静态工作点的稳定——《电子线路》课案
静态工作点的稳定——《电子线路》课案
一、 问题的提出
一次上《电子线路》的有关固定偏置电路静态工作点的计算的习题课，题目如下：一固定偏置放大电路的参数如图a示，试分别计算：①当β=40时，②当β=40时，电路的静态工作点。最后计算结果为：①当β=40时，静态工作点ICQ=1.2mA，VCEQ=8.9V；②当β=40时，静态工作点ICQ=1.2mA，VCEQ=8.9V。于是我要求学生讨论：从计算结果中能发现什么？结果，同学们讨论很激烈，几分钟之后，有不少同学得出：β变了，ICQ、VCEQ也变了，说明Q点是变动的，有可能会引起电路输出波形出现非线性失真。我发现学生们除了讨论热烈外，思维也很活跃，尤其是学生能从计算结果联想到静态工作点（Q点）的稳定和波形失真，这对职业类学生来说是难能可贵的。我想，如果以这个问题作为一次机会，在学生中进行一次探究性学习活动，使学生接受一次探究学习的培养，效果会不会更好呢？于是我建议我们班搞一次探究性学习，探究一下静态点的稳定问题。全班学生反映强烈，一致同意，同学们的积极性立时高涨起来。
二、探究活动设计
1.教学目标设计
①知识目标
理解温度对放大器静态工作点的影响，理解静态工作点稳定的重要性，知道稳定静态工作点的方法，掌握分压式偏置放大电路的组成，理解分压偏置放大电路的静态工作点的稳定原理，会计算分压偏置放大电路的静态工作点。
②能力目标
培养学生通过具体计算结果，进行总结、归纳、分析的能力；通过对新旧知识的联想、回顾，结合自己的生活经历，培养学生发现问题、分析问题、解决实际问题的能力；培养学生查阅资料，从不同渠道收集和综合利用信息的能力；培养学生对实验现象的观察、分析等综合实验能力；把所知识运用于实践的能力。
③情感目标
培养学生学习电子技术的兴趣与欲望，对探究性学习的兴趣；培养学生探索科学奥秘的兴趣；培养学生的相互协作、共同讨论、共同进步的团队精神；在这个小团队中，培养与同学、与老师之间的感情，以情感促进智力的发展，发展学生的个性特长。
2.教学情景设计
①在教室进行分组讨论学习，营造一个探究性的氛围，并建议最后结束对小组的探究性活动进行总结表彰，促进学生发挥主体作用，积极开展探究性学习，激发学习的兴趣。
②在实验室准备相关实验仪器设备，让学生在室内活动，允许组与组间探讨，进一步调动探究性学习的积极性。
③提供学生需要的实验报告纸，要求学生仔细观察实验现象，认真做好实验记录，写好实验报告，写好实验总结，强化探究性学习的心理氛围。
④准备学生实验所需仪器设备。万用表，毫安表，示波器，信号源等。
3.教学活动过程设计
发现问题 提取教学中遇到的问题，定量分析
问题延伸 从上述问题进行延伸，由学生展开联想
分析归类 进行问题归类，定性分析
分析问题 对所发现的问题，讨论问题出现的成因
讨论问题解决的方法
解决问题 集中力量，分步解决几个问题
集中力量解决某一阶段的问题
定量分析，定性讨论
实验验证 分组实验，探究实验现象，分析实验结果
发表成果 口头发表，书面发表，成果鉴定
活动评价 学生自我评价，师生共同评价，教师教学反思
三、探究活动的具体实施
〖教师引导〗在对固定偏置放大电路的静态工作点的计算中，我们讨论了当三极管的β发生变后，静态工作点变了，那么我们能不能找找是什么原因导致β变了呢？教室里立刻热闹起来，同学们积极思考，然后积极发言，列出了一些原因：
环境温度变了
ICBO、ICEO随温度变了
β与管子材料、结构有关，更换三极管后β变了（当涂晚梅同学说出这句话时，立时有几个同学说换一样型号的管子β就是一样的。我笑着说，即使更换型号一模一样的管子也会存在β不同的情况。涂晚梅冲那几个同学调皮地伸了伸舌头。）
工作时间长了，温度上升了,管子用旧了，老化了
三极管的工作电流变了（这引起了同学们的一场争论：不对，应该是β变了才引起电流变的才对。围绕这个问题，全班的同学分成了两大阵营展开了争论。柳奎同学提出只有当电流大到IC﹥ICM时，β才会减小。对此我予以肯定，不少人望着我露出了不解的神情于是我给学生介绍了β与三极管工作电流间的关系。“哦，是这样的”“谁知道呢”有人发出了感叹。）
IC﹥ICM会引起β变
IB随温度升高而增大
VBE随温度升高而降低了
电阻变值了
••••••
同学们的列举使不少人开阔了眼界，有的同学是在书本上从阅读资料中查出来的，同学们讨论非常激烈。
问题延伸
〖教师引导〗在大家列举出的各种原因中看看出现得最多的原因是什么？停了约十几秒钟，大家异口同声说：“温度”。我赞赏地说：非常正确！以上各种原因归根结底是由于温度的影响，即温度会引起β变，从而静态工作点发生改变，还会•••••我还没说完，有不少同学就说出了“还有可能出现输出波形失真”。“very good”，我朝他们伸出了大拇指。
〖教师引导〗既然温度会引起静态工作点的改变，那么我们是不是要想办法不让温度的改变影响我们电路的静态工作点呢？同学们说“是的”。
同学们，为了讨论的方便，我建议，我们班可以分成几个学习小组，并自愿组合，我有一个要求，每个小组要作好讨论记录，好吗？“好！”异口同声。
很快，全班40人分成了8个小组（每个小组至少有4 人），选出了小组长，确定了小组记录员，记录小组的活动，整理和保管小组探究性学习的资料。
分析问题
〖教师引导〗现在我们有了探究小组了，那么我们能不能想一想，找一找，看看应采取什么措施来减小温度的影响呢？各小组迅速开展了探究，一时间讨论异常激烈。经过三十分钟的讨论，各小组纷纷发表了本组的探究性结论。下面是几个小组代表发言的节选 ：
第一小组：让电路位于通风处，好散热；减小工作电流，让温度上升慢些；选用硅管，因硅管比锗管稳定；提高电源电压的稳定。
第二小组：装散热器；减小VBEQ，则可使工作电流减小，温度不高；选用ICEO小的管子，因ICEO小的管子性能定；若能想法让ICQ固定，则即使温度上升也不会影响输出波形。
第三小组：把三极管浸在水中，利用水来降温；给电路安风扇降温；缩短工作时间，因时间越长，温度越高；对电路进行改进，用以前学过的具有负温度系数的二极管来补偿。
第四小组：控制环境温度，在环境温度低的情况下，管子的工作温度就不是很高；房间开空调；不采用固定偏置式电路，采用分压偏置电路，因书上说分压偏置电路有稳定工作点的作用，只是不知它是如何稳定的。
第五小组：保证电路通风良好；对通风很差的位置，采用电扇吹风；能否采用其他电路形式；减小VCEQ，因为可以减小管耗，从而降低温度。
第六小组：选用温度稳定性比较好的管子；尽量选用硅管；采用高稳定度的电源；降低工作电流。
第七小组：在电路板上安装散热风扇；给三极管安装散热片；采用分压偏置式放大电路；在电路中添加与三极管的温度特性相反的二极管或电阻来进行温度补偿。
第八小组：把三极管浸在水中，但要保证不会发生短路现象，不过还没有想好怎样装水；对电路进行改进，采用更能减小温度影响的电路形式；想办法散热。
在全班讨论的基础上，我们进行了小结。大家认为要减小温度的影响应采取以下措施：
⑴尽量保持电路通风良好；
⑵安装散热片；
⑶尽量选用硅管；
⑷采用温度补偿；
⑸最好是能对电路进行改进，采用温度稳定性好的电路。
〖教师引导〗为了能更好地减小温度的影响，提高静态工作点的稳定，最好的办法就是采用其他电路，而不采固定偏置式；因而常采用分压偏置式放大电路。于是我布置各小组课后去探究分压偏置式放大电路要做到稳定静态工作点（主要是稳定ICQ），电路是如何实现工作点的稳定的？电路设计上应满足什么条件？约定探究时间为四天。
解决问题
各小组在课后纷纷开展了探究，有的到图书室翻阅资料，有的在微机房到网上查找资料，有的甚至找其他电工电子老师请教。经过四天的探究，各小组拿出了他们探究的结论。
◆第一个问题：关于工作点的稳定原理
〖教师引导〗现在，我们来交流交流各自的研究结果，首先我们研究电路稳定工作点的过程。仍然由每个小组派一人主讲。下面节选三个小组的发言作代表：
第二小组：我们认为顾名思义，分压偏置是由Rb1与Rb2对电源电压VG进行分压，提供三极管的基极电位，来保证三极管的基极电位的恒定，从而使三极管的发射极电位恒定，则三极管的发射电流IEQ恒定，也就是ICQ恒定了，则温度变化时ICQ没变，也就是工静态工作点没变，起到稳定工作点的作用。
第四小组：我们前面的研究结果与第二小组相同，同时我们还认为通过发射极电阻Re，当温度升高引起电流增大时，Re上的电流增大，使发射极电位VEQ升高，而VEQ=VBQ－VBEQ，由于VBQ恒定，则VBEQ 减小，使IBQ减小，从而ICQ减小，则温度引起的ICQ的变化被降低了，起到稳定ICQ的目的。
第七小组：除他们说的之外，我们还发现，如果Re为零，则电路就没有稳定静态工作点的作用。因为，若Re为零，则VBQ为0•7伏，当温度升高时，IBQ、ICQ均会增大，电路与固定偏置式放大电路一样，电路的静态工作点无法稳定。
综合各小组分析，分压偏置式放大电路中除了有Rb1与Rb2对基极电位进行分压，还要有Re。
◆第二个问题：实现静态工作点稳定的条件
〖教师引导〗现在，我们知道了具有稳定静态工作点的电路的组成，注意它与固定偏置工放大电路的区别。我们是不是应该分析分析分压偏置式电路中对电路元件参数有何要求呢？也就是分压偏置式放大电路应满足的条件呢？“是的”,“OK”。各组热烈讨论起来，由于有前几天的研究，很快各组纷纷发言，共同进行了研究：
第一小组：根据VBQ是由Rb1与Rb2分压得到，说明Rb1与Rb2中的电流是相同的，基极电流IBQ被忽略了。因此， 要求Rb1与Rb2中的电流要比IBQ大得多。
第三小组：Re的值要大。当温度变化引起IEQ变化时，VEQ、VBEQ变化值就大，有利于使ICQ迅速减小。
第七小组：Rb1与Rb2的阻值不能太大。因为Rb1中的电流分成了两个：Rb2中的电流与IBQ；要是Rb2中电流太小与IBQ差不多，则VBQ就不能用Rb1与Rb2的分压来计算了。
第八小组： 我们认为，应把以上几个小组的结果集中起来，使电路同时满足以上几个条件。
其他几组基本和上面说的重复，不再列举了。
〖教师总结〗根据大家的分析，分压偏置式放大电路应满足的条件是：①Rb2中的电流要远远大于IBQ才能保证VBQ基本上由Rb1与Rb2分压得到；②要有发射电阻Re。
研究结果验证
◆理论计算验证：
〖教师引导〗既然分压偏置式电路有稳定工作点的作用，我们先做下计算。看看是不是与我们分析讨论的一样。于是，我给出电路元件参数，要求计算当β分别为50和100时的ICQ的值。最后，大家一致得出：ICQ没变。也就是温度变化，引起β变化时，静态工作点并没有随之改变。
◆实验验证：
〖教师引导〗这次我们进行了探究性学习，通过计算，表明分压偏置式放大电路当温度改变时，静态工作点没变，你们有没有兴趣到实验室去，通过实验来验证我们的研究结果是对的呢？一听说可以做实验，同学们的情绪立刻高涨起来，柳奎同学甚至跳了起来，并举起了双手，翘起了一只脚：“我举双手外加一只脚赞成”。
于是，我给每个小组分发了事先准备好的实验报告纸，要求每个小组要事先讨论好实验的方法步骤，设计好记录实验数据的表格；要求他们认真仔细观察、记录实验过程中所发生的所有现象，并分析实验现象产生的原因；要求做固定偏置式放大电路与分压偏置式放大电路，通过对两个电路中，当更换β不同的三极管后，电路的相关电流、电压的变化情况。我们确定利用晚自习时间去做。
最后，每个小组均得到了与我们研究的结果相一致的结论；其中柳奎同学所在的第七小组和刘小君同学所在的第六小组在实验中还发现当把电容Ce拿掉后，输出波形的幅度变小了，他们问我是什么原因。我告诉他们：拿掉Ce 后，由于Re引入了负反馈-----我们在下一章要探讨的内容，使放大器的放大倍数减小了。当时，刘小君表示下去要先去看看负反馈怎么有那么厉害。
个人总结论文，发表成果
〖教师引导〗我们的探究性学习活动，通过大家的共同努力，取得了很好的成果。现在，我们来系统整理一下我们的研究成果，每人写一篇自我总结评价，可以吗？“可以！”“写多少字呀？”字数不限，但要写出自已的真实情况。“么时候交？”二天，有同学说三天，最后确定三天。三天后，全班交来了四十篇自我总结评价。现摘抄几段：
★••••••我们组每个组员都发表了自己的意见，组员之间有什么问题都 提出来，内部讨论，虽说有时候解决方法不是很好，但这样也调动了每个人的积极性。我觉得这种学习方法挺好的，可以提高我们对电子这们学科的兴趣，组员间相互协作，加强了交流，增进了友谊，所以，我希望将这种活动长期进行下去。
★••••••通过分组讨论，我从中学到了很多知识，也认识到自己其实也能想出一些解决问题的方法，也能和别人一样发现一些问题。以前，我总以为自己各方面都比别人差，现在我再也不这样认为了，我对自己更有信心了，我相信，经过我的努力，我也能学好电子这门课。
★我认为这样学习是一种不错的方法，因为我们各自提出的一个问题，可以大家一起讨论，而得出一个正确的结果，可以使自己更加有信心，更加的主动去学习，思想更活跃。我自己通过这个活动，也知道了老师说的探究性学习是怎么一回事了。当然，有时，我们也聊几句天。嘻嘻，老师可别见怪哟！••••••
★••••••让我印象最深的是做实验时，我们组员间互相配合，有的在桌面上报告所需元件，有的则迅速准确选取元件供给摆电路图的同学，其余的也没闲着，有的调试波形，有的现场学习老师、同学的实验方法，大家各抒已见，使 实验有条不紊的进行。平时我们几爱说笑，让我意料之外的是大家也有这么认真的一面，当时那个紧张，忙碌的场面真的给了我很大的启发，“团结努力无事可惧”啊。
活动评价
◆学生自我评价
〖教师引导〗同学们，这次探究性学习活动基本上结束了，根据事先的约定，我们来对各个小组进行综合评比，评出活动进行得最好的两个小组。最后，第七小组和第四小组获得最佳活动小组。“耶！”这两个组欢声雷动。
个人活动评价表 姓名 涂晚梅
学到了电子知识20分 初步认识了探究性学习方法20分 与别人进行了协作学习20分 学到了一些实验技术10分 口头发表了自己的看法10分 按时交了个人评价10分 提出了学习开展的见议10分
20 15 20 6 10 10 5
◆师生共同评价
第一次开展探究性学习，老师和学生都有很多感触，它改变了以往一直沿袭的教学模式，改变了老师的教学观和学生的学习观，是一次课堂教学的改革，是值得深入开展的学习活动。为利于今后更进一步把研究性学习组织好，有必要对这次活动进行系统总结。
〖教师引导〗同学们，这次我们进行了探究性学习活动，这个活动是我们共同参与、共同组织的，让我们来一起对这个活动进行一个系统总结，好吗？我们是不是可以从以下几个方面进行总结？
⑴学生充分发挥了主动性没有，充分发挥了积极性没有？
⑵是不是全体学生参与了这个活动？
⑶老师在这个活动中是不是起到了引导学生学习的作用？
⑷这样的活动是不是有利于大家学习？同学们是不是真正学到了东西？
经过一会准备，同学们纷纷发言。同学们充分肯定了这次活动，也指出了其中的问题。
这次活动调动了绝大多数同学的积极性，绝大多人参与了学习与实验，连平时不怎么听课的同学的积极性都很高，兴趣很浓。
大多数同学学到了相关电子知识，学到了做实验的一些技能。
基本上知道了研究性学习的方法，培养了我们的科学精神和科学态度，达到了教学目的。
老师也充分发挥了引导作用，使我们的活动更能顺利进行。
但是，这次活动的时间太长，影响其他科的学习；有少数同学借此机会在一起聊天；这种活动以前没搞过，还不是很适应这样学习；有一部分同学的基础较差，在这个活动中还难以对发现的问题进行分析。
我也同意同学们的分析。从一个教师的角度，我还必须进行教学反思。
教学反思
这次研究性学习，比较充分调动了学生的学习积极性，发挥了学生的主体、教师的主导作用，与以往相比，学生的学习热情高、兴趣大、探究的气氛浓，学生接触的知识面也广。
同时，这次活动中，分层教学思想也得到了体现。中等专业学校的学生整体基础比较差，加上对电子技术这门课是初次接触，学生的学习成绩参差不齐，普遍感到学习有较大难度，有一部分学生平时很少学习电子知识。而在这次活动中，绝大多数学生能积极参与，主动探究，能对相关问题展开进一步的深入讨论，对电子技术这门课产生了兴趣，同时增了师生友谊，拉近了师生的距离。师生之间情感的加深，有利于学习智力的发展。
在这次活动中，教师的角色意思得到了转换。过去是由教师讲得多，学生听得多，学生自己主动学得少，结果学生大多只是跟着老师学，不能做到自己学习。但这次活动，使学生成了学习的主人，老师成了学生学习的服务者，是学生学习方法的引导者，这样一来，提升了学生的人格，培养了学生学会主动学习、主动探究、主动获取知识的能力，这正是素质教育对我们教育教学提出的要求。
当然，这次研究性学习持续时间长，师生在课堂内外花的精力较多，对其他学科有影响。同时，由于学生基础参差不齐，有个别学生不能很好地参与到活动中来；有少数学生对探究活动认识不足，认为浪费了时间。
我认为，研究性学习方法，有很多优点，而由于目前的教育现状和职校学生的实际，需要我们在今后的教育教学中结合具体问题，适当地开展探索，以求更好地推进素质教育。
