纲举目张 层层推进——“三极管原理与应用”的教学建议

□朱建军 张 斌（宁波市鄞州区姜山中学，浙江宁波 315191）

纲举目张 层层推进
——“三极管原理与应用”的教学建议

□朱建军 张 斌
（宁波市鄞州区姜山中学，浙江宁波 315191）

浙江省在新高考方案中，将技术学科作为选考科目之一，其中通用技术学科的选考内容为苏教版《电子控制技术》。源于通用技术学科的新课程特性，电子控制技术内容的教学成为通用技术课程实施的难点，教师除了要在学科知识上不断提升，更要从零开始研究适合学生的教学方法、教学策略。其中三极管的原理与应用是《电子控制技术》的核心内容之一，三极管的教学研究，无论是对教师教还是学生学，都具有重要的指导意义。

电子控制技术；三极管；教学策略；教学建议

自浙江省在新高考方案中，将技术学科作为选考科目之一以来，该科目就更受到方方面面的重视。但同时，作为通用技术学科选考内容的苏教版《电子控制技术》，无论对于教师的教还是学生的学，都有很大的困难，尤其是《电子控制技术》中核心内容之一的三极管的原理与应用，更是一块难啃的骨头。

《电子控制技术》教材的编写比较追求体系完整，重视设计思想的构建，强调控制过程的实现，但在介绍三极管的原理与应用时，并非站在零起点的基础上，而三极管的工作过程非常复杂，即使是专业的电子技术工作者，想透彻理解其原理与工作过程，也并非易事。对没有电子基础的高中学生来说，基本理解三极管的工作原理，并学会基础应用，也需要一段时间的摸索和积累。通用技术教师如何高效地实施教学乃至应对新高考，需要对症下药的策略和方法，为此本文提出在“三极管原理与应用”教学及应考中，应采用“纲举目张 层层推进”的策略，抓住主要环节，带动次要环节，具体地来说，就是以下五点教学应对。

一、站高望远 整体把握

课堂教学中的铺垫，是教师有意识地为学生学习后续内容提供准备，使之形成合理认知结构的一种教学艺术。在学习“设计中的人机关系”时，教师需要先让学生了解技术的价值——满足人的需求，知道技术与设计的关系——两者相互促进，相互依存。三极管的学习也需要这样的铺垫和整体上的把握。三极管在电子控制技术的发展中具有非常重要的历史地位和作用，了解三极管的发明历程和应用范围，对学生学习动机的形成具有决定性的作用。从1883年爱迪生发现热电子效应，到1904年弗莱明发明电子二极管，再到1906年美国德弗雷斯发明电子三极管，树立电子技术发展史上的里程碑——三极管的发明故事充满乐趣，教师对故事的生动演绎，能充分激发学生的学习兴趣，并感受到学习的重要性和必要性。

教师应该帮助学生理清半导体、晶体管、门电路、集成电路等之间的逻辑关系，让学生明白三极管在电子控制技术中扮演的“身份”，这样才能居高临下，把握全局，明确学习目的，提高学习效率。比如，用结构图来说明电子控制系统的组成逻辑关系（如图1），用表格来体现电子器件的各阶段的发展、联系和区别（如表1）。

图1

表1

二、重功能应用 轻结构原理

三极管并不是两个二极管的简单组合，它的结构和原理都比较复杂。在实际生产中，三极管的两个PN结在排列上有不同的结构工艺，主要分为平面管和合金管两种，它们有几个共同的特点[1]：

（1）基区做得很薄，发射结的面积较小，集电结的面积要比发射结大；

（2）发射区的多数载流子（对NPN三极管而言是自由电子）浓度大于集电区，且远远大于基区的多数载流子（空穴）；

（3）严格控制杂质含量。

这些重要的特点都是在三极管生产时人为规划和控制的，要理解这些结构布局和人为规划的目的，需要深入理解其宏观的工作过程和微观的工作原理，并对加工工艺有详尽的了解，显然以高中学生的知识储备，要掌握理解这些知识，难度非常之大。

与之类似的是信息技术中“算法与程序设计”的学习，教师并不要求高中学生深刻理解程序在计算机内部的运作过程和机理，而只需掌握程序的结构和功能，知道在输入明确的前提下，会产生怎么样的输出结果。三极管的学习也可以借鉴这种“黑箱”方法，学生只需理解：源于三极管的特殊结构和工艺，它在功能上发生了质的飞跃；三极管的三个区、两个PN结相互联系、相互作用、相互影响，组成了一个具有特定功能的有机整体；三极管具有“信号放大”的功能，这是二极管所不具备的，它的特殊结构是其具有特殊功能的内因。

为方便理解，教师可以用水流来比喻电流，用粗、细两根水管和闸门组成的结构简易说明三极管的工作原理，如图2所示。

图2

粗的管子内装有闸门，这个闸门由细的管子中的水流量控制开启的程度。如果细管子中没有水流，粗管子中的闸门就会关闭，此时处于截止状态。注入细管子中的水流量越大，闸门就开得越大，相应地流过粗管子的水就越多，这就体现出“以小控大，以弱控强”的基本原理，此时处于放大状态。当粗管内的闸门开到最大时，水流量就保持恒定，与细管的水流量变化无关，此时相当于处于饱和状态。

学生掌握三极管的工作条件以及相对应的三种工作状态，能够分析最基本的三极管控制电路，从而体会到，正是这三种工作状态在电子电路中的丰富应用，使三极管成为电子控制技术发展历史上具有里程碑意义的元器件。

三、依据标准 有的放矢

三极管的功能和应用是苏教版《电子控制技术》教学的重点，也是难点之一，考试标准中规定的内容和要求如表2所示。

表2

在脉冲与数字电路中，三极管作为最基本的开关元件得到了普遍的应用。三极管工作在饱和状态时，其UCES≈0，相当于开关的接通状态；工作在截止状态时，IC≈0，相当于开关的断开状态。从考试标准和历次的考试试题中可以得到，电子控制技术的选考更注重三极管的开关特性在数字电路中的应用，如2016年10月技术选考的第12题。

如图3所示是某电动玩具的电路图，下列对该电路的分析中不正确的是( )

A.三极管V1在电路中起开关的作用

B.电机M工作时，三极管V1的集电结和发射结都处于正向偏置状态

C.二极管V2主要用于保护三极管V1

D.R2换用阻值小一点的电阻，更容易触发电机M启动

图3

该玩具在使用过程中，光敏电阻上的压降随着光照强度变化，会让三极管处于截止、放大导通和饱和导通三种状态。因为三极管集电极连接了继电器，当集电极电流达到继电器吸合电流后，继电器转换工作状态，常开触点闭合，马达转动，此时电动玩具获得动力，相当于接通了开关。当集电极电流减小到继电器释放电流（小于吸合电流）后，马达停止转动，电动玩具失去动力，相当于开关断开。为保持系统可靠性，设计人员在元器件选择时，会让三极管达到饱和状态时的集电极电流大于继电器的吸合电流，因此从该系统的外部功能判断，三极管在该电路中仅起到开关的作用。

选考试题同样注重多用电表的使用，其中三极管的好坏判断也是电子控制技术教学的难点，教师要根据现有的实验装备条件，安排合理的动手实践项目，帮助学生理清判断思路。三极管是由两个PN结组成的电子器件，通过测量两个PN结的好坏即可简单判断出三极管的好坏。以数字电表为例，检测时，将挡位选择开关置于二极管测量挡，分别检测三极管的两个PN结，如果正向检测每个PN结（红表笔接P，黑表笔接N）时，显示屏显示150～800范围内的数字（说明阻值较小），反向检测每个PN结时，显示屏显示溢出符号“1”，说明三极管正常。

注意，三极管的检测包括类型检测、电极极性检测和好坏检测，类型检测和电极极性检测也是需要掌握的基本功。在实际应用中，还需检测三极管集电极和发射极之间的漏电电流，如果漏电电流较大，一般也不能使用。

四、典型应用 萃取精华

选取经典的三极管开关应用电路，分析各个元器件的作用和电路的整体功能原理，是三极管教学不可缺少的环节。对三极管偏置电路（包括固定式偏置电路、分压式偏置电路）、集电极直流电路、发射极直流电路中各电子元器件的作用，教师都应分析到位，让学生不仅知其然，还能知其所以然。如2016年10月技术选考第13题，该题是一个自动温度报警电路。如图4所示，电路中R1、Rg构成分压式偏置电路，分压电压加到V1基极，建立V1基极直流偏置电压，该电压决定了V1基极电流的大小。对V2来说，R2和Rt构成了分压式偏置电路。电阻R3和R4接在VCC和V1、V2的集电极之间，构成了集电极直流电路。工作在放大状态下的三极管，必须在三极管集电极、发射极和地端之间构成直流通路，分析这些直流通路，能让学生理解这些通路中电阻、电容与电感等元器件的作用。该自动报警电路在三极管的集电极输出高、低电平，作为或非门的输入，所以三极管在该电路中仅起到开关的作用。

图4

再如2015年9月浙江省技术选考测试卷第17题，该题考查了一个典型的水位自动控制电路，电路包含输入、控制处理、输出三个部分，各个水位探头是系统的输入.对于不同水位的变化对三极管工作状态的影响，应该引导学生分步探究，建议从水箱无水的状态开始分析，以每个探头所在位置的水位为节点，厘清不同水位所代表的输入意义。该系统中的三极管同样只需关注导通和截止两种状态，如图5所示，当V1导通时，V2截止，V1截止时，V2导通，二极管V4连接在V2的发射极直流通路中，能保证当三极管V1导通时，V2更容易截止，从而让系统的功能逻辑更清晰，工作过程更稳定。

图5

对三极管放大电路，教师也可以有选择地进行典例分析。半导体技术在经过半个世纪的发展，目前已经形成相当庞大的产业，而晶体管放大器在其中功不可没。由于半导体集成放大电路的成熟、廉价、便捷，在需要放大器的电路中成为首选，采用分立的晶体管元件搭造放大电路的情形则越来越少，但只有掌握晶体管放大器的基本原理和优缺点，才可以在应用集成放大器时更为得心应手，并在某些需求较为苛刻的情形下用分立元件来构造电路。

五、实践动手 提高认知

有效设计学生的动手实践项目，不仅能提高学生的学习兴趣，更有利于学生感性认知的建立和理性分析能力的培养。电子控制技术在普通高中刚刚起步，教学资源有限，教师应该想方设法利用现有条件，创设动手实践的平台。

建议利用好浙江省基础教育课程教材开发研究中心编写的《电子控制技术学生活动手册》，在课时允许的前提下，精选其中2～3个活动项目进行动手实践，如“多功能自动控制电路的制作”“模拟自动干手器的制作”等。

对没有条件实施手工焊接的学校，也可以考虑使用电子积木，一般包含三极管和集成电路的电子积木产品，能够基本满足普通高中电子控制教学的动手实践需求。电子积木具备直观、快速、实验效果明显的特点，如让学生搭建延时门铃模拟电路。在搭建过程中，要使学生在理解工作原理的基础上，能快速搭建并试验电路运行效果，这对提高学生学习兴趣、理解和体验三极管的工作原理具有积极的辅助作用。

对于经费较为紧张，且不具备手工焊接条件的学校，也可以考虑购买相应的电子控制学生活动专用配套器材，如三极管和光控电路的实验电路，学生可以利用电路板上的灯笼头接口，使用多用电表检测三极管各电极上的电压、电流变化情况，或用于连接负载，从而全面理解三极管的工作原理与相应的控制过程。

万事开头难，普通高中电子控制技术的教学需要我们有足够的知识储备，需要优秀的教材、丰富的资源，也需要基本的硬件保障、合理的教学设计。希望本文提出的“三极管原理与应用”教学五点建议，能给一线教师的课堂教学提供借鉴意义。

［1］潘平仲.三极管的工作原理［J］.电子制作，2010（8）：63.