極管的學習也可以借鑒這種“黑箱”方法，學生只需理解：源于三極管的特殊結構和工藝，它在功能上發生了質的飛躍；三極管的三個區、兩個PN結相互聯系、相互作用、相互影響，組成了一個具有特定功能的有機整體；三極管具有“信號放大”的功能，這是二極管所不具備的，它的特殊結構是其具有特殊功能的內因。

為方便理解，教師可以用水流來比喻電流，用粗、細兩根水管和閘門組成的結構簡易說明三極管的工作原理，如圖2所示。

粗的管子內裝有閘門，這個閘門由細的管子中的水流量控制開啟的程度。如果細管子中沒有水流，粗管子中的閘門就會關閉，此時處于截止狀態。注入細管子中的水流量越大，閘門就開得越大，相應地流過粗管子的水就越多，這就體現出“以小控大，以弱控強”的基本原理，此時處于放大狀態。當粗管內的閘門開到最大時，水流量就保持恒定，與細管的水流量變化無關，此時相當于處于飽和狀態。

學生掌握三極管的工作條件以及相對應的三種工作狀態，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在電子電路中的豐富應用，使三極管成為電子控制技術發展歷史上具有里程碑意義的元器件。

三、依據標準 有的放矢

三極管的功能和應用是蘇教版《電子控制技術》教學的重點，也是難點之一，考試標準中規定的內容和要求如表2所示。

在脈沖與數字電路中，三極管作為最基本的開關元件得到了普遍的應用。三極管工作在飽和狀態時，其UCES≈0，相當于開關的接通狀態；工作在截止狀態時，IC≈0，相當于開關的斷開狀態。從考試標準和歷次的考試試題中可以得到，電子控制技術的選考更注重三極管的開關特性在數字電路中的應用，如2016年10月技術選考的第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在電路中起開關的作用

B.電機M工作時，三極管V1的集電結和發射結都處于正向偏置狀態

C.二極管V2主要用于保護三極管V1

D.R2換用阻值小一點的電阻，更容易觸發電機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度變化，會讓三極管處于截止、放大導通和飽和導通三種狀態。因為三極管集電極連接了繼電器，當集電極電流達到繼電器吸合電流后，繼電器轉換工作狀態，常開觸點閉合，馬達轉動，此時電動玩具獲得動力，相當于接通了開關。當集電極電流減小到繼電器釋放電流（小于吸合電流）后，馬達停止轉動，電動玩具失去動力，相當于開關斷開。為保持系統可靠性，設計人員在元器件選擇時，會讓三極管達到飽和狀態時的集電極電流大于繼電器的吸合電流，因此從該系統的外部功能判斷，三極管在該電路中僅起到開關的作用。

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教學的難點，教師要根據現有的實驗裝備條件，安排合理的動手實踐項目，幫助學生理清判斷思路。三極管是由兩個PN結組成的電子器件，通過測量兩個PN結的好壞即可簡單判斷出三極管的好壞。以數字電表為例，檢測時，將擋位選擇開關置于二極管測量擋，分別檢測三極管的兩個PN結，如果正向檢測每個PN結（紅表筆接P，黑表筆接N）時，顯示屏顯示150～800范圍內的數字（說明阻值較小），反向檢測每個PN結時，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。在實際應用中，還需檢測三極管集電極和發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、典型應用 萃取精華

選取經典的三極管開關應用電路，分析各個元器件的作用和電路的整體功能原理，是三極管教學不可缺少的環節。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、發射極直流電路中各電子元器件的作用，教師都應分析到位，讓學生不僅知其然，還能知其所以然。如2016年10月技術選考第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，構成了集電極直流電路。工作在放大狀態下的三極管，必須在三極管集電極、發射極和地端之間構成直流通路，分析這些直流通路，能讓學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的作用。

再如2015年9月浙江省技術選考測試卷第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的輸入.對于不同水位的變化對三極管工作狀態的影響，應該引導學生分步探究，建議從水箱無水的狀態開始分析，以每個探頭所在位置的水位為節點，厘清不同水位所代表的輸入意義。該系統中的三極管同樣只需關注導通和截止兩種狀態，如圖5所示，當V1導通時，V2截止，V1截止時，V2導通，二極管V4連接在V2的發射極直流通路中，能保證當三極管V1導通時，V2更容易截止，從而讓系統的功能邏輯更清晰，工作過程更穩定。

對三極管放大電路，教師也可以有選擇地進行典例分析。半導體技術在經過半個世紀的發展，目前已經形成相當龐大的產業，而晶體管放大器在其中功不可沒。由于半導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缺點，才可以在應用集成放大器時更為得心應手，并在某些需求較為苛刻的情形下用分立元件來構造電路。

五、實踐動手 提高認知

有效設計學生的動手實踐項目，不僅能提高學生的學習興趣，更有利于學生感性認知的建立和理性分析能力的培養。電子控制技術在普通高中剛剛起步，教學資源有限，教師應該想方設法利用現有條件，創設動手實踐的平臺。

建議利用好浙江省基礎教育課程教材開發研究中心編寫的《電子控制技術學生活動手冊》，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品，能夠基本滿足普通高中電子控制教學的動手實踐需求。電子積木具備直觀、快速、實驗效果明顯的特點，如讓學生搭建延時門鈴模擬電路。在搭建過程中，要使學生在理解工作原理的基礎上，能快速搭建并試驗電路運行效果，這對提高學生學習興趣、理解和體驗三極管的工作原理具有積極的輔助作用。

對于經費較為緊張，且不具備手工焊接條件的學校，也可以考慮購買相應的電子控制學生活動專用配套器材，如三極管和光控電路的實驗電路，學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，或用于連接負載，從而全面理解三極管的工作原理與相應的控制過程。

萬事開頭難，普通高中電子控制技術的教學需要我們有足夠的知識儲備，需要優秀的教材、豐富的資源，也需要基本的硬件保障、合理的教學設計。希望本文提出的 “三極管原理與應用”教學五點建議，能給一線教師的課堂教學提供借鑒意義。

參考文獻：

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