簡易激光琴制作項目

項目簡述

本項目的主題是通過使用面包板、Arduino UNO R3開發板、光敏電阻、小揚聲器等零件，制作一個簡易激光琴。其原理是：當激光直射光敏電阻時，光敏電阻阻值變小，從而激活揚聲器，發出特定音階的樂音。本項目旨在培養學生解決問題和動手實踐的能力。

項目背景

2017年10月，中國科學技術館2017年中國流動科技館在益陽市安化縣舉行了一次科技展覽。我帶領益陽市安化縣長塘鎮克明學校“小創客”社團的部分學生去參觀了展覽。展覽中，學生覺得激光琴（如圖1）很有意思，一個個爭著去“彈奏”。“小創客”社團的學生大多學習過機器人課程，對無弦激光琴的原理有一定了解，但要制作無弦激光琴還存在一定的難度。我覺得這個方向很好，可以做成一個研究項目。于是，我利用課余時間帶領學生開動腦筋、收集信息、準備材料，自己動手制作一個簡易的激光琴。

項目目標

一、知識與技能：了解光敏電阻的工作原理；學習使用面包板搭接簡單的電路；通過使用mBlock軟件編寫程序，設置Arduino開發板控制揚聲器發聲。

二、過程與方法：通過網絡搜索資料、查找范例、學習制作方法，初步確定設計方案；通過小組合作，調整結構設計與程序設計，解決問題，實現項目目標。

三、情感態度與價值觀：通過項目學習，培養數字化生存能力；通過動手實踐，體驗制作之樂和創造之趣。

項目研究過程

一、研讀展示說明，獲取關鍵信息

設計目的：讓學生閱讀關鍵信息，從整體上把握項目要求、原理和注意事項。

我向學生展示了參觀時所拍攝的展品說明文字的圖片，讓他們將原文輸入到Word文檔中，仔細研讀：

試一試：撥動“琴弦”，聆聽美妙的音樂。

想一想：為什么無弦激光琴能發聲呢？

在無弦琴上方有多個激光器，下方對應處裝有光電接收器，當撥動激光“琴弦”時，手指就遮住了這束激光，觸發了相應的光電傳感器，使音響系統發出對應的樂音。連續撥動“琴弦”，就可以聽到美妙的琴聲。激光光束發散度極小，亮度極高，單色性極好，能量集中，在工業、農業、醫療、通信以及軍事和生活等領域有廣泛的應用。

溫馨提示：眼睛不要正對激光，以防灼傷。

二、查閱相關資料，獲取借鑒案例

設計目的：培養學生從網絡中檢索到有價值的信息資源的自主能力。

在瀏覽器中進入百度搜索，輸入關鍵詞“激光琴”，搜索到855000個相關結果。通過對前幾頁有價值的信息進行分析瀏覽，選擇了以下兩篇文章。

參考案例1：百度貼吧的《自制激光琴成功》，鏈接：http：//tieba.baidu.com/p/4515056042

由文中的圖片（如圖2）可知，該激光琴由PCB板、單片機系統、光敏電阻、激光器構成。

文后有網友的精彩評論：看起來容易，做起來難。光固定元器件就是一件不容易的事。

啟發：這條帖子提供的激光琴的照片結構完整，各個部件布局合理，很有參考價值。缺點是仿制難度比較大，焊接工作量大，質量難以保證。

參考案例2：百度文庫中《激光琴研究與探索》，鏈接：https：//wenku.baidu.com/view/cd96b08ab1

4e852458fb57a7.html

特點：該論文詳細描述了激光琴的工作原理和部件組成。

啟發：該論文中的控制器是51單片機，我們創客空間只學習了Arduino單片機。為了使用圖形化編程系統，降低難度，我們制作時采用Arduino UNO R3開發板。

通過查閱資料，我們對激光琴的基本原理、構造與部件有了基本的了解。

三、原理機制分析與匹配設備查找

設計目的：通過小組討論的方式，引導學生科學地分析問題，探討解決問題的可行性方案，并進行驗證。

功能分析：無弦激光琴的演奏原理具體可以分解為以下方面。

1.信息輸入——激光的有與無。

2.信息接收——光敏電阻受光照影響產生阻值的變化。

3.信息處理與控制——微型計算機處理系統。

4.信息輸出——將處理器處理后的電信號轉化為樂音。

為了實現上述功能，需要相關的物理組件，但是展品上的說明沒有進行具體標號與說明，只能在分析各組件的功能后自己去匹配。因為目的只是演示相關的功能原理，所以不必與展品完全一致，或者說根據功能描述重新設計一套可實現的制作文案。

信息輸入設備——使用激光器（圖3）。

信息接收設備——使用光敏電阻（圖4）。

信息處理與控制——使用Arduino UNO R3（圖5）。

信息輸出——使用8歐0.5W的小喇叭（圖6）。

項目制作中的問題與解決方案

一、結構設計

在制作過程中，我們發現參考案例1中的龍門架式的支架制作起來比較困難，需要將光敏電阻與激光發射器精準對齊，要求比較高。然后開始設想使用木條結構，由于缺少打孔的工具，否定了這個方案；后來又想到了使用3D打印支架結構，但學校創客空間的3D打印機精度低，打印的支架不實用，于是也否定這個方案。最后，我們干脆放棄龍門架結構，只使用面包板固定光敏電阻，使用教學用的手執激光筆來作為激光發射器，這個方案能更方便地制作出演示激光琴原理裝置，但是成品將不能體驗撥弦的動作。電池、喇叭、面包板和Arduino板都使用魔術貼固定在透明的PVC盒子里，方便移動展示。最終結構如圖7。

二、功能設計

在參考案例2中，設計的激光管和光敏電阻是8對，可是Arduino UNO R3板只有6個A0-A5模擬輸出接口。因為本項目主要是演示原理，所以對光敏電阻進行了精簡，并對應編程設置出Do、Re、Mi、Fa、So五個音階，當激光筆照射到光敏電阻上就激發對應音階的樂音。

三、程序設計

程序采用mBlock積木式編程工具進行編程，代碼如圖8。

小結與反思

一、學生的小結與反思

經過多次努力和不斷完善，終于把一個簡易的激光琴做好了。由于各方面的原因，這個激光琴與案例1、案例2及在流動科技館中看到的激光琴有區別，但是基本原理是一樣的，也能通過移動激光筆照射不同的光敏電阻來激發聲音。要想做出功能更完善的激光琴，還需要掌握更多的機械、電子、工程、設計等方面的知識與技能。這個活動讓我們真正體會到了什么是知易行難：把一個想法物化出來需要很多跨學科的知識與技能，在今后的創客教育課程中要更努力、更認真地學習。

二、教師的小結與反思

通過案例談談對中小學創客教育的幾點體會。

1.創客教育要講好一個故事

首先是題材新穎，有創意。知之者不如好之者，好之者不如樂之者。創客教育選擇的項目要能吸引學生并有教育價值，比如航模、車模、海模、剪紙、陶藝、機器人制作等活動。

然后是情節要緊湊，可操作性強。創客實踐項目要大小適當，跨學科，知識與技能的數量和難度在可接受和可操作范圍內。在教育部近期發布的綜合實踐活動指導綱要中，推薦的活動有很多都非常適合作為創客教育的項目。

最后是結局完美，能達成項目最終目標。任務目標設計如同跳一跳就能摘得到的桃子，雖然有一定的難度，但是集中各種資源、綜合各種能力最終能解決問題，并且在目標達成的過程中培養學生的創新能力和實踐能力。

如果開展一項創客教育活動后，學生樂于談論學習經歷，甚至迫切地希望展示自己的成果，那么本次創客教育的故事就講好了。

2.創客教育是一種新型學習模式

“做中學”“在制造中學”“基于問題的學習”“基于項目的學習”“基于設計的學習”“情景學習”等學習方式，都是創客教育實施的方式。創客教育是學會高效學習并學習解決問題的跨學科的教育形式。跨界是其明顯的特征，因此各科教師可以大膽跨界，做一個教育創客，激發教育教學的活力。

3.創客教育的目的——激發創新意識，培養實踐能力

創客教育與傳統教育模式并不沖突，而是很好地補充了傳統的分科教育。創客教育并非只是為了傳授將來從事某些工作的知識與技能的教學，而是在于激發創新意識和培養實踐能力。