思政案例：电路分析基础【晶体三极管的电流放大原理】
思政案例：电路分析基础【晶体三极管的电流放大原理】
编辑团队：信息分社党支部
01
晶体三极管的电流放大原理
01
案例简介与教学目标
晶体三极管是构成电子电路的关键元件之一，它可以用来放大电信号、作为电子开关、存储信息等。本部分内容处于整门课程的入门阶段，主要介绍晶体三极管的结构、电流放大原理、特性曲线、主要参数等。本部分的教学目标如下。
1． 知识传授层面
(1) 掌握晶体管放大条件、电流分配关系、工作状态的判断。
(2) 理解晶体管共射输入、输出特性及主要参数。
(3) 了解晶体管的分类、结构、内部载流子的传输过程。
2． 能力培养层面
(1) 培养学生发现问题的能力和批判性思维。
(2) 培养学生分析和判断电子电路的能力。
(3) 培养学生将理论知识应用于实际工程的能力。
3． 价值塑造层面
(1) 培养学生创新意识和创新精神，树立正确的人生观和价值观。
(2) 培养学生科学、辩证的思维方式和观念。
(3) 培养学生建立系统观念和工程观念。
02
案例教学设计
1． 教学方法
本部分内容按照视频引入、知识分析、状态判别和问题总结4部分逐渐加深学生的理解，按照认知的层次由低到高进行教学设计。运用“循序渐进”原则，采用“启发探究法”“类比推理法”，由直观到抽象、由内因到外因逐层展开内容，再由理论到实践加强认知。各个环节着重分析内因和外因对事物发展和变化的影响，同时以工作状态和人生定位相映射逐层递进，融入思政元素。
思政元素 /
融入点
讲述晶体管发展历程，激发学生积极探索、科技报国的家国情怀和使命担当，敢于迎接挑战，为发展我国的“卡脖子”技术贡献力量；教育学生要有团队协作精神、使命意识、创新意识和创新精神。
融入方式
课前查阅资料，了解“三剑客”发明第一只晶体管的故事，3位科学家在物理理论、器件、实验方面各有所长，团结协作，最终成功发明了晶体管。
课堂观看视频，导入我国科学家在长达半个多世纪的艰辛探索中，一路披荆斩棘，打造出了中国人自己的芯片——“龙芯”，强调“自主研发”重要性。
2． 详细教案
教学内容
1) 导入——晶体管发展历程
(1) 查阅资料： 了解晶体管历史事件和关键人物，图3-3-1展示了世界上第一只晶体管。
(2) 观看视频： “晶体管——塑造世界的伟大发明”。
思政元素 /
融入点
从晶体管的内部结构出发，理解内因是决定事物发展的根本原因。
融入方式
NPN型晶体管由于发射区掺杂浓度高，基区很薄，集电区面积很大，这样的结构特点决定了晶体管具备放大的内部条件。
2) 晶体管的内部结构
(1) 类型： NPN型晶体管和PNP型晶体管。
(2) 结构： 通过不同的掺杂方式，在一个硅片上制造出3个掺杂区域，形成两个PN结。NPN型晶体管结构与符号如图3-3-2所示。
(3) 结构特点。
NPN型晶体管的剖面结构如图3-3-3所示，其有如下特点：
① 发射区的掺杂浓度很高；
② 基区很薄且掺杂浓度很低；
③ 集电区的面积大于发射区的面积。
思政元素 /
融入点
从晶体管外加的偏置电压出发，理解外因是事物发展的必要条件。
融入方式
根据辩证唯物主义“认识从实践开始”的观点，给出一组实验数据，带领学生一起分析归纳得出结论： 什么是晶体管的电流分配和电流放大作用。
然后，引导学生思考晶体管要具有电流分配和电流放大作用必须具备的内因和满足的外因，培养学生辩证的科学观。
最后，理论联系实际，用万用表判断与检测晶体管。
3) 晶体管电流放大的外部条件
(1) 认识晶体管电路中的电流关系。
NPN型晶体管构成的基本放大电路中的电流如图3-3-4所示，其中的电流关系为
(2) 晶体管放大的外部条件。
发射结正偏，集电结反偏。
VBB： 保证发射结正向偏置。
VCC： 保证集电结反向偏置。
(3) 互动讨论： 晶体管的管型、管脚的判断与检测。
① 由外形判断3个管脚。
② 用万用表判断与检测。
③ 已知3个管脚电位，如何判断？
思政元素 /
融入点
从晶体管内部载流子的传输过程，明确内因是事物发展的根本，而外因是事物发展的必要条件。透过内因与外因的相互关系，引导学生辩证地看待机遇，成才的关键在于平时不断积累，提高自身综合素质，才能抓住机遇。
融入方式
在偏置电压的作用下，从载流子受到的电场力作用的角度出发，引导学生分析晶体管内部载流子的传输过程，IE在基极和集电极之间的分配比例以及电流放大系数β-主要取决于晶体管内部的结构，充分证明了内因是第一位的，外因是第二位的。
4) 晶体管内部载流子的传输过程
在合适的偏置条件下，载流子在晶体管内运动，电流如图3-3-5所示。
① 扩散运动： 形成发射极电流IE。
② 复合运动： 形成基极电流IB。
③ 漂移运动： 形成集电极电流IC。
④ 结论： 晶体管是双极型、电流控制器件。
⑤ 电流关系：
思政元素 /
融入点
由二极管伏安特性曲线推理晶体管输入特性曲线，培养学生“举一反三、触类旁通”能力。
由晶体管的特性曲线引出其非线性到器件的线性化处理，培养学生“透过现象看本质”的能力，不但要知其然还要知其所以然。
融入方式
晶体管的特性曲线是内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据； 从特性曲线看出晶体管是非线性器件，为简化放大电路的分析和设计，需要进行线性化处理，从而为后续获得晶体管的微变等效电路模型打下基础。
5) 晶体管的共发射极特性曲线
(1) 晶体管输入特性曲线如图3-3-6所示，基极电流满足
(2) 晶体管输出特性曲线如图3-3-7所示，集电极电流满足
(3) 晶体管的3个工作区域(见图3-3-7)。
① 放大区：
条件： 发射结正偏，集电结反偏。
② 截止区：
条件： 发射结正偏不足或反偏，集电结反偏。
③ 饱和区：
条件： 发射结和集电结均为正向偏置。
(4) 互动练习——晶体管工作状态的判断。
某晶体管放大电路如图3-3-8所示，其中
① 当
时，判断三极管的工作状态。
② 当
时，判断三极管的工作状态。
思政元素 /
融入点
由“管为路用”——没有最好的器件，只有最合适的器件。
探讨人生的位置与价值的关系，引导学生找到适合自己的坐标，帮助学生树立正确的人生观与价值观。
融入方式
晶体管参数是用来表示性能和适用范围的数据，是合理选择和正确使用晶体管的依据，让学生认识到在组成晶体管放大电路时，应根据参数要求合理选择晶体管的型号，以保证晶体管安全可靠工作，让学生学会理论知识如何在实际中应用，培养学生树立工程观念。
6) 晶体管的主要参数
(4) 安全工作区(见图3-3-9)。
根据
值，可在输出特性曲线上确定4个区： 过损耗区、过流区、过压区和安全工作区。
思政元素 /
融入点
进一步探讨人生的位置与价值的关系，帮助学生树立正确的人生观与价值观。
融入方式
通过晶体管在实际工程中的工作状态不同其功能也不同，培养学生全面看待问题，理解价值与需求的关系，正确认识自身的价值与定位。
7) 工程应用
(1) 避障小车超声测距系统(见图3-3-10)中，晶体管构成了小信号放大电路，其工作在放大区。
(2) 测量电机转速的数字测速系统(见图3-3-11)中，晶体管构成的门电路起开关作用，其工作在饱和区和截止区。
03
教学效果及反思
本次课主要讲授晶体三极管的结构、放大原理、特性曲线和主要参数，特点是内容枯燥，知识点多、杂、难，而学生正处于课程的“入门难”阶段。为了让学生在知识、能力和素养3方面得到全面的培养，教学方法运用“循序渐进”原则，采用“启发探究法”“类比推理法”，引导学生全身心浸润课堂。
在教学过程中，通过提前查阅资料、观看视频引导学生了解国内外晶体管相关技术的发展历程，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当，培养学生创新意识和创新精神。通过课堂教学探究，培养学生电子电路的判断能力和分析能力，科学辩证的思维方式和观念。通过师生互动讨论、练习、聚焦工程应用，培养学生将理论知识应用于实际工程的能力。通过线上线下、第一课堂和第二课堂相结合，进一步提高学生搜集、整合、分析、运用信息的能力。在教学过程中融入思政元素，帮助学生深刻理解内因和外因之间的关系，在人生发展过程中要辩证地看待机遇，找准自身的位置，要在勤奋努力修好内功的基础上寻求发展的机会，机会是给有准备的人。整体课堂气氛活跃，学生在知识、能力和素质方面能够得到全面的培养和浸润，达成教学目标。
对于晶体管的判断与检测、工程应用部分，如果能观看视频，学生印象会更深刻。晶体管工作状态的判断可以通过课堂仿真演示在不同元件参数变化的情况下晶体管状态的变化，也可以作为课后延展作业，培养学生的实验探究能力。课堂小结也可以通过提问的方式让学生梳理和总结，调动学生学习的专注度。
02
参考书籍
教材中从哪些角度融入思政内容
本书聚焦电子信息类专业基础课的课程思政教育，汇聚“电子信息基础课程虚拟教研室”广大教师在自身教学过程中进行课程思政建设和教学的优秀成果，根据学科专业特色和育人目标，深度挖掘提炼专业知识体系中所蕴含的思想价值和精神内涵，结合课程特点进行课程思政案例设计。
（1）案例教学设计与思政元素的融合：在电路分析基础、模拟电子技术、数字电路、信号与系统、电磁场与电磁波等课程的教学案例中，深入挖掘并融入了思政元素。
（2）课程思政元素覆盖范围广：思政元素涵盖科学思维、分析能力、科学精神、人文素养、职业道德、工匠精神、家国情怀、辩证观、科学观、人生观、价值观等方面。
（3）思政元素融入方式巧妙：根据电子信息类专业知识中蕴含的思想价值和精神内涵，在课程教学中从不同方面无缝融入思政元素，科学合理地拓展专业课程的广度、深度和温度。