文／王治平
最近台積電很紅，幾乎榮登年輕人就業的第一選項，這邊當然不是要談台積電，只是破個題要來吸引讀者的注意而已。先前兩篇真空管的文章，算是介紹了現代實用電子學的序幕，電子學後續的蓬勃發展，並且主宰你我的日常生活，個人覺得真空管實在功不可沒，雖然真空管早已退出實用電子學應用的範疇，但其直覺與高容錯的特質，其實是很適合在電子電路教學的現場中使用，以下主要是談真空管為何值得重新回到工程教育的場域。當然筆者必須再次強調，本身只是一位喜歡玩真空管音響的 DIYer，不是電子專業領域的教師，因此有些教育理念或許並不見容於電子科系的教學現場，僅是分享個人從事工程科系教育多年，思考如何將課堂裡跳躍式的課程安排，做一些工程古今發展歷史的連結。
電子學說起來算是門很玄的學科，開始應用於普羅大眾生活中也是20世紀中葉左右的事，遠比機械式器械晚許多。有關電流如何在元件中傳來傳去？它又是走哪條路徑？其實大多數的時候是看不到的，通常只有被電到時會驚叫一聲（如果還可以叫的話）。然而隨著科技迅速發展，現代的電子產品幾乎是由積體電路主導，原本應該是由為數眾多的零件，例如電阻、電容、二極體、電晶體等等組成的線路，都化身成為一個個整合的晶片，拿到手上看到的只是帶有一根根接腳的超小黑盒子，以及晶片的資料說明書（datasheet），實際的電路已經是離大家越來越遠。常用的晶片線路甚至還有所謂的公版電路板，只要提供線路所需的輸入電壓，就可以獲得所需的功能。這些演變對於大量快速生產與實際應用而言，的確是非常方便且符合大眾的需求，絕對是必然的發展結果。
回到電子電路的教學現場，從國中的歐姆定理開始，教學主要是以訓練解題能力為主，介紹完基本理論後，接著就是要精確地計算出電壓、電流的大小，但線路是課本跟老師給的，通常也不知這樣的線路實際上要用於何處？教學過程大多還會配合一些電子學實作，按照菜單式的實驗步驟，一般是會產生可預期的結果，要不然就是接錯線了，如果實在找不到錯誤的地方，那就只好請老師處理。進入高中或是一般非電子科系的大學，電路學只是線路更複雜一些，然後一樣是要求精確的計算，通常跟日常生活所需的連結不多，高職電子科會談到比較多的應用，但主要還是以升學解題為導向。到這邊，求學過程中電子電路學大概就完成了。
從上面的教學過程中，可以看到教學現場大多以解題、升學為主，甚少談到線路的設計發想，也就是依照自己的需求來設計達成目標的電路。菜單式的實驗大多也是較為簡單的線路，進階版或許會使用到晶體放大元件，但整個過程還是很難跟電壓電流產生直接的對談，頂多藉由三用電錶量一量每個點的電壓是否正確。這與原本在物理學所說的電能、能階、熱放電等等，很難在現代的電子元件中有所體現。真空管則不同，完全是依循電子能階的概念，一根真空管大致分為三個部分，燈絲（陰極）、閘極、屏極，作動原理是當容易釋放電子的金屬材質（燈絲或是陰極）被加熱（施予外部能量），電子便被釋放出來，由於屏極是帶正電的板子，所以這些被釋放出來的電子（負電）便會被正電極所吸引，朝著屏極奔去，而位於陰極與屏極中間的閘極，便是可控制奔向屏極電子數量的關卡，一般就是利用閘極的開大開小（直接連接原本的小訊號波形）來達到維持原本訊號的波形下，訊號被被放大的原理（波高變大），進而進行電路的控制。因此原本的物理學的熱放電原理，完全實現在真實生活應用中，想想每當燈絲點亮，電子流湧出，閘極（可類比水龍頭）控制流量，這是多麼直覺的體驗！加上真空管是個不太精確電子元件，反正就是電壓、電流在真實世界中求取一個平衡點，因此容錯率也非常高，頂多是達不到原本的設計值，燒毀的機率不是太高，不像現在的晶片，講求點點精確，稍不小心就是東燒西燒，比較沒有一邊除錯一般修正設計的空間，這對初學電路設計的學生而言，是蠻有挫折感的。
每隻真空管都有其特徵曲線，也就是每隻真空管在設計時在不同的屏極電壓、閘極偏壓情況下有對應的管內電流量，並定義出該真空管的放大倍率以及其他特徵。現在只要在網路瀏覽器輸入管子型號（例如 12AU7 tube data），就可以找到該真空管的特徵曲線，依此特徵曲線，搭配簡單的歐姆定理，功能原理，便可著手設計自己的放大電路或是真空管音響，因此整個過程非常直覺，用到的也只是電學最基本的定理而已，雖然過程依然是計算電壓、電流等電路基本物理量，但卻可實現電路設計的基本訓練，也是現今頗流行的目標導向的學習方式。真空管從二十世紀初被發明以來，即便重要性日益漸減，但目前依然有便宜的真空管持續生產中，因此學習成本並不高，而且真空管只要不刻意破壞，是可非常長久使用的電子元件，也算是相當環保的物件。相信在一盞盞真空管亮起的同時，每個學子的眼睛也能為之一亮，除了內心充滿自我實現的成就感外，也與遠古的電子工程發展史起了奇妙的連結。